姜鍍輝 崔紅社* 楊佳林 高屾

青島理工大學環(huán)境與市政工程學院

0 引言

由于建筑圍護結構具有一定熱惰性，使熱源供應的熱量無法直接反映在地板表面溫度變化上，且周期性動態(tài)變化的室外氣象條件也無法直接反應在室內(nèi)溫度變化上。有效地利用建筑圍護結構的熱惰性，對于間歇性供暖的建筑，可以降低建筑能耗，在提高室內(nèi)舒適性以及緩解用電壓力等方面發(fā)揮的作用已得到廣泛的認可[1-3]。但針對于連續(xù)性供暖的住宅建筑，利用建筑圍護結構的熱惰性進行蓄熱，制定合理的蓄熱運行策略，并分析不同建筑熱惰性對蓄熱運行策略的影響，研究的還較少。

因此，本文以寒冷地區(qū)100m2典型連續(xù)性供暖的農(nóng)村獨立民居為對象，在TRNSYS軟件平臺上構建了以空氣源熱泵為熱源的地板輻射供暖系統(tǒng)仿真計算模型，結合GenOpt軟件上的Hooke-Jeeves算法對供暖系統(tǒng)運行策略進行優(yōu)化。考慮當?shù)胤骞入妰r，以采暖季運行費用最低為目標，得到在外墻傳熱系數(shù)不變的前提下，不同建筑外墻熱惰性下的最佳蓄熱溫度與蓄熱時間，并分析建筑外墻熱惰性的改變對供暖系統(tǒng)蓄熱策略的影響規(guī)律。

1 模型搭建

建筑地點位于北京，共有左臥室、客廳、中臥室、廚房4個供暖房間，為單層居住建筑，層高3.2m，總供暖面積100m2。根據(jù)GBT50824-2013《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設計標準》相關規(guī)定和要求，對文獻[4]中的寒冷地區(qū)典型農(nóng)村居住建筑圍護結構進行改造，外墻增加8cm膨脹聚苯板外保溫，窗戶改為中空玻璃，改造后的圍護結構傳熱系數(shù)如表1所示。

表1 改造后圍護結構傳熱系數(shù)

該典型建筑通風換氣次數(shù)為1次/h，南向窗墻比為0.1，北向窗墻比為0.05。地板輻射采暖表面為水泥，最下方設置隔熱層，填充層為60mm混凝土。地埋管為DN20的PE管，管間距200mm。共有4路盤管，各路管長分別為97m、89m、96m、95m。典型農(nóng)村居住建筑供暖盤管平面圖如圖1所示。

圖1 典型農(nóng)村居住建筑供暖盤管平面圖

采用空氣源熱泵為系統(tǒng)提供熱量，空氣源熱泵選擇麥克維爾風冷熱泵MACO50ER5-AE，水泵選擇臥式多級離心泵，效率0.5，揚程17m，流量2.5m3/h。該系統(tǒng)設備參數(shù)如表2所示。

表2 系統(tǒng)設備參數(shù)

采用麥克維爾提供的空氣源熱泵性能測試數(shù)據(jù)，通過文獻[5]對熱泵機組制熱性能系數(shù)進行除霜修正，使用FORTRAN編寫新的空氣源熱泵模塊type237。供暖系統(tǒng)用到的TRNSYS部件包括：空氣源熱泵type237、水泵type3b、雙位控制器type2b、時間控制器type14h、氣象數(shù)據(jù)讀取器type109、建筑模型type56、焓濕圖type33e、有效天空溫度計算type69b、TRNOPT優(yōu)化模塊等。天氣文件采用北京典型氣象年TMY2數(shù)據(jù)文件，TRNSYS仿真系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 TRNSYS仿真系統(tǒng)

假設條件：

1）系統(tǒng)未考慮壓力變化對水泵能效的影響，

2）系統(tǒng)未考慮機組到盤管間管道散熱損失，

3）目前只針對熱泵機組供熱的研究，若有制冷需求，末端可添加風機盤管。

2 墻體熱惰性對蓄熱運行策略的影響

2.1 利用建筑本體蓄熱運行策略

空氣源熱泵供水溫度早6點到晚6點為42℃，晚6點到早6點為40℃。通過檢測室內(nèi)溫度，調(diào)整各房間支路上的電磁閥開度來保證室內(nèi)設定溫度。非蓄熱時段各房間室內(nèi)溫度設定為18℃，蓄熱時段室內(nèi)溫度設定為18-22℃，蓄熱時間為谷時段結束前10h以內(nèi)。

2.2 建筑熱惰性指標

熱惰性指標D是評價圍護結構熱工性能的重要參數(shù)，是表征圍護結構對溫度波衰減快慢程度的無量綱指標，D值大小直接關系到溫度波衰減度和延遲時間。熱惰性指標表達式如式（1）。

式中：λ為材料導熱系數(shù)，W/(m·K)；c為比熱，W·h/(kg·K)；ρ為材料密度，kg/m3；δ為材料層厚度，m。

表3為不同墻體構造參數(shù)，通過改變保溫材料厚度，使得增加不同保溫材料后的墻體導熱系數(shù)相同。

表3 墻體構造參數(shù)

2.3 優(yōu)化過程與結果

在保證室內(nèi)溫度的前提下，以采暖季熱泵機組與水泵的運行費用最低為目標，由于有蓄熱溫度與蓄熱時間兩個變量，兩個變量之間相互耦合，且建筑熱惰性對蓄熱運行策略影響的精度要求較高，采用單因素法難以取得準確的優(yōu)化結果，因此采用 Hooke-Jeeves算法進行尋優(yōu)。Hooke-Jeeves算法適用于變量個數(shù)少，變量為連續(xù)變量的精細化尋優(yōu)。在處理實驗次數(shù)龐大的案例時，具有收斂速度快、適應性強等優(yōu)點。其方法包含著全局搜索與使用坐標搜索方法的局部搜索，兩種方法交替進行直至滿足收斂條件，得到取得目標函數(shù)最小點。Hooke-Jeeves算法優(yōu)化流程如圖3所示。

圖3 Hooke-Jeeves算法優(yōu)化流程圖

蓄熱溫度范圍為18～22℃，蓄熱時間范圍為0～10 h。北京農(nóng)村地區(qū)峰谷電價如表4所示，構造1～4的優(yōu)化結果分別如圖4～7所示。

表4 北京農(nóng)村地區(qū)居民用電峰谷電價

圖4 構造1優(yōu)化結果

圖5 構造2優(yōu)化結果

圖6 構造3優(yōu)化結果

圖7 構造4優(yōu)化結果

圖4～7為構造1～4的優(yōu)化結果，圖中橫坐標為計算步數(shù)，縱坐標分別為蓄熱時間、采暖季運行費用、蓄熱溫度。根據(jù)構造1～4的優(yōu)化結果，得到不同外墻構造采暖季運行費用如表5所示。

表5 不同外墻構造采暖季運行費用

隨著建筑熱惰性指標的改變，最優(yōu)蓄熱溫度在19.6℃左右，最優(yōu)蓄熱時間在6h左右，最優(yōu)蓄熱策略運行費用節(jié)省比例在4%左右，且隨著建筑熱惰性指標的增加，無蓄熱策略與最優(yōu)蓄熱策略運行費用隨之降低，最優(yōu)蓄熱策略運行費用下降的速度更快?？傮w來看，隨著外墻熱惰性指標增大，最優(yōu)蓄熱溫度略有升高，最優(yōu)蓄熱時間升高，最優(yōu)蓄熱策略運行費用節(jié)省比例略有增加。

3 結論

通過連接 TRNSYS內(nèi)部各模塊，搭建空氣源熱泵輻射供暖系統(tǒng)計算模型并通過 GenOpt 軟件上的Hooke-Jeeves 算法對供暖系統(tǒng)蓄熱策略進行優(yōu)化計算，運算過程收斂性好，說明TRNSYS與GenOpt能較好的處理供暖系統(tǒng)蓄熱運行策略優(yōu)化問題，對制定供暖系統(tǒng)蓄熱運行策略具有極大的幫助。

以寒冷地區(qū)100 m2典型建筑為對象，結合當?shù)仉妰r，利用建筑圍護結構進行谷時段蓄熱。保持外墻傳熱系數(shù)不變的情況下，改變外墻熱惰性指標，隨著外墻熱惰性指標增大，蓄熱溫度略有升高，蓄熱時間升高，最優(yōu)蓄熱策略運行費用節(jié)省比例略有增加。建筑外墻熱惰性指標在 5.4～7.6 之間，最優(yōu)蓄熱溫度在19.5～20℃之間，最優(yōu)蓄熱時間在 5～7 h 之間，最優(yōu)蓄熱策略運行費用節(jié)省比例在3.6%～4.1%之間。