以用戶室溫為調(diào)控目標的集中供熱二次網(wǎng)自動調(diào)節(jié)方法

摘 要：傳統(tǒng)集中供熱二次網(wǎng)自動調(diào)節(jié)方法進行二次網(wǎng)自動調(diào)節(jié)時缺乏精準的室溫監(jiān)測和反饋，導(dǎo)致供熱二次網(wǎng)節(jié)能效果不佳。因此，本文提出了以用戶室溫為調(diào)控目標的集中供熱二次網(wǎng)自動調(diào)節(jié)方法。選取集中供熱二次網(wǎng)的參數(shù)，確定集中供熱二次網(wǎng)的調(diào)節(jié)規(guī)則，根據(jù)調(diào)節(jié)規(guī)則建立集中供熱二次網(wǎng)隸屬度函數(shù)，最后自動調(diào)節(jié)集中供熱二次網(wǎng)，從而實現(xiàn)集中供熱二次網(wǎng)自動調(diào)節(jié)。試驗結(jié)果證明，本文方法可降低供熱二次網(wǎng)能耗，提高供熱效率，改善用戶的生活質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：用戶室溫；調(diào)控目標；集中供熱；二次網(wǎng)；自動調(diào)節(jié)方法

中圖分類號：G 642" " " 文獻標志碼：A

集中供熱系統(tǒng)對保證用戶室溫的穩(wěn)定和優(yōu)化供熱效率具有重要意義。然而，傳統(tǒng)的集中供熱系統(tǒng)通常以熱源溫度為調(diào)控目標，導(dǎo)致用戶室溫波動較大，影響用戶舒適度和供熱效率。為了提高供熱系統(tǒng)的性能和用戶滿意度，需要研究一種新的自動調(diào)節(jié)方法[1]。

為了解決這些問題，本文提出了一種以用戶室溫為調(diào)控目標的集中供熱二次網(wǎng)自動調(diào)節(jié)方法。該方法可實時監(jiān)測用戶室溫[2]，將室溫信息反饋到控制系統(tǒng)，然后根據(jù)預(yù)設(shè)的調(diào)節(jié)規(guī)則自動調(diào)整二次網(wǎng)的流量和溫度。

1 以用戶室溫為調(diào)控目標的集中供熱二次網(wǎng)自動調(diào)節(jié)方法設(shè)計

1.1 選取集中供熱二次網(wǎng)的參數(shù)

在集中供熱系統(tǒng)中，二次網(wǎng)是連接熱源和用戶的關(guān)鍵部分，其參數(shù)的選擇對整個系統(tǒng)的節(jié)能效果和運行穩(wěn)定性具有重要意義。集中供熱二次網(wǎng)的信息包括二次網(wǎng)流量、二次網(wǎng)水溫、二次網(wǎng)壓差以及二次網(wǎng)阻抗[3]，均是集中供熱二次網(wǎng)的參數(shù)，會直接影響供熱系統(tǒng)的運行效果和能源消耗。

二次網(wǎng)流量是通過集中供熱系統(tǒng)中的二次網(wǎng)（連接熱源和用戶間的部分）中的熱媒（水、蒸汽等）的流量，是影響供熱效果和能源消耗的重要參數(shù)。可以通過公式（1）來計算Q的值。

Q=m×v " " " " " （1）

式中：m為熱媒質(zhì)量流量，kg/h；v為熱媒體積流量，m3/h。

二次網(wǎng)水溫是集中供熱系統(tǒng)中二次網(wǎng)的供水溫度和回水溫度?？梢酝ㄟ^公式（2）來計算T的值。

T=T1+?T " " " " " （2）

式中：T1為一次網(wǎng)水溫，℃；?T為二次網(wǎng)與一次網(wǎng)的溫差，℃。

壓差是二次網(wǎng)壓差，是集中供熱系統(tǒng)中二次網(wǎng)（連接熱源和用戶間的部分）的供水壓力和回水壓力之差，會直接影響供熱系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率?？梢酝ㄟ^公式（3）來計算ΔP的值。

（3）

式中：k為管網(wǎng)阻力系數(shù)；W為壓力，Pa；A為管網(wǎng)橫截面積，m2。

二次網(wǎng)阻抗反映了熱能在二次網(wǎng)中的傳輸阻力。為了實現(xiàn)節(jié)能，應(yīng)盡量降低阻抗，以提高熱能傳輸效率。阻抗與管徑、管長有關(guān)，如公式（4）所示。

（4）

式中：ρ為流體密度；L為管長；D為管徑；A為管道截面積。

綜上所述，通過合理計算集中供熱二次網(wǎng)的流量、水溫、壓差和二次網(wǎng)阻抗等關(guān)鍵參數(shù)達到經(jīng)濟、環(huán)保的目的。

1.2 確定集中供熱二次網(wǎng)的調(diào)節(jié)規(guī)則

根據(jù)選取的集中供熱二次網(wǎng)參數(shù)確定集中供熱二次網(wǎng)調(diào)節(jié)規(guī)則[4]。集中供熱二次網(wǎng)的調(diào)節(jié)規(guī)則主要包括二級網(wǎng)各支路的水力平衡限制和熱水循環(huán)泵的使用頻率限制2個方面。

1.2.1 支路的水力均衡調(diào)整

為了實現(xiàn)支路的水力均衡，需要綜合考慮多個因素，包括支路的長度、管徑和阻力等。根據(jù)供暖負荷預(yù)測模型，可以求出支路的需水量。根據(jù)室外溫度實時采集數(shù)據(jù)，可以求出當前所需流量。該流量是根據(jù)當前氣候條件和室內(nèi)溫度需求來確定的。支路供暖負荷的計算過程如公式（5）所示。

（5）

式中：G1為支路設(shè)計排水量，m3/h；t為支路內(nèi)部要求氣溫，℃；t1為室外實際氣溫，℃；t2為室外設(shè)計溫度，℃；t3為室內(nèi)設(shè)計溫度，℃；j為最優(yōu)流量調(diào)整因子。

支路的阻力包括管道阻力。通過測量和計算，可以得到支路的阻力值，如公式（6）所示。

（6）

式中：?P為管道阻力；f為摩擦系數(shù)；ρ為流體的密度；v為流體的流速。

在集中供熱系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)支路的水力均衡，需要根據(jù)計算出的支路阻力和當前所需流量進行調(diào)整。先確定各支路的流量分配比例，再根據(jù)該比例調(diào)整各支路的閥門開度。假設(shè)有n個支路，每個支路的阻力和流量分別為Pi和Qi（i=1，2，...，n）。各支路的流量分配比例如公式（7）所示。

（7）

式中：為所有支路的總流量。

根據(jù)流量分配比例調(diào)整各支路的閥門開度。假設(shè)每個支路的閥門開度為θi（i=1，2，...，n），則調(diào)整后的閥門開度如公式（8）所示。

θ'i=θiPi " " " " " （8）

式中：θ'i為原始的閥門開度。

1.2.2 熱水循環(huán)泵的調(diào)頻

在二次網(wǎng)輸配系統(tǒng)中，熱水循環(huán)泵是耗能大戶，用于向各建筑物的熱輻射終端提供熱水，從換熱站向用戶進行熱輸送。熱水循環(huán)泵的操作限制主要是為了保障設(shè)備的安全性，也是為了給供暖用戶提供熱水的流量與揚程。二次網(wǎng)水量的調(diào)整是由熱水循環(huán)泵的運轉(zhuǎn)頻率決定的，因此需要把以上內(nèi)容轉(zhuǎn)換成熱水循環(huán)泵的操作頻率調(diào)整，如公式（9）所示。

fmin≤f ≤ fmax" " " " " （9）

式中：fmin表示為熱水循環(huán)泵最低工作頻率；fmax表示為熱水循環(huán)泵最高工作頻率。

1.3 建立集中供熱二次網(wǎng)隸屬度函數(shù)

上述確定集中供熱二次網(wǎng)的調(diào)節(jié)規(guī)則中涉及供暖系統(tǒng)中的水力平衡調(diào)整、熱水循環(huán)泵的調(diào)頻等，其中的變量，如支路流量、室內(nèi)外溫度等都是連續(xù)變化的，其因素和過程也是連續(xù)的，但供暖系統(tǒng)中的關(guān)系具有非線性，因此考慮選擇連續(xù)型、非線性的高斯型隸屬度函數(shù)來描述這些內(nèi)容。

設(shè)定2個變量d和?d，其中d表示二次網(wǎng)流量與設(shè)定流量的偏差，?d表示二次網(wǎng)流量與設(shè)定流量的偏差變化率。建立集中供熱二次網(wǎng)的高斯型隸屬度函數(shù)，如公式（10）所示。

（10）

式中：Y為集中供熱二次網(wǎng)隸屬度函數(shù)；ε為偏差值；ε1為偏差變化率；[a，b，c，e，f]為向量子集；t為時間。

1.4 自動調(diào)節(jié)集中供熱二次網(wǎng)

自動調(diào)節(jié)集中供熱二次網(wǎng)在調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)模糊情況。根據(jù)上述建立集中供熱二次網(wǎng)隸屬度函數(shù)設(shè)定預(yù)設(shè)因子。預(yù)設(shè)因子可以根據(jù)實際情況進行調(diào)整，以適應(yīng)不同的供熱需求和環(huán)境條件。通過調(diào)整預(yù)設(shè)因子可以改變隸屬度函數(shù)的形狀和權(quán)重分配，從而實現(xiàn)對集中供熱二次網(wǎng)的精細調(diào)節(jié)，以更好地調(diào)節(jié)集中供熱二次網(wǎng)的權(quán)重，避免設(shè)定預(yù)設(shè)因子導(dǎo)致調(diào)節(jié)結(jié)果發(fā)生變化，以此獲取集中供熱二次網(wǎng)的權(quán)重，過程如公式（11）所示。

（11）

得到權(quán)值后，計算自動調(diào)節(jié)估計式，如公式（12）所示。

（12）

式中：H為預(yù)設(shè)因子；g為數(shù)據(jù)個數(shù)；η為速率。

對自動調(diào)節(jié)估計式進行匹配，最終得到自動調(diào)節(jié)集中供熱二次網(wǎng)的公式，如公式（13）所示。

（13）

式中：R為自動調(diào)節(jié)估計式；q為權(quán)值；e為種類。

通過上述計算完成自動調(diào)節(jié)集中供熱二次網(wǎng)，最終確立以用戶室溫為調(diào)控目標的集中供熱二次網(wǎng)自動調(diào)節(jié)方法。

2 試驗論證

本文通過對比試驗來比較3種不同集中供熱二次網(wǎng)自動調(diào)節(jié)方法（本文集中供熱二次網(wǎng)自動調(diào)節(jié)方法、傳統(tǒng)集中供熱二次網(wǎng)自動調(diào)節(jié)方法1和傳統(tǒng)集中供熱二次網(wǎng)自動調(diào)節(jié)方法2）的節(jié)能效果。

2.1 試驗準備

本文搭建了一個實驗平臺。選擇10個具有代表性的住宅小區(qū)用戶室溫，保證10個用戶室溫環(huán)境和供熱面積均相同，供熱二次網(wǎng)正常運行。將每個用戶視為一個支路，含有熱表和電動閥門，以控制供暖流量。為了保證試驗的準確性和可比較性，試驗環(huán)境和參數(shù)均保持一致。采用計算機模擬仿真技術(shù)，將數(shù)據(jù)分別輸入本文開發(fā)的集中供熱二次網(wǎng)自動調(diào)節(jié)方法和傳統(tǒng)集中供熱二次網(wǎng)自動調(diào)節(jié)方法中，進行對比試驗。為保證試驗結(jié)果客觀、準確，將調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置為相同，以避免其他因素的影響。

2.2 試驗結(jié)果分析與結(jié)論

基于本文研究的方法和對比方法，以支路水力平衡控制為關(guān)鍵指標驗證方法的有效性，結(jié)果如圖1所示。

分析圖1可知，對于不同支路上的熱表調(diào)節(jié)，本文方法能夠保持較低的水力平衡偏差度，平均為4.8%，遠低于其他方法。主要原因是本文方法將支路水力平衡視為供熱二次網(wǎng)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵，對其阻力、流量進行分析，通過隸屬度分析降低了計算誤差，從而實現(xiàn)了閥門的精確控制。

進一步驗證集中供熱二次網(wǎng)自動調(diào)節(jié)的效果。以用戶室溫為調(diào)控目標，也即本次試驗的驗證指標。檢驗控制效果如圖2所示。

分析圖2可知，在未進行調(diào)控前，用戶室內(nèi)溫度不穩(wěn)定，最大相差約4.8℃。經(jīng)本文方法調(diào)控后，用戶室內(nèi)溫度穩(wěn)定在[20.5，22.3]℃，最大溫差為1.8℃。而其他方法的室內(nèi)溫度控制效果遠不及本文方法。

設(shè)定供熱二次網(wǎng)的原始節(jié)能率為10.8%，以此測試上述3種方法的供熱二次網(wǎng)節(jié)能效果，測試結(jié)果見表1。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)進行深入的分析和比較。在相同的室內(nèi)、室外環(huán)境和供熱面積條件下，本文供熱方法累積供熱量較高，為6600kW·h·d-1，與傳統(tǒng)集中供熱二次網(wǎng)自動調(diào)節(jié)方法1、2相比，該數(shù)值分別高出約22%和33%。該結(jié)果表明，本文所提方法的供熱效率明顯高于其他2種方法。此外，本文所提方法的能耗僅15W·m-2，比傳統(tǒng)集中供熱二次網(wǎng)自動調(diào)節(jié)方法1、2的能耗低。方法1的能耗為25W·m-2，方法2的能耗為20W·m-2。因此，在能源消耗方面，本文所提方法也比其他2種方案有明顯優(yōu)勢。綜合以上數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論：本文提出的以用戶室溫為調(diào)控目標的集中供熱二次網(wǎng)自動調(diào)節(jié)方法在累積供熱量和能耗方面均表現(xiàn)出優(yōu)異性能。不僅提高了供熱效率，降低了能源消耗，還實現(xiàn)了更精準的溫度控制。因此，該方法在節(jié)能率和控制性能方面均具有較強優(yōu)勢。

3 結(jié)語

在集中供熱系統(tǒng)中，二次網(wǎng)是連接熱源和用戶的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其自動調(diào)節(jié)方法對保證用戶室溫穩(wěn)定和供熱效率優(yōu)化具有重要意義。本文提出了一種以用戶室溫為調(diào)控目標的集中供熱二次網(wǎng)自動調(diào)節(jié)方法，可實時監(jiān)測用戶室溫，將室溫信息反饋到控制系統(tǒng)，再根據(jù)預(yù)設(shè)的調(diào)節(jié)規(guī)則自動調(diào)整二次網(wǎng)的流量和溫度。該方法不僅可以保證用戶室溫的穩(wěn)定，還可以根據(jù)天氣變化和用戶需求進行動態(tài)調(diào)整。

參考文獻

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