基于PID的室內(nèi)溫度調(diào)控分析

劉進(jìn)隆 靖新 茍雨馨

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)熱負(fù)荷波動(dòng)時(shí)室內(nèi)溫度恒定的目的，從而達(dá)到節(jié)能宜居的要求。本文結(jié)合具體房屋圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)與現(xiàn)行規(guī)范確定了室內(nèi)熱負(fù)荷計(jì)算方法，根據(jù)暖氣片散熱量建立室內(nèi)動(dòng)態(tài)熱平衡方程，搭建室內(nèi)溫度PID控制系統(tǒng)。仿真結(jié)果顯示，通過(guò)每小時(shí)調(diào)節(jié)供暖系統(tǒng)水流量，所研究的房間溫度將在11小時(shí)左右達(dá)到期望值20℃并穩(wěn)定維持，降低了供暖能耗。

關(guān)鍵詞：熱負(fù)荷，動(dòng)態(tài)熱平衡方程，PID控制

Abstract： In order to achieve a constant indoor temperature when the thermal load fluctuates， so as to achieve the purpose of energy saving and livability. In this paper， the calculation method of indoor heat load is determined based on the parameters of the specific house enclosure structure and the current specifications， the indoor dynamic heat balance equation is established according to the heat dissipation of the radiator， and the indoor temperature PID control system is built. The simulation results show that by adjusting the water flow rate of the heating system every hour， the temperature of the room studied will reach the desired value of 20°C in about 11 hours and be maintained stably， reducing heating energy consumption.

Key words： heat load， dynamic heat balance equation， PID control

0 ?引言

建筑的節(jié)能減排是“十三五”期間城鎮(zhèn)能耗強(qiáng)度雙控的重要組成部分[1]，我國(guó)冬季北方地區(qū)集中供熱能耗已占建筑能耗的50%～60%[2]，降低供熱能耗是實(shí)現(xiàn)綠色建筑的重要途徑。

那威[3]等使用樸素貝葉斯模型對(duì)北方城鎮(zhèn)集中供暖能耗的實(shí)證分析表明城市供熱能耗強(qiáng)度正相關(guān)于城市供暖區(qū)域室外平均溫暖。張亞紅[4]等人根據(jù)室外溫度確定最大熱負(fù)荷以及曹鈞亮[5]等人室外氣候分布下對(duì)建筑冷熱負(fù)荷影響的研究結(jié)果顯示冬季熱負(fù)荷隨室外溫度的降低而增加。新潔[6]通過(guò)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的研究表明中低層建筑室外溫度對(duì)房屋熱負(fù)荷影響程度最大。此外劉曦[7]對(duì)室內(nèi)溫度“歷年平均不滿意天數(shù)”的研究在降低能耗的同時(shí)，也考慮了冬季室內(nèi)穩(wěn)定熱環(huán)境的需求。而北方地區(qū)大量采用的集中供暖雖然具有平均成本較低，資源利用率高的優(yōu)點(diǎn)，但由于冬季晝夜溫差導(dǎo)致室內(nèi)熱負(fù)荷波動(dòng)，集中供暖用戶無(wú)法調(diào)節(jié)溫度，存在以下問(wèn)題：一是室外溫度較高時(shí)室內(nèi)所需熱負(fù)荷較低，集中供暖水流量恒定導(dǎo)致供熱量過(guò)高，資源浪費(fèi)嚴(yán)重且容易產(chǎn)生暖氣病。二是室外溫度較低時(shí)室內(nèi)所需熱負(fù)荷較高，恒定流量下暖氣片可能無(wú)法提供足夠的熱量保證室內(nèi)溫度維持在理想水平。對(duì)此，張麗[8]通過(guò)FLUENT數(shù)值軟件優(yōu)化室內(nèi)散熱器供回水溫度以滿足人居熱環(huán)境需求，李田凱[9]指出熱力站智能調(diào)控供水溫度可以較好的降低能耗。

在此背景下，筆者以沈陽(yáng)市某高校一寢室為研究對(duì)象，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷及室內(nèi)動(dòng)態(tài)熱平衡方程建立的基礎(chǔ)上，搭建PID控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)散熱器供水口流量，在維持室內(nèi)溫度處于期望值左右的同時(shí)使得每日總流量降低，從而減少供熱能耗。

1 ?室內(nèi)熱負(fù)荷計(jì)算

所研究的房間大小為40平方米，房間高為3米。東西內(nèi)墻不與室外接觸，長(zhǎng)為8米;房間南北外墻與室外接觸，長(zhǎng)為5米，南墻有一扇規(guī)格為1.8*1.6米的窗。房間采用暖氣片供熱方式，位于南墻，暖氣片長(zhǎng)1.8米，高1.2米。將三維問(wèn)題簡(jiǎn)化為二維問(wèn)題，南北外墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，南北外墻的耗熱量作為邊界條件。

根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空調(diào)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50736-2012總結(jié)可知一個(gè)房間的熱負(fù)荷計(jì)算公式如下：

研究動(dòng)態(tài)熱負(fù)荷下室內(nèi)溫度的調(diào)控問(wèn)題，是為了說(shuō)明當(dāng)前集中供暖系統(tǒng)中存在的不足，即集中供暖固定流量會(huì)導(dǎo)致資源浪費(fèi)與用戶舒適度下降。本文具體的研究案例顯示離散型PID控制系統(tǒng)可以較好的減少能源利用并提升舒適度，供暖公司僅需根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)進(jìn)行集中式每小時(shí)改變流量即可提高用戶滿意度并降低供暖成本，具有一定的實(shí)際參考價(jià)值。

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