基于等效温度的供热负荷控制方式

文｜中国汽车工业工程公司自控工程院 张成礼 刘丽萍 韩 俊

随着社会的发展，人们对温度环境舒适性的要求越来越高；同时，随着世界能源供应的日趋紧张，各国对节能工作也越来越重视。目前，供热失调现象是供热系统中普遍存在的问题，恰当地控制供热负荷，获得舒适节能的效果是供热控制追求的目标之一。

1 传统供热负荷控制方式

目前，国内供热负荷控制方式主要有“经验型”手动控制方式、基于室外温度的自动控制方式两种。

（1）“经验型”手动控制方式

这种控制方式是由操作人员根据经验手动控制供热量，受操作人员的经验水平和主观因素的影响，容易造成供热过剩或不足，造成室内温度不稳定。

（2）基于室外温度的自动控制方式

这种控制方式是由供热控制系统根据室外温度传感器实时采集的室外温度来自动控制供热量。这种控制方式与手动控制方式相比，供热量的准确性和室内温度的稳定性有了很大提高。但是，这种控制方式仅考虑了室外温度因素，没有考虑风速、风向、太阳辐射等天气因素，是不全面的。同时，根据实时室外温度进行控制也有一定的滞后性。

2 基于等效温度的供热负荷自动控制方式

针对基于室外温度的自动控制方式的不足，瑞典气象和水文研究所的Roger Taesler教授提出了等效温度的理论。等效温度是综合考虑建筑物的结构因素、环境因素、功能因素、天气因素等，对室外温度校正后的温度。基于等效温度的自动控制系统使用天气预测接收器代替室外温度传感器，根据程序计算出的等效温度来控制供热量。

（1）热能平衡的概念

为了保证室内温度的稳定，建筑物获得的热能应与建筑物损失的热能相平衡。建筑物获得的热能包括供热系统提供的热能、受太阳辐射获得的热能、设备和人员产生的热量。建筑物损失的热能包括通过建筑物外部结构热传导损失的热能、因自然通风和机械通风损失的热能。建筑物热能平衡公式如下：

其中QN为供热系统提供的热量，QC为通过墙壁、窗户和屋顶热传导损失的热量，QF为机械通风损失的热量，QI为通过缝隙、窗户、门的自然通风损失的热量，QG为通过地面热传导损失的热量，QEP为设备和人员产生的热量，QS为受太阳辐射获得的热量。

（2）等效温度的概念

供热系统提供的热量与等效温度之间的关系如下：

其中QN为供热系统提供的瞬时热量，单位为W/m2；Ti、TET分别为室内目标温度和等效温度，单位为℃；K为系数，单位为W/m2℃。

（3）热传导的热损失QC

通过墙壁、窗户和屋顶传导损失的热量，按照下式计算：

其中Ti、To分别为室内温度和室外温度，单位为℃；Uc为热传导系数，单位为W/m2℃，其大小与建筑物结构及风向、风速有关。

（4）机械通风的热损失QF

因机械通风产生的热损失，按照下式计算：

其中η为热交换效率；N为每小时换气次数；V为通风量，单位为m3；ρ为空气密度，单位为kg/m3；Cp为比热，单位为J/kg℃；Ti、To分别为室内温度和室外温度，单位为℃。

（5）自然通风的热损失QI

通过缝隙、窗户、门的自然通风损失的热量，按照下式计算：

其中ΔP为室内外压差，单位为Pa，其大小与建筑物结构、外部环境、风速、风向有关；ρ为空气密度，单位为kg/m3；Cp为比热，单位为J/kg℃；f（ΔP）为室内和室外压差的函数。

其中A为缝隙的有效面积，单位为m2；C为流量系数，其大小由缝隙类型和缝隙气流决定，单位为m3/SPanm2；n为压力系数，取值为0.4～1，典型值为0.65。

（6）地面热传导的热损失QG

通过地面热传导损失的热量，按照下式计算：

其中UG为热传导系数，单位为W/m℃；A为地面面积，单位为m2；Ti、Tgr分别为室内温度和地面温度，单位为℃。

（7）设备和人员产生的热量QEP

建筑物内的设备运行时会产生一定的热量，热量大小与设备数量、设备类型、设备功率有关。

建筑物内的工作人员也会产生一定的热量，热量大小与人员数量、活动水平、穿着衣物有关。

（8）受太阳照射获得的热量QS

受太阳照射获得的热量除了与天气、建筑物结构有关外，还与太阳光照射的方向有关。太阳光照射的方向是由建筑物所处的纬度（φ ）、太阳时角（ω）、太阳偏角三个因素决定的。2

3 等效温度计算软件

eGain软件是瑞典eGain International AB公司开发的，用于计算建筑物等效温度的商品软件。使用该软件需要输入以下参数：

◆ 气象数据：由天气预测接收器接收未来24小时内每小时的气象预测数据，包括空气温度、风速、风向、湿度、降水、太阳辐射等；使用气象预测数据可以提前计算供热负荷，解决供热控制的滞后性问题；

◆ 建筑物模型数据：按照eGain软件的要求，详细输入建筑物的平面和立面参数，建立建筑物三维模型；

◆ 建筑物环境数据：输入目标建筑物周围的其他建筑物的情况，建立建筑物的环境模型；

◆ 建筑物位置数据：建筑物的纬度、经度（λ）；

◆ 建筑物围护结构数据：主要指建筑物围护结构的厚度、导热系数、密度、蓄热系数、比热容等；

◆ 建筑物内部的设备和人员数据；

◆ 室内舒适环境条件的设定：主要指室内温度和换气次数。

eGain软件主要在欧洲国家得到了推广和应用，截止到2010年，共有将近7×106m2的住宅楼及商业楼宇安装使用了这一系统。

与基于室外温度的自动控制方式相比，采用基于等效温度的自动控制方式需要增加的投资主要包括气象数据的投资和等效温度计算软件的投资。气象数据的获取有两种方案：自建气象站或通过网络连接到气象部门，购买气象部门的气象数据。

统计数据显示，采用基于等效温度的自动控制方式避免了供热过剩或不足，提高了室内温度的稳定性，提高了环境舒适度，同时可以节约能源10%左右（每年节约热能约15kWh/m2）。

正在沈阳铁西建设中的宝马工厂将采用这一供热负荷控制方式。