供熱空調(diào)系統(tǒng)保證率設(shè)計(jì)的概念

 

  雖然建筑熱物理理論近來(lái)有較大發(fā)展，從穩(wěn)態(tài)傳熱算法到動(dòng)態(tài)傳熱算法，從單一圍護(hù)結(jié)構(gòu)的。到建筑物整體的傳熱算法傳熱算法。但是長(zhǎng)期以來(lái)，建筑熱物理基本上都是作為確定性過(guò)程來(lái)研究的，即在確定的室外氣象參數(shù)和室內(nèi)發(fā)熱量的條件下，做建筑熱物理的有關(guān)計(jì)算，如建筑物冷熱負(fù)荷的計(jì)算等，再去設(shè)計(jì)供熱空調(diào)系統(tǒng)，分析建筑物能耗等。在供熱空調(diào)設(shè)計(jì)過(guò)程中往往對(duì)每個(gè)不確定環(huán)節(jié)乘以一個(gè)大于1的安全系數(shù)，如此層層加碼設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)不可避免會(huì)造成設(shè)備容量選擇偏大，這一方面浪費(fèi)了初投資，別一方面由于設(shè)備常運(yùn)行于低負(fù)荷狀態(tài)，也降低了設(shè)備效率，造成了運(yùn)行和維修費(fèi)用的增加。

 

  供熱空調(diào)系統(tǒng)的偏大設(shè)計(jì)有社會(huì)經(jīng)濟(jì)體制和管理體制不合理方面的原因，如設(shè)計(jì)費(fèi)用按建筑總投資的固定比例計(jì)算，建筑物供熱按建筑面積而不是實(shí)際耗熱量收費(fèi)，甲方往往只是控制建筑物初投資，忽視建筑物的運(yùn)行和維修費(fèi)用等。此外，設(shè)計(jì)人員也缺乏一套科學(xué)的方法來(lái)處理各種不確定性因素對(duì)供熱空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響。

 

  由于室外氣象和室內(nèi)熱源都是隨機(jī)過(guò)程，它們作用在建筑物上產(chǎn)生的建筑熱環(huán)境也是隨機(jī)過(guò)程，因此應(yīng)該采用隨機(jī)分析的方法去研究建筑熱環(huán)境。隨機(jī)分析的方法追求的是某個(gè)量（如室溫、供熱負(fù)荷等）的概率分布，而不是具體的某個(gè)數(shù)值。建筑熱環(huán)境是復(fù)雜的系統(tǒng)，其中存在許多不確定性。因此，在研究建筑熱環(huán)境時(shí)，不僅要了解建筑熱環(huán)境的系統(tǒng)性能指標(biāo)的期望值（平均值），而且要了解這些指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。這樣，就能在概率意義上定量描述這些不確定性因素對(duì)建筑熱環(huán)境的影響。而以往確定性的方法只能得到建筑熱環(huán)境系統(tǒng)性能指標(biāo)的某個(gè)數(shù)值，由于在處理室外氣象和室內(nèi)熱源這些不確定性因素時(shí)采用簡(jiǎn)單的保守?cái)?shù)值，往往使得計(jì)算得到的性能指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際需要的性能指標(biāo)。1978年諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)得主H·A·Simon提出的有限合理性原理[1]，從哲學(xué)意義上精辟地論述了客觀世界復(fù)雜性與不確定性的本質(zhì)："…客觀世界是極其復(fù)雜的，人們頭對(duì)它的認(rèn)識(shí)總是有限的，因此客觀總是的角是個(gè)集合，而不是一個(gè)點(diǎn)…"。也就是說(shuō)，客觀世界中的，它們構(gòu)盛開(kāi)個(gè)集合，這個(gè)集合中的每個(gè)解都可看成某種程度上的滿意解。如果片面地追求唯一解或最佳解，那么往往不得不引進(jìn)許多假設(shè)、近似或約束，這樣求得的所謂唯一解或最佳解很可能反而遠(yuǎn)離真實(shí)解的集合。

 

  以空調(diào)設(shè)計(jì)負(fù)荷的計(jì)算為例，傳統(tǒng)的確定性方法取室外氣象和室內(nèi)熱的最不利數(shù)值，采用動(dòng)態(tài)模擬程序去計(jì)算空調(diào)設(shè)計(jì)負(fù)荷。實(shí)際空調(diào)負(fù)荷是隨機(jī)變化的，而確定性模擬方法并沒(méi)有給出實(shí)際空調(diào)負(fù)荷小于空調(diào)負(fù)荷的可能性大小，致使設(shè)計(jì)人員在選定空調(diào)設(shè)備時(shí)，為安全起把空調(diào)設(shè)計(jì)負(fù)荷乘以一個(gè)大于1的安全系數(shù)。由于各種不確定性因素的作用，實(shí)際空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)也是隨機(jī)變化的，因此應(yīng)根據(jù)空調(diào)負(fù)荷這一隨機(jī)變量的概率分布來(lái)確定空調(diào)設(shè)計(jì)負(fù)荷，選擇空調(diào)設(shè)備，也就是在不同概率信度下確定不同的設(shè)備容量。概率信度的確定則與建筑物的使用功能和甲方的經(jīng)濟(jì)觀念密切相關(guān)，體現(xiàn)了空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中功能與投資的對(duì)立統(tǒng)一關(guān)系。

 

  供熱空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不同。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的在于提供居住、生產(chǎn)和科研的場(chǎng)所，因此要求幾乎絕對(duì)的保證，一旦發(fā)生事故，如房屋倒塌，那么不僅會(huì)損壞產(chǎn)品、儀器，而且會(huì)造成生命危險(xiǎn)。供熱空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的在于提供生活、生產(chǎn)和科研需要的室內(nèi)熱環(huán)境，如果在一定短時(shí)間里室內(nèi)熱環(huán)境偏離設(shè)計(jì)要求，并不會(huì)造成太大的損失或危害。對(duì)于精密儀器車間等對(duì)空調(diào)精度和可靠性要求比較高的工藝空調(diào)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的可靠性可以定得高一些，因?yàn)橐坏┛照{(diào)系統(tǒng)出故障，會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量或儀器壽命；而對(duì)于一般民用住宅、辦公樓和賓館的舒適空調(diào)系統(tǒng)，往往允許室內(nèi)熱環(huán)境在一定短時(shí)間里偏離設(shè)計(jì)要求，這不僅不會(huì)損害人體健康，反而有利于消除或防止空調(diào)建筑普遍存在的綜合癥�？梢�(jiàn)，供熱空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)允許一定的不保證率，如果設(shè)計(jì)要求的不保證率越小，那么需要空調(diào)系統(tǒng)的容量就越大，這正好體現(xiàn)了工程設(shè)計(jì)中投資與功能的對(duì)立統(tǒng)一關(guān)系。

 

  由于供熱空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及許多不確定因素，如室外氣象、室內(nèi)熱源、建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)、整個(gè)建筑中各房間的空調(diào)系統(tǒng)的同時(shí)使用情況、空調(diào)系統(tǒng)本身的設(shè)備故障、衰老以及建筑物空調(diào)面積的擴(kuò)大等。因此，如果片面地追求供熱空調(diào)系統(tǒng)的安全性，那么常常導(dǎo)致以最不利的條件作為設(shè)計(jì)條件，勢(shì)必造成供熱空調(diào)系統(tǒng)的容量偏大。實(shí)際空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)是隨機(jī)變化的，也就是說(shuō)，空調(diào)負(fù)荷系統(tǒng)是隨機(jī)變量，它服從一定的概率分布。

 

  在95%的概率信度（即5%的不保證率）下，空調(diào)負(fù)荷小于1820kW；如果信度提高到99%，那么空調(diào)負(fù)荷小于2160kW。換言之，在100年里，空調(diào)負(fù)荷大于1820 kW和2160 kW的年頭分別不可能超過(guò)5個(gè)和1個(gè)。圖2還說(shuō)明，在大部分時(shí)間里（90%的概率），空調(diào)負(fù)荷不超過(guò)1640 kW，如果概率信度提高5%和9%，那么負(fù)荷分別增加11%和32%。按傳統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)思想，采用最不利的室外氣象和室內(nèi)熱源條件做計(jì)算，得到的空調(diào)負(fù)荷可能是3200 kW，據(jù)此選擇空調(diào)設(shè)備，那么在大部分時(shí)間里（90%的概率），空調(diào)設(shè)備的負(fù)荷率不超過(guò)51%（1640/3200）；在很炎熱的夏季里（100年一遇），空調(diào)設(shè)備的負(fù)荷率也不超過(guò)68%（2160/3200）。這樣的設(shè)計(jì)不但導(dǎo)致初投資的增加，而且導(dǎo)致運(yùn)行費(fèi)用的增加。圖2清楚地刻劃了空調(diào)負(fù)荷的隨機(jī)波動(dòng)特性，也容易在工程設(shè)計(jì)中作用。

 

  這種直接根據(jù)室內(nèi)熱環(huán)境的保證率去做設(shè)計(jì)新思想，即保證率設(shè)計(jì)，追求的是在某種不利條件下，合理確定保證率，使供熱空調(diào)系統(tǒng)在保證時(shí)間內(nèi)可靠地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，而不是在任何條件下都要求保證室內(nèi)熱環(huán)境。因此，保證率設(shè)計(jì)是對(duì)傳統(tǒng)安全發(fā)展方向。

 

  保證率的確定則與具體建筑物類型、使用功能和甲方的經(jīng)濟(jì)觀念有關(guān)，如果保證率取得偏大，會(huì)直接導(dǎo)致選擇的空調(diào)設(shè)備容量偏大，造成一次投資和二次投資的增加；相反，如果保證率取得偏小，那么由于室內(nèi)熱環(huán)境在較多時(shí)間里偏離生產(chǎn)、生活或科研條件的要求，會(huì)導(dǎo)致工作效率的降低和產(chǎn)品質(zhì)量的下降，造成損失費(fèi)用的增加。因此，綜合考慮投資和損失費(fèi)用與空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)保證率之間的關(guān)系，可以找到最優(yōu)的保證率，使得按它設(shè)計(jì)出的空調(diào)系統(tǒng)的總費(fèi)用（總投資與由于空調(diào)系統(tǒng)保證不了合適的室內(nèi)熱環(huán)境而造成的損失費(fèi)用之和）最小�？梢�(jiàn)，保證率設(shè)計(jì)的概念充分地體現(xiàn)了工程設(shè)計(jì)中投資與可靠性（保證率）之間的對(duì)立統(tǒng)一關(guān)系。

 

  為實(shí)現(xiàn)供熱空調(diào)系統(tǒng)的保證率設(shè)計(jì)，需要一套隨機(jī)分析的方法，去定量刻劃設(shè)計(jì)過(guò)程中諸多不確定性因素的影響，給出供熱空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)荷的概率分布。為此需要解決以下一些基本問(wèn)題：

 

  室外氣象和室內(nèi)熱源的描述

  建立室外氣象的多維多階自回歸時(shí)間序列模型，以描述實(shí)際氣象過(guò)程的不平衡性以及各氣象參數(shù)在時(shí)間上的自相關(guān)和互相關(guān)性。建立描述室內(nèi)熱源隨時(shí)間周期波動(dòng)的簡(jiǎn)化的隨機(jī)模型。

 

  建筑物的描述

  現(xiàn)有的建筑物熱模型都不適合于做隨機(jī)分析，為此建立了狀態(tài)空調(diào)建筑熱模型，它能利用以上建立的隨機(jī)氣象模型和隨機(jī)室內(nèi)熱源模型。

  供熱空調(diào)系統(tǒng)二次設(shè)備（如散熱器和風(fēng)機(jī)盤(pán)管）的同時(shí)使用情況

  供熱空調(diào)系統(tǒng)從一次設(shè)備到二次設(shè)備過(guò)程中各種介質(zhì)傳輸管網(wǎng)能量損失的描述

 

  供熱空調(diào)

  設(shè)備衰老特性、故障特征和維修制度的描述

  供熱空調(diào)設(shè)備的備用和供熱空調(diào)面積的擴(kuò)大考慮

  開(kāi)發(fā)一個(gè)以CAD為基礎(chǔ)的智能集成化的建筑熱環(huán)境的分析系統(tǒng)，幫助工程師做設(shè)計(jì)

  從80年代初其開(kāi)始，江億從事建筑熱環(huán)境隨機(jī)分析的研究工作，1988年到1992年完成中國(guó)科學(xué)院一個(gè)青年基金項(xiàng)目[2]，進(jìn)行有關(guān)隨機(jī)分析的基礎(chǔ)理論研究；并和英國(guó)建筑研究中心的系統(tǒng)性能預(yù)測(cè)室合作，完成對(duì)隨機(jī)分析程序的驗(yàn)證[3]。近年來(lái)發(fā)表了一些文章[4]～[10]對(duì)隨機(jī)分析的意義、方法和應(yīng)用都有較詳細(xì)的論述。這些是空調(diào)負(fù)荷保證率設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)研究的一部分，還有許多工作要進(jìn)行。但供熱空調(diào)系統(tǒng)的保證率設(shè)計(jì)無(wú)疑提供了一種徹底改變?cè)撔袠I(yè)不合理的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀的方法，它有著光明的發(fā)展前程。

 

1 HA Simo. Thesciences of the artificial intelligence. 2nd Ed. TheMIT Press, Cambridge, Massachusetts. 1981.

2 江億，洪天真，建筑熱過(guò)程的隨機(jī)分析，中國(guó)科學(xué)院青年基金項(xiàng)目研究報(bào)告，1992。

3 T Hong,Y Jiang. StochasticAnalysis of the Building Thermal Environment of UK. 1994.

4 洪天真，建筑熱環(huán)境的隨機(jī)分析，博士學(xué)位論文。清華大學(xué)熱能系。1994。

5 洪天真，江億，冬季供暖系統(tǒng)負(fù)荷設(shè)計(jì)算用的室外綜合計(jì)算溫度，暖通空調(diào)，1993，（3）。

6 江億，洪天真，建筑熱過(guò)程隨機(jī)分析的背景、方法和應(yīng)用，暖通空調(diào)，1993（6）。

7 江億，洪天真，張金干等，IISABRE：智能集成化的建筑熱環(huán)境分析系統(tǒng)，全國(guó)暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會(huì)論文，1994。

8 Y Jiang, T Hong. StochasticAnalysis of Overheating Risk in Buildings. Proceedings of CLIMA 2000, London,1993.

9 Y Jiang, T Hong. StochasticAnalysis of Building Thermal Processes. Building and Environment. 1993, (4)

10 江億，洪天真，建筑熱過(guò)程的隨機(jī)分析，清華大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，（5）。