基于建筑綜合物性系數(shù)的換熱站運(yùn)行調(diào)節(jié)策略分析

鄭剛，李金剛，劉依婷

（1.國能寧夏供熱有限公司，銀川 750001；2.華電內(nèi)蒙古能源有限公司卓資發(fā)電分公司內(nèi)蒙古烏蘭察布 012300；3.河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401）

0 引言

隨著我國節(jié)能減排政策的不斷加強(qiáng)，智慧熱網(wǎng)已經(jīng)逐漸開始普及［1］。同時，隨著信息化、自動化、智能化技術(shù)的成熟和完善，基于信息化的智慧供熱系統(tǒng)逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)供熱系統(tǒng)［2-3］。近年來，智慧供熱技術(shù)使區(qū)域供熱系統(tǒng)變得更加靈活，經(jīng)過高度優(yōu)化的智慧供熱系統(tǒng)可滿足用戶室內(nèi)熱舒適并節(jié)省成本［4］。熱網(wǎng)的自動化監(jiān)測和控制無疑有效地改善了系統(tǒng)供熱質(zhì)量差、用戶冷熱不均的現(xiàn)象，更有效防止了因熱網(wǎng)漏損大、耗電量高、盲目供熱引起的巨大能源浪費(fèi)。隨著換熱站數(shù)據(jù)的信息化以及智能化，如何根據(jù)建筑熱特性、室內(nèi)溫度、室外氣象參數(shù)的變化制定科學(xué)合理、簡單易行的運(yùn)行調(diào)節(jié)策略，是亟待研究的目標(biāo)。

室外的環(huán)境熱作用通過建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)影響著建筑物室內(nèi)的熱環(huán)境，太陽輻射強(qiáng)度與室外空氣溫度的周期波動也會引起室內(nèi)溫度的周期波動。但是由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有蓄熱性，圍護(hù)結(jié)構(gòu)對室外溫度波動有一定的衰減、延遲作用，即建筑熱特性對建筑室內(nèi)溫度有一定的影響［5］。李田凱［6］對以室內(nèi)溫度為目的的換熱站智能調(diào)控模式進(jìn)行了探究，發(fā)現(xiàn)該調(diào)控模式是可行的：它既避開了供熱系統(tǒng)的滯后性，又及時注意到日照等其他熱源的輸入，降低了能耗，取得了良好的經(jīng)濟(jì)與社會效益；但是該調(diào)控模式具有成本高、對一次網(wǎng)沖擊較大的問題。宋士杰等［7］提出了集中供熱運(yùn)行調(diào)節(jié)曲線在實(shí)際工程中的應(yīng)用，實(shí)際供熱運(yùn)行時不同地區(qū)的供熱室外設(shè)計計算溫度不同，應(yīng)用不同的供熱曲線，決定熱用戶室內(nèi)溫度參數(shù)為二次網(wǎng)供回水平均溫度，不同熱源及熱網(wǎng)參數(shù)導(dǎo)致一次網(wǎng)曲線差異，二次網(wǎng)曲線僅隨供暖地區(qū)變化而變化。Dahl等［8］考慮小時室外溫度、風(fēng)速、太陽輻射以及相對濕度，建立了自回歸（ARX）耗熱量預(yù)測模型，同時考慮天氣時變不確定性對該模型進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的模型應(yīng)用到換熱站調(diào)控中可以降低供水溫度。Xue 等［9］將時間變量、室外溫度以及歷史熱負(fù)荷作為影響因素，基于機(jī)器學(xué)習(xí)建立多步超前區(qū)域供熱系統(tǒng)熱負(fù)荷預(yù)測框架，保證了區(qū)域供熱系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。Dong 等［10］將天氣預(yù)報（溫度、太陽輻射和風(fēng)速）與用戶行為結(jié)合起來，利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法實(shí)現(xiàn)對供暖系統(tǒng)實(shí)時模型預(yù)測控制。Aoun 等［11］提出并論證了一種基于混合整數(shù)線性規(guī)劃（MILP）的模型預(yù)測控制（MPC）策略，用于規(guī)劃建筑物的空間供暖需求。該策略利用建筑物及其供暖系統(tǒng)固有的熱慣性，在預(yù)期天氣條件和能源成本變化的情況下，優(yōu)化空間供暖負(fù)荷。結(jié)果表明，基于柔性MILP的MPC是經(jīng)濟(jì)、有效的。

傳統(tǒng)的氣候補(bǔ)償調(diào)控沒有有效結(jié)合建筑熱惰性。MPC 雖然同時實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行并保證空間的熱舒適需求，但MPC 具有較高的復(fù)雜性，導(dǎo)致計算耗時長，限制了其在大規(guī)模供熱系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)控中的廣泛應(yīng)用。且大多數(shù)現(xiàn)有的MPC 都不將室內(nèi)溫度作為影響因素或反饋調(diào)節(jié)因素，所以不能實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。將建筑的時滯特性與供暖系統(tǒng)換熱站的調(diào)控方式有效融合，形成以室溫為目標(biāo)的反饋調(diào)節(jié)技術(shù)，并將其應(yīng)用到實(shí)際供暖系統(tǒng)運(yùn)行的調(diào)控中是急需研究的方向。在此背景下，基于供暖信息系統(tǒng)參數(shù)計算建筑綜合物性系數(shù)，綜合考慮建筑時滯性以及供熱系統(tǒng)補(bǔ)償周期等因素，提出基于建筑綜合物性系數(shù)的智慧熱網(wǎng)換熱站運(yùn)行調(diào)節(jié)策略。

1 建筑綜合物性系數(shù)的相關(guān)概念

1.1 建筑綜合物性系數(shù)的定義

在供熱系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，忽略其他因素的影響，為了使室內(nèi)溫度保持恒定不變，散熱器單位時間的供熱量、房間的自由得熱以及太陽輻射形成的熱負(fù)荷應(yīng)等于單位時間房屋向室外的散熱量。在此，利用綜合傳熱系數(shù)來表示地板供暖對流和輻射放熱系統(tǒng)的散熱，具體公式如下［12］

式中：Q為散熱設(shè)備單位時間散熱量，W；K為散熱設(shè)備的綜合傳熱系數(shù)，W/(m2·°C)；F為散熱設(shè)備的散熱面積，m2；t2pj為散熱設(shè)備進(jìn)出口平均溫度，°C，t2g，t2h分別為供暖設(shè)備的供水和回水溫度，°C；tn為供暖熱用戶室內(nèi)溫度，℃；Q′為房間單位時間向室外散失的熱量，W；F′為房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱面積，m2；K′為房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)，W/(m2·°C)；tw為室外空氣溫度，℃；QZ為房間的自由得熱，W；QT為太陽輻射得熱，W。由式（1）—（4）可得式（5），進(jìn)一步整理得到式（6）。

該系數(shù)體現(xiàn)了建筑供暖設(shè)備的放熱特性與建筑散熱特性的匹配程度。在散熱面積、放熱面積一定的情況下，2 個傳熱系數(shù)（K，K′）波動不大，則該建筑物性系數(shù)趨于穩(wěn)定。若供暖系統(tǒng)隨著外擾合理運(yùn)行調(diào)節(jié)，則利用供暖數(shù)據(jù)計算的BC值仍處于穩(wěn)定。根據(jù)式（7）可知，當(dāng)太陽輻射和房間自由熱相對較大且波動時，若供熱系統(tǒng)換熱站未及時進(jìn)行調(diào)控，則根據(jù)供熱系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)計算的BC值將會有較大波動。本文研究建筑綜合物性系數(shù)的目的是獲得不同建筑固有的熱特性，用于指導(dǎo)供熱系統(tǒng)調(diào)控。選取供熱系統(tǒng)相對穩(wěn)定的高寒期運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。高寒期太陽輻射得熱量與總熱負(fù)荷相比熱貢獻(xiàn)率很小，且居住建筑房間自由熱可忽略，因此在高寒期居住建筑散熱器單位時間的供熱量等于單位時間房屋向室外的散熱量，即M=0，則式（7）可簡化成

1.2 影響建筑綜合物性系數(shù)的因素

理論上，對一類建筑的某個房間而言，供暖設(shè)備的散熱面積和傳熱系數(shù)不變，建筑傳熱面積和綜合傳熱系數(shù)不變，BC應(yīng)為定值。但由于忽略了房間的自由得熱及太陽輻射的影響，利用式（8）求出的建筑綜合物性系數(shù)會有小幅波動。在實(shí)際情況下，供熱調(diào)節(jié)二次網(wǎng)供/回水溫度及流量不能保持恒定，傳熱系數(shù)K會有所波動，并且隨著室外風(fēng)速等擾量的變化，K′也有所波動［13］。因此，盡管BC將呈現(xiàn)微小波動，但該波動在供熱系統(tǒng)實(shí)際工程應(yīng)用中可忽略。

結(jié)合供熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)規(guī)律和室外溫度的變化規(guī)律，為了避免供熱系統(tǒng)延時性、建筑熱惰性以及供熱信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的干擾波動誤差，按時間加權(quán)平均計算的瞬時建筑綜合物性系數(shù)

式中：N為代表時間段內(nèi)各參數(shù)采集的樣本數(shù)；τ為代表采集時刻。時間步長可以取4 h，6 h，12 h，24 h。

分別以2021 年寒冷地區(qū)典型的采用散熱器和采用地暖供暖的建筑為研究對象，取時間步長為24 h，分析2 種換熱站在采暖期系數(shù)BC的變化規(guī)律，如圖1—2 所示（數(shù)據(jù)來源于智慧熱網(wǎng)項(xiàng)目監(jiān)控平臺）。

圖1 2021年散熱器供暖換熱站3個小區(qū)BC的變化Fig.1 Variation of BC in three communities heated by radiators in 2021

圖2 2021年地板供暖換熱站2個小區(qū)BC的變化Fig.2 Variation of BC in two communities taking radiant floor heating in 2021

由圖1—2可以看出，系數(shù)BC在高寒期保持比較平穩(wěn)的趨勢。但由于BC是由室、內(nèi)外溫度及供、回水平均溫度反映出來的，在供暖末期室外空氣溫度變化劇烈且有強(qiáng)烈太陽輻射的情況下，若供、回水平均溫度未進(jìn)行及時、有效調(diào)節(jié)，則室內(nèi)溫度會出現(xiàn)過高或過低的現(xiàn)象，使由采集數(shù)據(jù)計算出的系數(shù)BC出現(xiàn)大幅波動。本文的主要研究目的是獲得反映建筑熱特性的BC，所以通過計算其規(guī)律分析可以得出，按照高寒期供熱系統(tǒng)信息化數(shù)據(jù)計算BC相對合理。

2 建筑延遲時間與供熱系統(tǒng)補(bǔ)償周期

2.1 建筑延遲時間

建筑延遲時間是指在沒有供熱系統(tǒng)的自然狀態(tài)下或供熱系統(tǒng)供熱量恒定的情況下，連續(xù)24 h 室內(nèi)溫度波峰與室外溫度波峰值出現(xiàn)的時間差。同一換熱站的各建筑的年代、建筑特性相似，可看作擁有相同的延遲時間。

2.2 換熱站BC與供熱系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)補(bǔ)償周期

采集建筑頂、中、底部9個典型位置用戶［14］的室內(nèi)溫度，將整棟建筑的室溫進(jìn)行加權(quán)平均計算出建筑的代表性室溫，求出BC，再對換熱站對應(yīng)的所有BC值取平均得到建筑群的BC。由室外溫度、換熱站對應(yīng)的建筑綜合物性系數(shù)以及合理的室內(nèi)溫度目標(biāo)值，反推二次側(cè)供、回水的平均溫度

式中：tn′為室內(nèi)目標(biāo)設(shè)定溫度，取20 ℃。

由式（10）可知，每個tw對應(yīng)一個t2pj′。由于室外溫度是不斷變化的，所以供、回水平均溫度也會隨著室外溫度的變化而變化。但頻繁的變化t2pj對設(shè)備的壽命以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著極其不利的影響，并且由于建筑具有熱惰性，頻繁調(diào)節(jié)是不必要的。提出“補(bǔ)償周期”的概念：即室內(nèi)溫度在一定變化范圍內(nèi)，系統(tǒng)并不進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)室內(nèi)溫度波動超過設(shè)定值時，系統(tǒng)啟動調(diào)節(jié)策略，并在預(yù)測下一時間段的供熱參數(shù)之前對上一時間段的遺留偏差在短時間內(nèi)給予補(bǔ)償。

第i時刻和第i+1 時刻為2 個相鄰時刻，其供回水平均溫度分別為

若該相鄰時刻室溫波動在允許范圍之內(nèi)不需要改變二次側(cè)供回水平衡溫度，即t2pj（i+1）=t2pj，i，則由式（12）減式（11）可得

由式（13）可推得，室內(nèi)溫度在一定范圍變化時，室外溫度亦有一定變化范圍，在這個范圍內(nèi)不需對二次供、回水平均溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)式（14）可知，室溫變化在±1 ℃時室外溫度波動的范圍。若室外溫度超過該范圍則需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，那么將室外溫度波動超過該溫度范圍的臨界時間稱為補(bǔ)償周期Tb。BC越大，Tb也越大；BC越小，相應(yīng)的Tb也越小。

3 基于建筑綜合物性系數(shù)的換熱站運(yùn)行調(diào)節(jié)策略應(yīng)用

3.1 策略概述

將基于建筑綜合物性系數(shù)的運(yùn)行調(diào)節(jié)策略嵌入到智慧熱網(wǎng)監(jiān)控平臺中，通過計算建筑綜合物性系數(shù)，輸入建筑延遲時間，計算供熱系統(tǒng)補(bǔ)償周期進(jìn)而啟動氣候補(bǔ)償，對供熱系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能控制。下面對基于建筑綜合物性系數(shù)的運(yùn)行調(diào)節(jié)策略進(jìn)行應(yīng)用分析。

結(jié)合天氣預(yù)報系統(tǒng)獲得i+1 時刻室外溫度tw(i+1)，室內(nèi)設(shè)定溫度為已知量，每個時刻均有相應(yīng)的室內(nèi)設(shè)定溫度，記為tn(i+1)，利用式（10），即可計算出i+1 時刻需要的二次側(cè)供、回水平均溫度。補(bǔ)償條件為當(dāng)某一時刻的室外溫度與上一個補(bǔ)償時刻的室外溫度相差超過設(shè)定的溫差，且經(jīng)歷的這段時間（補(bǔ)償周期）大于該換熱站建筑綜合延遲時間，則根據(jù)計算的補(bǔ)償量啟動補(bǔ)償。

3.2 典型換熱站的策略應(yīng)用

選取寒冷地區(qū)某智慧供熱系統(tǒng)中#1 換熱站與#2換熱站，并對其基于BC的運(yùn)行調(diào)節(jié)策略進(jìn)行分析。

3.2.1#1換熱站基于BC的運(yùn)行調(diào)節(jié)

以典型的#1 換熱站為例，由于各建筑熱工性能不同，其BC不同。嚴(yán)寒期室外溫度變化比較平緩，BC值趨于穩(wěn)定，計算出#1 換熱站對應(yīng)的BC為1.0，由式（14）計算出室外溫度波動范圍為2 ℃，即室外溫度變化超過2 ℃且變化的時間大于建筑延遲時間時方可對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。依據(jù)規(guī)范，冬季室內(nèi)設(shè)計溫度取20 ℃［15］，根據(jù)式（10）進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1#換熱站下轄的小區(qū)為2005 年以后建成，供暖方式主要為散熱器供暖，延遲時間為3 h［16］。管網(wǎng)的滯后時間近似等于流體流動的時間［17］，一般熱水管道的介質(zhì)流速為1～2 m/s，換熱站與熱用戶之間距離不超過50 m，該時間可以忽略。具體的基于BC的供熱系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著室外溫度的震蕩上升，二次供、回水平均溫度呈折線下降。經(jīng)過運(yùn)行調(diào)整，室內(nèi)溫度由平均溫度22 ℃降為20 ℃，同時消除了站供回水平均溫度、調(diào)節(jié)時間點(diǎn)及調(diào)節(jié)頻率的不同。二次供、回水平均溫度與室外溫度有著良好的對應(yīng)變化和調(diào)節(jié)效果。

圖3 2021年#1換熱站基于BC的運(yùn)行調(diào)節(jié)曲線Fig.3 BC based operation parameters of No.1 heat exchange station in 2021

具體到較短時間段調(diào)節(jié)情況，取1 周的調(diào)節(jié)曲線進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4 2021年#1換熱站基于BC的短期調(diào)節(jié)曲線Fig.4 BC based short-term operation parameters of No.1 heat exchange station in 2021

由圖4可以看出，運(yùn)用BC進(jìn)行供暖調(diào)節(jié)時，若一天內(nèi)室外溫度變化不大，則全天二次供、回水平均溫度只需調(diào)節(jié)1～2 次。當(dāng)室外溫度大幅度震蕩波動，二次供、回水平均溫度調(diào)節(jié)頻率相對上升。

3.2.2#2換熱站基于BC的運(yùn)行調(diào)節(jié)

#2 換熱站的建筑采用低溫地板輻射供暖，計算出換其BC系數(shù)為1.3，并由式（13）計算出室外溫度波動范圍為2.3 ℃。建筑為三部節(jié)能且是地板輻射供暖，延遲時間為6 h［16］，運(yùn)行調(diào)節(jié)曲線如圖5 所示。由圖5 可以看出，利用BC指導(dǎo)供暖與室外溫度有很好的契合程度。具體到較短時間段調(diào)節(jié)情況，取1周的調(diào)節(jié)曲線進(jìn)行分析，如圖6所示。

圖5 2021年#2換熱站基于BC的短期調(diào)節(jié)曲線Fig.5 BC based short-term operation parameters of No.2 heat exchange station in 2021

由圖6 可知，#2 換熱站供熱系統(tǒng)補(bǔ)償周期變大，調(diào)節(jié)頻率降低。雖然室外溫度相同，但由于BC系數(shù)與建筑延遲時間的差異，導(dǎo)致2 個換熱站供回水平均溫度、調(diào)節(jié)時間點(diǎn)及調(diào)節(jié)頻率均不同?？梢钥闯鰬?yīng)用系數(shù)BC指導(dǎo)供熱系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)，取代了盲目供熱和經(jīng)驗(yàn)供熱，提高了供熱精準(zhǔn)度。

圖6 2021年#2換熱站基于BC的短期調(diào)節(jié)曲線Fig.6 BC based short-term operation parameters of No.2 heat exchange station in 2021

3.3 BC指導(dǎo)供熱系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)的節(jié)能分析

基于BC調(diào)節(jié)供熱系統(tǒng)運(yùn)行的主要目的是有效克制盲目供熱，從而達(dá)到節(jié)能降耗的效果。根據(jù)智慧供熱平臺，獲得2017—2018 年供暖季和2018—2019 年供暖季2 個換熱站的數(shù)據(jù)，2017—2018 年供暖季平均室外溫度為3.2 ℃，該供暖季換熱站工作人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行供熱調(diào)節(jié)。2018—2019 年供暖季平均室外溫度為3.9 ℃，而系統(tǒng)啟用將BC作為供熱調(diào)節(jié)依據(jù)。通過調(diào)節(jié)，2018—2019 年供暖季室內(nèi)平均溫度在20 ℃上下，波動在1 ℃左右。

為了統(tǒng)一基準(zhǔn)，將不同供暖時期的年耗熱量按照式（15）進(jìn)行折算

式中：Qzs為折算后的年耗熱量，GJ/（m2·a）；Qsj為不同供暖時期實(shí)際年耗熱量，GJ/（m2·a）；tns為不同供暖時期室內(nèi)實(shí)際累積平均溫度，℃；tws為不同供暖時期實(shí)際室外平均溫度，℃；tw為供暖期室外設(shè)計平均溫度，0.5 ℃。

2017—2018 年供暖季，#1 換熱站實(shí)際年耗熱量為0.382 GJ/（m2·a），室內(nèi)實(shí)際累積平均溫度為21.8 ℃，折算后年耗熱量約為0.400 GJ/（m2·a）；#2換熱站實(shí)際年耗熱量為0.349 GJ/（m2·a），室內(nèi)實(shí)際累積平均溫度為22.1 ℃，折算后年耗熱量約為0.360 GJ/（m2·a）。啟用系數(shù)BC進(jìn)行供熱系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)后，2018—2019 年供暖季#1 換熱站年的實(shí)際耗熱量為0.269 GJ/（m2·a），室內(nèi)實(shí)際累積平均溫度為19.8 ℃，折算后年耗熱量約為0.330 GJ/（m2·a）；#2換熱站年實(shí)際耗熱量為0.227 GJ/（m2·a），室內(nèi)實(shí)際累積平均溫度為20.3 ℃，折算后年耗熱量約為0.270 GJ/（m2·a）。

綜上所述，應(yīng)用BC指導(dǎo)供熱能夠達(dá)到很好的節(jié)能效果。

4 結(jié)論

（1）供熱系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定供熱時，根據(jù)熱平衡理論，散熱設(shè)備的散熱量與建筑耗熱量近似，由此得到建筑綜合物性系數(shù)BC。該系數(shù)體現(xiàn)了建筑供暖設(shè)備的放熱特性與建筑散熱特性的匹配程度，在散熱面積、放熱面積一定的情況下，若2 個傳熱系數(shù)（K，K′）波動不大，則BC趨于穩(wěn)定。

（2）由于BC具有相對平穩(wěn)的特性，利用供熱信息系統(tǒng)和室溫的目標(biāo)設(shè)定溫度可反求散熱設(shè)備供回水平均溫度，由此可將建筑綜合物性系數(shù)作為獲得二次側(cè)供、回水平均溫度運(yùn)行調(diào)節(jié)曲線的依據(jù)。

（3）定義了供熱系統(tǒng)的補(bǔ)償周期，通過分析得出Tb與BC的緊密關(guān)系。

（4）根據(jù)建筑的延遲特性和補(bǔ)償周期，制定了啟動補(bǔ)償?shù)臈l件，最終形成了基于建筑綜合物性系數(shù)的供熱系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)策略。

（5）以BC數(shù)指導(dǎo)供暖具有良好的節(jié)能效果。