天津大學 劉魁星 聶英雪 丁研

       【摘  要】本文提出了一種基于輻射時間序列方法的建筑規劃階段空調負荷的預測方法，對位于天津的大空間實驗建筑在建筑規劃階段運用了該方法。通過對建成后的大空間實驗建筑的測試，驗證了本文所提出的負荷預測方法。將該方法通過Matlab 編制程序實現計算。得出結果，與設計熱負荷與實測熱負荷分別進行對比發現MREd=4%，MREm=14%；[CV-RMSE]d=5%, [CV-RMSE]m=26%。準確地解決了建筑規劃階段可知的建筑參數少的問題，以完成建筑規劃階段負荷預測的問題。

       【關鍵詞】建筑規劃階段  負荷預測  輻射時間序列方法

       【基金項目】 “十三五”國家重點研發計劃項目“公共機構高效用能系統及智能調控技術研發與示范”（編號：2016YFB0601700）

1 引言

       在城市規劃階段 ,僅能提供建筑功能、建筑高度及容積率等有限的規劃信息 ,通過既有建筑獲得的歷史負荷數據不能直接作為規劃區域未建建筑的預測負荷^[1], 現常用的單位面積指標法是一種靜態估算方法，準確性上存在不足^[2]。模擬軟件的仿真方法需要大量的詳細的建筑信息作為輸入參數，顯然也不適合建筑規劃階段的負荷預測^[3]。本文提出了一種改進的輻射時間序列方法的建筑規劃階段負荷預測方法，巧妙地解決了規劃階段已知參數有限的問題，并通過實際測試對該法進行驗證，證明了該法應用于建筑規劃階段的可行性。

2 負荷預測方法及測試內容

       2.1 負荷預測方法

       建規劃階段可知參數僅有建筑高度H，用地面積St，窗墻比m，建筑密度ρ，容積率Vf，大體層數n，建筑使用功能，體形系數η等，對于計算中所涉及的傳熱面積，計算方法如下:    

       V=St×Vf×h   (1)

       Sr=St×ρ   (2)

       Sl=V×η-Sr   (3)

       Swa=Sl-Sl×m   (4) 

       其中St用地面積，m²；Vf為容積率；H為層高，m，V為建筑體積（假設個層層高相同），m³，Sr為屋面面積，m²；ρ為建筑密度，Sl為建筑外立面面積，m²；η為體形系數，Swa為建筑外墻面積，m²；m為窗墻比。

       輻射時間序列方法^[4]將建筑空調負荷組成部分包括墻，屋頂，窗，人員，設備，照明所形成的的得熱量，分成對流部分和輻射部分。對流部分直接轉化為冷負荷，輻射部分經過延遲后轉化為冷負荷。輻射時間序列方法中考慮到了兩個延遲，一是通過非透明圍護結構（墻，窗，地板）導熱得熱量的延遲，通過導熱時間序列修正；二是輻射得熱量轉化為冷負荷時存在的延遲，通過輻射時間序列修正。輻射時間序列方法簡要計算步驟如下：

       步驟（1）：計算墻體或屋頂的總負荷 

       Q_θ=C_{0qi, θ}+C_{1qi, θ-1}+ C_{2qi, θ-2}+…+ C_{23qi, θ-23}     （5）

       q_{i, θ-n}=UA(t_r-t₀)       （6）

       其中Q_θ為墻體或屋頂修正傳熱負荷，W；C₀，C₁，C₂……C₂₃為導熱時間序列；q_{i, θ-n}為墻體或屋頂基準傳熱負荷；U為墻體或屋頂傳熱系數, W/（m². ℃）；A為墻體或屋頂面積，m² ；t_r為室內設計溫度，℃ ；t₀為室外溫度，℃。

       Q_W=R_c×Q_θ+ R_r×(r₀Q_{i, θ}+r₁Q_{i, θ-1}+ r₂Q_{i, θ-2}+…+ r₂₃Q_{i, θ-23}) （7）

       其中Q_W為墻體或屋頂修總負荷，W；r₀，r₁，r₂……r₂₃為墻體或屋頂的輻射時間序列； 為墻體或屋頂修正傳熱負荷；Rc為墻體或屋頂的傳熱比例；Rr為墻體或屋頂的傳熱比例。

       步驟（2）：計算窗的總負荷。

       Q_win=Q_winb+Q_drc+Q_sr    （8）

       其中Q_win ——窗的總負荷，W。Q_winb ——窗的基準傳熱負荷，W（與前述墻體或屋頂基準傳熱負荷算法相同）；Q_drc ——窗的直射輻射修正負荷，W。Q_sr ——窗的散射輻射負荷，W。

       Q_drc=r₀Q_drb,θ+r₁Q_{drb, θ-1}+…+ r₂₃Q_{drb, θ-23}        （9）

       其中Q_drc——窗的直射輻射修正負荷，W；r₀，r₁……r₂₃為直射輻射修正系數。Q_{drb, θ-1}為窗直射輻射基準負荷，W。

       Q_drb=SHGC×A×Etb×IAC(θ,Ω)   （10）

       Qsr=A×(Etd+Et,r) ×<SHGC>D×IACD     （11）

       其中A為窗面積，m²；Etb為直射輻射強度修正；SHGC為直射透過率；IAC(θ,Ω)為室內直射太陽衰減系數；Etd為散射輻射強度修正，m²；Et,r為地面反射輻射強度；IACD為室內散射太陽衰減系數。

       步驟（3）：計算總燈光負荷。

       QL=QLrc+QLc     （12）

       其中QL為總燈光負荷，W；QLr燈光輻射修正負荷，W；QLc燈光傳熱負荷，W。

       QLrc=r₀Q_{Lrb, θ}+r₁Q_{Lrb, θ-1}+…+r₂₃Q_{Lrb, θ-23}     （13）

       QLc=ACLp×RLc    （14）

       其中QLrc為燈光輻射修正負荷，W；r₀，r₁……r₂₃為燈光輻射修正系數；Q_{Lrb, θ-n}為燈光輻射基準負荷，W；QLc為燈傳熱負荷，W；ACLp為燈光實際照明功率，W；RLc為燈光輻射比例。

       步驟（4）：計算總人員負荷。

       Qp=Qprc+Qpc       （15）

       其中Qp為總人員負荷，W；Qprc為人員輻射修正負荷，W；Qpc人員傳熱負荷，W。

       Qprc=r₀Q_{pr, θ}+ r₁Q_{pr, θ-1}+…+r₂₃Q_{pr, θ-23}       （16）

       Qpc=Hac×Rpc      （17）

       其中Qprc為人員輻射修正負荷，W；r₀，r₁……r₂₃為人員輻射修正系數；Q_{pr, θ-n}為人員輻射基準負荷，W；Qpc為人員傳熱負荷，W；Hac為人員散熱量，W；Rpc為人員輻射比例。

       步驟（5）：計算總設備負荷。

       Qe=Qec+Qerc     （18）

       其中Qe為總設備負荷，W；Qerc為設備輻射修正負荷，W；Qec設備傳熱負荷，W。

       Qerc=r₀Q_{er, θ}+r₁Q_{er, θ-1}+…+r₂₃Q_{er, θ-23}    （19）

       Qec=Pac×Rec      （20）

       其中Qerc為設備輻射修正負荷，W；r₀，r₁……r₂₃為設備輻射修正系數；Q_{er, θ-n}為設備輻射基準負荷，W；Qec為設備傳熱負荷，W；Pac為實際設備功率，W；Rec為設備輻射比例。

       步驟（6）：計算新風負荷。

       Qwind=1.01×Wmin×N×1.2/3600×(trc-t0) ×1000   （21）

       其中Qwind為新風負荷，W；Win為最小新風量，30m³/（h.人）；N為人數,人。

       步驟（7）：計算熱負荷。

       Qh=Qwind+Qw+Qwinb      （22）

       步驟（8）：計算冷負荷。

       Qc=Qw+Qwin+QL+Qe+Qp+Qwind    （23）

       本文選擇兩種評價指標來對輻射時間序列方法所做出的負荷預測進行評價。分別是平均相對誤差（mean relative error，MRE）和均方根誤差變異系數（coefficient of variation of the root mean squared error，CV-RMSE）。其中當MRE越趨近于0，代表負荷預測精度越高。當CV-RMSE低于30%，代表精確可靠。計算公式分別如下^[5]：

       

       在上式中Fi’代表預測值，Fi代表實際值，n代表樣本數量。

       2.2 測試內容

       本次實驗是在天津的大空間實驗室建筑進行。在其建筑規劃階段，就利用輻射時間序列方法進行負荷預測?，F該實驗室已建成并已投入使用，在供暖季，進行了如期一個月的測試（2018年1月份），對所測數據每10分鐘記錄一次。收集了相關數據目的是驗證將輻射時間序列方法用于建筑規劃階對負荷預測的正確性。設備參數列表1所示：

表1測試儀器和設備及精度表

3 測試結果

       將實測熱負荷，設計負荷和基于輻射時間序列方法所得規劃階段熱負荷做出相關分析。實驗結果如下：

表2 峰值負荷表

       評價指標將用RTSM預測的熱負荷分別與設計熱負荷和實測熱負荷相對比求出，結果如下表：

表3 評價指標表

4 結論

       1）將輻射時間序列方法應用于建筑規劃階段，經過驗證，MREd=144%，MREm=28%； [CV-RMSE]d=15%, [CV-RMSE]m=29%。預測精度較高，證明了將輻射時間序列方法運用到建筑規劃階段的正確性。

       2）輻射時間序列方法可以解決建筑規劃階可知參數較少的問題，為建筑規劃階段負荷預測開辟了新思路。

       3）由預測結果可知：RTSM規劃階段預測熱負荷為140.62kW，設計熱負荷為132.8kW，實測熱負荷為125.52kW。這些結果正好反應了規劃階段，設計階段，以及實際運行階段負荷的特性。RTSM預測結果稍大也是很合理的。

參考文獻    

       [1] 暖通空調,王振江,李祥立,端木琳,王仁瑾.城市規劃階段建筑空調負荷預測方法[J].2010,40(04):119-124+130: 1-2.
       [2] ]歐科敏. 區域建筑群冷熱負荷預測方法研究[D].湖南大學,2014:2-5.
       [3] 王振江. 城市能源規劃中建筑冷負荷預測方法研究[D].大連理工大學,2010:3-8.
       [4] ASHRAE Handbook—Fundamentals SI Edition 2013
       [5] ASHRAE guideline14-2014.Measurement of Energy，Demand and Water Saving[S].Atlanta: American Society of Heating,Refrigerating and Air –conditioning Engineers,Inc,2014.

       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調制冷學術年會文集）。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。