公共建筑分时分区控制的能耗模拟分析

邵宗义 马长明 韦梓春

北京建筑大学供热、供燃气通风及空调工程重点实验室

公共建筑分时分区控制的能耗模拟分析

邵宗义 马长明 韦梓春

北京建筑大学供热、供燃气通风及空调工程重点实验室

本文对分时分区供热节能进行了理论分析，通过能耗模拟软件DeST-C对北京某办公建筑在连续供热和分时分区控制供热两种工况下的能耗进行了模拟计算。根据模拟数据分析了在两种供暖模式下模拟建筑的耗热量和建筑室内房间的温度变化情况。实例模拟分析显示，公共建筑采取分时分区控制技术供热，能实现按需供热，节能效果显著。

连续供暖 分时分区控制 节能 能耗比较

0 引言

目前建筑能耗占我国全社会终端能耗的比例约为27.5%。北方城镇集中供热采暖能耗占全国城镇建筑总能耗40%，为建筑能源消耗的最大组成部分，因此集中供热节能应该是我国建筑节能工作中潜力最大、最主要的途径，应该作为当前开展建筑节能工作的重点。

集中供热系统服务对象不仅包含居住建筑还包含学校、办公楼、会场、活动中心等公共建筑。居住建筑一天均有人员，要求室内温度全天维持在一个恒定的状态；而办公建筑只需要在工作时间满足人员舒适要求，在非办公时间保持防冻温度即可。特别是对于有长时间寒假的学校类建筑，寒假期间无人停留，如果持续供热会导致大量能源的浪费。但是传统混合的供热系统在设计初期没有对公共建筑做特别设计，是和居住建筑一样进行连续24小时供热。这种集中供热系统有以下缺点：由于公共建筑在非办公时间无供热的需求，只要保持一定温度防止水管冻裂就可以；但是原有系统连续供热，这就使得公共建筑在非办公时间内获得了大量的热量而造成不必要的能源浪费；另外，由于循环水泵要提供非办公时间办公楼的循环动力也就造成循环泵在非办公时间的电能浪费[1]。因此对于办公建筑、商业建筑、学校等公共建筑采取分时分区供热是很有效的节能方式。本文通过理论分析和实际工程案例模拟来讨论对公共建筑采取分时分区供热的节能性。

1 分时分区供热控制原理

分时分区控制供热既能满足人们对舒适性的要求又能最大限度地节能。根据公共建筑的使用特点，同时充分考虑围护结构保温性能和围护结构的蓄热延迟性,对不同建筑物采用分时分区供热调节手段,实现按需供热,从而减少不必要的能源浪费。根据公共建筑使用时间的差异，在无人停留的时间内通过在楼栋热力入口供回水管上设置电动调节阀，通过控制器调节电动调节阀门的开启状态来调节系统的供水流量以达到对建筑不同时段温度的控制。同时设置检测建筑物管内水温的装置，以避免室内过低及管道冻裂。图1为分时分区控制系统的原理图。

图1 分时分区控制系统原理图

采用分时分区供热的方案和原则[2]:在建筑使用时间内保证正常的室内采暖温度，在非使用时间通过分时分区控制降低室内温度；建筑面积过小的建筑、医院建筑及全天24小时有人的建筑不宜采取分时分区供热。

2 分时分区供热节能的理论分析

本文采用面积热指标法[3～4]对建筑进行整个采暖季热负荷及采用分时分区供热时的热负荷进行计算，并得出采用分时分区供热的节能率。

采用24小时不间断供热时供热量为：

式中：Q为供热期间供热量，GJ；A为供热面积，m2；N为供热天数。

采用分时分区供热建筑正常使用时间供热量为：

式中：N1为整个供暖期间节假日、周末的天数；m为建筑每天正常使用时间。

建筑采用值班温度时的供热量为：

采用分时分区供暖的节能率为：

以北京市某一办公建筑为例，建筑供热时间为周一至周五的4:00～20:00，m为16h，N为120天，N1为26天，室内设计温度为18℃，值班采暖温度为8℃，室外平均温度为-0.7℃，分别代入以上代入公式计算得：节能率为约为34.3%。

3 工程实例模拟

3.1 建筑模型

所选建筑为北京市某科研所办公楼，办公楼和其他两栋住宅楼、一栋实验楼由锅炉房集中供热。建筑共六层，层高为3.1m，建筑总面积为11426m2，建筑人均面积为8m2/人，建筑窗墙比约为20%，外窗玻璃类型为普通6mm单层玻璃（传热系数5.7W/(m·2K)、遮阳系数SC值0.85），外墙传热系数为2.036W/(m2·K)，屋面传热系数为1.535W/(m2·K)；冬季办公室内新风靠门窗渗透来，渗透换气次数为0.5次/小时，办公设备、照明设备负荷密度均为11W/m2；照明开关时间、房间人员逐时在室率、设备逐时使用率按《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005[5]设定。室内设计温度为18℃，按国家规定北京供暖期为每年11月15日至次年3月15日。

利用能耗模拟软件，通过改变建筑供暖时间来对比建筑采暖能耗。具体方案是：模拟办公楼24h连续供热的工况，分析能耗及典型房间温度变化；模拟工况4:00～20:00供热，分析能耗及典型房间温度变化，比较两种工况下的能耗。

3.2 能耗模拟结果及分析

在此利用能耗模拟软件DeST-C进行模拟，计算该办公建筑在连续供暖和分时分区供暖两种模式下的冬季供暖负荷和室内温度的变化情况。DeST给出了典型气象年中的相关气象参数，根据冬季供暖室外计算温度确定供暖初期、中期、末期数据分析的典型日，然后分析采暖期建筑热负荷和室内热环境波动情况。

对办公建筑实行分时分区控制，属于间歇供暖[6]，停止供暖时，室内温度会有一定的下降。而且随着室外温度的变化，分时分区供暖对室内的影响也不相同。

下面以对办公楼供热采取分时分区控制时的建筑逐时负荷进行分析。

分析办公楼的逐时耗热量，选取三个典型日的逐时耗热量进行分析，如图2所示。由图2可以看出，在分时分区控制的工况下，早上在楼栋入口电动阀门开启时，由于经过几个小时的停暖之后室温和供水温度的温差比连续供暖时偏大，建筑的逐时耗热量有一个突然的增大，阀门开启后的两个小时内，耗热量比正常情况下高出很多，但2h后，逐时耗热量和正常供暖下的逐时耗热量相差不大。说明此时室内温度已经与连续供暖时室内温度相差不大，再经过两个小时的供暖室内温度能达到舒适要求。

图2 办公楼逐时耗热量

分析典型房间的温度，选取六层的一个典型办公室作为分析对象。房间在采暖初期、中期、末期的温度变化如图3所示。由图可以看出，当对办公楼进行分时分区控制时，室内温度会在夜间停止供暖时逐渐下降，早上开启供暖时，逐步升高。开始停暖时温降较快，2小时后温降速度变慢。采暖初期和末期，由于室外温度较高，分时分区控制时室内温降比较小，平均温降为4.25℃，而在寒冷期室内温降相对比较大，室内温度低至10.63℃。但仍高于值班供暖温度，水管不会有冻裂的危险，但预热时间相应变长。

图3 不同采暖时期典型房间室内温度变化情况

分析连续24h不间断供暖和分时分区供暖两种不同工况的逐日热负荷，二者的比较见图4。由图可以看出，连续供暖的逐日耗热量几乎全部大于按分时分区控制技术供热的逐日能耗，也即整个供暖期内采用分时分区控制技术供热在满足室内温度要求的情况下更节能。模拟的建筑能耗报告显示，连续供暖时办公楼采暖季热负荷指标为31.4W/m2，而采用分时分区供热时采暖季热负荷指标为22.5W/m2，节能率为29.9%。

图4 供暖期逐日耗热量

4 结语

通过能耗模拟软件DeST-C对连续供暖和分时分区控制供热两种工况的模拟计算，并对数据分析，得出以下结论：

1）公用建筑按分时分区控制供热相比连续供热是节能的，本文中模拟的办公楼节能率达到了29.9%，可见对办公楼、写字楼、学校建筑等公共建筑采取分时分区供暖是一个非常节能的调节方法。

2）对建筑采取分时分区控制时，建筑的逐日能耗比连续供暖逐日能耗小。分时控制时，开启阀门后的前两个小时，由于室内温度低，办公楼耗热量比连续供暖高很多，但两个小时后耗热量恢复正常。

3）无论是采暖初期、中期还是末期，分时控制对室内温度的影响如果控制得当，不会对建筑正常使用造成不利影响。采暖初期和采暖末期对公共建筑进行分时控制，对室内温度影响较小，能够以最小的温度代价来获取最大的节能效益。为了更好地对公共建筑进行分时控制，分时分区装置应当能够根据室外温度自动调节预热时间，当天气变得冷些，预热时间就要长些，当天气变暖的时候，预热时间就变短些。

4）由于每栋建筑具有不同的使用情况，不同的围护结构热工参数等，应采取不同的分时分区调控策略，建筑室内温升和温降也会有所不同。

[1]单晓平.集中供热系统按建筑分时供暖方法[J].辽宁:辽宁科技大学学报,2009,32(5):502-504

[2]穆连波,张春蕾,王炳南.供热系统分时分区控制节能实测分析[J].北京:暖通空调,2013,43(6):109-112

[3]赵建会,张刘刚,符新燕.公共建筑分时分温供暖节能研究及效益分析[J].西安:西安科技大学学报,2010,30(3):336-339

[4]冉春雨,周晓亮,王春清.采用量调节分区分时供暖应用研究[J].吉林:吉林建筑工程学院学报,2009,26(1):75-78

[5]中华人民共和国建设部.公共建筑节能设计标准(GB50189-20 05)[S].北京:中国建筑工业出版社,2005

[6]李兆坚,江亿,燕达.住宅间歇供暖模拟分析[J].暖通空调,2005, 35(8):110-113

Ene rgy Cons um ption Sim ula tion a nd Ana lys is of Tim e a nd Zone Control for Public Buildings

SHAO Zong-yi,MA Chang-ming,WEI Zi-chun
HVAC Key Laboratory in Beijing,Beijing University of Architecture

This paper makes a theoretical analysis of energy conservation of time and zone control for heating system. An office building of Beijing is simulated in two cases of continuous heating and time and zone control heating through the energy simulation software of DeST-C.According to the simulation data We analysis heating consumption and the temperature variation of typical room of the building in two kinds of heating mode.Engineering example simulation shows that public buildings which take time and zone control for heating system can achieve the required heating and energy-saving effect is remarkable.

continuous heating,time and zone control,energy conservation,energy consumption comparison

1003-0344（2015）02-075-4

2013-9-29

邵宗义（1961～），男，硕士，设备总工；北京市西城区展览馆路1号北京建筑大学3号楼213室（100044）；E-mail:shaozongyi@126.com