基于MATLAB软件的超高层建筑供热间歇模式识别方法

于利尧

(江苏省方圆建筑设计研究有限公司，江苏 宿迁 223600)

我国超高层建筑供暖一直是该领域难以解决的问题。由于超高层需要的热量高于普通建筑，但是若采用全天供热，就会导致建筑内供热温度过高，会造成一定的安全隐患，因此只能采用间歇模式的供热方式[1-2]。间歇模式是在24小时内采用定时供热，在采用间歇模式的供热的同时，控制供热间隔时间和供热温度尤为重要，若间隔过大，建筑的温度过低，间歇时间过小，容易造成高温危险。传统的超高层建筑供热间歇模式识别方法对于建筑供热内温度的识别和间歇间隔识别效果不佳，导致超高层建筑内的温度过高或者过低，不能稳定于恒定温度，造成安全隐患[3]。

MATLAB软件为一款集成了数学分析、无线通信、深度学习、图像处理等技术的综合性软件，软件内部具有很多的功能识别箱，用来执行各种指令，MATLAB软件被广泛地应用于各个领域，解决了许多棘手的问题。软件的功能主要是根据录入不同模式的识别方法，建立预测模型，然后对所对应的数据实现预测，预测准确率高达99.99%[4]。预测模型的建立是根据人员向软件录入的数据作为计算数据，MATLAB软件不仅可以完成数据结果的输出与预测，还可以调用其他方面的软件，比如Excel、MATLAB、Energyplus等，具有强大的自适应能力。

综上所述，本文为促进超高层建筑供热间歇模式的发展，分析超高建筑供热间歇模式的原理以及对供热效果因素，确定间歇模式的识别特征，然后通过MATLAB软件的调用，精确分析超高层建筑供热间歇模式的决定性因素，完成基于MATLAB软件的超高层建筑供热间歇模式的识别方法，促进建筑领域供热体系的发展。

1 超高层建筑供热间歇模式识别特征分析

超高层建筑供热间歇模式是供热系统调节的一种模式，主要用于公共建筑，供热间歇模式工作是在保证正常供热的基础上，定时间段进行供热，节约资源。但是在不供热间隔中并不是停止供热，而是以最小热负荷完成供热，保证建筑物内温度达到规定温度[5]。

间歇式供热模式的工作本质是调节供热系统的流量、供水温度等运行参数，以适应外界环境的变化，最终实现供暖期间建筑物内温度一直处在设计温度左右[6]。但是间歇式供热存在的最大问题是控制不好间隔供热的时间间隔，由于在供热过程中会出现一定的热量损失，热量损失会影响供热效果，供暖热用户的热负荷、供暖用户系统中散热器的放热量和管网的供热量在间歇模式下变化公式如下所示：

Q1=q′·b(tn-tw)

(1)

(2)

(3)

式中：Q1为建筑物供暖设计热负荷，W；Q2为在供暖设计温度下散热器释放出的热量，W；Q3为在供暖设计温度下热网传给热用户的热量，W[7]；q′为建筑的体积供暖热指标，W/(m3·℃)；V为建筑物的体积，m3；tw为供暖室外计算温度，℃；tn为供暖室内计算温度，℃；F为热用户的供水温度，℃；a为热用户的回水温度，℃；G为热用户的循环水量，kg/h；tg为设计工况下，散热器传热系数，W/(m2·℃)；b为热水的质量比热[8]，4 187 W/(m2·℃)；建筑供热间歇模式的另一个决定性因素是室外温度的变化，它可以改变供暖间歇模式间歇的小时数，实际运行的热负荷与供暖设计热负荷的比值称为相对供暖负荷比p，其流量比值称为相对流量比1.6，具体公式为

(4)

因此一个超高层建筑间歇模式的供暖要平衡以上的各个影响因素，才可以构成一个完成的间歇模式的供暖体系。

供热系统间接连接示意图如图1所示。

图1 供热系统间接连接示意图

2 高层建筑供热间歇模式热源泵控制分析

在高层建筑供热间歇模式中，热源泵的作用为控制供热过程中出现的阻力，在间歇供热模式的初期，热源泵所呈现的阻力非常大，随着一周期的间歇供热模式的发展，所呈现的阻力也会随之变小，因此高层建筑供热间歇模式热源泵可以作为供热间歇模式状态的一个识别特征[9]。

在间歇模式供热体系中，热源泵主要是运输供热管道内的热水，通过供热体系中的回水温差为热源泵提供一定的压力，形成对外的阻力。通过定零压差点方法控制热源泵，此控制方法不依赖于其他的外界因素和工具，只依靠供热系统内的温度，具有独立性，这同样也保证了热源泵的工作效果[10]。供热系统直接连接示意图如图2所示。

图2 供热系统直接连接示意图

当热源泵的阻力定零压差点控制方法是在间歇模式供热阶段，管道内的流量总处于满负荷，因此系统内会出现零压差点，随着间歇模式供热进度的发展，流量减少，零压差点会变大，当零压差点达到极限时，正常的间歇供热模式就结束了[11]。间歇功能模式系统内的零压差点为零时，若另一周期的间歇模式没有开始，热源泵会依靠存储的热量提供功能，等待新一个周期的间歇供热。

3 建筑供热间歇热水流速分析

建筑供热间歇模式时供热系统的围护结构的温度会持续升高，在间歇供热模式结束后，围护结构向外散热，维持空间的温度，当温度散热到最低点，新一周期的间歇供热再重新向围护结构供热，重复以上操作保证空间的温度[12]，因此超高层建筑供热系统内的围护结构可以作为供热间歇模式的识别特征。水压图如图3所示。

图3 供热系统水压图

供热的本质是温差，只要供热围护结构存在温差，就会出现热传递现象，完成供热。超高层建筑供热间歇模式的间隔时间与系统内围护结构的热传递效率和热量损失率有直接的关系，具体关系如下所示：

Q=KU(t1-t2)

(5)

式中：Q为外围护结构耗热量，W；K为外围护结构传热系数，W/(m·℃)；U为外围护结构传热面积，m2；t1、t2分别为两个任意的时刻。

根据以上公式可以明确室外温度越低，耗热量就越大，这样间歇模式供热间隔时，为补偿供热系统的外围护结构的耗热量，室内温度势必下降。只有当供热开始，散热器的散热量抵消了围护结构的耗热量，还有剩余量时，室温才会升高。因此一旦识别到供热系统内的围护结构温度差在3 ℃的范围内时，就应该触发建筑供热新一周的间歇供热模式，保证供热效果。

补水定压方式[13]如图4所示。

图4 补水定压方式

建筑供热间歇温度分析过程如图5所示。

图5 建筑供热间歇温度分析过程

4 基于MATLAB软件的超高层建筑供热间歇模式识别

通过以上对超高层建筑供热间歇模式识别特征的分析和MATLAB软件功能的了解，本文总结出基于MATLAB软件的超高层建筑供热间歇模式识别方法的工作流程，具体流程如图6所示。

图6 基于MATLAB软件的超高层建筑供热间歇模式识别流程

首先基于MATLAB软件收集超高层建筑供热间歇模式的供热间隔、热水流量等一些基本的数据，然后掌握建筑供热间歇模式供热的流程；其次在每一周期建筑供热间歇模式的供热阶段跟踪识别方法[14]；然后在间歇供热模式间隔时段，基于MATLAB软件的超高层建筑供热间歇模式识别方法识别供热体系的热源泵和围护结构数据；最后一旦识别到热源泵的零压差点为零或者围护结构温度差为零时，就要促发建筑供热的间歇模式，完成新一周期的供热。

根据以上的基于MATLAB软件的超高层建筑供热间歇模式识别方法，在间歇模式的供热阶段无限循环[15]，在节约能源的基于上，又完成建筑供热间歇模式的无缝供热。识别的水流流量模式如图7所示。

图7 识别的水流流量模式

5 实验分析

为检验本文研究方法的有效性和准确性，设计对比试验。为了避免试验出现偶然性，本文试验的对照方法分别为基于人工识别的超高层建筑供热间歇模式识别方法和基于感知软件的超高层建筑供热间歇模式识别方法。

对于本文试验的外界干扰因素非常多，因此，试验采用三个层数相同、结构相同并且坐落在同一地区的三个超高层建筑作为试验对象，试验周期为14天，并且在试验前调查三个建筑的以往的供热效果，与本次的实验结果进行综合评价，提高供热效果的科学性。试验前与三个建筑的供热管理员合理协商，以便在试验过程中，出现意外情况，影响实验进程。在试验开始前的一个小时完成三个超高层建筑的供热方法选取，以抽签的形式，选取后，通知建筑所属区域的供热机构即可。以某天的凌晨作为开始供热的开始时间，以此类推，结束时间也是14天的凌晨，在试验的每天，三个工作人员统一时间测温建筑内每个楼层，每天测三次，作为试验的结果数据。实验结束后统一汇总实验数据，得出实验结果。

隔热性实验结果如图8所示。

图8 隔热性实验结果

根据实验结果可知，基于MATLAB软件的超高层建筑供热间歇模式识别方法比传统的建筑供热间歇模式识别方法的识别效果好，可以使建筑物保持稳定的温度。由于本文在试验进行前对外界可控的干扰因素均已得到控制，因此本次试验结果具有意义，值得推敲。一方面是由于供热间歇模式识别方法研究过程中调用了MATLAB软件，此软件不仅可以预测超高层建筑温度变化的结果，还可以提醒识别方法，防止由于识别方法的疏忽，影响建筑的供热效果，在一定程度上提高超高层建筑供热间歇模式的识别效率。另一方面得到这一良好的结果，是由于本文供热间歇模式识别方法通过分析间歇模式供热的工作原理以及对超高层建筑供热的外围结构、热源泵的深入分析，精炼出各个供热因素的特征，精确间歇模式的识别方向，保证识别供热间歇模式识别的准确度。

6 结 语

本文首先通过一系列公式了解超高层建筑供热间歇模式的供热原理，然后分析高层建筑供热间歇模式热源泵控制和围护结构，确定建筑内供热间歇模式的特征。基于MATLAB软件构建一个全新的基于MATLAB软件的超高层建筑供热间歇模式识别方法，提高高层建筑间歇模式供热识别的准确性，解决了超高层建筑间歇模式供热的难题，达到本文的研究目的。