外文翻譯---空間供暖負荷計算室外的綜合溫度（譯文）

1、<p><b>　　中文譯文</b></p><p>　　空間供暖負荷計算室外的綜合溫度</p><p>　　T Athanasios Besis, Constantini Samara</p><p>　　摘要：尤其是在很多國家的現(xiàn)行設(shè)計準則中，最先討論的是供暖負荷計算的室外設(shè)計溫度的選擇方法。因此，一種叫做隨機程序分析的新方法被用

2、來選取室外綜合溫度（OST），這是一種充分考慮溫度的隨機性和內(nèi)在的偶然增益、建筑的熱性能的方法。OST這一概念使得空間供暖系統(tǒng)的設(shè)計成為經(jīng)濟性和風(fēng)險性之間的交易。最后，通過對北京地區(qū)不同住宅房間的建筑成分對OST影響的具體研究表明OST取決于氣溫狀況和建筑結(jié)構(gòu)。這就表明OST而不是ODT應(yīng)該用于以后的供暖負荷計算。</p><p>　　關(guān)鍵字：熱負荷計算；室外設(shè)計條件；住宅建筑；隨機程序分析；建筑熱參數(shù)</

3、p><p><b>　　1.介紹</b></p><p>　　空間供暖熱負荷的計算是區(qū)域供暖系統(tǒng)設(shè)計的一塊基石。選擇一個合理的室外設(shè)計溫度是一個關(guān)鍵問題，也是迄今冬季供暖系統(tǒng)中一個沒有很好解決的問題。眾所周知，室外溫度是經(jīng)常變換的，如果把最嚴寒的當(dāng)?shù)販囟冗x作供暖系統(tǒng)的設(shè)計溫度，則系統(tǒng)是不經(jīng)濟的：（1）高估負荷將會導(dǎo)致設(shè)備尺寸過大，例如暖器爐、被用管、鍋爐、控制閥等，因為最

4、嚴峻的溫度條件并不是每年都會重復(fù)出現(xiàn)；（2）設(shè)備將會效率低下，因為在系統(tǒng)絕大多數(shù)運轉(zhuǎn)過程中設(shè)備處于低負荷狀態(tài)運轉(zhuǎn)。在許多情況下，在溫度最嚴寒的期間，偶爾供暖沒有達到室內(nèi)設(shè)計溫度并不是非常重要，尤其是住宅建筑的供暖系統(tǒng)。相反，如果選擇比較溫暖的設(shè)計條件，室內(nèi)溫度有時不能達到標準的危險性就會增加。</p><p>　　由于自然界的溫度是隨機變化的，不但要考慮諸如溫度、太陽輻射、濕度、以及風(fēng)速等氣象參數(shù)的極其重要的價值

5、，還要考慮它們的頻率、間隔期、同時發(fā)生的情況，以及每天振動的允許值。在很長的一段時間里，學(xué)者們一直在研究關(guān)于ODT的選擇。在近幾年，由于節(jié)能的需要，這個問題得到了更多的關(guān)注，而且許多先進的方法已經(jīng)被應(yīng)用。</p><p>　　設(shè)計是一種在經(jīng)濟性與危險性之間進行的交易，如果不允許任何的危險性，那么其極端情況就是在尺寸設(shè)計階段，0.1%的危險性都必須考慮在內(nèi)，這就必然導(dǎo)致設(shè)計尺寸過大。在另一方面，如果設(shè)備只從經(jīng)濟性方

6、面考慮就會導(dǎo)致尺寸過小，那么室內(nèi)溫度將達不到要求，使用戶感到不舒適，也容易使用戶生病和工作效率低下。</p><p>　　這篇文章試圖找到一種叫做隨機程序分析的新方法來計算室外綜合溫度，它綜合考慮了溫度的隨機性和建筑的熱性能。</p><p>　　2. 決定ODT的方法</p><p>　　在建筑的HVAC設(shè)計準則、標準或是其規(guī)程中，每個國家選擇ODT都有各自的項目

7、。用于確定ODT的方法也一直在不斷改善。</p><p>　　2.1 ASHRAE方式 </p><p>　　ASHRAE方式是在HVAC&R工業(yè)中最廣泛運用的一種方法。在1949年，ASHRAE手冊推薦采用97.5%頻率水平的溫度為ODT，此溫度是基于當(dāng)?shù)馗髂?2月、1月、2月的每小時溫度記錄值，這表明溫度已經(jīng)等于或是超過了總冬季供暖時間的97.5% 。由于考慮了建筑外圍的熱性能

8、，在1959年之后，原來給予每小時溫度的統(tǒng)計方法被以日平均溫度為基礎(chǔ)的統(tǒng)計方法所代替，這也表明ODT的選擇必須考慮每日室內(nèi)溫度的允許范圍。ASHRAE手冊：1989年基礎(chǔ)部分[6]之指出如果建筑結(jié)構(gòu)具有較低的供暖能力，且不是絕熱的，有比一般建筑更多的玻璃區(qū)域，或者是處于日最冷的區(qū)域，則極端溫度的一半可以選擇為ODT。中等的供暖能力，部分內(nèi)負荷 ，白天居住的住宅可以把0.2%的標準作為合理的選擇。規(guī)模較大且玻璃較少的建筑一般設(shè)計成0.6%

9、的標準。對于舒適的供暖設(shè)計，ASHRAE標準90A-1980[7]建議0.6%標準，等同于97.5%，應(yīng)該被使用。然而ASHRAE標準90.1-1989[8]規(guī)定冬季的設(shè)計溫度不應(yīng)該低于列于99%專欄或是與0.2%標準相似的統(tǒng)計值的設(shè)計溫度。在ASHRAE手冊中:1997[9]基礎(chǔ)篇，</p><p>　　2.2 CIBSE方法</p><p>　　CIBSE指南[10]卷A表A2.2給出

10、了ODT標準，對于地慣性建筑，每供暖季節(jié)的日平均溫度的設(shè)計風(fēng)險為一天。將供暖系統(tǒng)的過量負荷考慮在內(nèi)，比如倫敦低負荷建筑的ODT在有和沒有過量負荷能力時各為-3 ℃和-5.5 ℃，而高負荷建筑的ODT分別為-2和-4.5℃，當(dāng)?shù)馗叨让砍^表格內(nèi)的八個比較地點高度一百米，這些溫度將減少0.6℃。</p><p><b>　　2.3俄國方式 </b></p><p>　　在

11、1940年，前蘇聯(lián)采用Chaplin教授提出的公式來確定冬季供暖系統(tǒng)的ODT，那就是</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　在式子中，=室外設(shè)計溫度；=當(dāng)?shù)啬曜罾湓碌钠骄鶞囟龋?當(dāng)?shù)卦?jīng)出現(xiàn)的最低小時溫度；代表短期（每小時）和長期（每月）的最低度條件。因為往往小于，也經(jīng)常小于。</p><p><b>　　2

12、.4.中國方式</b></p><p>　　在1970年以前，中國采用前蘇聯(lián)的方法，例如，北京的ODT是-12℃。無論如何，這種所謂的每年沒有保障天數(shù)的設(shè)計方法被收入HVAC設(shè)計標準GBJ19-87[11]。每年天數(shù)的頻率被解釋成為不保障率，UR，當(dāng)整個冬天供暖期室內(nèi)溫度低于ODT時，被定義為時間率。GBJ19-87[11]根據(jù)過去一兩年的室外日平均溫度選擇ODT時每年的不保障時間為5天。因此，北京的

13、ODT現(xiàn)在是-9℃ ，符合ODT的4％標準（總的冬季供暖天數(shù)是129天）。</p><p><b>　　2.5.評述與問題</b></p><p>　　上述方法都考慮了室外溫度的隨機性，這比直接用最低溫度的方法要好。進一步的分析表明這些方法將得到很大的提高。</p><p>　　·室外溫度的UR和室內(nèi)溫度的UR是兩個本質(zhì)不同的概念。由

14、于建筑的熱慣性，室外溫度使得建筑有大量的濕氣和時間間隔。如果ODT符合室外溫度UR的2.5％被選擇用以設(shè)計空間供暖系統(tǒng)，那么室內(nèi)溫度的UR又是多少呢？這個答案很難回答。因此，空間供暖系統(tǒng)的理想經(jīng)濟設(shè)計應(yīng)該是基于室內(nèi)溫度的UR而不是基于室外溫度的UR。</p><p>　　·空間供暖負荷不但與室外溫度有關(guān)，還有其他的氣象參數(shù)例如太陽輻射等有關(guān)。因為這些參數(shù)經(jīng)常相互關(guān)聯(lián)和改變，他們最不利的結(jié)合是很難獲得的。

15、在現(xiàn)實中，既沒有太陽輻射又處于最冷溫度的設(shè)計日子是很難發(fā)生的。因此，上述這些方法，在多種因素下的UR，通過統(tǒng)計學(xué)即使可能也是很難確定ODT的。</p><p>　　·一棟建筑的熱性能是描述室外溫度、建筑室內(nèi)環(huán)境和所有的建筑結(jié)構(gòu)的相互影響，相互作用。太陽輻射通過外墻，房頂，天花板，和窗戶向某一建筑滲透熱量，使室內(nèi)溫度不斷變化。這一變化范圍不但與建筑外表面的靜態(tài)特性有關(guān)，還與其動態(tài)特性相關(guān)。在中國，外墻的朝

16、向修正系數(shù)是用來表示太陽輻射對房間供暖的貢獻，這種方法沒有考慮建筑外表面的動態(tài)熱性能。比如，在中國的HVAC設(shè)計標準GBJ19-87[11]中，修正系數(shù)推薦范圍分別是：南向-15％—-30％，東向和西向-5％，北向0—10％。然而這些修正系數(shù)并不根據(jù)建筑的結(jié)構(gòu)類型而相互區(qū)分。</p><p>　　·溫度的隨機特性使得室內(nèi)溫度是一個隨機程序過程。因此，ODT是一個隨機性的變量，它的概率分布取決于溫度、建筑

17、結(jié)構(gòu)和室內(nèi)溫度的UR要求。ODT應(yīng)該通過概率性來理解。例如，在95％的確信水平下，如果室內(nèi)溫度的UR要求是5％，2.5％和1％，則ODT可能分別是-8℃，-9℃，和-12℃。如果置信水平增加到99％，則ODT將分別減少到-9℃，-10℃和-14℃。因此，熱負荷將會根據(jù)具體的置信水平和室內(nèi)溫度UR值的不同而不同，較小的UR值或是較高的置信水平將導(dǎo)致更多的供暖能量需求。</p><p>　　一句話，在不同的UR值、不

18、同的置信概率水平下，需要一種新的方法來確定OST的值。</p><p>　　3. 隨機程序方式確定ODT</p><p>　　一種基于隨機程序溫度模型和空間建筑熱模型的叫做隨機程序分析的新方法將能夠直接的獲得自然溫度的隨機程序過程，從而計算出室內(nèi)綜合溫度的概率分布函數(shù)。在具體的置信水平下，每個室內(nèi)溫度所需的UR將會獲得一個OST，這樣當(dāng)把OST看作是ODT時，可以通過靜態(tài)熱傳遞理論來計算空

19、間熱負荷。但是，OST是與ODT不同的，因為OST完全考慮了隨機程序氣象參數(shù)和建筑熱性能的綜合影響，而ODT是只基于不同頻率水平的室外溫度記錄的統(tǒng)計值。</p><p>　　在供暖期間，室內(nèi)溫度將分為正常的室內(nèi)溫度和由于空間供暖系統(tǒng)所導(dǎo)致的變化室內(nèi)溫度，即</p><p>　　而溫度過程將分為決定性過程和隨機性過程，因此，自然的室內(nèi)溫度將分為如下的決定性過程和隨機性過程</p>

20、<p>　　空間供暖主要是向一間房間提供熱量增加其決定性室內(nèi)溫度.</p><p>　　如果空間供暖系統(tǒng)的最大容量是，則室內(nèi)溫度增加的最大值為</p><p>　　因此，當(dāng)室內(nèi)溫度低于室內(nèi)設(shè)計溫度的時間等于自然室內(nèi)溫度低于給定的值的時間：-</p><p>　　把作為ODT，房間的設(shè)計熱負荷將為</p><p>　　因此，在具體

21、置信水平的室內(nèi)溫度的特定UR 下，就是房間的OST。因為是由在給定的概率置信水平下自然室內(nèi)溫度的UR值決定的，它與建筑熱性能和室外溫度狀況有關(guān)，但是與空間供暖系統(tǒng)的類型無關(guān)。</p><p>　　這也是室內(nèi)溫度的UR，如果作為空間供暖系統(tǒng)的OST。因為室內(nèi)溫度是一個隨機性的程序過程，是一個其概率分布與和 有關(guān)的隨機變量。冬季的室外溫度將會近似正常過程，由于空間建筑模型的線性狀態(tài)，自然室內(nèi)溫度也將是一個正常過程。的

22、計算屬于一種初始性問題，將會看作一個正常的隨機變量，其PDF取決于它的期望值和變化值。</p><p><b>　　4.結(jié)果和討論</b></p><p>　　一種PC機的stoan程序用于建筑熱性過程的隨機程序分析，該程序由清華大學(xué)研發(fā)。Stoan能夠計算的PDF。下面以北京的一所住宅建筑房間為例。</p><p><b>　　4.

23、1.房間規(guī)格</b></p><p>　　地點：北京（緯度40°，經(jīng)度116°），一所居民住宅建筑的中層。</p><p>　　邊界條件：南面一面外墻無維護結(jié)構(gòu)，外表面的太陽吸收率和傳熱系數(shù)分別為0.73和25W/（㎡K）。上下左右四間房間的熱條件與這間房間相同。</p><p>　　窗戶：南面有一單格外窗，無窗簾。其U值為6W/（㎡

24、K）.</p><p>　　通風(fēng): 每小時空氣滲透量為1.2。</p><p>　　供暖日期：北京的冬季供暖從11.9到3.17（129天）.</p><p>　　室內(nèi)設(shè)計溫度：18℃.</p><p><b>　　4.2.結(jié)果分析</b></p><p>　　4.2.1. OST屬性</p

25、><p>　　圖3表示了室外綜合溫度與在不同的概率置信P下房間室內(nèi)溫度的不確定率之間的關(guān)系。</p><p>　　·在相同的置信概率下，隨著的減少而減少。例如，當(dāng)P=95％，=5％時，=-6.5℃，而當(dāng)=1％， =-8.4℃，這就意味著tc從5％減少到1％，將會減少1.9℃。</p><p>　　·相同時，將會隨著P的增加而減少。</p>

26、<p>　　·對的影響比P對的影響要大?？梢钥闯霎?dāng)P從90％增加到99％時，將會減少0.7—1.1℃。；然而從10％減少到1％時，將會減少3.3—3.7℃。</p><p>　　·根據(jù)HVAC設(shè)計標準GBJ19-87[11]的關(guān)于冬季空間供暖系統(tǒng)的負荷計算規(guī)定，建筑外圍的朝向修正將轉(zhuǎn)化為OST的變化得到=-6.1℃的水平線。</p><p>　　因為OST

27、將太陽輻射考慮在內(nèi)，在用公式（70）計算供暖負荷時不需要考慮太陽修正。圖4表示了實例的空間供暖負荷，它與建筑結(jié)構(gòu)、室內(nèi)設(shè)計溫度、室內(nèi)溫度的不確定率和置信概率有關(guān)。在90％的概率范圍內(nèi)，如果室內(nèi)溫度的UR值是1％，2％，和5％，則供暖負荷將分別為1786，1725和1617W。如果置信概率增加到99％，則供暖負荷將達到1833，1779和1685W。</p><p>　　4.2.2.實例研究</p>

28、<p>　　在參考實例房間的每一個方面，已經(jīng)研究了許多的實例用于理解OST的敏感性能。表1給出了這些例子的一個總結(jié)。圖5-13給出了許多不確定率在5％和置信概率在95％下的例子的OST。</p><p>　　· 圖5給出了外墻的U值對的影響。當(dāng)U值從減少到時，從-6.5℃增到-5.6℃，而從-6.1℃降到-6.4℃ 。</p><p>　　· 圖6給出了空氣變

29、化對的影響。將隨著空氣變化n的增加而減少。如果n是0.5，1.2和2，則將分別為-5℃，-6.5℃，-7.7℃?？梢钥闯霎?dāng)房間的空氣變化量較小時，將比小，而當(dāng)房間的空氣變化量較大時，將比大。</p><p>　　· 圖7給出了外墻朝向?qū)Φ挠绊憽?如果外墻朝向北，東，西，南，則 分別為-9.9℃，-9 ℃，-8.6℃，和-6.5℃。所以從空間供暖的角度看，北京地區(qū)外墻的最佳方向順序為南，西，東，北。對于相

30、同結(jié)構(gòu)的房間，由于外墻的朝向不同，則其 將會有2--4℃的不同。 </p><p>　　· 圖8給出了窗戶面積對的影響，圖9給出了外墻高度對的影響，圖10給出了內(nèi)墻高度對的影響，圖11給出了房間高度對的影響，圖12給出了外墻數(shù)量對的影響，圖13給出了太陽輻射對的影響。如果在整個供暖期間不考慮太陽輻射，將會從-6.5℃降到-10.6℃ ，因此在計算空間熱負荷時，必須要考慮太陽輻射。</p>

31、<p>　　通過上面的分析，我們可以看出空氣變化量，上光率，朝向，U值，和外墻的數(shù)量，室外的太陽輻射以及房間的高度在室外溫度OST的計算中起著很大的作用，他們都需要仔細的考慮?？諝庾兓枯^少，房間較高，有著較好的隔熱和太陽朝向的房間，OST較高，這就導(dǎo)致較少的供暖負荷。</p><p><b>　　5.結(jié)論</b></p><p>　　隨機程序分析方法本質(zhì)

32、上揭示了天氣的隨機性和室內(nèi)溫度的隨機性的關(guān)系，根據(jù)具體置信概率下室內(nèi)溫度的不確定率需要來決定房間的室內(nèi)綜合溫度。因此，這是一種確定空間供暖負荷的先進的新方法。該方法對空間供暖系統(tǒng)設(shè)計的更加合理的尺寸原則做出貢獻。</p><p>　　Stoan計算機程序?qū)⒂糜谟嬎阍诮o定的置信概率水平，具體的室內(nèi)溫度不確定率下不同種類房間的室內(nèi)綜合溫度。中國絕大多數(shù)城市的隨機程序溫度模型已經(jīng)獲得，而且中國所有的城市都將根據(jù)不同的氣