于利堯

(江蘇省方圓建筑設(shè)計研究有限公司，江蘇 宿遷 223600)

我國超高層建筑供暖一直是該領(lǐng)域難以解決的問題。由于超高層需要的熱量高于普通建筑，但是若采用全天供熱，就會導致建筑內(nèi)供熱溫度過高，會造成一定的安全隱患，因此只能采用間歇模式的供熱方式[1-2]。間歇模式是在24小時內(nèi)采用定時供熱，在采用間歇模式的供熱的同時，控制供熱間隔時間和供熱溫度尤為重要，若間隔過大，建筑的溫度過低，間歇時間過小，容易造成高溫危險。傳統(tǒng)的超高層建筑供熱間歇模式識別方法對于建筑供熱內(nèi)溫度的識別和間歇間隔識別效果不佳，導致超高層建筑內(nèi)的溫度過高或者過低，不能穩(wěn)定于恒定溫度，造成安全隱患[3]。

MATLAB軟件為一款集成了數(shù)學分析、無線通信、深度學習、圖像處理等技術(shù)的綜合性軟件，軟件內(nèi)部具有很多的功能識別箱，用來執(zhí)行各種指令，MATLAB軟件被廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域，解決了許多棘手的問題。軟件的功能主要是根據(jù)錄入不同模式的識別方法，建立預測模型，然后對所對應(yīng)的數(shù)據(jù)實現(xiàn)預測，預測準確率高達99.99%[4]。預測模型的建立是根據(jù)人員向軟件錄入的數(shù)據(jù)作為計算數(shù)據(jù)，MATLAB軟件不僅可以完成數(shù)據(jù)結(jié)果的輸出與預測，還可以調(diào)用其他方面的軟件，比如Excel、MATLAB、Energyplus等，具有強大的自適應(yīng)能力。

綜上所述，本文為促進超高層建筑供熱間歇模式的發(fā)展，分析超高建筑供熱間歇模式的原理以及對供熱效果因素，確定間歇模式的識別特征，然后通過MATLAB軟件的調(diào)用，精確分析超高層建筑供熱間歇模式的決定性因素，完成基于MATLAB軟件的超高層建筑供熱間歇模式的識別方法，促進建筑領(lǐng)域供熱體系的發(fā)展。

1 超高層建筑供熱間歇模式識別特征分析

超高層建筑供熱間歇模式是供熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)的一種模式，主要用于公共建筑，供熱間歇模式工作是在保證正常供熱的基礎(chǔ)上，定時間段進行供熱，節(jié)約資源。但是在不供熱間隔中并不是停止供熱，而是以最小熱負荷完成供熱，保證建筑物內(nèi)溫度達到規(guī)定溫度[5]。

間歇式供熱模式的工作本質(zhì)是調(diào)節(jié)供熱系統(tǒng)的流量、供水溫度等運行參數(shù)，以適應(yīng)外界環(huán)境的變化，最終實現(xiàn)供暖期間建筑物內(nèi)溫度一直處在設(shè)計溫度左右[6]。但是間歇式供熱存在的最大問題是控制不好間隔供熱的時間間隔，由于在供熱過程中會出現(xiàn)一定的熱量損失，熱量損失會影響供熱效果，供暖熱用戶的熱負荷、供暖用戶系統(tǒng)中散熱器的放熱量和管網(wǎng)的供熱量在間歇模式下變化公式如下所示：

Q1=q′·b(tn-tw)

(1)

(2)

(3)

式中：Q1為建筑物供暖設(shè)計熱負荷，W；Q2為在供暖設(shè)計溫度下散熱器釋放出的熱量，W；Q3為在供暖設(shè)計溫度下熱網(wǎng)傳給熱用戶的熱量，W[7]；q′為建筑的體積供暖熱指標，W/(m3·℃)；V為建筑物的體積，m3；tw為供暖室外計算溫度，℃；tn為供暖室內(nèi)計算溫度，℃；F為熱用戶的供水溫度，℃；a為熱用戶的回水溫度，℃；G為熱用戶的循環(huán)水量，kg/h；tg為設(shè)計工況下，散熱器傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；b為熱水的質(zhì)量比熱[8]，4 187 W/(m2·℃)；建筑供熱間歇模式的另一個決定性因素是室外溫度的變化，它可以改變供暖間歇模式間歇的小時數(shù)，實際運行的熱負荷與供暖設(shè)計熱負荷的比值稱為相對供暖負荷比p，其流量比值稱為相對流量比1.6，具體公式為

(4)

因此一個超高層建筑間歇模式的供暖要平衡以上的各個影響因素，才可以構(gòu)成一個完成的間歇模式的供暖體系。

供熱系統(tǒng)間接連接示意圖如圖1所示。

圖1 供熱系統(tǒng)間接連接示意圖

2 高層建筑供熱間歇模式熱源泵控制分析

在高層建筑供熱間歇模式中，熱源泵的作用為控制供熱過程中出現(xiàn)的阻力，在間歇供熱模式的初期，熱源泵所呈現(xiàn)的阻力非常大，隨著一周期的間歇供熱模式的發(fā)展，所呈現(xiàn)的阻力也會隨之變小，因此高層建筑供熱間歇模式熱源泵可以作為供熱間歇模式狀態(tài)的一個識別特征[9]。

在間歇模式供熱體系中，熱源泵主要是運輸供熱管道內(nèi)的熱水，通過供熱體系中的回水溫差為熱源泵提供一定的壓力，形成對外的阻力。通過定零壓差點方法控制熱源泵，此控制方法不依賴于其他的外界因素和工具，只依靠供熱系統(tǒng)內(nèi)的溫度，具有獨立性，這同樣也保證了熱源泵的工作效果[10]。供熱系統(tǒng)直接連接示意圖如圖2所示。

圖2 供熱系統(tǒng)直接連接示意圖

當熱源泵的阻力定零壓差點控制方法是在間歇模式供熱階段，管道內(nèi)的流量總處于滿負荷，因此系統(tǒng)內(nèi)會出現(xiàn)零壓差點，隨著間歇模式供熱進度的發(fā)展，流量減少，零壓差點會變大，當零壓差點達到極限時，正常的間歇供熱模式就結(jié)束了[11]。間歇功能模式系統(tǒng)內(nèi)的零壓差點為零時，若另一周期的間歇模式?jīng)]有開始，熱源泵會依靠存儲的熱量提供功能，等待新一個周期的間歇供熱。

3 建筑供熱間歇熱水流速分析

建筑供熱間歇模式時供熱系統(tǒng)的圍護結(jié)構(gòu)的溫度會持續(xù)升高，在間歇供熱模式結(jié)束后，圍護結(jié)構(gòu)向外散熱，維持空間的溫度，當溫度散熱到最低點，新一周期的間歇供熱再重新向圍護結(jié)構(gòu)供熱，重復以上操作保證空間的溫度[12]，因此超高層建筑供熱系統(tǒng)內(nèi)的圍護結(jié)構(gòu)可以作為供熱間歇模式的識別特征。水壓圖如圖3所示。

圖3 供熱系統(tǒng)水壓圖

供熱的本質(zhì)是溫差，只要供熱圍護結(jié)構(gòu)存在溫差，就會出現(xiàn)熱傳遞現(xiàn)象，完成供熱。超高層建筑供熱間歇模式的間隔時間與系統(tǒng)內(nèi)圍護結(jié)構(gòu)的熱傳遞效率和熱量損失率有直接的關(guān)系，具體關(guān)系如下所示：

Q=KU(t1-t2)

(5)

式中：Q為外圍護結(jié)構(gòu)耗熱量，W；K為外圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，W/(m·℃)；U為外圍護結(jié)構(gòu)傳熱面積，m2；t1、t2分別為兩個任意的時刻。

根據(jù)以上公式可以明確室外溫度越低，耗熱量就越大，這樣間歇模式供熱間隔時，為補償供熱系統(tǒng)的外圍護結(jié)構(gòu)的耗熱量，室內(nèi)溫度勢必下降。只有當供熱開始，散熱器的散熱量抵消了圍護結(jié)構(gòu)的耗熱量，還有剩余量時，室溫才會升高。因此一旦識別到供熱系統(tǒng)內(nèi)的圍護結(jié)構(gòu)溫度差在3 ℃的范圍內(nèi)時，就應(yīng)該觸發(fā)建筑供熱新一周的間歇供熱模式，保證供熱效果。

補水定壓方式[13]如圖4所示。

圖4 補水定壓方式

建筑供熱間歇溫度分析過程如圖5所示。

圖5 建筑供熱間歇溫度分析過程

4 基于MATLAB軟件的超高層建筑供熱間歇模式識別

通過以上對超高層建筑供熱間歇模式識別特征的分析和MATLAB軟件功能的了解，本文總結(jié)出基于MATLAB軟件的超高層建筑供熱間歇模式識別方法的工作流程，具體流程如圖6所示。

圖6 基于MATLAB軟件的超高層建筑供熱間歇模式識別流程

首先基于MATLAB軟件收集超高層建筑供熱間歇模式的供熱間隔、熱水流量等一些基本的數(shù)據(jù)，然后掌握建筑供熱間歇模式供熱的流程；其次在每一周期建筑供熱間歇模式的供熱階段跟蹤識別方法[14]；然后在間歇供熱模式間隔時段，基于MATLAB軟件的超高層建筑供熱間歇模式識別方法識別供熱體系的熱源泵和圍護結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)；最后一旦識別到熱源泵的零壓差點為零或者圍護結(jié)構(gòu)溫度差為零時，就要促發(fā)建筑供熱的間歇模式，完成新一周期的供熱。

根據(jù)以上的基于MATLAB軟件的超高層建筑供熱間歇模式識別方法，在間歇模式的供熱階段無限循環(huán)[15]，在節(jié)約能源的基于上，又完成建筑供熱間歇模式的無縫供熱。識別的水流流量模式如圖7所示。

圖7 識別的水流流量模式

5 實驗分析

為檢驗本文研究方法的有效性和準確性，設(shè)計對比試驗。為了避免試驗出現(xiàn)偶然性，本文試驗的對照方法分別為基于人工識別的超高層建筑供熱間歇模式識別方法和基于感知軟件的超高層建筑供熱間歇模式識別方法。

對于本文試驗的外界干擾因素非常多，因此，試驗采用三個層數(shù)相同、結(jié)構(gòu)相同并且坐落在同一地區(qū)的三個超高層建筑作為試驗對象，試驗周期為14天，并且在試驗前調(diào)查三個建筑的以往的供熱效果，與本次的實驗結(jié)果進行綜合評價，提高供熱效果的科學性。試驗前與三個建筑的供熱管理員合理協(xié)商，以便在試驗過程中，出現(xiàn)意外情況，影響實驗進程。在試驗開始前的一個小時完成三個超高層建筑的供熱方法選取，以抽簽的形式，選取后，通知建筑所屬區(qū)域的供熱機構(gòu)即可。以某天的凌晨作為開始供熱的開始時間，以此類推，結(jié)束時間也是14天的凌晨，在試驗的每天，三個工作人員統(tǒng)一時間測溫建筑內(nèi)每個樓層，每天測三次，作為試驗的結(jié)果數(shù)據(jù)。實驗結(jié)束后統(tǒng)一匯總實驗數(shù)據(jù)，得出實驗結(jié)果。

隔熱性實驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 隔熱性實驗結(jié)果

根據(jù)實驗結(jié)果可知，基于MATLAB軟件的超高層建筑供熱間歇模式識別方法比傳統(tǒng)的建筑供熱間歇模式識別方法的識別效果好，可以使建筑物保持穩(wěn)定的溫度。由于本文在試驗進行前對外界可控的干擾因素均已得到控制，因此本次試驗結(jié)果具有意義，值得推敲。一方面是由于供熱間歇模式識別方法研究過程中調(diào)用了MATLAB軟件，此軟件不僅可以預測超高層建筑溫度變化的結(jié)果，還可以提醒識別方法，防止由于識別方法的疏忽，影響建筑的供熱效果，在一定程度上提高超高層建筑供熱間歇模式的識別效率。另一方面得到這一良好的結(jié)果，是由于本文供熱間歇模式識別方法通過分析間歇模式供熱的工作原理以及對超高層建筑供熱的外圍結(jié)構(gòu)、熱源泵的深入分析，精煉出各個供熱因素的特征，精確間歇模式的識別方向，保證識別供熱間歇模式識別的準確度。

6 結(jié) 語

本文首先通過一系列公式了解超高層建筑供熱間歇模式的供熱原理，然后分析高層建筑供熱間歇模式熱源泵控制和圍護結(jié)構(gòu)，確定建筑內(nèi)供熱間歇模式的特征。基于MATLAB軟件構(gòu)建一個全新的基于MATLAB軟件的超高層建筑供熱間歇模式識別方法，提高高層建筑間歇模式供熱識別的準確性，解決了超高層建筑間歇模式供熱的難題，達到本文的研究目的。