摘要:节能减排是世界各行各业的必然趋势,建筑业作为我国排放量的龙头更应当重视。以热平衡原理为依据可以建立一个计算室内温度的公式,并通过此式能够得出在不同的保温材料和厚度以及锅炉热水的温度和流量的情况下室温随时间变化的曲线,同时也可以对各要素进行对室温变化的敏感性分析。此模型可以给建筑设计和选材提供技术和理论依据,使得节能减排能被运用到实际建造中去。
关键词:保温隔热;热传导;节能建筑
0 引言
在全世界范围,环境保护永远是人们关注的主题,并且越来越受到各国的重视,因此节能减排也成了各国政府工作的重中之重。虽然哥本哈根会议未能达成一致的协议但节能减排的工作各国政府都自觉的在执行着,也提出了各自的减排目标。可见,保护环境、减少排放、节约能源是关系到国计民生和子孙后代切身利益的伟大事业,值得我们不断研究。
我国是一个发展中大国,又是一个建筑大国,每年新建房屋面积高达17-18亿平方米,超过所有发达国家每年建成建筑面积的总和,每年新建建筑使用的实心粘土砖,毁掉良田12万亩。钢材使用量较发达国家高出10%-25%,而每立方米混凝土多用水泥80公斤。建筑行业能源的消耗量占了我国总消耗量的30%。然而我国既有的近400亿平方米建筑,仅有1%为节能建筑,其余无论从建筑围护结构还是采暖空调系统来衡量,均属于高耗能建筑。建筑能耗包括采暖、空调、热水供应、照明、炊事、家用电器、电梯等方面的能耗,其中采暖、空调能耗约占60%-70%。单位面积采暖所耗能源相当于纬度相近的发达国家的2-3倍。我国国民经济要实现可持续发展,推行建筑节能势在必行、迫在眉睫,而采暖系统的节能则是重头戏。
1 室温变化的计算方法
随着人们生活水平的提高和住房条件的不断改善,用于调节室温的取暖和制冷设施日益普及,制冷系统北移,采暖系统南移,在这方面的能源消耗必将是巨大的。
目前在室内采暖和保温的能源节省方面,我国还有很大的上升空间。在现有的住宅中,无论是室内保温层的制作还是供热装置热水用量的科学度上都缺乏系统的研究,通常只考虑施工时的方便程度和成本的高低,而没有考虑后期使用成本的因素,给国家造成了巨大的能源浪费。以下提供了一个计算室内取暖的数学模型,分析了在使用不同供热能源用量,不同保温材料和厚度,不同热导介质等的情况下,室内温度随时间变化的曲线,并比较各种因素对温度变化的敏感度,从而为从节省能源角度出发的建筑结构设计和材料选择提供了理论依据。
1.1模型初步建立
以锅炉供热水为例,由测温控制器控制阀门的开关调节交换器中热水的流量从而使室内保持一定的温度。房间与外界通过传递、对流和辐射来交换热能的,因此根据热平衡有:
室温变化=热源释放的热能-室内热能损耗
这里将该式命名为式(1)
各符号代表的含义: 符号 含义 量纲 Ma 封闭室内空气质量 kg Ca 空气的比热 J/(kgK) Mo 室内其他物品的质量 kg Co 其他物品材料的比热 J/(kgK) F 热水流量 m3/s ρ 水的比重 Kg/m3 Cw 水的比热 J/(kgK) Hr 散热系数 W/(m3K) Ar 房间表面积 M2 λ 传导系数 W/(mK) S 墙的厚度 m ξ 波尔兹曼常数 σ 表面辐射系数 W/( m2K4) Tri 室内温度 K dt 时间片 S Tin 交换器入口热水温度 K Trv 房间表层温度 K Tev 室外环境温度 K 对模型的解释:
等式左边是室内空气和家具温度的瞬时变化,右边第一项是热交换器释放的热量,第二项是房间外层与外界因对流产生的热能损耗,第三项是通过房间四壁与外界热传导导致的热能损失,第四项则是通过房间外层辐射到外界的热量损失。
1.2 模型的简化和变形
为了便于研究问题的主要矛盾,即几个主要因素对室温的影响,我们对该模型采取适当的改变,并将对分析结果影响很小的因素去掉以便于分析。
房间四壁是均用绝热性能良好的材料构成的封闭房间,室内外温差有限,所以对流和辐射产生的热能远比通过四壁传导的要小,可以忽略不计。窗墙比和玻璃窗采纳的材料及类型对室内保温效果有影响,但在此为了能研究出某一种材料的保温隔热效果暂且不使用多材料的分析方法。室内的家具种类是千变万化的,加入进来只会模糊了对建筑本身的材质效果的分析,所以也将其省去。
我们再提出如下假设: 房间的墙壁四周和天花板假设为同一种均匀材质制成; 房间内空气始终能均匀流动; 热交换器效率很高,其出口的水温与室内温度相同。 于是可以将因热传导导致的热能损耗量(也是总损耗)表达成下式:
(2)
将(2)带入(1)中并去除忽略不计的部分得到:
(3)
若要通过此微分方程求解有关室温Tri(输出)和热水流量F(输入)的传递函数。由于输入F和输出Tri相互耦合,传递函数将为非线性。而且,由于模型右边存在独立的常数项,这都增加了建立常规传递函数的难度。因此可以采用离散的方法写出它的差分方程:
(4)
令MaCa=A,=B,,△T=1s。
由于热力系统通常是延时系统,所以将采样时间定为1s或更长都是合理的,带入后有:
(5)
将(5)整理后得到:
再次变换得到通式:
(6)
对于确定的对象,A、B、C都是常数,外界的温度Tev和热交换器入口热水温度在某一较长的时间内也可以当做常数,而室内的起始温度Tri(0)已知,所以如果热水流量F是一稳定值,则此方程仅仅是以离散变量n为变量的指数函数,而n的变化采样时以1s为间隔。即使流量F、热水口温度和室外温度Tev也是时间的函数,只要它们能被检测,室温随时间变化的曲线图也能够根据此模型描述出来。