分時分溫控制技術研究及應用

王全昌 侯超凡 衛(wèi)大（大慶油田礦區(qū)服務事業(yè)部外圍物業(yè)管理公司）

大慶油田礦區(qū)服務事業(yè)部承擔的供熱面積約2 698×104m2，包括學校、商場、體育館、辦公樓等公共建筑1 121.24×104m2。公共建筑普遍采用24 h供暖方式，非用熱時間也進行滿負荷供熱，存在一定的節(jié)能潛力，精細化供熱管理延伸至公共建筑是可行且必要的。

1 現(xiàn)狀

公共建筑因其特有的用熱規(guī)律本應采用間歇供暖調節(jié)方案，實現(xiàn)用熱與供熱的協(xié)調，尤其在公休日和節(jié)假日期間只需保證值班采暖溫度即可。目前未實行間歇供暖調節(jié)方案的原因有兩點：由于集中供暖各建筑物用熱時間和熱量及其持續(xù)時間不同，現(xiàn)行供熱系統(tǒng)不具備單體建筑自動調控能力，間歇供暖難以實現(xiàn);現(xiàn)行的調控方法多為定性或經(jīng)驗的滯后調節(jié)，利用室外溫度確定供熱溫度，依據(jù)回水溫度進行反饋控制。這種不考慮維護結構保溫性能和維護結構蓄熱延遲性的傳統(tǒng)調節(jié)方式，難免造成熱用戶的供熱量跟不上室外天氣變化的步伐，使熱用戶熱舒適性欠佳。因此，提出了公共建筑的分時分溫供熱調節(jié)控制，使公共建筑系統(tǒng)具備自主調控能力。根據(jù)熱用戶的用熱情況，動態(tài)調整流量分配，只給公共建筑（如辦公樓）中當時需要采暖時間供暖，其他時間暫時降低供暖參數(shù)。在節(jié)約熱量的同時，可進一步滿足熱用戶對熱舒適性的要求。

2 技術難點

1）維護結構控溫時滯性研究。不同的建筑具有不同的維護結構，降溫與升溫的速度也不同，如何保證升溫、降溫時間，在滿足用戶用熱的前提下達到節(jié)能的目的是研究的技術難點。

2）自動控制方法。以閥門開度作為輸出，以室內(nèi)溫度作為控制目標，以目標溫度與室內(nèi)溫度差值作為反饋?？刂七^程中大時滯的特點非常明顯，常用的PID控制方法控制該系統(tǒng)存在明顯的不足，如何改進PID是研究的技術難點。

3 技術方案

總體思路：研究多點室溫采集技術，并建立數(shù)據(jù)庫，為分析建筑維護結構的熱惰性提供數(shù)據(jù)支持；分析該建筑溫度變化數(shù)據(jù)，擬合出隨時間變化的室溫變化曲線，開展維護結構控溫時滯性研究，為研究供熱調控方案奠定基礎；研究制定不同時間段的供熱調控方案；開展樓宇熱平衡研究，保證未實施分時分溫控制的建筑正常供暖。

3.1 工藝流程

管道構建部分是在公共建筑樓前的回水管路上安裝電動調節(jié)閥（圖1）。

數(shù)據(jù)采集部分是在供、回水管線上安裝PT100熱電阻溫度變送器采集供、回水溫度，在公共建筑內(nèi)安裝室內(nèi)溫度采集器，同時將供、回水溫度信號、電動閥開度信號及室內(nèi)溫度信號接入現(xiàn)場控制器。

自動控制部分是在公共建筑內(nèi)安裝分時分溫現(xiàn)場控制器，將采集來的模擬量信號轉變成數(shù)字量信號，內(nèi)設的嵌入式軟件將采集來的數(shù)據(jù)與設定值對比分析，輸出4～20 mA電流信號控制電動閥開度，執(zhí)行控制策略，控制室內(nèi)溫度。

圖1 分時分溫控制系統(tǒng)工藝

3.2 室內(nèi)多點測溫技術

在每棟公共建筑內(nèi)安裝3個室溫遠傳采集器，分別測量不同位置的溫度值，將溫度數(shù)據(jù)傳送分時分溫控制器。對控制器內(nèi)軟件進行編程，將溫度信號做有效的平均計算，計算結果作為控制器調控依據(jù)。

由表1可知：體操房、食堂等建筑室內(nèi)空間較大，采取三面墻體表面測溫取平均值的方式，客觀地反映室內(nèi)溫度情況；教學樓、辦公樓等建筑的房間數(shù)量較多，室內(nèi)空間較小，采取分樓層多點測溫方式，反映樓內(nèi)整體供熱效果。項目組在杏南供熱分公司辦公樓試點，選取了熱水入樓房間、出樓前房間及中間房間的多點測溫方式，反映出樓內(nèi)供熱平衡狀況。通過試驗觀測，根據(jù)建筑物實際情況選取的不同的測溫方案能夠客觀真實地反映每座建筑的供暖情況，為分時控溫提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

3.3 維護結構控溫時滯性研究

通過實時采集室內(nèi)溫度、室外溫度及電動閥開度等數(shù)據(jù)，建立歷史數(shù)據(jù)庫。擬合電動閥不同開度狀態(tài)下室內(nèi)溫度與室外溫度的變化規(guī)律曲線，找到公共建筑維護結構控溫時滯性規(guī)律，確定相似條件下建筑室內(nèi)控溫隨室外溫度變化的延遲時間；并以此為依據(jù)，作為工作模式與節(jié)能模式切換的超前時間，在供熱調節(jié)上給予時間修正，對電動閥進行前饋調節(jié)，避免下班后預定時間內(nèi)溫度降不下去、上班前溫度升不上來的情況發(fā)生。同時，實時采集模式切換后的室外溫度、室內(nèi)溫度及電動閥開度等數(shù)據(jù)，建立自學習自尋優(yōu)的降溫（升溫）調節(jié)模式。

以杏南供熱分公司辦公樓為例，2012年11月10日至11日，夜間最低氣溫-3℃。數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)如表2所示，分時分溫調節(jié)曲線如圖2所示。

節(jié)能模式工作起始時間可定于15點左右，采取緩慢降溫方式，17點左右采取快速降溫方式，分階段設定調控目標，直至達到節(jié)能目標溫度。降溫所需時間長，升溫所需時間短，體育館等建筑降溫稍快一些，辦公室降溫稍慢，升溫的時間大致相同。系統(tǒng)為各個建筑記錄大量的控制結果數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)庫為下一步自尋優(yōu)控制奠定基礎。

3.4 分時分溫控制方法研究

由于建筑物的蓄熱性，使得該系統(tǒng)成為了一個大時滯系統(tǒng)，項目組試驗應用了PID控制（圖3），控制目標曲線與控制結果曲線相互纏繞，電動閥劇烈、頻繁跳動，對電動閥的使用壽命產(chǎn)生不利影響。由此看出，PID控制效果不夠穩(wěn)定，超調量較大，振蕩頻繁，收斂速度慢，顯現(xiàn)出PID控制對大時滯系統(tǒng)控制的不足，需加以改進。

表1 公共建筑測溫點的安裝明細

表2 杏南供熱分公司分時分溫數(shù)據(jù)庫

在外圍物業(yè)試驗點應用了自學習、自適應的控制方法改進PID控制（圖4），收到了較好的控制效果。改進PID控制方法：建立自學習數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫包含室外溫度、室內(nèi)溫度、閥門開度、供水溫度等實時數(shù)據(jù)；在極值動態(tài)尋優(yōu)的過程中，為加速PID在線整定速度，解決最小均方(LMS)算法（梯度最速下降方法）的穩(wěn)定性以及收斂速度和穩(wěn)態(tài)誤差之間的矛盾，擬采用復數(shù)型自適應變步長的LMS算法，它的權系數(shù)的調整取決于誤差曲面在新權值點上的梯度，達到收斂速度快、魯棒穩(wěn)定性且運算小的目的。

用自學習、自適應的算法改進后的PID控制效果比較理想，曲線形狀優(yōu)良，電動閥除開始降溫和開始升溫時開度變化較大，其他時間運行平穩(wěn)，說明控制比較精準。

3.5 運行模式

將整個供暖期間的每一天分成幾個時間段，不同的時間段采用不同的參數(shù)設置，各個時間段的起始點都可以根據(jù)實際情況進行修改。通過液晶操作面板或監(jiān)控中心上位機軟件進行設定。

工作模式：是指用于每周工作日上班時的運行模式（表3）。運行人員設定樓內(nèi)所需要供暖時間（如7時至18時）和供暖溫度（如20℃），在此段時間內(nèi)閥門打開進行供暖，使樓內(nèi)達到預設溫度。

表3 工作模式常規(guī)運行時刻

圖2 杏南供熱分公司辦公樓分時分溫調節(jié)曲線

圖3 單一PID調節(jié)曲線

圖4 改進PID調節(jié)曲線

節(jié)能模式：是指用于每周工作日下班時的運行模式（表4）。當下班后樓內(nèi)無人時，如16時后，閥門關??；當樓內(nèi)溫度達到預設節(jié)能溫度8℃時，按維持當前溫度調節(jié)供熱量，直至第二天5時再提高供熱量，恢復工作溫度。為防止意外凍壞管路及防止樓內(nèi)溫度過低現(xiàn)象發(fā)生，設定下限溫度7℃，啟動系統(tǒng)自動保護式升溫。

節(jié)假日模式：節(jié)假日無人使用時，結合室外溫度及公共建筑熱力入口供、回水溫度，分時段修正閥門開度，保持建筑物內(nèi)達到值班溫度即可，全天處于節(jié)能狀態(tài)。另外，還可以直接按照不同的時間段手動給定室內(nèi)目標溫度或電動調節(jié)閥的開度，手動調節(jié)熱量。

表4 節(jié)能模式常規(guī)運行時刻

4 樓宇熱平衡研究

公共建筑在夜間或節(jié)假日流量下調后，如不采取有效措施，部分流量勢必重新分配到住宅樓等非公共建筑內(nèi)，導致二次網(wǎng)熱量的重新分配。這將打破樓宇間的熱平衡，致使其他建筑夜間及節(jié)假日過熱，散熱損失增加，節(jié)能降耗收效甚微。

因此，要把供熱運行建立在計算機統(tǒng)一采集公共建筑運行參數(shù)、統(tǒng)一分析供熱平衡效果、統(tǒng)一管理平衡控制和統(tǒng)一規(guī)劃供熱量指揮熱力站及熱源運行的現(xiàn)代科學供熱技術的基礎之上。在熱力站乃至鍋爐房熱量輸配及生產(chǎn)上集中規(guī)劃，實時調節(jié)熱力站支線泵運行流量，維持樓宇的熱平衡。

在熱力站熱量分配上，適時調整該公共建筑所在熱力站的總熱量，根據(jù)控溫情況換算出該站的熱負荷，提前減小或增加該熱力站總熱量。

同時，在該熱力站支線的熱量分配上，保證其他分支正常獲取熱量，調整該公共建筑所在分支熱量，即調整該支線循環(huán)總流量。

5 適用性分析

該技術可實現(xiàn)建筑的分時分溫控制以達到節(jié)能目的，但對公共建筑的熱量調控方式為整棟樓的集中調節(jié)，目前尚不能解決對值班值宿房間的熱量補償；且與樓前混水系統(tǒng)存在一定差別，無法解決一些垂直失調嚴重的公共建筑供熱調節(jié)問題。

6 結論

分時分溫控制系統(tǒng)采用集散控制技術將整個供暖系統(tǒng)中熱源、熱力站變頻泵和公共建筑供熱負荷分時段控制集成為一個實時在線監(jiān)控系統(tǒng)，在提高熱源運行效率的同時，實現(xiàn)了公共建筑的分時分溫供熱控制；并根據(jù)供熱負荷的變化實時調節(jié)熱源、熱力站熱量輸出。在保證供暖質量的前提下，實現(xiàn)了整個供暖系統(tǒng)的整體優(yōu)化節(jié)能。僅從降低公共建筑非用熱時間供暖參數(shù)一項測算，節(jié)能率就可達11.6%。