冬季供暖系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算用的室外綜合計(jì)算溫度

1、冬季供暖系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算用的室外綜合計(jì)算溫度冬季供暖系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算用的室外綜合計(jì)算溫度清華大學(xué)洪天真江億1引言引言確定合理的室外計(jì)算溫度，是冬季供暖系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算中的一個(gè)關(guān)鍵問題，也是長(zhǎng)期以來未能得到合理解決的問題之一。眾所周知，室外氣象時(shí)刻變化著，如果選取最不利的氣象條件(最冷天)去設(shè)計(jì)供暖系統(tǒng)，那么，一方面由于設(shè)備負(fù)荷計(jì)算偏大，造成散熱器、供回水管道及鍋爐等設(shè)備偏大；另一方面由于設(shè)備常處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，效率很低。反之，如果選取暖和日子的氣

2、象條件去設(shè)計(jì)供暖系統(tǒng)，可能滿足不了設(shè)計(jì)要求的室溫。多年來，不少學(xué)者曾對(duì)室外計(jì)算溫度的合理選取進(jìn)行過研究。近年來由于節(jié)能的要求，這個(gè)問題更受到人們的重視，同是由于建筑熱過程理論的發(fā)展，對(duì)它也進(jìn)一步提供了科學(xué)依據(jù)。各國(guó)在編制有關(guān)規(guī)范和法規(guī)時(shí)，對(duì)室外計(jì)算溫度了有專門條文，并不斷采納新的研究成果，及時(shí)修改有關(guān)內(nèi)容，并使之便合理。蘇聯(lián)在40年代是采用查普林教授提出的公式來確定供暖室外計(jì)算溫度θw，即：θw=0.4θp10.6θmin(1)式中，θ

3、p1為當(dāng)?shù)貧v年最冷月平均氣溫的平均值，θmin為當(dāng)?shù)卦霈F(xiàn)過的小時(shí)氣溫的最小值。美國(guó)的ASHRAE手冊(cè)，1949年推薦采用當(dāng)?shù)貧v年氣溫記錄中12月、1月、2月全部小時(shí)數(shù)據(jù)中相應(yīng)保證率為97.5%的氣溫作為當(dāng)?shù)氐墓┡彝庥?jì)算溫度。后來由于重視了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱特性，1959年把原來按冬季各小時(shí)氣溫的百分率統(tǒng)計(jì)法，改為按冬季均氣溫的百分率統(tǒng)計(jì)法，并且建議供暖室外計(jì)算溫度的確定應(yīng)隨室內(nèi)氣溫允許的波動(dòng)幅度而不同。1975年ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)9075

4、在《新建筑物設(shè)計(jì)節(jié)能》中規(guī)定，供暖設(shè)計(jì)應(yīng)選取滿足當(dāng)?shù)?7.5%氣溫需要的溫度作為室外計(jì)算溫度。同時(shí)指出，如果房屋是輕型圍護(hù)結(jié)構(gòu)，又有大面積玻璃，且室溫控制要求很高時(shí)，應(yīng)采用最低溫度平均值或滿足99%氣溫需要的溫度作為室外計(jì)算溫度。英國(guó)IHV摜根據(jù)允許的極端概率，給出英國(guó)及其它國(guó)家在各種條件下的室外計(jì)算溫度，它們考慮了建筑物的體積及其熱惰性，也考慮了供暖設(shè)備超負(fù)荷容量的臨界系數(shù)。我國(guó)70年代以前沿用蘇聯(lián)的作法，后來采用類似美國(guó)的保證率統(tǒng)計(jì)

5、法。GBJ1987不保證率來確定室外計(jì)算溫度，這種作法以實(shí)際30年的氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)，得到日平均不保證時(shí)間為五天的溫度值，作為室外計(jì)算溫度。以北京地區(qū)為例，日平均溫度不保證五天相當(dāng)于外溫不保證率為5126=4%，這時(shí)北京地區(qū)的室外計(jì)算溫度為9℃。這種作法雖然考慮了外溫的隨機(jī)波動(dòng)特征，比直接采用最不利外溫加權(quán)值前進(jìn)了一大步，但是還存在一些不合理的地方：●供暖設(shè)計(jì)負(fù)荷不僅與外溫有關(guān)，而且與太陽(yáng)輻射及風(fēng)速風(fēng)向有關(guān)，這些氣象參數(shù)隨時(shí)

6、間隨機(jī)變化著，且相互之間存在相關(guān)關(guān)系。因此很難用統(tǒng)計(jì)的方法確定多因素的不保證率下的室外計(jì)算溫度?！裢鉁夭槐ＷC率與室溫不保證率是本質(zhì)不同的兩個(gè)概念。由于建筑物的熱特性，外溫經(jīng)衰減、時(shí)間延遲才進(jìn)入室內(nèi)，造成室溫的變化。因此合理的設(shè)計(jì)依據(jù)是室溫不保證率，而不是外溫不保證率。●建筑物的熱特性并不等同于單一圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱特性。JGJ2486《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)程（試行）》規(guī)定，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的冬季室外計(jì)算溫度應(yīng)根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱惰性指標(biāo)D來確定，D值越小，室

7、外計(jì)算溫度選得越低。實(shí)際上，建筑物的熱惰性學(xué)在很大程度上取決于它的外窗墻比，僅由外墻的D值并不能全面反映建筑物的熱惰性?！袷彝鈿庀髤?shù)的隨機(jī)性造成室溫是隨機(jī)過程，在給定設(shè)計(jì)要求室溫下，室溫不保證率是隨機(jī)變量，它服從一定的概率分布，因此應(yīng)從概率意義上去理解室溫不保證率。圖1室溫不保證率因此，將θ0稱作在一定概率信度和一定室溫不保證率下的供暖系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算用的室外綜合計(jì)算溫度。同于它是由房間的自然室溫的不保證率及概率信度決定的，因此，它與房間

8、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱特性、外溫和太陽(yáng)輻射的隨機(jī)性及室溫不保證率的取值有關(guān)，而與供暖系統(tǒng)無關(guān)。自然室溫低于室外綜合計(jì)算溫度θ0的時(shí)間與冬季時(shí)間（t2t1）之經(jīng)tC可具體寫為（8）式中，Δti表示自然室溫θ（t）低于θ0的時(shí)間段，見圖1所示。采用單位階躍函數(shù)g(x)，其定義為（9）因此tC可改為（10）它也是以θ0作為供暖系統(tǒng)室外綜合計(jì)算溫度時(shí)，室溫的不保證率。由于自然室溫θ（t）是隨機(jī)過程，tC是隨機(jī)變量，其概率分布與θ0和[t1，t2]有關(guān)。以

9、北京地區(qū)為例，冬季室外氣溫和太陽(yáng)輻射可看成正態(tài)過程，于是自然室溫θ（t）也是正態(tài)過程，因此tC近似服從正態(tài)分布，經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，最后給出：●tC的期望（11）式中，F(xiàn)（x）為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)，σ（θ（t））為自然室溫θ（t）的標(biāo)準(zhǔn)偏差。tC的方差（12）式中，r12表示自然室溫θ（η1）與θ（η2）的相關(guān)系數(shù)，σ1和σ2和分別表示θ（η1）與θ（η2）的標(biāo)準(zhǔn)偏差。3算例與分析以北京地區(qū)的氣象條件和一個(gè)房間為例，采用隨機(jī)分析的方法，求得冬季自