用改進的BIN法模擬與分析空調(diào)建筑能耗分析研究 市建設(shè)與公共安全專業(yè)

用改進的BIN法模擬與分析空調(diào)建筑能耗資助項目：江蘇省建設(shè)廳資助項目（JS200121）資助項目：江蘇省建設(shè)廳資助項目（JS200121）摘要：本文利用改進的BIN法對某空調(diào)建筑的能耗進行模擬，運用正交試驗設(shè)計、方差分析和回歸分析等方法進行分析，得到能耗的顯著影響因素，能耗與各個因素的函數(shù)關(guān)系，從而為空調(diào)和建筑節(jié)能設(shè)計提供依據(jù)。關(guān)鍵詞：BIN法能耗正交試驗方差分析回歸分析1引言建筑能耗占總能耗的比重逐年增加，對建筑能耗影響因素進行分析，并且得到各因素影響程度大小關(guān)系，有利于建筑和空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能與優(yōu)化設(shè)計，進而有利于空調(diào)系統(tǒng)的運行和管理。目前建筑物能耗分析有兩種基本方法：一是利用計算機軟件（如DOE-2，EnergyPlus，HASP等）進行精確計算，但它一般較復雜，不適用一般設(shè)計和運行管理人員使用；另一種是簡化計算（如度日法，當量滿負荷運行時間法，溫頻(BIN)法等），這種方法精度稍差，但簡單實用。本文模擬建筑物能耗所采用的方法是改進的BIN法[1,2]，它是在BIN法基礎(chǔ)上，用溫度和含濕量聯(lián)合劃分頻率段，使能耗計算更切合實際，使“動態(tài)”的概念得到加強。2改進的BIN法能耗模擬數(shù)學模型2.1負荷計算在改進的BIN法中，空調(diào)負荷由太陽輻射負荷、傳導負荷、內(nèi)部負荷和新風負荷四部分組成。為簡化計算,假設(shè)圍護結(jié)構(gòu)負荷（日射得熱和溫差傳熱）和新風負荷與室外干球溫度存在線性關(guān)系。2.1.1太陽輻射負荷太陽輻射負荷可根據(jù)式(1)進行計算：（1）式中：SCL－平均日射負荷，7月份和1月份分別記作SCL7和SCL1，W/m2；n－建筑物朝向數(shù)；MSHGFi－朝向i的最大日射得熱系數(shù)，W/m2；AGi－朝向i的窗子總面積，m2；SCi－朝向i的遮陽系數(shù)；CLFTi－朝向i的24小時日射冷負荷系數(shù)之和；FPS－月平均日照率；t－空調(diào)系統(tǒng)運行小時數(shù)，h；Af－建筑物空調(diào)面積，m2。SCL與室外干球溫度T之間存在如下線性關(guān)系：（2）式中：Tpc－高峰冷負荷溫度，℃；Tph－高峰熱負荷溫度，℃；2.1.2傳導負荷傳導負荷由兩部分組成：(a)通過屋面、墻體、玻璃窗由溫差引起的穩(wěn)定傳熱部分，可根據(jù)式(3)進行計算：（3）式中：TCL、THL－分別為夏季、冬季由溫差引起的傳導負荷，W/m2；n－建筑物熱傳導表面數(shù)；Ai－第i個表面的面積，m2；Ki－第i個表面的傳熱系數(shù)，W/m2·℃；T－室外干球溫度，℃；Ti－室內(nèi)設(shè)定溫度，℃。(b)通過屋面、墻體由日射引起的不穩(wěn)定傳熱部分，可根據(jù)式(4)進行計算：（4）式中：TSCL－日射形成的傳導負荷，7月份和1月份分別記作TSCL7和TSCL1，W/m2；CLTDS－日射形成的墻體冷負荷溫差，℃；KC－墻體外表面顏色修正系數(shù)；TSCL與室外干球溫度T之間存在如下線性關(guān)系：（5）2.1.3內(nèi)部負荷內(nèi)部負荷根據(jù)式(6)進行計算：（6）式中：CLI－內(nèi)部負荷，W/m2；AU－同時使用系數(shù)；CLImax－照明、發(fā)熱設(shè)備的最大負荷和房間內(nèi)最大人數(shù)時的人體散熱，W。2.1.4新風負荷新風負荷包括顯熱負荷和潛熱負荷，分別根據(jù)式(7)和式(8)進行計算：（7）（8）式中：V－新風量，m3/h；d－室外空氣含濕量，g/kg；di－室內(nèi)設(shè)計要求的空氣含濕量，g/kg。2.2建筑概況與參數(shù)的取值本文采用文獻[3]的建筑數(shù)據(jù)：南京地區(qū)某一幢四層辦公樓，層高3.6m，南北朝向。建筑面積3200m2；外墻面積：南墻621.3m2，北墻638.6m2，東墻178.1m2，西墻178.1m2；外窗面積：北窗260m2，南窗255m2，西窗12m2，東窗12m2；屋面面積：823.7m2。該辦公樓工作時間為8:00～18:00。南京地區(qū)Tpc=36℃，Tph=-6℃，7月和1月的FPS分別取為0.64和0.44，t取10小時；MSHGF和CLTDS按照文獻[4]取值；KC取值為1。其它參數(shù)取值見下文。由于南京地區(qū)屬于非采暖地區(qū)，夏季能耗是全年能耗的主要部分，本文對建筑物的夏季能耗進行模擬與分析。2.3改進的BIN法的氣象參數(shù)整理本文采用文獻[5]的實測加工氣象數(shù)據(jù)，它比推測數(shù)據(jù)更具有真實性，能給人一種“身臨其境”的感覺。南京地區(qū)夏季室外氣溫高于22℃時空調(diào)系統(tǒng)開始制冷，筆者利用溫度和含濕量聯(lián)合劃分頻率段，對南京標準年逐時氣象數(shù)據(jù)進行一班制(8:00～18:00)整理，見表1。表1改進BIN法溫、濕度表(8:00～18:00)溫度/℃含濕量/g/kg合計/h3579111315171921232522291328302878210000209240102141352651603000027426052031212942314610002352807131317234048613220256300005212333947525019532000033835436417117434000002284534111103360000000114851292.4改進的BIN法能耗模擬計算將各參數(shù)代入式(2)、(3)、(5)、(6)、(7)和(8)后相加可以計算各溫、濕頻段下該辦公樓的負荷，將結(jié)果分別乘以表1的各溫、濕頻段對應的小時數(shù)后累加就得到總能耗。3正交試驗設(shè)計正交試驗設(shè)計是從全面試驗中挑選出部分有代表的點進行試驗的方法，這些代表點具有“均勻”和“整齊”的特點。正交試驗設(shè)計能有效減少試驗次數(shù)，因此具有很高的效率[6]。3.1影響因素、水平的確定和正交試驗設(shè)計從數(shù)學模型中可以看出，能耗的影響因素是遮陽系數(shù)、室內(nèi)溫度、人員密度、新風量標準等10個因素，根據(jù)規(guī)范要求每個因素取兩個水平，用正交表L12(210)[6]來安排試驗，并用改進的BIN法計算不同試驗下的總能耗(kW·h/m2)，詳見表2。表2正交試驗表格L12(210)試驗序號各個能耗影響因素總能耗12345678910遮陽系數(shù)室內(nèi)溫度屋面結(jié)構(gòu)墻體結(jié)構(gòu)窗戶結(jié)構(gòu)窗墻比照明功率設(shè)備功率人員密度新風標準11(0.44)1(26)1(0.35)1(0.49)1(2.37)1(0.25)1(20)1(15)1(0.1)1(20)72.4322(0.55)112(0.93)112(35)2(25)12(30)101.55322(28)2(0.7)211212(0.2)1108.54411222(4.00)11222130.485212122(0.35)2211100.0361112222121123.107122212121177.428122121211281.119221222111276.58102121121122128.47112211211221103.11121211122222124.37注：屋面、墻體和窗戶結(jié)構(gòu)指它們的傳熱系數(shù)(W/m2·℃)，“()”中數(shù)據(jù)為各因素的具體取值。3.2方差分析方差分析是利用數(shù)理統(tǒng)計假設(shè)檢驗的方法，構(gòu)造一個服從F分布的統(tǒng)計量，記為F，當某一因子的Fi值（Fi值計算方法可參考文獻[7]）大于一定顯著性水平下的臨界值時，便認為是顯著性因子。利用表2中的數(shù)值計算各因素的Fi值，結(jié)果見表3。取顯著性水平為0.05，臨界值F0.05(1,1)＝161.45，所以能耗的顯著影響因素是室內(nèi)設(shè)定條件（人員密度、溫度、新風標準、照明等），而圍護結(jié)構(gòu)（屋面、墻、窗等）對能耗影響較小。因此，在南京地區(qū)，采用保溫屋面、保溫外墻和雙層窗的節(jié)能效果不明顯，而節(jié)能的重點要放在室內(nèi)設(shè)定條件上。在空調(diào)設(shè)計時，人員密度、室內(nèi)溫度和新風量的確定必須謹慎。F值的大小反映了各因素對試驗結(jié)果影響程度的大小，當Fi值越大，因素對結(jié)果的影響就大[7]。按照各個因素Fi值大小對各因素進行排序，結(jié)果見表3。3.3回歸分析不考慮10個因素之間的交互作用，建立能耗與各個因素水平變量X1,X2,…,X10的多元線性回歸關(guān)系[7]，關(guān)系式如下：式中，b0,b1,b2,…,b10－最小二乘估計值，即回歸系數(shù)；它們組成矩陣b，根據(jù)式(9)進行計算：（9）式中，b－回歸系數(shù)矩陣；X－設(shè)計矩陣（或結(jié)構(gòu)矩陣、自變量系數(shù)矩陣）；X’X－信息矩陣，X’－X矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣；(X’X)-1－機關(guān)矩陣，即信息矩陣的逆矩陣；Y－總能耗的矩陣。利用表2中12次正交試驗的數(shù)值，根據(jù)式(9)計算出各回歸系數(shù)，可得到擬和公式(10)：（10）式中，Y－能耗，kW·h/m2；Ci－各回歸系數(shù)，見表3；Xi－各個因素水平；13.35－常數(shù)項；計算擬和公式的全相關(guān)系數(shù)，得到R2＝0.99991（很接近1），說明擬和效果較好[6]。但利用式(10)擬和計算前，應先將各個因素的具體取值規(guī)格化，可按式(11)規(guī)格化計算：（11）式中，X－因素的水平，低水平為1，高水平為2；x－因素的具體取值；x1－因素低水平時取值；x2－因素高水平時取值；當x=x1時，X=1；當x=x2時，X=2。表3F值、回歸系數(shù)C值計算及排序表序號i12345678910因素遮陽系數(shù)室內(nèi)溫度屋面結(jié)構(gòu)墻體結(jié)構(gòu)窗戶結(jié)構(gòu)窗墻比照明功率設(shè)備功率人員密度新風標準Fi16.311336114.812.280.48198.6466.7404.38088621.7Ci1.56-14.154.151.360.275.468.377.7934.839.66排序82791064513從表3的回歸系數(shù)看出：①各因素的具體取值經(jīng)過式（11）規(guī)格化后，就可根據(jù)式（10）進行擬和計算。同時回歸系數(shù)是各因素與能耗定量的數(shù)值關(guān)系，它還反映了各因素影響能耗程度的大小。②室內(nèi)溫度因素的回歸系數(shù)是負數(shù)，說明夏季室內(nèi)溫度設(shè)定越高，能耗越小；因此，在滿足舒適性的情況下，夏季應盡量升高室內(nèi)溫度。而其它各個因素與能耗都成正比關(guān)系。③按照各因素回歸系數(shù)Ci絕對值大小對各因素進行排列，得到的順序與按照各因素Fi值大小排列得到的順序是一樣的，說明了回歸分析與方差分析結(jié)論是一致的。3.4最優(yōu)化分析利用表2中12次正交試驗的水平、能耗與式(10)進行最優(yōu)化分析，建立約束最優(yōu)化目標函數(shù)的數(shù)學模型[8]：，通過計算得到，當室內(nèi)溫度取高水平，其它都取低水平時（這與回歸分析的結(jié)論是相統(tǒng)一的），能耗最小值Y=58.50kW·h/m2。12次正交試驗中沒有此次試驗，但是它與第1次試驗很接近，區(qū)別僅為室內(nèi)溫度水平不同。兩者對比可知，其它因素都取低水平時，室溫升高2℃，可以節(jié)能13.93kW·h/m2。4結(jié)論本文運用正交試驗設(shè)計、方差分析和回歸方法得到：1）能耗的顯著影響因素是室內(nèi)設(shè)定條件（人員密度、溫度、新風標準、照明等），而圍護結(jié)構(gòu)（墻、屋面、窗等）引起的能耗較小。因此，在南京地區(qū)，采用保溫屋面、保溫外墻和雙層窗的節(jié)能效果相對不明顯，而節(jié)能的重點要放在室內(nèi)設(shè)定條件上。在空調(diào)設(shè)計時，人員密度、室內(nèi)溫度和新風量的確定必須謹慎。2）能耗與各因素的擬和公式，全相關(guān)系數(shù)R2＝0.99991，擬和效果較好。各因素的具體取值經(jīng)過式（11）規(guī)格化后，就可根據(jù)式（10）進行擬和計算。同時回歸系數(shù)是各因素與能耗定量的數(shù)值關(guān)系，它還反映了各因素影響能耗程度的大小。3）方差分析、回歸分析和最優(yōu)化分析得到的結(jié)論是一致的。因此，本文可對設(shè)計人員在空調(diào)和建筑節(jié)能設(shè)計時提供依據(jù)并起一定的指導作用，進而使空調(diào)系統(tǒng)運行更加經(jīng)濟節(jié)能。參考文獻[1]杜塏,劉青,張建忠.應用聯(lián)合頻率表對傳統(tǒng)BIN法的改進.暖通空調(diào),2002,32(4):88-90[2]BarryMCohen,DouglasRKosar.HumidityIssuesinBinEnergyAnalysis.Heating/Piping/AirConditioning,2000(1):65-78[3]杜雁