基于區(qū)域性氣候條件的建筑節(jié)能供熱分時控制方法

葉興森

(涼州區(qū)建設(shè)工程安全質(zhì)量技術(shù)保障中心,甘肅 武威 733000)

1 引 言

城市化的發(fā)展使建筑物數(shù)量逐年增多,但是隨之而來的能源消耗問題,不斷擴(kuò)大。我國人均能源處于短缺狀態(tài),再加上我國“富煤、少氣、缺油”的資源現(xiàn)狀,導(dǎo)致我國能源現(xiàn)狀嚴(yán)峻。由于我國正處于發(fā)展階段,能源的使用情況能夠直接影響我國國力的綜合發(fā)展,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),我國發(fā)展過程中,能源消耗主要集中在交通、工業(yè)以及建筑三大行業(yè)中。其中,由于我國獨(dú)特的地理環(huán)境,大量國土位于冬季較為寒冷的地區(qū),導(dǎo)致我國建筑供熱[1]能耗占全國能耗的大部分。因此,開展必要的建筑節(jié)能供熱控制,不僅能夠有效緩解資源浪費(fèi),還能夠減少不必要的大氣污染。因此,基于我國建筑的供暖模式,研究節(jié)能供熱控制[2-4]方法,成為相關(guān)領(lǐng)域亟待解決的問題。

文獻(xiàn)[5]提出燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組靈活性供熱控制策略。該方法基于冬季熱力氣源緊張的供暖形式,制定不同天氣狀態(tài)下的6種供熱模式;并依據(jù)制定的供熱模式,構(gòu)建全供熱工況控制策略;最后依據(jù)構(gòu)建的控制策略,實(shí)現(xiàn)建筑的分時供熱。

文獻(xiàn)[6]提出集中供熱機(jī)組全自動控制方法研究。該方法依據(jù)供熱機(jī)組的供熱流程,獲取建筑供熱時供熱機(jī)組的燃燒特性,設(shè)計(jì)建筑供熱系統(tǒng)的全自動控制策略,并基于該策略實(shí)現(xiàn)供熱機(jī)組的分時控制。

文獻(xiàn)[7]提出供熱機(jī)組熱電負(fù)荷解耦控制。該方法首先對供熱機(jī)組的非線性動態(tài)模型實(shí)施最小偏差線性化處理,獲取傳遞函數(shù)矩陣;依據(jù)建立的矩陣分析供熱對發(fā)電側(cè)的擾動因素,設(shè)計(jì)解耦控制器;最后依據(jù)設(shè)計(jì)的控制器實(shí)現(xiàn)建筑的供熱控制。

上述方法由于未能在建筑節(jié)能控制前對不同區(qū)域條件下建筑能耗影響因素展開了具體分析,導(dǎo)致上述方法開展建筑節(jié)能控制時的控制效果差。

為解決上述建筑節(jié)能控制方法中存在的問題,提出基于區(qū)域性氣候條件的建筑節(jié)能供熱分時控制方法。

2 不同區(qū)域條件下建筑能耗影響因素分析

受我國地域條件影響,將我國需要供熱的地區(qū)分成寒冷和嚴(yán)寒地區(qū),不同區(qū)域條件下,建筑的能耗[6-7]影響因素也不相同。

2.1 建筑結(jié)構(gòu)其他供熱能耗計(jì)算

供熱建筑中,維護(hù)結(jié)構(gòu)供熱能耗以及門窗縫隙冷空氣滲入供熱能耗都會影響建筑供熱的節(jié)能控制。所以在供熱能耗控制前,需要對維護(hù)結(jié)構(gòu)供熱能耗以及門窗縫隙冷空氣滲入供熱能耗展開具體計(jì)算。

2.1.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)供熱能耗計(jì)算

設(shè)定供熱建筑中,設(shè)定圍護(hù)結(jié)構(gòu)的溫差修正系數(shù)為ρ,圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積為L,以此計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)供熱能耗值,測試結(jié)果如下式所示:

P=ρRL(tm-twm)

(1)

式中:P為圍護(hù)結(jié)構(gòu)在供熱時消耗的基本能耗,W;R為傳熱系數(shù),W/m2;tm為室內(nèi)期望溫度,℃;twm為室外溫度,℃。

2.1.2 門窗縫隙冷空氣深入供熱能耗

由于建筑內(nèi),門窗的縫隙寬度不相同,設(shè)定空氣定壓比熱容為bq,室外空氣密度用θwm表述,以此計(jì)算門窗縫隙冷空氣滲入供熱能耗值,測試結(jié)果如下式所示:

Pmc=bqθwmRφ(tm-twm)

(2)

式中:φ為滲透的冷空氣量,m3/s。

2.2 寒冷區(qū)域建筑供熱的熱負(fù)荷分析

基于上述建筑供熱能耗計(jì)算結(jié)果,選取某城市為寒冷地區(qū)城市代表,選取該城市供熱負(fù)荷最大的一天,開展供熱的負(fù)荷模擬,獲取該城市建筑逐時負(fù)荷變化曲線以及供熱能耗負(fù)荷比重,結(jié)果如圖1、表1所示。

表1 寒冷地區(qū)建筑類型的負(fù)荷比重檢測結(jié)果 %

圖1 建筑逐時供熱負(fù)荷變化曲線

基于圖1可知,寒冷地區(qū)的供熱最大負(fù)荷主要出現(xiàn)在上午9∶00左右,最大負(fù)荷時段在上午8∶00—11∶00。其中,公共建筑的供熱負(fù)荷在上午8∶00后開始急速增大,并以此增加供熱系統(tǒng)[8]的總負(fù)荷幅度,至夜間18∶00—24∶00時,負(fù)荷逐漸減小。

從負(fù)荷比重上來看,寒冷地區(qū)若居住建筑較多,公共建筑所承擔(dān)的供熱負(fù)荷會大于該城市公共建筑面積本身。

2.3 嚴(yán)寒地區(qū)供熱負(fù)荷分析

嚴(yán)寒地區(qū)的氣候條件與寒冷地區(qū)略有差異,所以需要選取普遍適應(yīng)的供熱系統(tǒng),以寒冷地區(qū)的負(fù)荷變化為參考,獲取嚴(yán)寒地區(qū)建筑供熱在不同時段的供熱負(fù)荷變化,結(jié)果如表2所示。

表2 嚴(yán)寒地區(qū)建筑供熱在不同時段的供熱負(fù)荷變化 %

嚴(yán)寒地區(qū)的建筑供熱能耗負(fù)荷變化規(guī)律與寒冷地相接近,由此可知嚴(yán)寒地區(qū)若居住建筑較多時,該地區(qū)的公共建筑供熱負(fù)荷[9-10]會隨著公共區(qū)域面積的增加而有所增大。

基于上述供熱負(fù)荷比重分析結(jié)果可知,我國在冬季開展建筑供熱時,會消耗大量的供熱能耗,從而影響供熱地區(qū)的能源消耗。因此,需要在建筑供熱時,以建筑節(jié)能為側(cè)重點(diǎn),建立能夠有效節(jié)能的建筑供熱分時控制方法。

3 建筑節(jié)能供熱分時控制方法

基于上述的供熱能耗負(fù)荷分析結(jié)果,結(jié)合PID控制方法[11-12]設(shè)計(jì)模糊自適應(yīng)的PID控制器,將建筑的供熱負(fù)荷值放入控制器中實(shí)施計(jì)算,依據(jù)控制器的輸出結(jié)果,實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能供熱的分時控制。

3.1 設(shè)計(jì)建筑節(jié)能供熱分時控制器

設(shè)定建筑供熱系統(tǒng)的比例增益系數(shù)為Zp,從而建立供熱系統(tǒng)傳遞函數(shù),過程如下式所示:

H(x)=Zpε-ts/1+Ts

(3)

式中:T為供熱系統(tǒng)的時間常數(shù);s為采樣時間,h;ε為傳遞偏差;t為滯后時間,h;H(x)為傳遞函數(shù)?；谏鲜鼋⒌膫鬟f函數(shù),設(shè)定建筑供熱系統(tǒng)的積分增益系數(shù)為Zi,微分增益系數(shù)為Zd,以此獲取系統(tǒng)分時供熱的PID控制方程,過程如下式所示:

(4)

式中:o(k)為建立的PID控制方程;ε(τ)、ε(i)以及ε(k)分別為Zp、Zi、Zd的傳遞偏差。

基于獲取的系統(tǒng)分時供熱的PID控制方程,將供熱系統(tǒng)的偏差值ε以及偏差變化率εc作為控制器的輸入向量,依據(jù)模糊規(guī)則[13-14]實(shí)施模糊處理,最后通過建立得到模糊矩陣對控制參數(shù)進(jìn)行實(shí)時修正,根據(jù)修正結(jié)果完成建筑節(jié)能供熱的分時控制。建立的PID控制器如圖2所示。

圖2 PID控制器結(jié)構(gòu)圖

3.2 建立控制器隸屬度函數(shù)

將供熱系統(tǒng)的偏差值ε以及偏差變化率εc作為控制器的輸入向量,并將輸入向量進(jìn)行模糊處理,獲取輸入向量子集{a,b,c,d,e,f,g},分別表示負(fù)大、負(fù)中、零、正小、正中以及正大;設(shè)定控制器控制變量為ΔZp、ΔZi、ΔZd,以此建立PID控制器的隸屬度函數(shù),過程如下式所示:

(5)

式中:u(k)為建立的PID控制器的隸屬度函數(shù)。

3.3 建立模糊控制規(guī)則

(6)

式中:Zp、Zi、Zi分別為控制器變量參數(shù)的模糊控制規(guī)則。

最后通過設(shè)計(jì)的PID控制器模糊控制規(guī)則完成控制器的輸出計(jì)算,實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能供熱的分時控制。具體控制流程如圖3所示。

圖3 建筑節(jié)能供熱分時控制流程圖

4 實(shí) 驗(yàn)

采用基于區(qū)域性氣候條件的建筑節(jié)能供熱分時控制方法(所提方法)、燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組靈活性供熱控制策略(文獻(xiàn)[3]方法)、集中供熱機(jī)組全自動控制方法研究(文獻(xiàn)[4]方法)展開測試。

4.1 建立測試方案

基于上述3種控制方法,選取嚴(yán)寒地區(qū)某地建筑為待控制建筑,以此獲取3種方法的測試實(shí)際環(huán)境,具體情況如表3所示。

表3 分時分區(qū)供熱控制方法測試方案

4.2 建筑節(jié)能供熱分時控制效果測試

4.2.1 辦公樓供熱能耗控制分析

基于上述制定的測試方案,關(guān)閉供熱系統(tǒng)的氣候補(bǔ)償器,消除補(bǔ)償器對分時控制的影響,以此測試上述3種方法在辦公樓供熱時間與供熱能耗之間的變化曲線,檢測供熱分時控制方法的控制效果。結(jié)果如圖4所示。

圖4 辦公樓供熱時間與供熱能耗之間的變化曲線

分析圖4可知,建筑供熱時的實(shí)際能耗與室外氣溫變化相關(guān)。辦公樓供熱能耗會隨時間發(fā)生波動,所提方法控制下,建筑供熱能耗節(jié)省的供熱能耗明顯高于文獻(xiàn)[3]方法以及文獻(xiàn)[4]方法,這主要是由于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身具備熱惰性,建筑室內(nèi)溫度雖然在不斷下降,但是仍位于防凍溫度以上。辦公樓15∶00—19∶00能耗負(fù)荷變化較不穩(wěn)定,這主要是因?yàn)樵摃r段位于辦公人員下班時間。

4.2.2 建筑供熱節(jié)能效果測試

采用所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法開展建筑供熱能耗控制時,設(shè)定供熱建筑的原始節(jié)能率為10.8%,以此測試上述3種方法的供熱節(jié)能效果,測試結(jié)果如表4所示。

表4 建筑供熱節(jié)能測試結(jié)果

分析表4可知,所提方法的累積供熱量較高,這主要因?yàn)樗岱椒梢栽诒ＷC低能耗的同時為建筑提供高供熱量,且檢測出的節(jié)能率以及供熱面積均高于其他兩種方法。而文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法明顯低于所提方法的測試結(jié)果。由此可證明所提方法節(jié)能率高、控制性能強(qiáng)。

4.2.3 建筑供熱控制效果測試

設(shè)定建筑供熱后的室內(nèi)適宜溫度在22～25 ℃,依據(jù)建筑節(jié)能供熱分時控制方法控制建筑供熱能耗時,測試3種控制方法在建筑能耗控制時的控制效果,測試結(jié)果如表5所示。

表5 不同方法的建筑供熱控制效果測試

分析表5可知,所提方法能夠在不同時段下,將建筑室內(nèi)的溫度保持在適宜人體生活的溫度內(nèi),而文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法無法將供熱建筑的室內(nèi)溫度控制在人體適宜溫度區(qū)間內(nèi)。由此證明,所提方法在開展建筑供熱能耗控制時,控制效果優(yōu)于其他兩種方法。

綜上所述,所提方法在開展建筑供熱能耗控制時,供熱能耗小、節(jié)能效果好,證明該方法在控制建筑供熱能耗時,具備有效性。

5 結(jié) 語

隨著建筑供暖能耗消耗的兩年增加,建筑節(jié)能供熱分時控制勢在必行。針對傳統(tǒng)節(jié)能控制方法中存在的問題,提出基于區(qū)域性氣候條件的建筑節(jié)能供熱分時控制方法。該方法基于不同區(qū)域條件下建筑能耗影響因素分析結(jié)果,結(jié)合PID控制方法設(shè)計(jì)模糊自適應(yīng)的PID控制器,通過設(shè)計(jì)的控制器實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能供熱的分時控制。該方法由于在獲取傳遞函數(shù)時存在問題,今后會針對該項(xiàng)缺陷繼續(xù)優(yōu)化該控制方法。