近年來(lái),隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)和人們物質(zhì)生活水平的提高,供熱空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛,使得建筑物的供熱空調(diào)能耗也逐年增大。我國(guó)是發(fā)展中國(guó)家,資金和能源的供求矛盾日趨激烈,因此供熱空調(diào)系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)已提到日程上來(lái)。

 
  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(mǎn)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(chē)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(lèi)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。
 
參考文獻(xiàn)
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)。