气候补偿器应用效果及影响特性的模拟研究

简毅文，李毅，田园泉，高萌，常小艳

（北京工业大学，北京100124）

 [摘要]通过对北京地区某建筑集中供热后的室温和供暖耗热量的模拟计算，侧重于供热系统供水温度的调节，从定量角度分析气候补偿器静态和非静态2种补偿模式对建筑供暖效果的影响，对比2种气候补偿模式下过量供热的程度，并进一步针对供水温度调节模型的不足展开理论分析。结果表明，气候补偿器有助于改善建筑室内热状况，但仍会出现过量供热的现象。因此，为最大限度保证热源端热量供给与用户端热量需求的相一致，管网供水温度的调节不仅要补偿外温的变化，还应修正室内热扰、太阳辐射产生的影响，同时考虑围护结构蓄热、放热对室内热状况的影响。本文工作对后续供水温度调节模型的优化研究以及建筑节能工作的有效开展有重要参考。

 [关键词]气候补偿器；补偿模式；过量供热；模拟研究

O  引言

 数据显示，2013年北方城镇供暖能耗为1. 81亿吨标准煤，占建筑总能耗的24. 0%。各类供暖系统中，占据主导地位的一直是集中供热系统，截止到2013年，北方城镇地区整体的集中供热比例高达76%。因此，降低集中供热系统的供暖运行能耗已成为建筑节能工作的重点。该项工作的关键在于保持热源端供热量与建筑用户端需热量的相互平衡，以避免对用户端的“过量供热”而导致的不必要能源浪费。为此，大量新的技术手段应用于供热系统改造及其运行调节中，以期通过对供水流量和供水温度的调节，最终实现热量的供需平衡。

 气候补偿器即是一种调节热源出力与用户热需求之间供需平衡的设备。该设备的基本工作原理是根据室外温度调节热源出力，从而将系统二次管网出口的供水温度控制在合理的范围内，以满足末端用户的需求、实现热量的供需平衡。目前，气候补偿器在集中供热系统的运行调节中已得到广泛应用。但不可回避的事实是气候补偿器的实际应用并没有达到完全理想的效果，“过量供热”和“冷热不均”的现象依然存在。

 目前，已有研究者认识到气候补偿器在供热系统应用中存在的局限性，并从旁通水量、供水温度控制等方面初步分析问题产生的原因并提出相应的改进措施。但尚未对供水温度与房间室温、供暖耗热量之间的相互关系开展定量的分析研究，故不能从供热系统对建筑热状况影响的本质上反映气候补偿器调节模型的不足，从而提出的改进建议还不够系统和全面。

 对此，在前人研究的基础上，本研究尝试采用动态模拟分析的方法开展相关研究。运用DeST软件的供热系统模块，通过北京地区某案例建筑集中供热后的室温和供暖耗热量的模拟计算，侧重于供热系统供水温度的调节，从定量角度分析气候补偿器静态和非静态两种补偿模式对建筑供暖效果的影响，并以此分析发现气候补偿模型中存在的问题及其对气候补偿器应用效果产生的影响。以期为气候补偿模式的改进以及建筑节能工作的有效开展提供参考。

1  气候补偿器概述

图1、图2分别为直供和间供集中供热系统中气候补偿器的工作示意图。在直供系统中，气候补偿器通过控制电动阀开度来调节锅炉进、出水管道之间的旁通水量，从而实现对用户侧供水温度的控制；在间接供热系统中，气候补偿器通过控制进入换热器侧的供水流量来控制用户侧供水温度。

气候补偿器的调节模型基于稳态热平衡方程而建立，依据室内温度T。和室外温度T。的变化，改变用户末端供水温度T。，使房间室内温度T。保持在设定值，具体如式(1)和式(2)所示。

式中：T。为外温，℃；T。为供暖室外计算温度，℃；T。为设计室温，℃；Ts为实际外温下的用户端供水温度，℃；T。为设计供水温度，℃；T 7。为设计回水温度，cC；6为散热器热性能系数；Q为相对供暖负荷比，即实际外温下的热负荷与设计热负荷之比。

实际工程应用中，为方便运行管理人员的操作调节，气候补偿器内通常设置有若干条供水温度调节曲线供用户选择，以满足对室温的不同设定需求，图3表示出某类型气候补偿器的供水温度曲线。

 图3中的曲线1至曲线4分别对应设定室温22℃、20℃、18℃和16℃的情况，运行人员可根据实际运行情况进行修改，以对供水温度进行实时调节。

2  研究方法和计算对象

 采用模拟分析的方法研究气候补偿器补偿模式对建筑房间热状况及供暖耗热量的定量影响。模拟工具为DeST软件的供热系统模块。

本文所研究供热系统管网的连接形式为间接连接，热源为使用天然气的燃气锅炉3台，按“两用一备”的设计来运行，系统原理图如图4所示。供暖面积约140 000m2，所供暖的区域主要包括学生宿舍楼、学校家属楼、办公楼、实验楼等。系统二级管网采用定频水泵，管网水流量为400m3／h，对系统二级管网供水温度分别按照静态和非静态的气候补偿模式进行随外温变化的调节。

模拟对象为本文研究集中供热系统供暖区域内的某5层学生宿舍楼，该楼层高3.2 m，建筑平面如图5所示。建筑围护结构的构造及热工性能如表1、表2所示。

 宿舍楼房间人员最多为6人；房间照明最大功率为120 W，房间设备最大功率为200 W；房间通风换气次数设定不超过0.5次/h。房间人员、灯光及设备热扰的逐时变化按照学生的平均作息状况确定，各房间散热器的片数及散热器供水流量采用由95℃、70℃供回水温度所确定的设计计算值。

在使用DeST软件模拟计算房间室温及其供暖耗热量之前，需要对DeST供热模块的可行性进行分析。对此，根据对该供热系统运行状况的实地调研数据（系统二级管网逐时供水温度，逐时的室外气象参数，人员逐时停留，照明和设备的逐时使用，以及宿舍楼中间层两个南向房间2013年1月的逐时室温等），将上述数据（除室温）以及房间散热器的设计流量和性能参数代人DeST，在0.5次/h的换气次数下模拟计算得出这两个房间逐时室温，并将模拟计算结果与室温的实测结果进行对比，如图6所示。

 由于通风换气次数的不确定，室温模拟值与实测值存在偏差，但偏差的程度并不明显，而且模拟室温与实际室温在变化趋势上基本一致。因此，DeST软件的供暖系统模块可应用到本文气候补偿器供暖效果分析的模拟研究中。

3  模拟结果分析

 对式(1)和图3所描述2种不同气候补偿模式的应用效果开展模拟分析。式(1)表示的是控制室温恒定的静态补偿模式，图3则是室温控制非恒定的非静态补偿模式。

按照GB 50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》，设计室温T。取18℃，北京地区室外计算温度T。取-7.6℃，设计供水温度T。取75℃，设计回水温度T’。取50℃。散热器为铸铁四柱-660型，散热器性能系数6取值0.16。将上述数值带人式(1)和式(2)，可计算出静态补偿模式下的供水温度曲线，如式(3)所示。

另一方面，根据宿舍楼内学生的生活作息规律，对一天的不同时间段分别设定不同室温，再依据图3的数据选择所对应的水温调节曲线（如表3所示），由此建立非静态的气候补偿模式。

在DeST典型气象年的逐时室外温度下，对应于静态补偿模式和非静态补偿模式的供暖季的逐时供水温度如图7所示。

 图7直观反映出气候补偿器静态模式和非静态模式所要求供水温度的明显差异。静态补偿模式所要求供水温度的变化范围大，最高为87℃，平均值达到60℃；相比较，非静态补偿模式的供水温度相对平稳且温度水平较低，最高仅63℃，平均值只有50℃。

进一步，在上述2种不同的供水温度模式下，对本研究的学生宿舍楼，分别逐时模拟建筑各房间供暖季的室温变化，进而计算得出整个楼供暖季的日平均室温，以此分析比较气候补偿器静态和非静态补偿模式对建筑室温的影响，具体如图8和图9所示。

 计算结果表明，静态补偿模式下的建筑日平均室温范围为19.6~24.3℃，高于18℃的设定室温。因此，建筑存在过量供热的现象。非静态补偿模式下，建筑的室温并未呈现对不同时段所设定的温度状况，部分时期建筑全天的平均室温甚至低于18℃，但建筑的平均室温为20.2℃，于是，过量供热的现象在非静态补偿模式下依然存在。

对于静态和非静态的两种气候补偿模式，进一步计算不同调节模式下的建筑耗热量，并以建筑室温恒定为18℃的耗热量为基准，以此分析比较不同气候补偿模式对建筑的过量供热状况，如图10所示。

 由于建筑平均室温超过18℃，气候补偿调节模式下的建筑耗热量势必高于室温恒定18℃的相应值。图10的计算结果给出了定量的说明。静态补偿模式下建筑耗热量为室温恒定18℃的5倍，非静态补偿模式所对应的倍数比值为3.8。于是，静态补偿模式对建筑过量供热的程度大于非静态补偿模式。

 分析表明，对于气候补偿器静态和非静态两种补偿模式，通过对供水温度的调节还不能真正解决热量供需不平衡的问题，过量供热的现象仍然很明显。以上的分析计算都是在末端散热器设计流量下进行的，在此情况下，当供水温度高于实际需求时，通过温控阀调节降低水流量确实能保证设定的室温需求，但这是将较高温度的热水以低流量的方式向室内散热，会相应降低对高效热源（热泵、工业余热等）的利用潜力。因此，对气候补偿器应首先着眼于供水温度的调节。

4  问题分析

 以下从气候补偿器的基本工作原理着手，研究分析静态和非静态气候补偿模式所产生过量供热和冷热不均现象的原因。

 气候补偿模型基于热源端供给热量与用户端需求热量的相互平衡而建立，但对用户端需求热量的计算采用的是仅考虑外温作用的稳态算法，而没有考虑太阳辐射以及房间内人员、照明、设备等扰量的作用，这两部分热量都与室内外温差状况无关，并且都有利于房间冬季的室内热环境。因此，对太阳辐射和室内热扰这两部分得热量的忽略将会导致对末端用户实际热需求反映的偏差，由此所确定的供水温度则将无法保证热量供给与需求的相互平衡，最终产生过量供热的现象。

将系统供热作为一种扰量，该扰量与室内得热以及太阳辐射的影响和作用都具体体现在房间室温的变化上。因此，可通过房间温度变化状况的对比反映出各个扰量的作用程度。为直观反映出问题的本质，首先选择中间层北向某个房间，对于存在人员、照明、设备等室内热扰与不存在室内热扰的两种情况，图11表示出气候补偿器静态补偿模式下房间供暖季日平均室温的变化。进一步，对于太阳辐射得热状况不同的中间层南向和北向房间，在其他热扰因素相同的情况下，图12表示出这2个房间供暖季日平均室温的变化。

 由图11可发现，室内热扰存在与不存在时房间日平均温度的差值基本一致，为2.1℃，这主要是由于居住者作息及其对灯光、设备的使用呈现日周期变化规律所导致。上述2种情况下房间供暖季的平均室温分别为22.5℃和20.4℃。这反过来也可说明，在随外温变化调节管网供水温度的同时，若能同时考虑室内热扰的影响，则有可能将室内温度控制在20℃。再考虑气候补偿模式改进对降低邻室过量供热的影响，房间供暖季平均室温可进一步降低，从而接近设定室温18℃的要求。

图12反映出太阳辐射对房间室温的影响。南向和北向房间室温除日平均室温存在差距外，南向房间的日平均室温波动明显大于北向房间。至于某几天内南向房间室温低于北向房间，其原因在于此段时间内的太阳日平均直射辐射强度较低，部分两天的太阳直射辐射强度甚至为0，如图13所示。又由于南向房间设计负荷相对于北向房间的偏低，使得南向房间散热器的设计片数要少于北向房间。因此，在太阳直射辐射强度较低的情况下，出现了南向房间室温低于北向房间室温的情况。

 上述2种情况计算结果的分析对比反映出室内热扰和太阳辐射对房间室温的影响，也从另一个角度说明了通过气候补偿器调节系统供水温度时，不仅要对外温的变化进行补偿，而且还应对室内热扰、太阳辐射产生的影响进行修正。

仍以中间层北向房间为对象，分析对比静态和非静态气候补偿模式对室温影响状况的差异。如图14所示，在没有太阳直射辐射的情况下，除了供暖初寒和末寒期的几天时间内，静态补偿模式下的房间日平均室温变对平稳，基本维持在22.5℃左右；与之相对照，非静态补偿模式下房间日平均室温的波动较大，远没有满足对房间室温分时段不同设定的需求。产生此现象的主要原因在于围护结构热惯性的作用，当要求室温产生阶跃变化，即由一个设定值升高或降低到另一个设定值时，围护结构的蓄热或放热会对室内热状况产生影响。因此，不同于静态补偿模式室温恒定的情况，采用非静态补偿模式调节供水温度时，还应考虑围护结构蓄热和放热特性对室内热状况的影响，否则同样产生热量供给与需求不一致的问题。

5  结论

 通过气候补偿器采取供水温度随室外气象条件变化的调节模式，有助于改善建筑室内热状况，但由于调节模型对建筑热过程的不完整描述，气候补偿器仍会导致过量供热现象的产生，进而造成不必要的能源消耗。

 模拟分析的结果表明，供热管网系统供水温度的调节，不仅要对外温的变化进行补偿，而且还应对室内热扰、太阳辐射产生的影响进行修正，同时考虑围护结构蓄热和放热对室内热状况的影响，从而保证热源端热量供给与用户热量需求的相一致。

 本文工作对后续供水温度调节模型的优化研究以及建筑节能工作的有效开展有重要参考作用。