CN107449030A - 一种基于Q‑τ曲线住宅供暖末端容量确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于Q‑τ曲线住宅供暖末端容量确定方法，包括：根据住宅目标建筑、围护结构热工参数、室外气象参数和内扰模式及无因次供暖时长τ，利用非稳态建筑模拟软件计算出整个供暖季单位面积逐时供暖负荷；根据供暖季日平均温度不保证5天计算不保证小时数，确定设计日及其供暖设计负荷Q；无预热时，直接画出Q‑τ曲线图；有预热时，再次向非稳态建筑模拟软件中输入不同预热时间和预热温度，根据已定的设计日得到对应有预热的供暖设计负荷Q，画出有预热的Q‑τ曲线，构建Q‑τ曲线簇；设计者根据用户需求，依据Q‑τ曲线簇，可分别确定有无预热情况的末端容量。该方法有效克服目前住宅供暖末端容量选择存在的主要局限性，可以实现对分室分时供暖末端容量进行合理地选取，避免设备容量过大或过小的问题。
Description
技术领域
本发明属于供热工程中住宅建筑供暖技术领域，具体涉及一种基于Q-τ曲线住宅供暖末端容量确定方法。
背景技术
住宅供暖末端容量大小的合理选择是保证住宅供暖良好效果及供暖系统经济性的重要环节。若对住宅供暖末端容量选择不当，则在末端容量选择过大时，供暖能力远远超出供暖负荷所需，造成初投资成本的浪费；在末端容量选择过小时，供暖能力达不到供暖负荷所需，造成室内温度达不到设计要求，从而影响室内热舒适。为避免上述不利情况发生，必须对住宅供暖末端容量进行合理确定。
目前住宅供暖末端容量确定主要是稳态计算方法，这是一种简略算法，主要将室内外温差作为恒定值计算，忽略太阳辐射、内扰以及建筑蓄热性，并将其作为安全量。稳态算法的简化条件在供暖时间上和空间上是连续，主要适用于我国北方集中连续供暖系统。而在我国南方的夏热冬冷地区，分室分时非连续供暖作为其主流的供暖模式，稳态算法是无法计算其在时间维度上的不连续所造成的影响，因此稳态法的计算结果会产生较大偏差。
分室分时非连续供暖会带来蓄放热等问题，稳态算法是无法计算的。分室分时供暖需求是多种多样的，而通过非稳态算法计算，又面临着多样的分室分时模式对应的末端容量该如何选取的问题。因此，亟待提出一种基于Q-τ曲线住宅供暖末端容量确定方法解决上述问题。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种解决住宅供暖分室分时模式下供暖末端容量的选取问题的基于Q-τ曲线住宅供暖末端容量确定方法。根据方法所确定末端容量，可以合理选取分室分时的供暖末端容量大小，避免设备容量过大或过小的问题。
为了有效克服目前住宅供暖末端容量选择存在的主要局限性，从现在应用的角度，提出了一种基于Q-τ曲线住宅供暖末端容量确定方法，包括：(1)物理模型建立；(2)分室分时模式下非稳态算法供暖设计负荷确定；(3)基于构建的Q-τ曲线簇确定末端容量。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种基于Q-τ曲线住宅供暖末端容量确定方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤1：在非稳态建筑模拟软件中输入住宅目标建筑、室外气象参数、围护结构热工参数、内扰模型和无因次供暖时长τ，确定整个供暖季单位面积逐时供暖负荷；
步骤2：根据供暖季日平均温度不保证5天计算不保证小时数，以不保证小时数确定设计日以及供暖设计负荷Q；
步骤3：判断有无预热，当无预热时，直接绘制无预热的Q-τ曲线；
步骤4：当判断有预热时，绘制有预热的Q-τ曲线，并重复步骤1-3，在非稳态建筑模拟软件中继续输入不同的预热时间和预热温度，直至绘制出对应该不同的预热时间和预热温度的无预热和有预热的Q-τ曲线；
步骤5：基于构建的无预热和有预热的Q-τ曲线簇，设计者根据不同用户的需求，确定有无预热情况的末端容量。
进一步，所述步骤1中，确定供暖季单位面积逐时供暖负荷包括下述过程：
1a)建立建筑模型：
在非稳态模拟软件中输入住宅目标建筑；
1b)输入室外气象参数：
确定所在城市即确定了气象条件；
1c)输入围护结构热工参数：
将外墙、外窗、屋面和内墙围护结构热工参数输入软件；
1d)确定内扰模型和无因次供暖时长τ：
由供暖需求模式确定无因次供暖时长τ，利用非稳态建筑模拟软件计算供暖季的单位面积逐时供暖负荷。
进一步，确定无因次供暖时长τ的公式(1)如下：
式中，Fi为各房间供暖面积，τi该房间供暖时长，F为整户供暖面积。
进一步，所述步骤2中，计算供暖设计负荷Q的过程如下：
2a)根据供暖季日平均温度不保证5天计算不保证小时数i，利用Excel表格将供暖季逐时供暖负荷由高到低排列，找到第i+1大的逐时供暖负荷Qi+1，即为对应的参考负荷值；
2b)利用统计方法确定出供暖季的日最大逐时供暖负荷；
2c)将日最大逐时供暖负荷由高到低排序；将日最大逐时供暖负荷中与Qi+1最接近的负荷值作为供暖设计负荷Q，并将所在的那一日作为设计日。
进一步，所述的步骤4中，计算预热后的供暖单位面积逐时供暖负荷方法，需分别设定1h、2h、3h的预热时间，在不同的预热时间内分别设定18、19℃的预热温度。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明采用了物理对象参数描述及分室分时供暖需求定量表征。在非稳态建筑模拟软件中输入住宅目标建筑、室外气象参数、围护结构热工参数、内扰模型和无因次供暖时长τ。该步骤是针对分室分时供暖需求，提出了无因次供暖时长τ的定义式来定量刻画空间上和时间上均不连续的供暖需求特性，而现有方法没有考虑这种表征。
(2)本发明确定了不同供暖需求模式下供暖负荷及构建Q-τ曲线簇。基于所建立的模型通过非稳态建筑模拟软件算出整个供暖季单位面积逐时供暖负荷；再根据供暖季日平均温度不保证5天计算不保证小时数，以不保证小时数确定设计日以及供暖设计负荷Q；判断无预热时，依据确定的供暖设计负荷可直接画出Q-τ曲线；有预热时，在非稳态建筑模拟软件中继续输入不同的预热时间和预热温度，得到有预热的供暖季单位面积逐时供暖负荷，根据设计日找到对应的有预热的供暖设计负荷Q，画出有预热的Q-τ曲线；最后，构建Q-τ曲线簇。该步骤针对分室分时供暖需求的非稳态特性及供暖运行开始阶段存在着蓄冷负荷，提出了针对不同供暖需求模式下的供暖负荷确定计算流程，且构建了方便工程设计应用的无预热和有预热的Q-τ曲线簇，而现有方法没有考虑上述两因素。
(3)供暖末端容量确定。设计者根据不同用户的需求，依据Q-τ曲线簇，确定有无预热情况的末端容量。该步骤依据Q-τ曲线簇，在进行供暖末端容量确定时，可以实现末端选择初投资与供暖费用节省上的权衡，体现以满足用户实际需求为引导的设计想法，而现有方法没有此功能。
综上，本发明方法首先考虑了分室分时供暖需求的多样性，提出了定量化的无因次供暖时长的表征指标，使问题求解更具有普遍性；其次，考虑了在分室分时供暖需求下的围护结构非稳态蓄放热因素，建立了不同供暖需求模式下供暖负荷计算流程及构建了Q-τ曲线簇，克服了现有稳态方法无法考虑非稳态蓄放热对供暖负荷的影响；最后，考虑了在供暖开始阶段蓄冷负荷对末端容量选择的影响作用，采用了设定预热时间和预热温度的方法，可以实现对末端容量的有效降低，且设计者可为用户提供更多末端容量的选择方案。因此，该方法能够有效克服目前住宅供暖末端容量选择存在的主要局限性，可以实现对分室分时供暖末端容量进行合理地选取。
附图说明
图1为本发明进行末端容量确定的技术路线图；
图2为实施例计算住宅目标建筑平面图；
图3(a)和图3(b)分别为实施例灯光和设备启停示意图；
图4为实施例长沙住宅目标建的Q-τ曲线簇。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。
参照附图1所示，对本发明提出的基于Q-τ曲线住宅供暖末端容量确定方法的具体实施步骤说明如下：
步骤1：在非稳态建筑模拟软件中输入住宅目标建筑、室外气象参数、围护结构热工参数、内扰模型和无因次供暖时长τ，确定整个供暖季单位面积逐时供暖负荷；
确定供暖季单位面积逐时供暖负荷包括下述过程：
1a)建立建筑模型：
在非稳态模拟软件中输入住宅目标建筑；
1b)输入室外气象参数：
确定所在城市即确定了气象条件；
1c)输入围护结构热工参数：
将外墙、外窗、屋面和内墙等围护结构热工参数输入软件；
1d)确定内扰模型和无因次供暖时长τ：
由供暖需求模式可以确定无因次供暖时长τ，利用非稳态建筑模拟软件计算供暖季的单位面积逐时供暖负荷。其中，确定无因次供暖时长τ的公式(1)如下：
式中Fi为各房间供暖面积，τi该房间供暖时长，F为整户供暖面积。
参数输入后利用软件可计算供暖季单位面积逐时供暖负荷。
步骤2：根据供暖季日平均温度不保证5天计算不保证小时数，以不保证小时数确定设计日以及供暖设计负荷Q；
确定设计日和计算供暖设计负荷Q的过程如下：
2a)根据供暖季日平均温度不保证5天计算不保证小时数i，通过统计方法将供暖季逐时供暖负荷由高到低排列，找到第i+1大的逐时供暖负荷Qi+1，即为对应的参考负荷值；
2b)利用统计方法确定供暖季日最大逐时供暖负荷；
2c)将日最大逐时供暖负荷由高到低排序；将日最大逐时供暖负荷中与Qi+1最接近的负荷值作为供暖设计负荷Q，并将所在的那一日作为设计日。
步骤3：判断有无预热，当无预热时，直接绘制出无预热的Q-τ曲线；
步骤4：当判断有预热时，绘制有预热的Q-τ曲线，并重复步骤1-3，在非稳态建筑模拟软件中继续输入不同的预热时间和预热温度，算出预热的供暖季单位面积逐时供暖负荷；根据设计日确定有预热的供暖设计负荷Q，绘制出有预热的Q-τ曲线；
计算预热后的供暖单位面积逐时供暖负荷方法，需分别设定1h、2h、3h的预热时间，在不同的预热时间内分别设定18、19℃的预热温度。
步骤5：基于构建的无预热和有预热的Q-τ曲线簇，设计者根据不同用户的需求，确定有无预热情况的末端容量。具体做法是：若用户偏好运行节能，则设计者依据无预热Q-τ曲线，确定末端容量；若用户偏好末端投资较小，则设计者依据有预热Q-τ曲线，确定末端容量。
下面给出具体实施例来进一步说明本发明效果。
实施例：
本实施例目标建筑为在我国夏热冬冷地区位于长沙的一栋多层住宅，共7层，层高2.7m，窗墙比为0.4。建筑平面图见图2。每层建筑面积336m2，每层4户，户型3室1厅，以西面中间层的一户为计算对象。
居民活动集中在客厅和卧室，因此仅客厅和卧室设有供暖，其他房间均为不供暖房间，设定供暖温度20℃，供暖季按11月15日～2月15日计算，共92天。假设房间门窗处于紧闭，则通风全天按换气次数1h-1。
步骤1：在非稳态建筑模拟软件中输入住宅目标建筑、室外气象参数、围护结构热工参数、内扰模型和无因次供暖时长τ，算出整个供暖季单位面积逐时供暖负荷；
计算供暖季单位面积逐时供暖负荷包括下述过程：
1a)建立建筑模型：在非稳态模拟软件DeST中建立图2所示的住宅目标建筑模型；
1b)输入室外气象参数：将城市设定为长沙；
1c)输入围护结构热工参数：见表1。
表1围护结构热工参数
1d)确定内扰模型和无因次供暖时长τ：
客厅使用面积30.5m2，卧室使用面积14m2；客厅照明最大功率40W，卧室照明最大功率32W，电热转换效率90％；卧室和客厅设备最大发热量4.3W/m2。灯光和设备启停见图3(a)和图3(b)所示。
不同的家庭模式其作息规律不同，住宅人员的按职业分布主要有上班族、离退休人员、学生。供暖模式分为全室全时和分室分时两种，分室分时模式按家庭成员类型分为三种模式。常见的供暖模式对应的无因次供暖时长τ见表2。
表2无因次供暖时长τ
步骤2：根据供暖季日平均温度不保证5天计算不保证小时数，以不保证小时数确定设计日以及供暖设计负荷Q；
2a)根据供暖季日平均温度不保证5天计算不保证小时数242，利用统计方法将供暖季逐时供暖负荷由高到低排列，找到第243大的逐时供暖负荷Q243，即为对应的参考负荷值；
2b)利用统计方法确定供暖季日最大逐时供暖负荷；
2c)将日最大逐时供暖负荷由高到低排序；将日最大逐时供暖负荷中与Q243最接近的负荷值作为供暖设计负荷Q，并将所在的那一日作为设计日，结果表3。
表3不同无因次供暖时长下供暖设计负荷(W/m2)
步骤3：判断有无预热，无预热时，直接画出无预热的Q-τ曲线；每个无因次供暖时长τ对应一个供暖设计负荷Q，可拟合成一条指数函数单调递减的曲线，见图4。
步骤4：当判断有预热时，在非稳态建筑模拟软件中继续输入预热时间分别为1h、2h、3h且预热温度为18℃的预热情况，算出预热的供暖季单位面积逐时供暖负荷；根据设计日确定有预热的供暖设计负荷Q，见表4；画出有预热的Q-τ曲线，见图4；
表4预热18℃后供暖设计负荷(W/m2)
步骤5：基于构建的Q-τ曲线簇，设计者根据不同用户的需求，确定有无预热情况的末端容量。具体做法是：若用户偏好运行节能，则设计者依据无预热Q-τ曲线，确定末端容量；若用户偏好末端投资较小，则设计者依据有预热Q-τ曲线，确定末端容量。例如，当无因次供暖时长τ＝0.112时，未预热情况下的Q-τ曲线供暖设计负荷Q为88.51W/m2；在预热温度为18℃、预热3h的情况下的Q-τ曲线供暖设计负荷Q为67.80W/m2，供暖设计负荷Q降低了20.71W/m2，几乎降低了未预热供暖设计负荷值的1/4。所以，设计者可以依据用户对初投资或者运行费用的要求来选择有无预热的供暖运行策略，确定合理的末端容量。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种基于Q-τ曲线住宅供暖末端容量确定方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤1：在非稳态建筑模拟软件中输入住宅目标建筑、室外气象参数、围护结构热工参数、内扰模型和无因次供暖时长τ，确定整个供暖季单位面积逐时供暖负荷；
步骤2：根据供暖季日平均温度不保证5天计算不保证小时数，以不保证小时数确定设计日以及供暖设计负荷Q；
步骤3：判断有无预热，当无预热时，直接绘制无预热的Q-τ曲线；
步骤4：当判断有预热时，绘制有预热的Q-τ曲线，并重复步骤1-3，在非稳态建筑模拟软件中继续输入不同的预热时间和预热温度，直至绘制出对应该不同的预热时间和预热温度的无预热和有预热的Q-τ曲线；
步骤5：基于构建的无预热和有预热的Q-τ曲线簇，设计者根据不同用户的需求，确定有无预热情况的末端容量。
2.根据权利要求1所述的一种基于Q-τ曲线住宅供暖末端容量确定方法，其特征在于，所述步骤1中，确定供暖季单位面积逐时供暖负荷包括下述过程：
1a)建立建筑模型：
在非稳态模拟软件中输入住宅目标建筑；
1b)输入室外气象参数：
确定所在城市即确定了气象条件；
1c)输入围护结构热工参数：
将外墙、外窗、屋面和内墙围护结构热工参数输入软件；
1d)确定内扰模型和无因次供暖时长τ：
由供暖需求模式确定无因次供暖时长τ，利用非稳态建筑模拟软件计算供暖季的单位面积逐时供暖负荷。
3.根据权利要求2所述的一种基于Q-τ曲线住宅供暖末端容量确定方法，其特征在于，确定无因次供暖时长τ的公式(1)如下：
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<mi>&tau;</mi>
<mo>=</mo>
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</mrow>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中，Fi为各房间供暖面积，τi该房间供暖时长，F为整户供暖面积。
4.根据权利要求1所述的一种基于Q-τ曲线住宅供暖末端容量确定方法，其特征在于，所述步骤2中，计算供暖设计负荷Q的过程如下：
2a)根据供暖季日平均温度不保证5天计算不保证小时数i，利用Excel表格将供暖季逐时供暖负荷由高到低排列，找到第i+1大的逐时供暖负荷Qi+1，即为对应的参考负荷值；
2b)利用统计方法确定出供暖季的日最大逐时供暖负荷；
2c)将日最大逐时供暖负荷由高到低排序；将日最大逐时供暖负荷中与Qi+1最接近的负荷值作为供暖设计负荷Q，并将所在的那一日作为设计日。
5.根据权利要求1所述的一种基于Q-τ曲线住宅供暖末端容量确定方法，其特征在于，所述的步骤4中，计算预热后的供暖单位面积逐时供暖负荷方法，需分别设定1h、2h、3h的预热时间，在不同的预热时间内分别设定18、19℃的预热温度。
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