3 方法的检验 STOAN方法在真正用于解决实际问题之前,还需要对其进行深入的验证,证实其正确性。检验和验证按如下方法进行:
3.1随机气象模型的检验
检验包括对建模过程的检验和对比模型模拟产生的随机气象参数的检验,详细内容见[2]。建模过程的检验包括:
用已知的10年的实测气象数据,经过平衡性变换,检验其变换后的过程是否为平衡过程;
检验平稳性变换后的过程是否为正态过程;
用此平稳过程拟合成时间序列模型,再将原平稳过程代入,检查其残差过程是否为白噪声。上述三个检验均在95%的置信度上通过,因此模型的建立过程是正确的。
用此随机气象模型模拟出10年的气象参数,再将各月的温度、湿度和太阳辐射的概率分布与由10年的实测数据得到的结果相比较,亦表明模型的可靠性。
3.2状态空间法的建筑热过程模型的检验
通过IEA(International Energy Agency)组织的annex21国际合作,对目前世界上流行的十几个建筑模拟程序进行比较,BTP程序也被列为比较和检验的程序之一。检验的方法是对两个轻、重型标准建筑,使用丹麦哥本哈根的典型年气象数据进行模拟计算。计算无供热和空调时自然室温的全年变化情况和给定室内温度上下限,通过理想的加热器和冷却器,使房间温度处于此上下限之间,计算其加热器热量和冷却器冷量。各种程序的上述模拟计算结果被送到英国建筑研究中心(BRE)去进行统一的分析比较。从自然室温的变化、最大加热和冷却量、全年累计加热和冷却量等一系列指标上看,BTP软件均处于十几个被检验软件的模拟结果的平均值附近,从几个参数看均优于目前在欧洲浒的模拟软件ESP。由此证明了BTP亦即状态空间法的正确性,详细的比较验证文件见[5]。
3.3随机微分方程的求解与过槛问题的解的检验
这里检验的问题是,采用此种直接求解的方法所得到的各种统计参数是否就是实际随机过程的统计参数。也就是说,采用这种直接求解的方法所得到的结果与直接利用50年或100年的气象数据进行模拟计算再通过统计所得到的结果是否一致。由于气象模型与建筑热过程模型均已通过检验,因此可以直接利用随机气象模型产生50年的气象数据,再用这50年的气象数据通过BTP程序进行模拟,统计其模拟结果再与STOAN方法解出的结果进行比较。结果表明STOAN方法给出的解与模拟统计得到的解基本一致,因此STOAN方法可以用来分析和解决实际工程问题。
4.实际应用
作为初步尝试,利用STOAN方法解决了两个建筑热环境研究的实际问题。
4.1冬季供暖负荷计算(详见[6])
要求建筑物在一定的概率P
0下(如97%)室温不保证率为C
0(例如0.02)时的供暖负荷,也就是计算在此概率P
0下供暖期的1-C
0的时间内(98%的时间内)房间无供暖的自然室温的最下限t
0,亦即求t
0使
(5)
这样求得的t
0即可以作为供暖室外综合计算温度按照稳定传热计算供暖负荷。这样确定的室外综合计算温度便与建筑结构有关,[6]以北京地区一典型结构的房间为例,求得不同概率信度下不同室温不保证率下的供暖室外综合计算温度。
在对建筑形式和围护结构类型进行分类后,有可能分别计算出北方各地区不同建筑类型不同概率信度下的不同不保证率时的供暖室外综合计算温度,从而使供热系统的设计与实际更相符,解决设备容量偏大,造成投资高和运行效率低的问题。
4.2夏季建筑物室内过热度(overheating)分析(详见[7])
什么样的建筑物能在夏季室内温度不太高或过高的时间较少,这是做建筑环境设计中考虑的重要因素,而合理的建筑形式和结构又与建筑物所在地的气象条件有关。采用随机分析方法,可以得到不同的建筑形式与结构下夏季室温的概率分布,和室温超过某一设定值的时间所占夏季总时间之比这一随机变量的概率分布。对北京市典型住宅建筑的过热情况进行了分析。分析结果表明:室内热源、阳面外窗墙比和房间的换气次数对夏季室温过热度影响大,外窗的遮阳情况(如带窗帘否)和房间的通风制度也有一定影响,而围护结构的轻、中、重型的影响较小。
5.今后进一步开展的工作
建筑热过程的随机分析在实际建筑物HVAC系统及太阳房设计中有广阔的应用前景,进一步的应用性研究将包括:
5.1供暖负荷计算用室外综合计算温度的简化算法
通过对建筑物分类和对我国各地区气象模型的建立,得到各地区不同形式不同结构的建筑物在不同概率信度下的不同不保证率所要求的供暖室外综合计算温度,通过简单的图表或PC机Database的形式给出,以供设计人员在做供暖工程设计时使用。
5.2空调设备的选择
由于建筑物空调负荷实际上是随机过程,新风负荷也是随机过程,因此空调系统设备负荷是随机过程,设备容量选择应以设备负荷的最大值的概率分布为依据,只有这样设计出的空调系统才能体现出功能与投资的辩证关系,根据不同的概率信度去选择不同容量的空调设备,即节省总投资,又保证空调设计要求。