用改進(jìn)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(jìn)的BIN法模擬與分析空調(diào)建筑能耗資助項(xiàng)目：江蘇省建設(shè)廳資助項(xiàng)目（JS200121）資助項(xiàng)目：江蘇省建設(shè)廳資助項(xiàng)目（JS200121）摘要：本文利用改進(jìn)的BIN法對(duì)某空調(diào)建筑的能耗進(jìn)行模擬，運(yùn)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)、方差分析和回歸分析等方法進(jìn)行分析，得到能耗的顯著影響因素，能耗與各個(gè)因素的函數(shù)關(guān)系，從而為空調(diào)和建筑節(jié)能設(shè)計(jì)提供依據(jù)。關(guān)鍵詞：BIN法能耗正交試驗(yàn)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(duì)建筑能耗影響因素進(jìn)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(jì)，進(jìn)而有利于空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)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(jì)算機(jī)軟件（如DOE-2，EnergyPlus，HASP等）進(jìn)行精確計(jì)算，但它一般較復(fù)雜，不適用一般設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理人員使用；另一種是簡(jiǎn)化計(jì)算（如度日法，當(dāng)量滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間法，溫頻(BIN)法等），這種方法精度稍差，但簡(jiǎn)單實(shí)用。本文模擬建筑物能耗所采用的方法是改進(jìn)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(jì)算更切合實(shí)際，使“動(dòng)態(tài)”的概念得到加強(qiáng)。2改進(jìn)的BIN法能耗模擬數(shù)學(xué)模型2.1負(fù)荷計(jì)算在改進(jìn)的BIN法中，空調(diào)負(fù)荷由太陽輻射負(fù)荷、傳導(dǎo)負(fù)荷、內(nèi)部負(fù)荷和新風(fēng)負(fù)荷四部分組成。為簡(jiǎn)化計(jì)算,假設(shè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷（日射得熱和溫差傳熱）和新風(fēng)負(fù)荷與室外干球溫度存在線性關(guān)系。2.1.1太陽輻射負(fù)荷太陽輻射負(fù)荷可根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算：（1）式中：SCL－平均日射負(fù)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(shí)日射冷負(fù)荷系數(shù)之和；FPS－月平均日照率；t－空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行小時(shí)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(fù)荷溫度，℃；Tph－高峰熱負(fù)荷溫度，℃；2.1.2傳導(dǎo)負(fù)荷傳導(dǎo)負(fù)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(jìn)行計(jì)算：（3）式中：TCL、THL－分別為夏季、冬季由溫差引起的傳導(dǎo)負(fù)荷，W/m2；n－建筑物熱傳導(dǎo)表面數(shù)；Ai－第i個(gè)表面的面積，m2；Ki－第i個(gè)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(jìn)行計(jì)算：（4）式中：TSCL－日射形成的傳導(dǎo)負(fù)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(fù)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(fù)荷內(nèi)部負(fù)荷根據(jù)式(6)進(jìn)行計(jì)算：（6）式中：CLI－內(nèi)部負(fù)荷，W/m2；AU－同時(shí)使用系數(shù)；CLImax－照明、發(fā)熱設(shè)備的最大負(fù)荷和房間內(nèi)最大人數(shù)時(shí)的人體散熱，W。2.1.4新風(fēng)負(fù)荷新風(fēng)負(fù)荷包括顯熱負(fù)荷和潛熱負(fù)荷，分別根據(jù)式(7)和式(8)進(jìn)行計(jì)算：（7）（8）式中：V－新風(fēng)量，m3/h；d－室外空氣含濕量，g/kg；di－室內(nèi)設(shè)計(jì)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(xiàn)[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(shí)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(shí)；MSHGF和CLTDS按照文獻(xiàn)[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(duì)建筑物的夏季能耗進(jìn)行模擬與分析。2.3改進(jìn)的BIN法的氣象參數(shù)整理本文采用文獻(xiàn)[5]的實(shí)測(cè)加工氣象數(shù)據(jù)，它比推測(cè)數(shù)據(jù)更具有真實(shí)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(shí)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(duì)南京標(biāo)準(zhǔn)年逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行一班制(8:00～18:00)整理，見表1。表1改進(jìn)BIN法溫、濕度表(8:00～18:00)溫度/℃含濕量/g/kg合計(jì)/h3579111315171921232522291328302878210000209240102141352651603000027426052031212942314610002352807131317234048613220256300005212333947525019532000033835436417117434000002284534111103360000000114851292.4改進(jìn)的BIN法能耗模擬計(jì)算將各參數(shù)代入式(2)、(3)、(5)、(6)、(7)和(8)后相加可以計(jì)算各溫、濕頻段下該辦公樓的負(fù)荷，將結(jié)果分別乘以表1的各溫、濕頻段對(duì)應(yīng)的小時(shí)數(shù)后累加就得到總能耗。3正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)的方法，這些代表點(diǎn)具有“均勻”和“整齊”的特點(diǎn)。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)能有效減少試驗(yàn)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(yàn)設(shè)計(jì)從數(shù)學(xué)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(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)等10個(gè)因素，根據(jù)規(guī)范要求每個(gè)因素取兩個(gè)水平，用正交表L12(210)[6]來安排試驗(yàn)，并用改進(jìn)的BIN法計(jì)算不同試驗(yàn)下的總能耗(kW·h/m2)，詳見表2。表2正交試驗(yàn)表格L12(210)試驗(yàn)序號(hào)各個(gè)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(fēng)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)假設(shè)檢驗(yàn)的方法，構(gòu)造一個(gè)服從F分布的統(tǒng)計(jì)量，記為F，當(dāng)某一因子的Fi值（Fi值計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)[7]）大于一定顯著性水平下的臨界值時(shí)，便認(rèn)為是顯著性因子。利用表2中的數(shù)值計(jì)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(fēng)標(biāo)準(zhǔn)、照明等），而圍護(hù)結(jié)構(gòu)（屋面、墻、窗等）對(duì)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(diǎn)要放在室內(nèi)設(shè)定條件上。在空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)，人員密度、室內(nèi)溫度和新風(fēng)量的確定必須謹(jǐn)慎。F值的大小反映了各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響程度的大小，當(dāng)Fi值越大，因素對(duì)結(jié)果的影響就大[7]。按照各個(gè)因素Fi值大小對(duì)各因素進(jìn)行排序，結(jié)果見表3。3.3回歸分析不考慮10個(gè)因素之間的交互作用，建立能耗與各個(gè)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(jì)值，即回歸系數(shù)；它們組成矩陣b，根據(jù)式(9)進(jìn)行計(jì)算：（9）式中，b－回歸系數(shù)矩陣；X－設(shè)計(jì)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(jī)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(yàn)的數(shù)值，根據(jù)式(9)計(jì)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(gè)因素水平；13.35－常數(shù)項(xiàng)；計(jì)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(jì)算前，應(yīng)先將各個(gè)因素的具體取值規(guī)格化，可按式(11)規(guī)格化計(jì)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(shí)取值；x2－因素高水平時(shí)取值；當(dāng)x=x1時(shí)，X=1；當(dāng)x=x2時(shí)，X=2。表3F值、回歸系數(shù)C值計(jì)算及排序表序號(hào)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(fēng)標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行擬和計(jì)算。同時(shí)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(fù)數(shù)，說明夏季室內(nèi)溫度設(shè)定越高，能耗越??；因此，在滿足舒適性的情況下，夏季應(yīng)盡量升高室內(nèi)溫度。而其它各個(gè)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(duì)值大小對(duì)各因素進(jìn)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(yàn)的水平、能耗與式(10)進(jìn)行最優(yōu)化分析，建立約束最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型[8]：，通過計(jì)算得到，當(dāng)室內(nèi)溫度取高水平，其它都取低水平時(shí)（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(yàn)中沒有此次試驗(yàn)，但是它與第1次試驗(yàn)很接近，區(qū)別僅為室內(nèi)溫度水平不同。兩者對(duì)比可知，其它因素都取低水平時(shí)，室溫升高2℃，可以節(jié)能13.93kW·h/m2。4結(jié)論本文運(yùn)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)、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(fēng)標(biāo)準(zhǔn)、照明等），而圍護(hù)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(duì)不明顯，而節(jié)能的重點(diǎn)要放在室內(nèi)設(shè)定條件上。在空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)，人員密度、室內(nèi)溫度和新風(fēng)量的確定必須謹(jǐn)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(jìn)行擬和計(jì)算。同時(shí)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(duì)設(shè)計(jì)人員在空調(diào)和建筑節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)提供依據(jù)并起一定的指導(dǎo)作用，進(jìn)而使空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行更加經(jīng)濟(jì)節(jié)能。參考文獻(xiàn)[1]杜塏,劉青,張建忠.應(yīng)用聯(lián)合頻率表對(duì)傳統(tǒng)BIN法的改進(jìn).暖通空調(diào),2002,32(4):88-90[2]BarryMCohen,DouglasRKosar.HumidityIssuesinBinEnergyAnalysis.Heating/Piping/AirConditioning,2000(1):65-78[3]杜雁