0 引言

 

  當(dāng)今, 能源問題受到全球范圍的普遍關(guān)注。城市作為能源消耗的主體, 如何合理地進(jìn)行城市能源配置是現(xiàn)階段減輕能源壓力的主要手段之一。城市能源的合理規(guī)劃和優(yōu)化配置是解決城市快速發(fā)展和能源短缺的矛盾、協(xié)調(diào)城市化進(jìn)程和能源資源合理利用的關(guān)鍵技術(shù)。目前, 我國(guó)城市能源規(guī)劃是根據(jù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)、科技水平和居民生活現(xiàn)狀的發(fā)展趨勢(shì), 采用人均能量消費(fèi)法、彈性系數(shù)法、回歸分析法、經(jīng)濟(jì)計(jì)量模型法和投入產(chǎn)出法等方法對(duì)未來城市能源需求總量進(jìn)行預(yù)測(cè), 忽略了能源系統(tǒng)對(duì)象在時(shí)間上的動(dòng)態(tài)性和空間上的地理拓延性, 不能揭示能源系統(tǒng)內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及各個(gè)系統(tǒng)之間相互作用的關(guān)系。城市建筑能源負(fù)荷主要包括熱、電、冷、燃?xì)庳?fù)荷, 而這些負(fù)荷與氣象條件、建筑類型等因素的季節(jié)性及日間動(dòng)態(tài)變化是息息相關(guān)的,這也就導(dǎo)致了城市能源負(fù)荷具有全年8 760 h 的動(dòng)態(tài)特性。所以在城市建筑能源規(guī)劃階段, 進(jìn)行建筑負(fù)荷的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)是非常重要的。

 

  國(guó)內(nèi)外有很多專家學(xué)者正在致力于空調(diào)動(dòng)態(tài)負(fù)荷預(yù)測(cè)的研究, 提出了很多科學(xué)的預(yù)測(cè)方法, 包括回歸預(yù)測(cè)模型、灰色理論預(yù)測(cè)模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型及基于支持向量機(jī)的空調(diào)負(fù)荷預(yù)測(cè)等。然而, 這些預(yù)測(cè)方法主要是針對(duì)實(shí)體建筑, 根據(jù)歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律進(jìn)行未來一段時(shí)間內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷的預(yù)測(cè), 從而制定出系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行方案和控制策略。在城市規(guī)劃階段, 僅能提供建筑功能、建筑高度及容積率等有限的規(guī)劃信息, 而且通過既有建筑獲得的歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)不能直接作為規(guī)劃區(qū)域未建建筑的預(yù)測(cè)負(fù)荷, 限制了現(xiàn)有空調(diào)負(fù)荷預(yù)測(cè)方法的應(yīng)用。另外, 香港一些學(xué)者利用建筑能耗模擬軟件對(duì)區(qū)域供冷系統(tǒng)內(nèi)的建筑空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行了預(yù)測(cè), 此方法需要對(duì)建筑進(jìn)行大量的假定、簡(jiǎn)化。

 

  王耀春等人提出了一種簡(jiǎn)單的適用于冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的全年逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷計(jì)算方法, 該方法將由圍護(hù)結(jié)構(gòu)形成的空調(diào)冷負(fù)荷與新風(fēng)負(fù)荷統(tǒng)一定義為動(dòng)態(tài)負(fù)荷, 并根據(jù)室內(nèi)外溫差將其線性化。本文根據(jù)新風(fēng)負(fù)荷與室內(nèi)外空氣比焓的強(qiáng)烈相關(guān)性, 對(duì)上述方法進(jìn)行了修正, 將新風(fēng)負(fù)荷按照室內(nèi)外空氣焓差線性化, 提出一種新的負(fù)荷因子法, 應(yīng)用于城市規(guī)劃階段的建筑空調(diào)負(fù)荷預(yù)測(cè), 并對(duì)影響因素進(jìn)行了顯著性分析。

 

  1 負(fù)荷因子法的基本原理

 

  1.1 空調(diào)負(fù)荷分類

 

  根據(jù)與氣象條件的關(guān)系, 將空調(diào)負(fù)荷分為內(nèi)擾負(fù)荷和外擾負(fù)荷。其中, 內(nèi)擾負(fù)荷是指不受氣象條件影響的負(fù)荷, 包括人員負(fù)荷、設(shè)備負(fù)荷、照明負(fù)荷等;而外擾負(fù)荷則是指與氣象條件有強(qiáng)烈關(guān)系的負(fù)荷, 包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷和新風(fēng)負(fù)荷。

 

  首先, 假定圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷與室內(nèi)外溫差呈線性關(guān)系, 根據(jù)室外逐時(shí)溫度和空調(diào)室內(nèi)外設(shè)計(jì)溫度計(jì)算得到基于溫度的圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷因子, 根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷占建筑空調(diào)總負(fù)荷的比例計(jì)算得出圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷設(shè)計(jì)指標(biāo), 根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷因子及圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷設(shè)計(jì)指標(biāo)計(jì)算得到圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷;其次, 新風(fēng)負(fù)荷與室內(nèi)外空氣焓差呈線性關(guān)系, 根據(jù)室內(nèi)外空氣逐時(shí)比焓計(jì)算得到新風(fēng)負(fù)荷;最后, 將圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷、新風(fēng)負(fù)荷與人員負(fù)荷、設(shè)備負(fù)荷及照明負(fù)荷逐時(shí)疊加便可得到該類型建筑的空調(diào)動(dòng)態(tài)負(fù)荷。

 

  該方法的實(shí)質(zhì)是利用建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷指標(biāo)和全年氣象參數(shù)計(jì)算得到全年逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷。

 

  1.2 外擾負(fù)荷

 

  1.2.1 由建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)引起的空調(diào)負(fù)荷

 

  1)外墻和屋面逐時(shí)傳熱形成的冷負(fù)荷

 

  qc(τ) =AK [ t c(τ) -tR ]Aac

 

  (1)式中 qc(τ)為外墻或屋面的逐時(shí)冷負(fù)荷,W/m2 ;A為外墻或屋面的面積,m2 ;K 為外墻或屋面的傳熱系數(shù),W/(m2 · ℃);tc(τ)為外墻或屋面冷負(fù)荷計(jì)算溫度的逐時(shí)值, ℃;tR 為室內(nèi)計(jì)算溫度, ℃;Aac 為建筑物空調(diào)面積, m2 。

 

  對(duì)于非輕型外墻, 可以采用室外計(jì)算日平均綜合溫度代替冷負(fù)荷計(jì)算溫度。

 

  2.2 空調(diào)負(fù)荷的預(yù)測(cè)結(jié)果

 

  利用負(fù)荷因子法分別計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷、新風(fēng)負(fù)荷及內(nèi)擾負(fù)荷, 得到的辦公建筑最大冷負(fù)荷為134 .04 W/m2 。

 

  應(yīng)用負(fù)荷因子法得到的預(yù)測(cè)負(fù)荷的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)是比較符合實(shí)際的, 但預(yù)測(cè)結(jié)果還存在一定的誤差, 圖中的負(fù)值表示此時(shí)刻無冷負(fù)荷。從圖2 可以看出, 內(nèi)擾負(fù)荷及新風(fēng)負(fù)荷較大, 而圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷較小, 這與理論分析[ 9] 及實(shí)際運(yùn)行情況是相符的。由此可以說明, 該方法在預(yù)測(cè)空調(diào)負(fù)荷的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律上具有一定的可行性。

 

  3 負(fù)荷因子法的影響因素分析

 

  圖1 7 月1-7 日空調(diào)負(fù)荷預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值建筑空調(diào)負(fù)荷的影響因素很多, 包括時(shí)間、氣象條件、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)、室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)、室內(nèi)人員散熱負(fù)荷、室內(nèi)照明負(fù)荷、室內(nèi)設(shè)備散熱負(fù)荷、新風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)等。本文以北京地區(qū)辦公建筑為例, 通過正交試驗(yàn)的方法分析影響建筑空調(diào)負(fù)荷的各個(gè)因素的顯著性水平。

 

  3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

 

  試驗(yàn)指標(biāo)、因素及因素水平的選取和試驗(yàn)方案的確定是正交試驗(yàn)的關(guān)鍵[ 17] 。本次正交試驗(yàn)的目的就是為了確定建筑空調(diào)負(fù)荷影響因素的顯著性水平, 所以試驗(yàn)指標(biāo)選擇為空調(diào)負(fù)荷。在負(fù)荷因子法中, 根據(jù)計(jì)算原理及式(6)可知, 與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)有關(guān)的信息綜合在圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)ζ中, 沒有參與計(jì)算,不影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷的動(dòng)態(tài)特性, 故不構(gòu)成負(fù)荷因子法的影響因素。或者說, 該方法是針對(duì)已選定圍護(hù)結(jié)構(gòu)特性的建筑進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)。所以, 本文選取氣象條件、室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度、室內(nèi)人員密度、室內(nèi)照明功率、室內(nèi)設(shè)備功率及新風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)作為主要的影響因素。根據(jù)相關(guān)資料確定了各個(gè)建筑空調(diào)負(fù)荷的影響因素的水平,如表2 所示。本試驗(yàn)選擇L18(37)正交表。

 

  3.2.1 直觀分析

 

  正交試驗(yàn)結(jié)果的直觀分析是通過比較極差的

 

  大小判斷各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的主次順序, 某因素的極差越大, 說明其對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大, 為主要因素, 反之, 則為次要因素。由表3 中各個(gè)因素的極差值Ri 可以看出, 影響因素的主次順序?yàn)锳 >F >B >C >D >E 。

 

  3.2.2 方差分析

 

  方差分析通過構(gòu)造服從F 分布的統(tǒng)計(jì)量, 比較某因素的F 值與給定顯著性水平下的臨界值,若前者大, 說明該因素為顯著性因素。當(dāng)Fi >F0 .01(f i , f E )(其中f i 為因素i 的自由度, f E 為總的誤差自由度)時(shí), i 因素為高度顯著性因素;當(dāng)Fi>F0 .05(f i , f E )時(shí), i 因素為顯著性因素。

 

  查F 分布表可知, 當(dāng)顯著性水平為0 .01 時(shí),F0 .01(2 , 5)=13 .3 , 顯著性水平為0 .05 時(shí),F 0 .05(2 ,5)=5 .79 , 比較各個(gè)因素的F 值得, 室外氣象溫度、室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度、新風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)空調(diào)負(fù)荷有顯著影響, 其中室外氣象條件為高度顯著性因素, 而人員密度、設(shè)備功率、照明功率影響不顯著。這與直觀分析的結(jié)果是相同的。

 

  綜上, 在利用負(fù)荷因子法進(jìn)行建筑空調(diào)負(fù)荷預(yù)測(cè)時(shí), 對(duì)室外氣象參數(shù)、室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)及新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)的確定應(yīng)該尤為謹(jǐn)慎。同時(shí), 由于人員密度直接影響新風(fēng)量從而影響新風(fēng)負(fù)荷, 所以, 建筑物人員密度也是必須慎重考慮的參數(shù)。

 

  3.3 影響因素分析

 

  3.3.1 氣象參數(shù)

 

  由以上的分析可以得出, 氣象參數(shù)對(duì)空調(diào)負(fù)荷具有顯著影響, 所以應(yīng)用負(fù)荷因子法進(jìn)行建筑空調(diào)負(fù)荷預(yù)測(cè)時(shí)應(yīng)特別注意氣象參數(shù)的確定。本文采用DeST 提供的基于隨機(jī)氣象模型的氣象數(shù)據(jù)和天氣在線網(wǎng)提供的2007 年北京地區(qū)的實(shí)際氣象參數(shù), 對(duì)比分析了兩種氣象條件下的負(fù)荷預(yù)測(cè)精度.

 

  實(shí)際氣象條件和DeST 氣象條件下的負(fù)荷預(yù)測(cè)值的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)是一致的, 符合實(shí)際情況。從表5 可以看出, 兩種氣象條件下的建筑空調(diào)負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差都比較大, 其中DeS T 氣象條件下的預(yù)測(cè)負(fù)荷誤差基本在20 %～50 %之間, 最大達(dá)到54 .0 %;而實(shí)際氣象條件下的預(yù)測(cè)負(fù)荷誤差基本在10 %～ 30 %之間, 最大為38 %。由此說明, 應(yīng)用真實(shí)氣象條件可以在一定程度上改善負(fù)荷預(yù)測(cè)的精度。然而, 氣象臺(tái)(站)的氣象參數(shù)并不是逐時(shí)記錄的, 例如天氣在線網(wǎng)站提供的氣象參數(shù)就是從00 :00 開始每隔3 h 記錄一次的。因此要獲得滿足負(fù)荷因子法的全年逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)必須采用有效的方法對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

 

  實(shí)際氣象條件下的預(yù)測(cè)誤差大于DeST 氣象條件下預(yù)測(cè)誤差的情況, 其原因可能是空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)并未保證室內(nèi)溫度恒定在設(shè)定值, 而是有一定的波動(dòng), 使負(fù)荷的實(shí)測(cè)值不能反映此時(shí)負(fù)荷的設(shè)計(jì)值, 另外, 墻體的蓄熱作用也可能是導(dǎo)致該現(xiàn)象出現(xiàn)的原因。除此, 在每天的16 :00 -17 :00 期間會(huì)出現(xiàn)負(fù)荷的陡增, 分析其原因可能是該方法中忽略了傳熱過程中溫度波的衰減和延遲現(xiàn)象。因此, 負(fù)荷預(yù)測(cè)中如何合理地考慮衰減和延遲是需要深入研究的一個(gè)問題。

 

  3.3.2 室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度及新風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)

 

  由正交試驗(yàn)可知, 室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度和新風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)是影響空調(diào)負(fù)荷的顯著性因素。在應(yīng)用負(fù)荷因子法進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)時(shí)參數(shù)的選取嚴(yán)格依照相關(guān)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范, 所以這兩個(gè)參數(shù)相當(dāng)于是固定值,不會(huì)影響負(fù)荷的預(yù)測(cè)精度。

 

  3.3.3 其他影響因素

 

  雖然人員負(fù)荷、設(shè)備負(fù)荷、照明負(fù)荷各自的影響不顯著, 但是由圖2 可以看出, 三者構(gòu)成的內(nèi)擾形成的負(fù)荷在空調(diào)負(fù)荷中占有很大的比例。

 

  另外, 人員密度直接決定了新風(fēng)量的大小進(jìn)而影響新風(fēng)負(fù)荷, 而新風(fēng)負(fù)荷又是空調(diào)負(fù)荷的主要組成部分, 所以在應(yīng)用該方法時(shí)需慎重考慮參數(shù)的選擇。

 

  綜上, 為了改善負(fù)荷因子法的預(yù)測(cè)精度, 必須做大量的調(diào)研工作, 使預(yù)測(cè)參數(shù)的取值盡量接近實(shí)際情況。

 

  4 結(jié)論及前景展望

 

  4.1 本文提出的負(fù)荷因子法, 將圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷按室內(nèi)外溫差線性化, 新風(fēng)負(fù)荷按室內(nèi)外空氣焓差線性化單獨(dú)計(jì)算, 比文獻(xiàn)[ 11] 提出的將圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷與新風(fēng)負(fù)荷統(tǒng)一定義為動(dòng)態(tài)負(fù)荷, 并按室內(nèi)外溫差線性化的方法更為合理。

 

  4.2 負(fù)荷因子法原理簡(jiǎn)單, 輸入?yún)?shù)少, 具有可移植性且計(jì)算結(jié)果具有動(dòng)態(tài)特性, 適用于城市規(guī)劃階段建筑空調(diào)負(fù)荷的簡(jiǎn)單計(jì)算。

 

  4.3 利用負(fù)荷因子法對(duì)北京地區(qū)辦公建筑空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行了預(yù)測(cè), 預(yù)測(cè)得到的該類型建筑空調(diào)負(fù)荷的動(dòng)態(tài)特性與實(shí)際運(yùn)行的空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷變化規(guī)律是一致的, 說明了該方法在預(yù)測(cè)空調(diào)負(fù)荷的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律上具有一定的可行性。

 

  4.4 通過正交試驗(yàn), 得出影響負(fù)荷因子法空調(diào)負(fù)荷預(yù)測(cè)精度的影響因素的主次順序?yàn)锳 >F >B >

 

  C >D >E 。由方差分析可知, 室外氣象條件、室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)及新風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)是顯著性因素。

 

  4.5  對(duì)影響空調(diào)負(fù)荷的顯著性因素進(jìn)行了定量分析, 發(fā)現(xiàn)DeST 氣象條件下預(yù)測(cè)得到的建筑逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷誤差基本在10 %～ 30 %之間, 最大為38 %,不同類型的氣象條件對(duì)負(fù)荷因子法的預(yù)測(cè)精度影響很大, 故合理選擇氣象條件有利于提高負(fù)荷因子法的預(yù)測(cè)精度。

 

  4.6  由于在提出負(fù)荷因子法的過程中作了一些簡(jiǎn)化處理, 在一定程度上影響了預(yù)測(cè)精度。所以, 該方法依然存在許多需要改進(jìn)和深入研究的問題, 比如溫度波的衰減和延遲現(xiàn)象、墻體的蓄熱特性導(dǎo)致空調(diào)負(fù)荷的變化以及將一種較為成熟的氣象條件預(yù)測(cè)模型引入該方法等。另外該方法忽略了相對(duì)濕度對(duì)空調(diào)負(fù)荷的影響, 所以以比焓為基準(zhǔn)的負(fù)荷因子法也是下一步研究工作的重點(diǎn)。