基于CPS系統(tǒng)的經(jīng)濟型熱舒適導(dǎo)向集中供暖系統(tǒng)構(gòu)建

江詠宸

摘要：集中供暖是目前最主流、經(jīng)濟的供暖方式，但是集中供暖系統(tǒng)下會因房屋質(zhì)量、房屋建成年限、供暖系統(tǒng)建設(shè)等多方面因素影響，導(dǎo)致供熱過程中出現(xiàn)較為嚴重的供熱不均。同時供暖過程中熱能浪費現(xiàn)象也頗為嚴重。本研究基于CPS信息物理系統(tǒng)理論，進行模型建立與數(shù)學(xué)計算，構(gòu)建經(jīng)濟型熱舒適導(dǎo)向的新型集中供暖系統(tǒng)，并且針對現(xiàn)有房屋改造及未來智能城市供暖系統(tǒng)建設(shè)提供建議。

Abstract： Central heating is currently the most mainstream and economical heating method. However， under the central heating system， there will be many factors such as house quality， house life， heating system construction， etc.， which will cause serious heating unevenness in the heating process. At the same time， the waste of thermal energy in the heating process is quite serious. This study is based on the CPS cyber-physical system theory to perform model building and mathematical calculations， construct a new type of economical thermal comfort-oriented central heating system， and provide suggestions for the reconstruction of existing houses and the construction of future smart city heating systems.

關(guān)鍵詞：CPS系統(tǒng);集中供暖;暖氣;熱舒適;經(jīng)濟型

Key words： CPS system;central heating;heating;thermal comfort;economical

中圖分類號：TU995 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）01-0089-04

1 ?研究背景

1.1 供暖是北方人民的頭等大事

寒冷的冬季，暖氣，地暖等設(shè)施成為了北方人民的救命稻草。中國北方供暖面積達120億平米以上，是中國供暖的主要地區(qū)，單是供暖每年就要消耗約1.8億噸標準煤，供暖能耗占全國建筑能耗的1/4。集中供暖是北方供暖的最主要方式，占到了整體的八成以上。此外燃煤鍋爐供暖仍是最主要的方式，燃氣供暖方式有所增長。目前因管道老化、供暖系統(tǒng)落后等原因，目前供暖熱能耗損失達35%。冬季供暖也對北方城市環(huán)境氣候造成影響，在北方的冬天就是《霧都孤兒》中的倫敦即視感，因為燃煤供暖北方許多城市都是煙霧彌散。

1.2 集中供暖許多人并不舒適

目前北方供熱系統(tǒng)仍然通過城市熱網(wǎng)進入庭院管網(wǎng)，最后進入個體住戶。這使得老舊小區(qū)部分住戶的體驗并不舒適，因供暖方式以暖氣片為主、暖氣布局不合理、管道老化等諸多因素，暖氣溫度因小區(qū)、樓層之間浮動幅度非常大。供熱方無法做到為每位住戶提供個專門化供暖服務(wù)，使部分住戶對室內(nèi)過低的供暖僵局束手無策，而室溫過高的用戶也只能靠開窗通風(fēng)的方式降低室溫，從而使能量白白浪費。因此目前的集體供暖系統(tǒng)帶來最為嚴重的問題就是集中供暖供熱不均勻引起供熱不舒適問題和能源利用率問題。供熱不均體現(xiàn)在樓內(nèi)不均，小區(qū)間不均，大系統(tǒng)調(diào)控不合理，且無有效末端的調(diào)控。熱量利用率偏低的原因一方面是因為老舊小區(qū)管道、供熱技術(shù)的落后，另外一方面是因為部分新建小區(qū)“過度供熱”造成能量浪費。

2 ?研究目的

信息物理系統(tǒng)（CPS，Cyber-Physical Systems）是一個綜合計算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，通過3C（Computation、Communication、Control）技術(shù)的有機融合與深度協(xié)作，實現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實時感知、動態(tài)控制和信息服務(wù)。信息物理系統(tǒng)主要分為三個部分，分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層和控制層。感知層有傳感設(shè)備組成，目前傳感技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)使得傳感器能夠采集多種形式的信號，使得CPS系統(tǒng)的感知層面很發(fā)達。網(wǎng)絡(luò)層有大數(shù)據(jù)計算和人工智能技術(shù)的支持，智能控制技術(shù)已經(jīng)頗為成熟。控制層則是利用各種物理設(shè)備，由網(wǎng)絡(luò)層的結(jié)果控制各種智能動作。

本研究基于CPS系統(tǒng)理念，運用物理傳熱學(xué)中熱量傳遞和散失的計算方法，以能量守恒為基礎(chǔ)，平衡供暖系統(tǒng)與房屋熱量流失之間的平衡，從而構(gòu)造溫度相對恒定，經(jīng)濟成本低，耗能少的集中供暖經(jīng)濟型熱舒適CPS供暖系統(tǒng)。

3 ?研究思路

①發(fā)現(xiàn)問題，查閱相關(guān)文獻，咨詢專家，訪問好友，確定問題的存在性和價值，確定研究方向。

②進行選題查新;

③查閱文獻，學(xué)習(xí)相關(guān)物理知識，尋找問題解決方法;

④繪制草圖技術(shù)模型和原理草圖;

⑤通過物理理論分析構(gòu)建理想模型，得出系統(tǒng)算法;

⑥驗證算法正確性;

⑦理論模型圖構(gòu)建完成，分析結(jié)果，得出結(jié)論，給出建議;

⑧撰寫論文，整理資料。

整體研究過程可以由圖1技術(shù)路線圖描述。

4 ?研究方法

文獻研究法、觀察法、訪談法、數(shù)學(xué)方法。

5 ?研究過程

5.1 技術(shù)原理

根據(jù)不同住戶房間體積不同和建造條件不同，所需提供熱量、熱量流失也有所差別。首先在新房屋建設(shè)過程中，應(yīng)系統(tǒng)、科學(xué)計算不同房屋需要安裝暖氣方式、供熱面積、供暖功率，在房屋建設(shè)的時候根據(jù)國家標準進行科學(xué)計算;然后在實際供暖過程當中，由于不同供暖單位的供暖方案不同、各戶家庭實際供暖需求不同，利用CPS供暖系統(tǒng)即可進行調(diào)控。目前主流供暖方式為暖氣片和地暖，本文主要構(gòu)建這兩種供暖方式的實時監(jiān)控的感知層與實時供暖調(diào)整的控制層，利用網(wǎng)絡(luò)層智能計算與控制，構(gòu)造經(jīng)濟型熱舒適供暖系統(tǒng)。

5.2 系統(tǒng)算法

5.2.1 當溫度低于設(shè)定值時該如何增大采熱功率

設(shè)定場景：該房間尺寸為A*B*C，所需溫度為t1，而室內(nèi)溫度為t2，為提高用戶舒適度，需要在T分鐘內(nèi)升高至t2，考慮到墻體和室內(nèi)氣體的熱傳導(dǎo)，在T分鐘內(nèi)系統(tǒng)外提供的熱量應(yīng)等于溫度升高所需的熱量以及熱傳導(dǎo)喪失的熱量。

由傳熱基本方程P1′=ka（t2-twall）

其中P1′為溫差為（t2-twall）時散熱的瞬時功率，k為墻體整體傳熱系數(shù)，傳熱面積a，twall為墻體溫度。

故溫度傳感器應(yīng)該是接觸式傳感器和非接觸式傳感器的組合，正面測室內(nèi)氣溫，貼墻的一面測墻面溫度。

墻體的傳熱系數(shù)如圖2。

計算時先以k表示。

在一側(cè)恒溫（即墻體和外界，由于時間為T分鐘較短，外界溫度變化小，可視為恒溫），一側(cè)變溫（即室內(nèi)）的情況下，twall不變。

由于t2會隨時間變化而升高，可知當溫度到達t1時瞬時散熱功率為

P1″=ka（t1-twall）

散熱的平均功率為

P1=（P1″+P1′）/2=ka（t1+t2-2twall）/2

空氣的比熱容為c0=1003J/kg*K;

空氣密度為r=1.293kg/m3。

而溫度由16度升高到18度所需的熱量為

Q=c0rABC（t1-t2）

不考慮散熱時的供熱功率為

P2=Q/T=c0rABC（t1-t2）/T

所需提供的總功率為

P=P1+P2=kA2B2C2（t1+t2-2*twall）/2+c0rABC（t1-t2）/T

5.2.2 當溫度達到設(shè)定值后如何穩(wěn)定室溫

5.3 技術(shù)難點

5.3.1 CPS系統(tǒng)理念的遷移應(yīng)用

CPS系統(tǒng)通過人機交互接口和物理進程交互，遠程實時操控一個物理實體。將該系統(tǒng)的理念運用到供暖系統(tǒng)中時，”C”即網(wǎng)絡(luò)，指住戶、系統(tǒng)中樞和供熱方的實時遠程交互;”P”即物理實施媒介，指通過住戶家設(shè)置的溫度傳感器和供水控制閥實時記錄和反饋調(diào)節(jié)，實現(xiàn)供熱和需要的浮動平衡。”S”即系統(tǒng)，熱舒適集體供暖系統(tǒng)可以應(yīng)用于市級或省級，下至以小區(qū)和用戶為單位，逐層管理，有系統(tǒng)性。通過建立該系統(tǒng)，從而既可減少能耗，又能提高用戶舒適度。

5.3.2 熱舒適導(dǎo)向集中供暖系統(tǒng)的構(gòu)建

舒適性主要體現(xiàn)在用戶的體驗方面，即應(yīng)重視用戶端的溫度恒定設(shè)定和不同人群的人性化調(diào)控。目前已有的溫度調(diào)控為白天溫度調(diào)低，前半夜溫度上升，后半夜溫度降低。然而不同地區(qū)，甚至同地區(qū)的不同住戶的喜好和硬件效能都有所不同，因此溫度調(diào)節(jié)不應(yīng)由供熱方單方面把控，在住戶家裝設(shè)溫度傳感器可以實時監(jiān)控室內(nèi)真實溫度，當室溫過低時通過供水控制閥適當增大水流量或直接提高水溫，當室溫過高時則適當減小水流量或降低水溫。這樣做可以忽略采熱設(shè)備性能差異帶來的溫度感受不同，給予用戶舒適的體驗。例如：部分舊小區(qū)住戶家庭采熱設(shè)備導(dǎo)熱性差，而房間面積大，室溫相對較低，采用新系統(tǒng)后，溫度傳感器接收到的溫度低于設(shè)定值，即可通過增加對該戶管道的水流量和水溫提高室溫，當室溫高于正常值時適當降低流量和水溫，以達到室溫舒適恒定的狀態(tài)。

5.3.3 經(jīng)濟型集中供暖系統(tǒng)的構(gòu)建

經(jīng)濟節(jié)約主要體現(xiàn)在供熱方的供熱量和住戶的能量損耗方面，即應(yīng)重視供給和需求的相對平衡。通過溫度傳感器實時監(jiān)控住戶室溫，以便CPS系統(tǒng)及時調(diào)整住戶水流量，因此新系統(tǒng)的計價方式不應(yīng)以家中面積計算，而應(yīng)以每戶設(shè)定供暖溫度和實際供暖熱功率為指標進行計算。這樣做可以避免收費的不合理性。既可降低過度供熱時能源浪費成本，又可使住戶少花錢得到更好的體驗。在實際場景中情況為：當部分住戶房間溫度過高時，若無系統(tǒng)調(diào)節(jié)，用戶便只能開窗通風(fēng)，而熱量白白浪費。使用該系統(tǒng)，可以調(diào)節(jié)溫度不使其過高，節(jié)省了能源，提高了管道設(shè)備的壽命，按新方式計價后，用戶也不必掏“冤枉錢”，更加智能化和合理化。同時該系統(tǒng)中供暖部分也可以納入其他形式的熱能循環(huán)利用模塊，如電熱聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，發(fā)電冷卻的高溫水用來集中供暖。或者是其他形式新能源供熱系統(tǒng)的能量補充，如利用風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)能—電能—熱能轉(zhuǎn)化途徑。

6 ?研究成果

CPS集中供暖系統(tǒng)模塊及功能原理見如圖3。

CPS集中供暖系統(tǒng)實際構(gòu)建可以參照圖4。

6.1 CPS集中供暖系統(tǒng)功能描述

該系統(tǒng)共分為三部分：

①住戶即感知層，即供暖服務(wù)購買端和信息發(fā)出端，溫度傳感器發(fā)現(xiàn)室溫與設(shè)定值不同后發(fā)送信息給CPS網(wǎng)絡(luò)層;

②CPS網(wǎng)絡(luò)層，范圍覆蓋小區(qū)，用于儲存用戶房間信息和實時接收用戶端發(fā)送的溫差變化，依據(jù)算法進行分析得出所需增加的熱功率，整理后反饋給供熱系統(tǒng);

③供熱系統(tǒng)及控制層，收集到次級中樞發(fā)送的數(shù)據(jù)后，通過改變供水調(diào)節(jié)閥改變該樓層水流量，并適當調(diào)節(jié)水溫，記錄消耗的能量并反饋給CPS網(wǎng)絡(luò)層。CPS網(wǎng)絡(luò)層收到供熱系統(tǒng)提供的用戶能量消耗報告后進行分析計價。定期反饋給用戶。通過不斷進行這種數(shù)據(jù)交換使室溫趨于恒定、舒適。該系統(tǒng)可適用于絕大多數(shù)采熱設(shè)備和供熱設(shè)備，為用戶提供人性化服務(wù)。相對快速高效地解決了老式北方集體供熱系統(tǒng)耗能高等不合理性。

6.2 CPS集中供暖系統(tǒng)補充說明

CPS控制層功能因級別而變，覆蓋小區(qū)的網(wǎng)絡(luò)層主要功能為計算和發(fā)送接收數(shù)據(jù)。主網(wǎng)絡(luò)層覆蓋城市或地區(qū)，即多個次級網(wǎng)絡(luò)層屬其管理，負責(zé)接收供熱設(shè)備發(fā)送的信息并計價。系統(tǒng)歸屬政府管理。供熱方可以僅通過調(diào)節(jié)恒壓器和熱水器局部地改變用戶室溫而無需變更原來的大鍋爐式產(chǎn)熱方式，不過由于產(chǎn)熱需求降低，燃煤量也可減少。因此并不會對供熱方產(chǎn)生多余負擔(dān)，反而可以降低成本。

使用物理計算的方法，得出適用于大部分房間保持溫度在一定值上下浮動所需提供的熱功率公式（需用戶提供的房間尺寸和由溫度傳感器實時提供的溫度信息）。定量地計算分析了有墻體散熱情況下室內(nèi)溫度在限定時間內(nèi)升高所需的熱功率，并將其適用于設(shè)計的系統(tǒng)中。

7 ?項目創(chuàng)新點

7.1 節(jié)能環(huán)保

在保留原有硬件設(shè)備的情況下，通過系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)節(jié)和能量平衡，使能耗最小化的同時保障用戶的舒適度，同時供熱系統(tǒng)積極拓展接入多種形式清潔熱源補充。

7.2 經(jīng)濟實惠

在使用新系統(tǒng)的前提下采用新的計價方式，用戶可以少花錢體會到更舒適的生活。對于供熱方，由于沒有改變原本的鍋爐產(chǎn)熱方式而減少了燃煤量，降低了企業(yè)成本。感知層設(shè)備價格較為低廉，且一勞永逸，不會給人們的家庭生活造成負擔(dān)，政府也可以通過一定補貼措施進行推廣。

7.3 智能化程度高

該系統(tǒng)除定期排查外，不需要添加額外的人力資源，運算調(diào)節(jié)方面都由系統(tǒng)計算完成，向未來智能城市生活又前進了一步。

7.4 使用周期長

由于適用多種供熱和產(chǎn)熱裝置，該系統(tǒng)的算法可以使用較長時間而無需進行大改造，僅進行部分優(yōu)化更新即可。

8 ?建議

對于未來的城市建設(shè)與集中供暖系統(tǒng)建設(shè)，本文就如下幾個方面提出建議。

8.1 城市房屋建設(shè)應(yīng)考慮舒適性與經(jīng)濟性要求

城市規(guī)劃建設(shè)方面應(yīng)該有大局意識和長遠意識，優(yōu)質(zhì)的城市建設(shè)可以在未來上百年持續(xù)服務(wù)整個城市的居民。因此未來城市房屋建設(shè)應(yīng)該考慮到人民對于美好生活的需求，構(gòu)建熱舒適導(dǎo)向的城市集中供暖系統(tǒng);同時，也要考慮到大規(guī)模城市供暖對于能源的需求與利用率，優(yōu)質(zhì)的供暖系統(tǒng)短時間來看可能成本方面相對較高，但是一次投資，終身受益，能源利用率高的優(yōu)質(zhì)供暖系統(tǒng)可以在未來幾十年中持續(xù)高效運轉(zhuǎn)，節(jié)約大量能源。從社會價值角度看也能夠減少很多碳排放，是一種更為低碳環(huán)保的供熱方式。

8.2 現(xiàn)有老舊房屋應(yīng)注重保暖改造

對于現(xiàn)在的老舊小區(qū)，供暖溫度偏低現(xiàn)象非常明顯。但是出于成本角度、施工難度等，并不適合改進供水管道系統(tǒng)、應(yīng)用CPS集中供暖系統(tǒng)等先進供暖措施。出于效益方面考慮，不妨現(xiàn)從控制老舊房屋熱量損失出發(fā)，做好外墻保暖升級和保暖門窗更換升級。外墻保暖升級過程中，可以采用傳熱系數(shù)比較低的材料，這樣熱量流失率將會大大降低。

8.3 未來城市應(yīng)豐富熱源結(jié)構(gòu)

對于目前北方主要供熱方式仍需使用大量煤炭，應(yīng)盡可能豐富供熱方式，使用更為清潔的能源，如天然氣。應(yīng)推廣余熱利用，如熱電聯(lián)產(chǎn)。從社會角度上看，這樣能保護環(huán)境，減少污染。從政府管理角度上看，這樣能減少能源浪費問題，從而減少能耗。

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