供热空调系统保证率设计的概念(1)

1、1 1供热空调系统保证率设计的概念(1)本文针对供热空调系统偏大设计的现状，分析了设计过 程中涉及的许多因素的不确定性本质；提出供热空调系统保 证率设计的概念，它直接以室内热环境的保证率为依据去做 设计，真正体现了工程设计中投资与功能的对立统一；给出 随机分析方法的思路和开发智能集成化的建筑热环境分析 系统的构想，为实现供热空调系统保证率设计打下基 础。关键词：供热空调系统保证率设计建筑热环境随机分析近年来，随着国民经济的增长和人们物质生活水平的提 高，供热空调系统的应用日益广泛，使得建筑物的供热空调 能耗也逐年增大。我国是发展中国家，资金和能源的供求矛 盾日趋激烈，因此供热空调系统的合理设计

2、已提到日程上来虽然建筑热物理理论近来有较大发展，从稳态传热算法 到动态传热算法，从单一围护结构的。到建筑物整体的传热 算法传热算法。但是长期以来，建筑热物理基本上都是作为 确定性过程来研究的，即在确定的室外气象参数和室内发热 量的条件下，做建筑热物理的有关计算，如建筑物冷热负荷 的计算等，再去设计供热空调系统，分析建筑物能耗等。在 供热空调设计过程中往往对每个不确定环节乘以一个大于 的安全系数，如此层层加码设计出的系统不可避免会造成设 备容量选择偏大，这一方面浪费了初投资，别一方面由于设 备常运行于低负荷状态，也降低了设备效率，造成了运行和 维修费用的增加。供热空调系统的偏大设计有社会经济体制

3、和管理体制 不合理方面的原因，如设计费用按建筑总投资的固定比例计 算，建筑物供热按建筑面积而不是实际耗热量收费，甲方往 往只是控制建筑物初投资，忽视建筑物的运行和维修费用等。 此外，设计人员也缺乏一套科学的方法来处理各种不确定性 因素对供热空调系统设计的影响。由于室外气象和室内热源都是随机过程，它们作用在建 筑物上产生的建筑热环境也是随机过程，因此应该采用随机 分析的方法去研究建筑热环境。随机分析的方法追求的是某 个量（如室温、供热负荷等）的概率分布，而不是具体的某 个数值。建筑热环境是复杂的系统，其中存在许多不确定性。 因此，在研究建筑热环境时，不仅要了解建筑热环境的系统 性能指标的期望值（

4、平均值） ，而且要了解这些指标的标准 偏差。这样，就能在概率意义上定量描述这些不确定性因素 对建筑热环境的影响。而以往确定性的方法只能得到建筑热 环境系统性能指标的某个数值，由于在处理室外气象和室内 热源这些不确定性因素时采用简单的保守数值，往往使得计 算得到的性能指标远远高于实际需要的性能指标。 19781978 年诺贝尔经济学奖得主 H H A A SimonSimon 提出的有限合理性原理11, 从哲学意义上精辟地论述了客观世界复杂性与不确定性的 本质： 客观世界是极其复杂的，人们头对它的认识总是 有限的，因此客观总是的角是个集合，而不是一个点 。也就是说，客观世界中的，它们构盛开个集合

5、，这个集合中 的每个解都可看成某种程度上的满意解。如果片面地追求唯 一解或最佳解， 那么往往不得不引进许多假设、 近似或约束， 这样求得的所谓唯一解或最佳解很可能反而远离真实解的 集合，见图 1 1 。图 1Simon1Simon 的有限合理性原理示意图以空调设计负荷的计算为例，传统的确定性方法取室外 气象和室内热的最不利数值，采用动态模拟程序去计算空调 设计负荷。实际空调负荷是随机变化的，而确定性模拟方法 并没有给出实际空调负荷小于空调负荷的可能性大小，致使 设计人员在选定空调设备时，为安全起把空调设计负荷乘以 一个大于 1 1 的安全系数。由于各种不确定性因素的作用，实 际空调系统的运行状

6、态也是随机变化的，因此应根据空调负 荷这一随机变量的概率分布来确定空调设计负荷，选择空调 设备，也就是在不同概率信度下确定不同的设备容量。概率 信度的确定则与建筑物的使用功能和甲方的经济观念密切相关，体现了空调系统设计中功能与投资的对立统一关系供热空调系统的设计和建筑结构的设计不同。建筑结构 设计的目的在于提供居住、生产和科研的场所，因此要求几 乎绝对的保证，一旦发生事故，如房屋倒塌，那么不仅会损 坏产品、仪器，而且会造成生命危险。供热空调系统的设计 目的在于提供生活、生产和科研需要的室内热环境，如果在 一定短时间里室内热环境偏离设计要求，并不会造成太大的 损失或危害。对于精密仪器车间等对空调

7、精度和可靠性要求 比较高的工艺空调系统，设计的可靠性可以定得高一些，因 为一旦空调系统出故障，会影响产品质量或仪器寿命；而对 于一般民用住宅、办公楼和宾馆的舒适空调系统，往往允许 室内热环境在一定短时间里偏离设计要求，这不仅不会损害 人体健康，反而有利于消除或防止空调建筑普遍存在的综合 症。可见，供热空调系统的设计允许一定的不保证率，如果 设计要求的不保证率越小，那么需要空调系统的容量就越大，这正好体现了工程设计中投资与功能的对立统一关系。由于供热空调系统的设计涉及许多不确定因素，如室外 气象、室内热源、建筑物的围护结构、整个建筑中各房间的 空调系统的同时使用情况、空调系统本身的设备故障、衰老

8、 以及建筑物空调面积的扩大等。因此，如果片面地追求供热 空调系统的安全性，那么常常导致以最不利的条件作为设计 条件，势必造成供热空调系统的容量偏大。实际空调系统的运行状态是随机变化的，也就是说，空调负荷系统是随机变量，它服从一定的概率分布，如图2 2 所示。图 2 2 空调负荷的概率分布从图 2 2 可见，在 95%95%的概率信度（即 5%5%的不保证率）下，空调负荷小于 1820kW1820kW 如果信度提高到 99%99%那么空调负荷 小于 2160kW2160kW 换言之，在 100100 年里，空调负荷大于 1820kW1820kW 和 2160kW2160kW 的年头分别不可能超过

9、 5 5 个和 1 1 个。图 2 2 还说明， 在大部分时间里（90%90%勺概率），空调负荷不超过 1640kW1640kW 如 果概率信度提高 5%5%和 9%9%，那么负荷分别增加11%11%和 32%32%。按 传统的安全设计思想，采用最不利的室外气象和室内热源条 件做计算，得到的空调负荷可能是 3200kW3200kW 据此选择空调设 备，那么在大部分时间里（ 90%90%的概率），空调设备的负荷率 不超过 51%51%（1640/32001640/3200）；在很炎热的夏季里 （100100 年一遇）， 空调设备的负荷率也不超过 68%68%（2160/32002160/3200

10、）。这样的设计 不但导致初投资的增加，而且导致运行费用的增加。图 2 2 清 楚地刻划了空调负荷的随机波动特性，也容易在工程设计中 作用。这种直接根据室内热环境的保证率去做设计新思想，即 保证率设计， 追求的是在某种不利条件下， 合理确定保证率， 使供热空调系统在保证时间内可靠地实现设计要求，而不是在任何条件下都要求保证室内热环境。因此，保证率设计是 对传统安全发展方向。保证率的确定则与具体建筑物类型、使用功能和甲方的 经济观念有关，如果保证率取得偏大，会直接导致选择的空 调设备容量偏大，造成一次投资和二次投资的增加；相反，如果保证率取得偏小，那么由于室内热环境在较多时间里偏 离生产、生活或科研条件的要求，会导致工作效率的降低和 产品质量的下降，造成损失费用的增加。因此，综合考虑投 资和损失费用与空调系统设计保证率之间的关系，可以找到 最优的保证率，使得按它设计出的空调系统的总费用（总投 资与由于空调系统保