新型供熱末端控制系統(tǒng)

穆婧怡 宋妍 王永貴 田梓儒 李明蒔

摘 要：為應(yīng)對氣候變化，我國承諾在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、在2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。當(dāng)前我國北方集中供熱碳排放量較大，占建筑運(yùn)行碳排放的比重達(dá)到26%。推進(jìn)集中供熱低碳發(fā)展亟須科學(xué)合理、清晰明確的技術(shù)路徑指引。在碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)約束下，研判集中供熱低碳技術(shù)發(fā)展趨勢，分析各項(xiàng)技術(shù)對低碳發(fā)展目標(biāo)的影響，構(gòu)建我國北方集中供熱發(fā)展技術(shù)路徑。

關(guān)鍵詞：供熱；末端控制

一、引言

目前環(huán)境問題日趨嚴(yán)重，煤炭產(chǎn)業(yè)尾氣大量溫室氣體的產(chǎn)生，導(dǎo)致全球溫暖化加劇。全球溫度的上升引發(fā)了眾多環(huán)境問題，聯(lián)合國防災(zāi)減災(zāi)署發(fā)布的一份報(bào)告顯示，2000 年至 2019 年，全球報(bào)告氣候相關(guān)災(zāi)害 6681 起，比上一個 20 年增長 82.7%，其中，洪水災(zāi)害從上一個 20 年的 1389 起增至 3254 起，風(fēng)暴災(zāi)害從 1457 起增至 2034 起。此外，干旱、山火、極端氣溫等災(zāi)害以及地震、海嘯等地質(zhì)相關(guān)災(zāi)害發(fā)生次數(shù)也顯著增加。

目前在供暖行業(yè)大部分企業(yè)使用的熱源仍是煤炭，要想實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排工作就要實(shí)現(xiàn)能源的轉(zhuǎn)型，我國具有豐富的地?zé)崮芄┡?、生物液體燃料、生物天然氣等資源條件，但由于技術(shù)成熟度不夠和開采經(jīng)濟(jì)費(fèi)用大等因素影響，利用規(guī)模相對有限。地?zé)崮芄┡抢玫叵聼崴M(jìn)行供暖的方式，通過打井的方式向地下2000m處抽取熱水，經(jīng)過過濾以及軟化后可被用于供暖，這種方式極大的改善了我國煤炭資源短缺的問題，但由于開采過程中需要高額的費(fèi)用，以及需要回灌等問題，使得這種方式?jīng)]有廣泛運(yùn)用。

我國企業(yè)也存在諸多問題，經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)綜述如下；傳統(tǒng)供暖末端技術(shù)不具備有效的調(diào)節(jié)手段，導(dǎo)致管網(wǎng)運(yùn)行熱損耗高；職工的數(shù)據(jù)管理水平和維護(hù)能力不足，使得系統(tǒng)運(yùn)行過程中局部能耗量大；以及管網(wǎng)老化等問題。在這種嚴(yán)峻的背景下，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)來對供熱末端技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化是一個值得探索的重點(diǎn)領(lǐng)域。

二、智能控制技術(shù)的優(yōu)化研究

（一）系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化研究

隨著社會的進(jìn)步，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)愈加的發(fā)達(dá)，大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)使供暖行業(yè)邁向了新的領(lǐng)域。智能監(jiān)測系統(tǒng)由四部分組成：監(jiān)控中心以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域、熱用戶前端的智能控制器、有線網(wǎng)絡(luò)或無線網(wǎng)絡(luò)、末端的傳感器。

（1）末端的傳感器：傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、變化電路和輔助電源組成，分為有線傳感和無線傳感。用于感受到供暖系統(tǒng)末端的數(shù)據(jù)變化。

（2）有線網(wǎng)絡(luò)或無線網(wǎng)絡(luò)：用于傳輸系統(tǒng)運(yùn)行當(dāng)中的數(shù)據(jù)變化 。

（3）監(jiān)控中心以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域：它是由PC端、大數(shù)據(jù)技術(shù)和互聯(lián)技術(shù)組成。通過大數(shù)據(jù)處理框架和云計(jì)算對供暖系統(tǒng)達(dá)到精準(zhǔn)控制的作用。大數(shù)據(jù)技術(shù)主要有四個特點(diǎn)：1、大量性，可以通過分布式儲存，可以對供暖過程中逐時數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄；2、高效性，如今大數(shù)據(jù)技術(shù)對數(shù)據(jù)的處理過程更加的高效，能夠從供暖過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式處理，進(jìn)而可以有效地防止建筑的熱惰性。3、多樣性，它可以接受到不同種類的數(shù)據(jù)像流量、溫度、壓強(qiáng)等數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整合；4、價(jià)值性，這是大數(shù)據(jù)技術(shù)的一個重要的特征，從供暖過程中產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)潛在價(jià)值。

（二）末端控制手段優(yōu)化研究

面積法是根據(jù)熱用戶的房間熱水?dāng)嗤〞r間和面積為參數(shù)，分?jǐn)偨ㄖ目偣崃俊＞唧w計(jì)費(fèi)流程是，在接戶分環(huán)的水平式供暖系統(tǒng)中，各用戶的房間供熱干管上設(shè)置斷通控制閥，在各房間設(shè)置溫度控制器，測量室內(nèi)溫度和熱用戶的設(shè)定溫度，室溫通斷控制閥根據(jù)實(shí)測室溫與設(shè)定值的偏差來控制一個周期的占空比，以此調(diào)節(jié)房間的溫度，記錄并統(tǒng)計(jì)熱用戶的占空比時間，按照熱用戶的累計(jì)通斷時間與供暖面積來計(jì)量用熱量。這種方式與熱量表理論基礎(chǔ)不同，熱量表追求精度的度數(shù)而又將位置修正系數(shù)等模糊修正加以平衡是一種悖論。

基于通斷調(diào)節(jié)供暖系統(tǒng)具有較大的時滯性，通過對熱力模塊和水利模塊研究出一種適應(yīng)大慣性的供暖系統(tǒng)的調(diào)控方法。運(yùn)用自然國家自然科學(xué)基金提到的時間步長實(shí)現(xiàn)對內(nèi)外環(huán)境因素相耦合的方式實(shí)現(xiàn)雙頻率調(diào)節(jié)。達(dá)到具有預(yù)測功能和精準(zhǔn)調(diào)節(jié)的多元控制目標(biāo)。低頻控制包括根據(jù)供暖系統(tǒng)的周期性動態(tài)特征，以及室內(nèi)空氣溫度的未來一段時間趨勢進(jìn)行預(yù)判，將智能程序編寫到控制器中輸出滿足熱量需求的占空比，這一控制周期稱為第一時間步長。高頻控制是在低頻控制的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，高頻控制主要針對太陽輻射、通風(fēng)、室內(nèi)人員散熱等因素的熱平衡方法。在滿足最小周期和水力工況均勻的前提下，調(diào)節(jié)占空比來解決高頻因素的影響，這段占空比稱為第二時間步長。總結(jié)來看第二時間步長就是在第一時間步長預(yù)測和調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上加入多樣因素的調(diào)節(jié)過程。

（三）智能系統(tǒng)運(yùn)行研究

我國北方晝夜溫差超過了10℃，這就導(dǎo)致了白天供熱過剩；到了晚上又過少，熱量的損耗增多，系統(tǒng)的運(yùn)行過程中運(yùn)用了大數(shù)據(jù)技術(shù)、傳感器技術(shù)、監(jiān)測技術(shù)等有效的減小能耗。

運(yùn)行過程中可分為以下步驟：1、系統(tǒng)末端控制部分：系統(tǒng)末端設(shè)備通過對末端散熱設(shè)備的供回水流量、溫度、壓強(qiáng)等數(shù)據(jù)通過傳感器傳輸?shù)娇刂破髦校?、戶前監(jiān)測部分：智能控制器中的處理器將電信號和數(shù)字信號相互轉(zhuǎn)換進(jìn)行反饋；通過有線或無線的方式傳輸?shù)絧c端；3、監(jiān)控中心：反饋信號進(jìn)入計(jì)算機(jī)區(qū)域網(wǎng)后開始經(jīng)過云平臺分析重組，再通過大數(shù)據(jù)計(jì)算挖掘、分布式儲存和處理等；以映射的方式形成數(shù)據(jù)可視化圖形；通過數(shù)據(jù)曲線的變化和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行機(jī)械學(xué)習(xí)，找到管網(wǎng)能耗最大的區(qū)間將正確的參數(shù)重新編寫在智能控制器中，最終實(shí)現(xiàn)智能化、自動化的管理系統(tǒng)。

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