基于PID的室內溫度調控分析

劉進隆 靖新 茍雨馨

摘 要：為了實現熱負荷波動時室內溫度恒定的目的，從而達到節能宜居的要求。本文結合具體房屋圍護結構參數與現行規范確定了室內熱負荷計算方法，根據暖氣片散熱量建立室內動態熱平衡方程，搭建室內溫度PID控制系統。仿真結果顯示，通過每小時調節供暖系統水流量，所研究的房間溫度將在11小時左右達到期望值20℃并穩定維持，降低了供暖能耗。

關鍵詞：熱負荷，動態熱平衡方程，PID控制

Abstract： In order to achieve a constant indoor temperature when the thermal load fluctuates， so as to achieve the purpose of energy saving and livability. In this paper， the calculation method of indoor heat load is determined based on the parameters of the specific house enclosure structure and the current specifications， the indoor dynamic heat balance equation is established according to the heat dissipation of the radiator， and the indoor temperature PID control system is built. The simulation results show that by adjusting the water flow rate of the heating system every hour， the temperature of the room studied will reach the desired value of 20°C in about 11 hours and be maintained stably， reducing heating energy consumption.

Key words： heat load， dynamic heat balance equation， PID control

0 ?引言

建筑的節能減排是“十三五”期間城鎮能耗強度雙控的重要組成部分[1]，我國冬季北方地區集中供熱能耗已占建筑能耗的50%～60%[2]，降低供熱能耗是實現綠色建筑的重要途徑。

那威[3]等使用樸素貝葉斯模型對北方城鎮集中供暖能耗的實證分析表明城市供熱能耗強度正相關于城市供暖區域室外平均溫暖。張亞紅[4]等人根據室外溫度確定最大熱負荷以及曹鈞亮[5]等人室外氣候分布下對建筑冷熱負荷影響的研究結果顯示冬季熱負荷隨室外溫度的降低而增加。新潔[6]通過RBF神經網絡對實測數據的研究表明中低層建筑室外溫度對房屋熱負荷影響程度最大。此外劉曦[7]對室內溫度“歷年平均不滿意天數”的研究在降低能耗的同時，也考慮了冬季室內穩定熱環境的需求。而北方地區大量采用的集中供暖雖然具有平均成本較低，資源利用率高的優點，但由于冬季晝夜溫差導致室內熱負荷波動，集中供暖用戶無法調節溫度，存在以下問題：一是室外溫度較高時室內所需熱負荷較低，集中供暖水流量恒定導致供熱量過高，資源浪費嚴重且容易產生暖氣病。二是室外溫度較低時室內所需熱負荷較高，恒定流量下暖氣片可能無法提供足夠的熱量保證室內溫度維持在理想水平。對此，張麗[8]通過FLUENT數值軟件優化室內散熱器供回水溫度以滿足人居熱環境需求，李田凱[9]指出熱力站智能調控供水溫度可以較好的降低能耗。

在此背景下，筆者以沈陽市某高校一寢室為研究對象，在圍護結構熱負荷及室內動態熱平衡方程建立的基礎上，搭建PID控制系統調節散熱器供水口流量，在維持室內溫度處于期望值左右的同時使得每日總流量降低，從而減少供熱能耗。

1 ?室內熱負荷計算

所研究的房間大小為40平方米，房間高為3米。東西內墻不與室外接觸，長為8米;房間南北外墻與室外接觸，長為5米，南墻有一扇規格為1.8*1.6米的窗。房間采用暖氣片供熱方式，位于南墻，暖氣片長1.8米，高1.2米。將三維問題簡化為二維問題，南北外墻作為圍護結構，南北外墻的耗熱量作為邊界條件。

根據《民用建筑供暖通風與空調設計規范》GB 50736-2012總結可知一個房間的熱負荷計算公式如下：

研究動態熱負荷下室內溫度的調控問題，是為了說明當前集中供暖系統中存在的不足，即集中供暖固定流量會導致資源浪費與用戶舒適度下降。本文具體的研究案例顯示離散型PID控制系統可以較好的減少能源利用并提升舒適度，供暖公司僅需根據當地氣候特點進行集中式每小時改變流量即可提高用戶滿意度并降低供暖成本，具有一定的實際參考價值。

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