基于負荷預(yù)測的區(qū)域供熱控制模型實例研究

摘?要：以新疆某間接區(qū)域供熱系統(tǒng)為對象進行研究，該系統(tǒng)控制方法采用目前廣泛應(yīng)用的氣候補償器。利用MATLAB/Simulink建立包括循環(huán)水泵的區(qū)域供熱系統(tǒng)仿真模型和氣候補償控制模型。由于采用氣候補償器調(diào)控使得供熱量與實際供熱需求差距較大，因此，建立負荷預(yù)測模型，對負荷預(yù)測供熱系統(tǒng)進行動態(tài)仿真，室內(nèi)溫度結(jié)果為19±1℃。通過對這兩種控制方式下實際數(shù)據(jù)和模擬值的誤差分析，驗證了兩種仿真模型的合理性;計算兩種控制方式下的供熱系統(tǒng)耗電量，結(jié)果表明：負荷預(yù)測控制的供熱系統(tǒng)節(jié)能率達到13.5%。

關(guān)鍵詞：區(qū)域供熱控制模型;實例研究;負荷預(yù)測;模型驗證

隨著經(jīng)濟不斷發(fā)展，我國城鎮(zhèn)化率大概以每年1%的比例增長，為推進節(jié)能減排，國務(wù)院于2013年印發(fā)了“大氣十條”。我國建筑供暖主要存在需熱量和供熱量不平衡問題。因此，供熱系統(tǒng)控制是節(jié)能的重要研究方向之一。

簡毅文、陳亮等[1-2]基于實際工程和實驗裝置對氣候補償器的應(yīng)用效果進行模擬分析，氣候補償器沒有從根本解決供熱量和需熱量之間的平衡問題。因此，很多學者對負荷預(yù)測控制方法進行研究。劉也[3]研究小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機供熱負荷預(yù)測，李凱[4]建立能耗模型獲取機器學習的建筑供熱負荷預(yù)測模型，李銳等[5]使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法研究負荷預(yù)測。本文選用歷史氣象參數(shù)作為負荷預(yù)測模型的輸入?yún)?shù)，該方法對歷史數(shù)據(jù)要求較低，以便將算法嵌入控制器中，局限性小。

1 系統(tǒng)描述和動態(tài)模型

文獻[6]中已經(jīng)給出直接連接區(qū)域供熱系統(tǒng)數(shù)學模型和仿真模塊。本文將添加循環(huán)水泵模塊，針對實際工程中常用控制方法的局限性，提出負荷預(yù)測控制方法。

1.1 循環(huán)水泵模型

根據(jù)水泵電動機產(chǎn)生的發(fā)熱量引起泵內(nèi)流體升溫來計算水泵出口溫度。

1.2 工程概況

本文以新疆某區(qū)域供熱系統(tǒng)為對象進行研究。該系統(tǒng)為間接連接區(qū)域供熱系統(tǒng)，選取興尉站連接康達苑2號住宅樓這一回路進行研究。二次網(wǎng)供回水溫度為45℃/40℃。

區(qū)域供熱系統(tǒng)模型建立。本文忽略換熱站，作為直接區(qū)域供熱系統(tǒng)進行研究。依據(jù)物理模型建立仿真模型如圖1所示。

2 實例工程控制系統(tǒng)模擬

2.1 實例工程控制系統(tǒng)介紹

康達苑2號住宅樓二次網(wǎng)溫度調(diào)節(jié)范圍為設(shè)定溫度的±0.5℃，用戶的投訴電話和開窗次數(shù)也是調(diào)節(jié)的依據(jù)。

2.2 基于室外溫度補償?shù)目刂颇Ｐ痛罱?/p>

2.2.1 調(diào)節(jié)原理

根據(jù)管網(wǎng)的供熱量、建筑物熱負荷和散熱器散熱量三者相等的原理，在供熱系統(tǒng)運行的任一時刻和供暖室外計算溫度下可以得到供暖系統(tǒng)的供回水溫度曲線圖如下：

本節(jié)采用分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)。以-5℃作為溫度分段點，循環(huán)流量為設(shè)計值的80%作為流量分段點。

2.2.2 仿真模型的建立

建立室外溫度補償控制模塊，并對實際數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，連接供熱系統(tǒng)仿真模型，運行得到室內(nèi)溫度控制在20±2.5℃。

2.3 模型驗證

通過對某一周內(nèi)二次網(wǎng)供回水溫度和室內(nèi)溫度模擬值與實測值的相對誤差驗證仿真模型的準確性。如圖4所示，實測值與模擬值大部分在45±0.5℃，誤差百分比基本服從正態(tài)分布。

如圖5所示，實測值與模擬值的數(shù)值波動在38.7～41.3之間，相對誤差百分比基本服從正態(tài)分布。

如圖6所示，實測值的波動范圍更廣，最高溫度20.7，最低溫度17.3。相對誤差基本服從正態(tài)分布。

綜上所述，本章的模型建立是合理有效的。然而，并不能真正做到按需供熱。因此，研究負荷預(yù)測控制方法是非常有必要的。

3 負荷預(yù)測控制模型的建立

3.1 負荷預(yù)測的原理

由牛頓冷卻公式和建筑圍護結(jié)構(gòu)導熱過程可知，建筑熱負荷和室外空氣溫度呈線性關(guān)系且當受歷史時刻溫度影響。因此引入一個當量室外空氣溫度，由文獻[7]可知以前兩天溫度來預(yù)測。當量室外空氣溫度和建筑熱負荷的線性表示關(guān)系式設(shè)為：

公式由最小二乘法擬合得到，本課題原始數(shù)據(jù)的時間間隔選擇4小時，對數(shù)據(jù)擬合得到公式如下：

流量調(diào)節(jié)采用質(zhì)量綜合調(diào)節(jié)的，溫度和流量的調(diào)節(jié)曲線如下：

3.2 建立負荷預(yù)測控制模型

建立負荷預(yù)測調(diào)節(jié)模型并連接供熱系統(tǒng)模型，可以得到室內(nèi)溫度控制在19±1℃。

取與氣候補償控制供熱系統(tǒng)模型驗證同一周數(shù)據(jù)為對象進行模型驗證。如圖9所示，實測值波動范圍更廣，模擬值的波動范圍為44.7℃～45.8℃，誤差百分比基本服從正態(tài)分布。

如圖10所示，實測值與模擬值波動趨勢大致相同，但是實測值波動范圍更大，誤差百分比基本服從正態(tài)分布。

如圖11所示，模擬值比實測值的波動范圍小±1℃。相對誤差主要分布-5%～7.5%，誤差百分比基本服從正態(tài)分布。

4 兩種控制方式的能耗分析

4.1 水泵耗電量分析

4.1.1 水泵電功率計算

對一定的管網(wǎng)，系統(tǒng)壓力損失與流量的平方成正比關(guān)系。因此，當系統(tǒng)的相對流量比為φ時，實際工況下的循環(huán)水泵功率計算公式為：

4.1.2 水泵耗電量對比

建立水泵能耗計算模塊，得到水泵耗電量如下。

4.2 鍋爐耗電量分析

本文根據(jù)年供熱量來計算鍋爐耗電量：

利用Simulink建立仿真模塊，并分別和兩種控制方式下的供熱系統(tǒng)進行連接，得到鍋爐的耗電量如下圖所示。

根據(jù)耗電量波動圖，輸出得到兩種不同控制方式下的水泵和鍋爐總耗電量。

由上表可知，基于負荷預(yù)測控制較基于室外溫度補償控制的節(jié)能率為13.5%。

5 結(jié)論

本文基于新疆某實際區(qū)域供熱系統(tǒng)，利用Simulink建立室外溫度補償和負荷預(yù)測兩種控制模型，并根據(jù)實際運行數(shù)據(jù)對模型進行驗證，并計算供熱系統(tǒng)水泵和鍋爐耗電量，得出負荷預(yù)測控制的供熱系統(tǒng)較室外溫度補償控制的供熱系統(tǒng)節(jié)能率為13.5%。

參考文獻：

[1]簡毅文，李毅，田園泉，等.氣候補償器應(yīng)用效果及影響特性的模擬研究[J].建筑科學，2016，32（04）：134-139.

[2]陳亮.氣候補償器在供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].建筑科學，2010，26（10）：42-46.

[3]劉也.基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與支持向量機的供熱負荷預(yù)測方法研究[D].東北電力大學，2020.

[4]李凱.基于機器學習的短期建筑供熱負荷預(yù)測[D].吉林大學，2020.

[5]李銳，董妍，薛煒，等.住宅區(qū)供熱負荷預(yù)測研究[J].區(qū)域供熱，2019（03）：28-31.

[6]宋凱.基于MATLAB/Simulink的供熱系統(tǒng)動態(tài)特性及控制策略優(yōu)化分析[D].哈爾濱工程大學，2012.

[7]王素玉，姜永成，方修睦，等.基于供熱數(shù)據(jù)挖掘和負荷預(yù)測的適量供熱技術(shù)[J].暖通空調(diào)，2011，41（07）：1-5.

作者簡介：李靜（1995—?），女，漢族，河南林州人，碩士，研究方向：建筑節(jié)能新技術(shù)。