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供热热负荷预测中的温度参数修正

太原市热力集团有限责任公司 马晶晶 石光辉 陈鹏 李建刚

摘要:供热期间如能有效预测需热量,可对供热系统生产运行进行科学指导,以实现能源高效利用。目前我公司热负荷预测,采用的温度参数为:气象预报中单纯的外界气温指标。供热过程中,出现了按预测热负荷供热已达标但室内热环境仍有欠缺,用户实感温度低导致投诉的情况,考虑影响室内热环境的因素包括室内外热作用、建筑围护结构热工性能以及供热措施等等。本文主要考虑外界风速、湿度、天气阴晴、人体实感温度偏差等情况对供热质量造成的影响,进行热负荷预测的部分温度参数修正。做到精细化调节,降低热指标,提高能源利用率,做到节能减排,为碳中和做出一部分贡献。

关键词:供热负荷预测 室外综合温度 精细化调节

1预测热负荷

目前中国城市热网设计规范中推荐使用供暖面积热指标法来进行设计热负荷计算,各类建筑物的供热面积热指标根据大量实测数据和理论分析计算整理得出,它随建筑物得失热量的变化而变化。供暖系统的设计热负荷是在设计室外温度t'w下,为达到要求的室内温度t'n,供暖系统在单位时间内向建筑物供给的热量Q'。热负荷预测过程中为使实际供热的面积热指标与设计面积热指标具有可比性,不同室外温度下的设计供热面积热指标需进行如下修正。太原市设计室外平均温度-11℃,满足用户室内设计温度18(±2)℃,则:

其中qf实际为建筑物实际供暖面积热指标W/qf为建筑物设计供暖面积热指标W/φ为相对热负荷比[1]tn为室内供热设计温度,tpj为室外温度参数,t'w为设计室外温度。本文拟对tntpj两个温度进行修正。我公司各热网根据供热初末寒期历年运行数据分析整理出了各自的qf计算最大热指标数据如表1

1 太原市热力集团有限责任公司各热网qf统计表

序号

热网名称

计算最大热指标(W/㎡,-11℃)

1

中部+中西部热网

41.87

2

北部热网

43.55

3

中东部热网

43.06

4

东南部热网

40.01

5

中南部热网

46.29

6

西南部热网

51.05

7

西部热网

52.19

8

南部热网

46.75

9

西部调峰热源

41.31

10

南部调峰热源

43.62

11

东部调峰热源

42.50

12

中东部调峰热源

40.51

13

均值

44.39

2针对tn修正--室内人体实感温度

室内热环境由室内空气温度、湿度、气流速度和平均辐射温度四要素综合形成,以人的热舒适程度作为评价标准。室内热环境质量的高低对人们的身体健康、生活水平、工作学习效率将产生重大影响。以往使用室内空气温度作为tn进行负荷预测计算,经过对室内热环境参数进行测试实验并对结果进行分析,室内人实感温度与空气温度的关系:实感温度(也称黑球温度)是人或物体受辐射和对流热交换综合作用时以温度表示的实际感觉,它能很好地反映人体的热舒适感。通过对热舒适实验的模糊分析,可知温度为18.0℃时感到舒适的人最多。从实验数据中可以看出,空气温度与实感温度间总是成正向比例关系,二者差值最大为1.0℃,最小为0.0℃,实感温度略低于空气温度[2]。图2表明了三种散热器在不同表面温度下空气温度与实感温度的差别[2]。长时间逗留在恒温环境会导致人体的热应激能力退化[3],因此考虑室内温度不宜过高。但由于人们现在对室内舒适度要求越来越高,因此考虑用实感温度来表达人体的热舒适感,则考虑:tn修正1℃tn=18+1来进行负荷预测。


3针对tpj修正--室外空气综合温度

建筑物外围结构受到室外温度和太阳辐射两部分的作用,将两者合二为一称为综合温度,本文使用室外空气综合温度tz代替室外温度参数tpj,即tz=tpj考虑到太阳辐射对表面换热量的增强,相当于在室外气温上增加了一个太阳辐射的等效温度值。忽略围护结构外表面与天空和周围物体之间的长波辐射,则为了计算方便推出一个当量室外温度[4]


其中:tair为室外空气温度a围护结构外表面对太阳辐射的吸收率;为太阳辐射照度W/㎡;αout为围护结构外表面的对流换热系数W/(·℃)

3.1tair修正

由于外界空气温度、湿度及风速持续时长及大小对室外人体感温度大小的影响严重,本文近似考虑室外体感温度Ts代替室外空气温度tair,即:Ts=tair。此处使用气象部门公式:


其中:T为天气预报室外气温,RH为室外平均湿度,V为室外风速。

3.2式中aout计算

考虑到太阳辐射热,因围护结构不同而对应的参数不同。围护结构主要分为非透光(墙、屋顶等)和透光(玻璃门窗和玻璃幕墙等)两种。非透光围护结构主要考虑存在热惯性,其通过围护结构的传热量和温度的波动幅度与外扰波动幅度之间存在衰减和延迟的关系,衰减和滞后的程度取决于围护结构的蓄热能力,热容量愈大,蓄热能力愈大,滞后的时间愈长,波幅的衰减就愈大[5]。但其内表面温度波动不大,本文不予考虑,仅在做精细化调节时,考虑对部分老旧小区进行1℃温度修正。因透光维护结构热阻低、传热系数大,是建筑保温最薄弱环节,本文主要考虑通过透光围护结构的太阳辐射热。

目前我国采用3mm厚普通玻璃作为标准透光材料,法向入射时吸收率a0.126

对透光围护结构,式中的计算,当太阳不在天顶,太阳高度角为β时,地球表面处的法向太阳直射辐射照度为:ⅠN=Ⅰ0·Pm,其中太阳常数0=1353W/㎡,P为大气透明度,越接近1大气越清澈,P值一般为0.65-0.75m=sinβ。经过测试可知法向表面得热最多,垂直平面(东西向)接受的总辐射照度最小,DV=ⅠN·cosβ·cos(A+α)=Ⅰ0·Pmcosβ·cos(A+α),其中A为太阳方位角,α为被照射面方位角[6]。太原市每年1231112月供热,下表2给出了经过实际测试的对应太阳辐射照度。

2 太原市供热季月总太阳辐射照度[7]

地点

市代码

台站代码

纬度

海拔高度

m

采集年份

月总辐射量(0.01MJ/*月)

北纬

东经

1

2

3

11

12

太原

140101

53772

37°47

112°23

778

1996

22382

33975

39730

23251

23085

αout取透光围护结构的传热系数,表3几种主要类型玻璃窗的传热系数[7]

3几种主要类型玻璃窗的传热系数[8]

窗户构造

传热系数[W/(㎡·℃)]

窗户构造

传热系数[W/(㎡·℃)]

3mm单玻窗(中国数据)

5.8

双玻铝塑窗,氩气层12.7mm,一层镀low-e膜,ε=0.1

2.22

3mm单玻塑钢窗

5.14

三玻铝塑窗,空气层12.7mm

2.25

3.2mm单玻带保温的铝合金框

6.12

三玻铝塑窗,空气层12.7mm,两层镀low-e膜,ε=0.1

1.76

双玻铝塑窗,空气层12.7mm

3.0

三玻铝塑窗,氩气层12.7mm,两层镀low-e膜,ε=0.1

1.61

双玻铝塑窗,空气层12.7mm,一层镀low-e膜,ε=0.4

2.7

四玻铝塑窗,氩气层12.7mm或氪气层6.4mm,两层镀low-e膜,ε=0.1

1.54

双玻铝塑窗,氩气层12.7mm,一层镀low-e膜,ε=0.4

2.55

四玻窗,保温玻璃纤维塑框,氩气层12.7mm或氪气层6.4mm,两层镀low-e膜,ε=0.1

1.23

双玻铝塑窗,空气层12.7mm,一层镀low-e膜,ε=0.1

2.41

四玻不可开启窗,保温玻璃纤维塑框,氩气层12.7mm或氪气层6.4mm,两层镀low-e膜,ε=0.1

1.05

注:1.未标明玻璃厚度的均为3mm厚玻璃,导热系数为0.917W/(·K)

2.未注明不可开启的为可开启窗户,含推拉和平开,尺寸为900*1500,日字框

3.不可开启窗尺寸为1200*1200,口字窗。ε为发射率。

4结论

经过如上修正得出最终计算公式如下:


下面以中东部热网为例,选取2020-2021采暖季初寒期1126日数据,严寒期1219日及120日数据、及末寒期225日数据,分别进行具体实例论证进行可行性分析。具体气象参数、太阳辐射照度、透光围护结构(选取:3mm单玻窗)的传热系数按如下计算(气象参数选取以天为周期,提前3天获得预判量)。考虑只有白天晴天受太阳辐射影响。

时间

室外气温(℃)

室外相对湿度(%

冬季室外风速(m/s

太阳辐射照度(MJ/*d

透光围护结构的传热系数W/(㎡·℃)

2020.11.26

1.61

56

2.6

7.75

5.8

2020.12.16

-9

50

4

7.69

5.8

2021.01.10

-12

51

5

7.46

5.8

2021.02.25

4.0

47

2.6

11.32

5.8

经过计算得出预测热指标值与实际运行生产过程中热指标值对比如下:

时间

计算最大热指标(W/

常规算法预测热指标(W/

预测热指标白晴天(W/

预测热指标夜晚(W/

实际运行热指标(W/

相对误差(预测夜/实际)

有无指导性

2020.11.26

43.06

23.52

23.22

26.73

26.31

1.02

2020.12.16

43.06

40.09

36.93

39.70

39.62

1

2021.01.10

43.06

44.54

42.14

44.82

42.85

1.04

2021.02.25

43.06

20.78

15.38

19.48

21.91

0.89

通过计算可以得出:此计算方式下的预测夜晚热指标比常规算法预测热指标更接近实际运行工况,且误差较小,具有生产运行指导性。同时通过此计算方式还可以有效的在白天晴天结合太阳辐射情况,综合考虑,有效节约热能,实现较精细化热指标预测和调节。

同时结合我公司冬季运行经验和站长及工作人员访民问暖的具体情况,可以看出,用户投诉不热的,不完全属于实际温度低,有的用户热舒适要求较高达室温23℃以上,本文不予考虑;主要考虑家中实测温度确实较低用户情形,根据数据统计,一般暖气片最低在15-16℃,地暖最低在13-14℃,但此部分用户与家中房地产商本身地暖盘管少、不足以满足用户供热需求,或边户、上下左右报停的孤户,或家中阳台较大装修格局不同等原因而各有差异。经过上文修正且综合考虑以上因素,结和我公司运行实际情况,为降低投诉,改善用户体验,同时以节能降耗为目标,本文建议:老旧小区及保温较差小区建议供热室温维持在19-21℃,绿色节能小区建议供热室温维持在17-19℃;在运行过程中应结合不同气象条件、不同建筑有合理的室温控制目标;初末寒期温度低供,严寒期高供;地暖比暖气片严寒期高供一些。

5精细化调节

由于室内气温的分布,尤其是沿室内竖直方向的分布是不均匀的,对人体热感觉的影响很大。当使用对流式换热器供暖时,沿竖直方向的温差可达5℃以上,地板面附近温度最低,不利于人体健康。辐射供暖时温差较小,一般约为3℃左右。精细化调节时可考虑暖气片建筑内室内供温提高1℃若考虑能源节约、精准预测,考虑使用DeST建筑环境系统模拟分析方法,将建筑物围护结构具体材料、尺寸等重要参数录入,室外温度及室内温度精准采集,在模拟软件中算法录入,进行较准确地热负荷预测,考虑到相对于气象参数,供热实际温度到达用户具有相对滞后性,因此需理论与实际结合,模拟出最佳工况。

参考文献

[1]赵临东.对供暖系统面积热指标的探讨[J].科技情报开发与经济,2004(06):128-130

[2]薛卫华、张旭.供暖房间热环境参数的实验研究及人体热舒适的模糊分析[J].建筑热能通风空调,2000(02):2-4

[3]Juan Yu,Qin Ouyang,Yingxin Zhu,Henggen Shen,Guoguang Cao,Weilin Cui,A Comparison of the Thermal Adaptability of People Accustomed to Air Conditioned Environments and Naturally Ventilated Enviroments,Indoor Air,2012;22:110-118

[4]朱颖心.建筑环境学[M].第三版.北京:中国建筑工业出版社,2010:10-14,51-52

[5][6]刘家平.城市环境物理.西安:西安交通大学出版社,1993.

[7]科学数据库.资源学科创新平台.Resource Discipline Innovation Platform

[8]2001ASHRAE Handbook,Fundamentals(SI),American Society of Heating,Refrigerating and Air-conditioning,Engineers,Inc.,1791 Tullie Circel,N.E.,Atnlanta,GA30329.

作者简介:马晶晶,19901114日生,助理工程师,jingjing.ma.nrw@outlook.com,电话:13623468609。投稿方向:多热源并网及优化配置和调节。


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