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1、摘要目录摘要一、 问题重述二、 模型假设三、 符号说明四、 问题分析4.1 游泳馆能源使用的目的与方式4.2 能源消耗需求量4.3 一日内游泳馆室内温度变化趋势分析4.4游泳馆室内外热量交换计算方法4.5游泳馆的温度场分布与加隔热层的节能效果分析五、模型建立5.1 问题一的分析与求解 5.1.1 室外温度与天然气使用量及暖风机耗电量的关系求解 5.1.2天然气使用量以及暖风机耗电量与有效产热量的关系求解 5.1.3有效产热量与室内外热量交换的关系求解 5.1.4泳池水温以及室温变化与热量交换的关系求解5.2 问题二的分析与求解5.3 问题三的分析与求解 5.3.1 在不同的室外气温条件下，锅炉
2、的开关机时间优化 5.3.2 在不同的训练计划条件下，锅炉的开关机时间优化六、模型的检验七、模型的评价八、模型的进一步讨论与改进参考文献一、问题重述2011年10月，我校一号院游泳馆正式开放，为我校学员军事训练和教职员工游泳锻炼提供了方便。游泳馆自运行以来，学校训练部门针对游泳馆的能源消耗情况和运行费用进行了分析，发现游泳馆能源消耗巨大，每天运行费用较高，特别是冬天的运行费用甚至达到每天万元左右。本着资源节约的目的，学校管理部门希望通过科学的手段最大限度的发挥能源效率，达到资源节约的目的。当前游泳馆面积约为3700余平米，拥有一个深水游泳池和一个浅水游泳池，两个游泳池面积均约为1325平米，两
3、个游泳池长均为50米,每个游泳池在25米又将深度分为两部分，深水池深度分别为1.4米和2米，浅水池深度分别为0.9米和1.4米。游泳馆采用圆形拱顶，拱顶两侧平面和东面、背面外墙采用玻璃设计（游泳馆一层平面图和剖面图如附件1所示，详细构造可到一号院游泳馆考察和咨询游泳馆工作人员）。由于训练和游泳的需要，游泳馆内需要能够较好地保持室内温度和水温，一般室内温度保持在26度（实际上冬天室内温度应该达到28度左右更合适），水温保持在27-28度较合适（冬天实际达到30度左右更合适），但游泳馆自开馆以来，由于室内温度一直不能有效的达到28度，所以水温并没达到30度。维持游泳馆室内和水温主要通过锅炉燃烧天然
4、气来完成，由位于游泳馆地下的锅炉燃烧天然气，产生循环利用的热水，一部份通过游泳池地下的热量交换装置为游泳池水升温，另一部分通过地暖设备对游泳馆室内进行升温，同时辅助以电力带动的暖风机进行温度维持（8台暖风机安装在场馆南面外墙顶端靠近圆型拱顶底端处，暖风机参数为：制冷量27kw/h，制热量42kw/h，电机功率输出功率为1.1kw-6kw），暖风机一般在开馆前1小时打开，闭馆后关闭。场馆运行费用中天然气的消耗费用是最大的，其次是电力的消耗，其他资源如水的消耗则相对较少，在保障游泳馆正常开放使用前提下，减少天然气的使用是最有可能节省能源和费用的举措。 游泳馆的运行流程一般是这样的，最开始阶段游泳馆
5、内温度与室外温度相同，锅炉燃烧天然气对馆内和水温进行升温，这个过程可能需要经历较长时间，在冬天，甚至需要几天。当游泳馆内温度和水温达到要求后，后续运行只需要不断维持温度达到训练要求即可。场馆开放一般是下午3点开放,晚上9点闭馆。在运行中，管理部门发现，若晚上适当的关闭锅炉数小时后再行开启对馆内进行升温依然能够达到训练要求。为了摸清游泳馆的运行和资源消耗情况，管理部门记录了游泳馆的运行数据（见附件2运行数据.xls）。现管理部门希望你们能够建立模型解决以下问题以供其决策时参考：1） 建立模型描述游泳馆内温度变化过程和能源使用情况2） 为了进一步节省能源，管理部门想在馆内加装一个隔热层(安装位置为
6、圆型拱顶底端，如下图红线位置所示,假设隔热层的导热系数0.50.8mW/(K)，请建立模型计算加装保隔热层的节能效果.3） 请根据你的模型和管理部门采集的部分数据，分析针对不同环境（时间、当时气温、训练计划）下对锅炉的开关机时间进行优化，从而节省能源和费用.二、假设1. 假设游泳馆室内外空气的热量交换只与室内外温差有关，与室外风速等因素无关；2. 假设在同一时刻同一游泳池内各处水温相等；3. 假设室外温度分布是均匀的；4. 假设游泳馆开馆期间室内温度与水温均达到训练要求，并保持恒定；5. 假设游泳馆开馆期间人员走动及照明设备对于室内温度影响很小，予以忽略；6. 假设游泳馆各出口随开随关，不会与
7、外界长时间通风。一、 符号说明 符号 定义符号定义游泳馆室外温度游泳馆室内温度室外气温壁面温度室内空气温度建筑墙体周长散热面积高度锅炉以及暖风机的有效产热量游泳馆散发或转移的热量泳池与室内空气的热交换热量 四、问题分析 4.1 游泳馆能源使用目的与方式4.1.1、能源使用目的由于训练和游泳的需要，一方面，游泳馆在开馆期间需要较好地保持室内温度和水温，一般室内温度保持在26度左右，深水池（水深1.4m）水温保持在27.5度左右，浅水池（水深0.9m）水温保持在28.5度左右；另一方面，需要维持游泳馆的其他设施（例如照明用灯）的正常运行。4.1.2、能源消耗方式（1）由位于游泳馆地下的锅炉燃烧天然
8、气，产生循环利用的热水，一部份通过游泳池地下的热量交换装置为游泳池水升温，另一部分通过地暖设备对游泳馆室内进行升温。场馆运行费用中天然气的消耗费用是最大的，在保障游泳馆正常开放使用前提下，减少天然气的使用是最有可能节省能源和费用的举措。（2）以电力带动的暖风机进行温度维持，但实际上暖风机还可以促进室内空气流动，起着促进空气循环以及净化空气作用，从而暖风机的使用是必要的，而暖风机的耗电量一方面取决于风速等能耗，一方面取决于维持室温而进行制热或制冷的耗能。而对于水资源消耗和照明能耗等能耗基本上每天相同，对于本文章关于节能途径的探索并没有多少实质性的作用，故不予讨论。4.2、能源消耗需求量4.2.1
9、、保持室内温度和水温所需能耗 由于室外气温受多种因素影响，不断地变化，与室内气温存在温差，故由热力学原理知，室内室外存在热量传导。从而需要通过锅炉和暖风机等设备工作来维持室内温度和水温。以冬季供暖系统为例，供暖系统工作的目的在于提供与热负荷对应的散热量，以达到室内热环境要求。由热量守恒定律可知，由供暖系统提供的热量应等于游泳馆内的热负荷所对应的散热量。而在夏天，由于室外温度高于室内温度导致热量传导方向由外而内，从而地热设备应停止使用，暖风机制冷以达到温度要求，制造舒适环境，但是自来水温低于游泳池内水温要求，故锅炉仍需工作一段时间，以使泳池设施能正常运行。4.2.2、维持游泳馆内其他设备正常运行
10、所需能耗 照明设备，换气扇等设备耗能 游泳馆日用水总而言之，这些因素与游泳馆开放时间以及天气等因素有关，基本每天相同。这部分能耗占总能耗比例较小，为简化模型，在探讨节能问题上，放在次要位置。4.3一日内游泳馆室内温度变化趋势 游泳馆内温度变化的根本原因在于游泳馆与外界存在热量交换。一方面，由位于游泳馆地下的锅炉燃烧天然气，产生循环利用的热水，一部份通过游泳池地下的热量交换装置为游泳池水升温，使水温达到要求。另一方面，由于室内外气温不相同，温差导致室内外存在热传导，从而存在热量交换。当室外温度高于室内温度时，热量传导由外而内，导致室内温度升高，若室内温度高于适宜温度（一般取26度），需采取暖风机
11、制冷，使用换气扇等措施提高室内空气流动速度等措施来降低室内温度。当室外温度低于室内温度时，热量传导由内而外，导致室内温度降低，若室内温度低于适宜温度，需通过地暖设备对游泳馆室内进行升温，同时辅助以电力带动的暖风机进行温度维持。 由于游泳馆室内外温差的存在导致热量的传导，使得游泳馆的室温和水温逐渐变化。为减少热量的传导，应设计合理的温度调节方案，使室内外温差减小，使得一个周期内传导热量的代数和尽量小，从而可以节省为维持室内温度和水温的能源消耗。 一天之内的温度变化情况大致如下图所示： 从而可以推断出，锅炉一般在温度较高的时间阶段工作，而在温度较低的时间阶段将锅炉关闭，总之只要保证训练安排期间以及
12、开馆期间室内温度和水温达到要求即可。从而为节省能源，一般在晚上关闭锅炉数小时后再行开启对馆内进行升温。则游泳馆中一日内的室内温度变化趋势为：（以3月5号为例，当日气温为4-6度，开馆时间为下午3点到晚上9点，停炉8小时）4.4 游泳馆室内外热量交换计算方法 由热力学可知，当温度分布不均匀时，热量会从温度高的地方向温度低的地方转移，这种现象叫做热传导。设一种介质的热传导系数为k（热传导系数只与介质本身构造有关），则当处于此种物质两侧的温差为时，根据热传导定律，单位时间内通过此种介质单位面积的热量q为： 根据文献1知，外围护结构传热量计算涉及外围护结构温度、两侧空气温度。在没有太阳辐射导致外围护结
13、构温度升高的条件下，从温度较高的一侧至温度较低的一侧各个界面的温度逐渐降低，从而导致热传导的不断进行，此时为简单的热传导情况。对于白天日照强度一般的情况，晚上室内外的热量传导可视为简单的热传导情况，但是因简化模型而省略考虑的因素会造成计算结果很粗糙，而在白天日照充足的情况下，由于外围护结构受到太阳辐射而升高到较高温度，此时热传导方向的判断以及传导的热量数值都难以进行。加上游泳馆构造复杂以及室内温度场的变化复杂，试图应用物理模型计算出传导热量数值难度偏高的，因此，应用物理模型计算热量交换数值并不可取，只用以定性分析。因此，应用管理部门采集的数据进行数据拟合，得出当日气温与天然气使用量以及暖风机耗
14、电量的关系式，可以推导出室内外温差与传导热量的关系式。再根据热量守恒定理与能量守恒定理，可以计算得到室内温度与水温的数值变化。4.5 游泳馆的温度场分布与加装隔热层的节能效果分析温度调节系统工作的目的在于使游泳馆内水温以及室内气温达到训练要求，也即要求等温空调区域的温度达到训练要求，而游泳馆内扇形状柱体部分的存在导致的室内外热量交换给温度维持系统带来了许多不必要的负担。加装隔热层后，减小了扇形状柱体部分与下面等温空调区域的热量传导数值，从而改变了游泳馆内的温度场分布，从而起着冬天保温，夏季隔热的效果。而热量传导与介质两侧温度差成正比，因此，研究游泳馆的垂直温度场分布,可计算得出加装隔热层前后热
15、量传导的差值，从而可计算出为维持游泳馆训练温度而节省的能量。室内游泳馆如高大厂房和影剧院一样属于大空间建筑，大空间建筑一般具有空间高大，空调和供暖负荷较大且热环境难以保证的特点。有别于一般小型室内空间环境中全室相对均匀的气流和温度分布，一般情况下，大空间温度分布在水平方向上较为均匀，在室内空气对流下，呈现层状的竖向分布模式，垂直方向上有着明显的温度梯度。主要原因：1.冬夏壁面附近因空气冷却形成下降流（上升流），2.日射作用室内上部空气温度上升，室内垂直方向上温度分层，3.空调送风口的热（冷）射流作用等。大空间建筑室内温度分析，常用微分方程数值解方法、能量平衡分析简易模型和实验方法，微分方程数值解法太繁复，而实验方法需要大量数据，简易模型的基本思想：室内空气温度在水平方向上均匀一致，将室内气体体积按其传热特性不同在垂直方向上划分为多个控制体，通过对各层建立能量平衡方程以求解其温度值及空调负荷等问题，简易模型在垂直温度上进行分层，有一室二温、一室三温及一室多温。本文对游泳馆在垂直方向上划分成等温空调区、对流主区域、顶部热滞留区域, 利用热平衡微分方程推导得出对流主区域及顶部热滞
