CN113685893B - 一种用于供热系统质调节的加权外温的确定方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于供热系统质调节的加权外温的确定方法，属于能源利用的工程领域。本发明在分析确定当前时刻房间室温与当前及之前历史时刻外温线性关系的基础上，应用建筑热环境模拟分析软件计算全年逐时室温，并与外温构成统计样本数据组，进而通过多元线性回归的统计方法定量分析室温与外温的线性关系，确定与当前及之前历史时刻各外温相对应的加权系数，由此构建一套加权外温的分析确定方法。该方法以加权外温的形式反映出当前及之前历史时刻外温对当前室内温度环境的共同影响，体现出建筑围护结构热惯性作用下外温影响的衰减和延迟特性。基于此可合理调节供水温度，以对外温等扰量的影响做出相匹配的补偿。同时本专利可操作性强，应用流程和步骤清晰。

Description

一种用于供热系统质调节的加权外温的确定方法
技术领域
本发明涉及一种用于供热系统质调节的加权外温的确定方法，属于能源利用的工程领域。
背景技术
建筑热负荷随室外温度动态变化。对此，为保证热源端热量供给与建筑用户端热量需求的相互平衡，避免对用户端“过量供热”而导致的不必要能源消耗，需对供热系统的热量供给采取调节措施，以实现按需供热。运行调节是确保供热系统安全、稳定和经济运行的关键环节。质调节是最常用的供热系统调节方式，是指保持供热系统的供水流量不变，而通过改变供水温度来保证供热需求的调节方式。
气候补偿技术是在我国应用最广泛的供热质调节方法，20世纪90年代就已经开始应用。气候补偿器是调节热源出力与用户端热量需求相互平衡的设备，该设备的基本工作原理是根据室外温度调节热源出力，从而将系统二次管网出口的供水温度控制在合理的范围内，以满足用户端的热量需求，实现热量的供需平衡。然而，实际应用中气候补偿器并不能恰好满足用户端的热量需求，过量供热现象依然存在。究其原因，主要在于气候补偿器是基于稳态传热的原理，对室外温度变化所产生的影响进行线性补偿。然而，由于建筑围护结构热惯性的作用，室外温度对室温的影响表现出衰减和延迟特性，也即室温随外温并非呈现出线性变化。缺乏对外温影响衰减和延迟特性的合理反映，会导致对室内温度的估计存在偏差，相应无法对外温变化做到合理的补偿。
因此，对供热系统供水温度的质调节，不应只对如外温当前时刻的变化进行补偿，还需考虑围护结构热惯性作用下外温影响的衰减和延迟特性，同时补偿当前时刻及之前历史时刻外温对当前时刻室温的影响，由此避免对室内温度不合理的估计，进而保证热源端热量供给与用户端热量需求的相一致，即实现热量的“供需平衡”。
发明内容
本发明的目的在于：考虑建筑围护结构热惯性作用下外温影响的衰减和延迟特性，构建房间室温与当前时刻及之前历史时刻外温相互关系的数学模型，再应用建筑热环境模拟软件DeST计算获得房间全年的逐时室温，进一步与逐时外温构成统计样本数据组，进而应用多元线性回归的统计分析方法计算确定当前及之前历史时刻外温对应的加权系数，由此构建一套加权外温的分析确定方法。该方法以外温的加权形式反映出当前及之前历史时刻外温对当前室内温度环境的共同影响，体现出建筑围护结构热惯性作用下外温影响的衰减和延迟特性。为达到发明目的，本发明采用一种用于供热系统质调节的加权外温的确定方法，所述方法包含以下步骤：
(1)房间室温的模拟计算
针对某建筑研究对象，考虑只有外温作用的情况，应用建筑热环境模拟软件DeST进行外温作用下房间室温全年的逐时模拟计算，并与逐时外温构成统计样本数据组，
(2)室温随外温的变化分析
根据《建筑环境系统模拟分析方法-DeST》中公式(2-30)和(2-35)，得到房间逐时室温与逐时外温的相互关系如下：
Δt(τ)＝∑iΔti(τ) (1.1)
Figure BDA0003187438660000021
式中，i为房间热特性和热反应系数的序号；λi为房间热特性系数；
Figure BDA0003187438660000022
是外温作用于房间的热反应系数；ut为外温，℃；Δt为房间室温，℃；Δti为对应于各个特征系数的房间室温的分解分量，℃；τ为时间，h；Δτ为时间间隔，在此为1h；
Figure BDA0003187438660000023
公式(1.2)表示出当前时刻室温分量与前一时刻室温分量、当前时刻和前一时刻外温的相互关系，以此类推，可得到前一时刻室温分量与之前两个时刻室温分量、前一时刻和之前两个时刻外温的相互关系，之前两个时刻室温分量与之前三个时刻室温分量、之前两个时刻和之前三个时刻外温的相互关系，……，以及之前n-1时刻的室温分量与之前n时刻室温分量、之前n-1时刻和之前n时刻外温的相互关系，具体如公式(2.1)～(2.n-1)所示，
Figure BDA0003187438660000031
将公式(2.1)～(2.n-1)中各个时刻的室温分量依次顺序代入公式(1.2)，并进行合并同类项，得公式(3)，
Figure BDA0003187438660000032
房间热特性系数λi为小于0的常数，这使得n数量足够大时，
Figure BDA0003187438660000033
将趋于0，当
Figure BDA0003187438660000034
小于0.01时，认为去除公式(3)右侧的
Figure BDA0003187438660000035
项仍可满足计算精度要求，这表示历史时刻距离当前时刻足够长时，可以忽略外温的历史状态对当前时刻室温的影响，进而公式(3)简化为房间室温的当前分量Δti(τ)与各个时刻的外温ut(τ)，ut(τ-Δτ)，ut(τ-2Δτ)，……ut(τ-(n-1)Δτ)的线性关系，
再依据公式(1.1)，将与各个序号i对应的房间室温分量Δti求和，最终得到当前时刻房间室温Δt(τ)与各个时刻外温ut(τ)，ut(τ-Δτ)，ut(τ-2Δτ)，……ut(τ-(n-1)Δτ)的线性关系，如公式(4)所示，
Δt(τ)＝c0ut(τ)+c1ut(τ-Δτ)+c2ut(τ-2Δτ)……+cnn--1ut(τ-(n-1)Δτ) (4)
式中，c0，c1，c2，……cn-1定义为各个时刻外温对室温的贡献率，
采用建筑热环境模拟软件DeST，计算获得全年逐时室温及相对应的外温，进而根据公式(4)构造出室温与多个外温相互关系的多元线性方程组，对此，采用多元线性回归的统计分析方法，计算获得公式(4)中各个时刻外温对室温的贡献率c0，c1，c2，……cn-1。
(3)加权外温的提出及构造
公式(4)表明，当前时刻室温是当前及之前历史时刻外温共同影响的结果，这体现出建筑围护结构热惯性作用下，外温对室内温度环境影响的衰减和延迟特性，进一步，假设一个稳定的室外空气温度Tw，则应用公式(4)可得该稳定外温Tw作用下的房间室温为：Δr(τ)＝c0Tw(τ)+c1Tw(τ-Δτ)+c2Tw(τ-2Δτ)……+cn-1Tw(τ-(n-1)Δτ)
＝CTw(τ) (5)
式中，
Figure BDA0003187438660000041
若这个稳定的室外温度对室温的影响与实际动态变化的室外温度对室温的影响相同，可将这个稳定的室外温度Tw定义为实际动态变化外温的加权外温，进一步结合公式(4)和公式(5)，转换得到加权外温Tw的计算式如下：
Figure BDA0003187438660000051
Figure BDA0003187438660000052
式中，d0，d1，d2，……dn-1为与各个时刻外温相对应的加权系数，
Figure BDA0003187438660000053
可以看出，加权外温体现出外温对室内温度影响的衰减和延迟特性，进而真实反映出当前及之前历史时刻外温对当前时刻室温的共同影响，由此可在供热系统质调节的分析过程中将繁琐的计算过程加以简化，并同时具有明确的物理意义。
(4)加权外温的分析确定
采用建筑热环境模拟软件DeST计算得到外温作用下的房间逐时室温，进而与逐时外温构成统计样本数据组，在此基础上，采用多元线性回归的统计分析方法，以外温对室温贡献率小于5％的前n-1时刻为起始点，将该时刻之前历史时刻的外温去除，进而将当前时刻室温与当前时刻及其之前n-1时刻的共n个外温数据建立线性模型，进一步重新进行外温对室温贡献率的分配计算，直至去除所有贡献率不明显的各个之前历史时刻的外温，最后，应用逐时室温和外温所构成的统计样本数据组，采用多元线性回归的统计分析方法，计算得到各个时刻外温对室温的贡献率ci，进而按照公式(7)计算确定与各个时刻外温相对应的加权系数di，由此构造获得外温的加权形式。
本发明所述的基于建筑热环境模拟计算和多元线性回归统计分析的加权外温确定方法的有益效果主要体现如下：
该方法以加权外温的形式，体现出建筑围护结构热惯性作用下外温对房间室温影响的衰减和延迟特性，真实反映出当前时刻及之前历史时刻外温对当前时刻室温的共同影响和作用，除室外温度外，太阳辐射得热、室内人员、灯光和设备等热扰同时影响室内温度环境以及维持室内温度恒定所需要的建筑热负荷，对这些扰量可采用与外温相一致的分析方法构造建立相对应的加权扰量，基于此可在供热系统质调节的过程中，合理调节供水温度，以对外温等扰量的影响做出相匹配的补偿，同时本专利所述的方法可操作性强，应用流程和步骤清晰，保证了本发明的可实施性。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图。
图2为房间室温和外温随时间的逐时变化关系图。
具体实施方式
以北京地区某建筑的项层北向房间为研究对象，已知该建筑的平立面布局和建筑围护结构构造，房间室内外无通风换气，室内无人员、灯光和设备等热扰。对此研究对象，结合附图1，说明本发明的具体应用思路和应用步骤如下：
1.房间室温的模拟计算
在建筑热环境模拟软件DeST中进一步将房间太阳辐射得热设为0，进而计算获得项层北向房间的逐时室温，并与逐时外温构成统计样本数据组。对于本案例，由于不存在通风换气、室内人员、灯光和设备等热扰以及太阳辐射得热对室内温度环境的影响和作用，外温成为决定房间室温的唯一扰量。房间室温和外温随时间的逐时变化关系如图2所示。
2.室温随外温变化的多元线性回归
取n初始值为10，建立当前时刻室温与当前时刻至之前9个时刻外温之间的多元线性回归模型，采用IBM SPSS Statistics 25软件进行拟合计算，得到当前时刻以及之前9个时刻的室外温度对当前时刻室温的贡献率，拟合结果如式(8)：
Δt(τ)＝0.19ut(τ)+0.24ut(τ-Δτ)+0.15ut(τ-2Δτ)+0.13ut(τ-3Δτ)
+0.09ut(τ-4Δτ)+0.07ut(τ-5Δτ)+0.05ut(τ-6Δτ) (8)
+0.04ut(τ-7Δτ)+0.03ut(τ-8Δτ)+0.02ut(τ-9Δτ)
3.加权系数计算及加权外温的构造
根据公式(8)的计算结果，在室温随外温变化的线性模型中，保留贡献率大于等于5％的当前以及之前6个时刻的室外温度，并重新拟合计算这7个时刻的室外温度对当前时刻室温的贡献率，分别为0.16、0.20、0.18、0.14、0.11、0.08和0.12。在此基础上，根据公式(7)计算得出当前时刻以及之前6个时刻外温的加权系数值分别为0.17、0.20、0.18、0.14、0.11、0.08和0.12。由此，构造得到加权外温的表达式，如公式(9)。Tw(τ)＝0.17ut(τ)+0.20ut(τ-Δτ)+0.18ut(τ-2Δτ)+0.14ut(τ-3Δτ)
+0.11ut(τ-4Δτ)+0.08ut(τ-5Δτ)+0.12ut(τ-6Δτ) (9)。

Claims (1)

1.一种用于供热系统质调节的加权外温的确定方法，其特征在于，包含以下步骤：
(1)房间室温的模拟计算
针对某建筑研究对象，考虑只有外温作用的情况，应用建筑热环境模拟软件DeST进行外温作用下房间室温全年的逐时模拟计算，并与逐时外温构成统计样本数据组；
(2)室温随外温的变化分析
根据《建筑环境系统模拟分析方法-DeST》中公式(2-30)和(2-35)，得到房间逐时室温与逐时外温的相互关系如下：
Δt(τ)＝∑iΔti(τ) (1.1)
Figure FDA0003827956250000011
式中，i为房间热特性和热反应系数的序号；λi为房间热特性系数；
Figure FDA0003827956250000012
是外温作用于房间的热反应系数；ut为外温，℃；Δt为房间室温，℃；Δti为对应于各个特征系数的房间室温的分解分量，℃；τ为时间，h；Δτ为时间间隔，在此为1h；
Figure FDA0003827956250000013
公式(1.2)表示出当前时刻室温分量与前一时刻室温分量、当前时刻和前一时刻外温的相互关系，以此类推，可得到前一时刻室温分量与之前两个时刻室温分量、前一时刻和之前两个时刻外温的相互关系，之前两个时刻室温分量与之前三个时刻室温分量、之前两个时刻和之前三个时刻外温的相互关系，......，以及之前n-1时刻的室温分量与之前n时刻室温分量、之前n-1时刻和之前n时刻外温的相互关系，具体如公式(2.1)～(2.n-1)所示，
Figure FDA0003827956250000014
Figure FDA0003827956250000021
将公式(2.1)～(2.n-1)中各个时刻的室温分量依次顺序代入公式(1.2)，并进行合并同类项，得公式(3)，
Figure FDA0003827956250000022
房间热特性系数λi为小于0的常数，当
Figure FDA0003827956250000023
小于0.01时，公式(3)简化为房间室温的当前分量Δti(τ)与各个时刻的外温ut(τ)，ut(τ-Δτ)，ut(τ-2Δτ)，……，ut(τ-(n-1)Δτ)的线性关系；
再依据公式(1.1)，将与各个序号i对应的房间室温分量Δti求和，最终得到当前时刻房间室温Δt(τ)与各个时刻外温
ut(τ)，ut(τ-Δτ)，ut(τ-2Δτ)，……，ut(τ-(n-1)Δτ)的线性关系，如公式(4)所示，
Δt(τ)＝c0ut(τ)+c1ut(τ-Δτ)+c2ut(τ-2Δτ)+……+cn-1ut(τ-(n-1)Δτ)
(4)
式中，c0，c1，c2，……，cn-1定义为各个时刻外温对室温的贡献率，
采用建筑热环境模拟软件DeST，计算获得全年逐时室温及相对应的外温，进而根据公式(4)构造出室温与多个外温相互关系的多元线性方程组，对此，采用多元线性回归的统计分析方法，计算获得公式(4)中各个时刻外温对室温的贡献率c0，c1，c2，……，cn-1；
(3)加权外温的提出及构造
公式(4)表明，当前时刻室温是当前及之前历史时刻外温共同影响的结果，这体现出建筑围护结构热惯性作用下，外温对室内温度环境影响的衰减和延迟特性，进一步，假设一个稳定的室外空气温度Tw，则应用公式(4)可得该稳定的室外空气温度Tw作用下的房间室温为：
Figure FDA0003827956250000031
式中，
Figure FDA0003827956250000032
若这个稳定的室外温度对室温的影响与实际动态变化的室外温度对室温的影响相同，将这个稳定的室外温度Tw定义为实际动态变化外温的加权外温，进一步结合公式(4)和公式(5)，转换得到加权外温Tw的计算式如下：
∑iciTw(τ)＝c0ut(τ)+c1ut(τ-Δτ)+c2ut(τ-2Δτ)+……+cn-1ut(τ-(n-1)Δτ)
(6)
Figure FDA0003827956250000033
式中，d0，d1，d2，……，dn-1为与各个时刻外温相对应的加权系数，
Figure FDA0003827956250000034
(4)加权外温的分析确定
采用建筑热环境模拟软件DeST计算得到外温作用下的房间逐时室温，进而与逐时外温构成统计样本数据组，在此基础上，采用多元线性回归的统计分析方法，以外温对室温贡献率小于5％的前n-1时刻为起始点，将该时刻之前历史时刻的外温去除，进而将当前时刻室温与当前时刻及其之前n-1时刻的共n个外温数据建立线性模型，进一步重新进行外温对室温贡献率的分配计算，直至去除所有贡献率不明显的各个之前历史时刻的外温，最后，应用逐时室温和外温所构成的统计样本数据组，采用多元线性回归的统计分析方法，计算得到各个时刻外温对室温的贡献率ci，进而按照公式(7)计算确定与各个时刻外温相对应的加权系数di，由此构造获得外温的加权形式。
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