基于負(fù)荷預(yù)測(cè)的區(qū)域供暖系統(tǒng)控制模型研究

李晉芝 何大四 姜俞龍 李靜

中原工學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院

隨著建筑業(yè)的迅猛發(fā)展，近年來(lái)建筑能耗在社會(huì)總能耗中所占的比例已經(jīng)達(dá)到了27.45%以上[1]，其中北方城鎮(zhèn)的采暖能耗所占比重更是高達(dá)36%。但目前在我國(guó)供暖季過(guò)量供熱的問(wèn)題比較嚴(yán)重，導(dǎo)致我國(guó)建筑的實(shí)際供熱消耗量超出建筑平均需熱量的35%左右，且建筑能耗是同緯度下北歐一些國(guó)家的2～4 倍[2]。針對(duì)熱量供需不匹配的現(xiàn)象，陳路路[3]利用Simulink軟件對(duì)供暖系統(tǒng)進(jìn)行分環(huán)節(jié)建模研究系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的時(shí)間延遲，但整個(gè)系統(tǒng)在室外溫度不變且無(wú)調(diào)節(jié)工況下運(yùn)行，沒(méi)有探究不同調(diào)節(jié)方案下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況。為了更好地指導(dǎo)供暖系統(tǒng)節(jié)能高效運(yùn)行，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者都對(duì)熱負(fù)荷預(yù)測(cè)做出了相關(guān)研究，李思琦[4]等人提出經(jīng)差分進(jìn)化算法優(yōu)化后的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)供熱負(fù)荷建立預(yù)測(cè)模型的方法，張佼[5]通過(guò)分析影響支持向量回歸機(jī)性能表現(xiàn)的參數(shù)，提出了基于遺傳算法優(yōu)化的SVR 供熱負(fù)荷預(yù)測(cè)模型，Martinaitis 等人結(jié)合室外氣象參數(shù)和末端用戶(hù)熱需求，通過(guò)熱負(fù)荷預(yù)測(cè)對(duì)換熱站供熱量進(jìn)行調(diào)控[6,7]，除此之外還有狀態(tài)估計(jì)法、時(shí)間序列法等，均可以達(dá)到預(yù)測(cè)的精度，但機(jī)理、編程復(fù)雜，沒(méi)有在供暖自控系統(tǒng)中得到普遍應(yīng)用。因此非常有必要利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)不同調(diào)節(jié)方案下的供暖系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究，加緊從傳統(tǒng)的粗放式調(diào)節(jié)模式向精益化的調(diào)節(jié)模式轉(zhuǎn)變，從傳統(tǒng)的靜態(tài)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)的適應(yīng)性調(diào)節(jié)，最終降低供暖能耗，提高能源效率。

1 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

以直接連接的區(qū)域供暖系統(tǒng)為例，將整個(gè)系統(tǒng)分為熱源、熱網(wǎng)、散熱器和建筑區(qū)域四部分，以四個(gè)部分的質(zhì)量和能量守恒方程為基礎(chǔ)，利用熱容量質(zhì)點(diǎn)系法建立各部分的數(shù)學(xué)模型。

1.1 鍋爐模型

忽略掉鍋爐向外界的散熱，依據(jù)鍋爐內(nèi)容納的熱水儲(chǔ)熱量等于通過(guò)燃料燃燒供給鍋爐的凈熱量減去加熱補(bǔ)給水與熱網(wǎng)循環(huán)水所需熱量建立數(shù)學(xué)模型如式（1）、（2）所示：

式中：C 為熱容量；T 為溫度；u 為控制參數(shù)；Q 為設(shè)計(jì)熱負(fù)荷；Gfuel,max為鍋爐額定消耗燃料速率；hfuel為燃料熱值；η 為熱效率；cw為水的比熱容；G 為流量；下角標(biāo)boiler 表示鍋爐，makeup 表示補(bǔ)給水，dw 表示熱網(wǎng)，r表示回水。

1.2 熱網(wǎng)模型

假設(shè)管道和保溫材質(zhì)均勻，忽略保溫層蓄熱，依據(jù)存儲(chǔ)在n 管段中的熱量等于上游管段傳送熱量減去n 管段的散熱損失和泄漏損失這一關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型如式（3）：

式中：L 為管段長(zhǎng)度；K 為管段散熱系數(shù)；下角標(biāo)n 表示管段編號(hào)，leak 表示泄漏損失，soil 表示土壤。

1.3 散熱器模型

忽略散熱器管壁的蓄熱及流體的軸向蓄熱，依據(jù)供暖管網(wǎng)供給散熱器的熱量減去散熱器供給房間的熱量等于散熱器內(nèi)熱水獲得的凈熱量建立數(shù)學(xué)模型如式（4）[8]：

式中：q 為散熱量；下角標(biāo)heater 表示散熱器。

1.4 建筑區(qū)域模型

1.4.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型

本文模擬的工程物理模型為四棟居民樓，供暖面積共計(jì)74880 m2。在對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模研究時(shí)，先將每棟建筑內(nèi)的空氣視為一個(gè)溫度節(jié)點(diǎn)，然后分別對(duì)地面、屋頂、墻體進(jìn)行劃分，建立不同材料層的動(dòng)態(tài)平衡方程式及對(duì)應(yīng)仿真模塊，最后綜合考慮建筑向室外的散熱、冷風(fēng)滲透熱損失，得到建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量計(jì)算方程式（5）：

式中：A 為面積，h 為對(duì)流換熱系數(shù)，ρ 為密度，nk為換氣次數(shù)，V 為體積；下角標(biāo)zone 表示仿真區(qū)域，wall、roof、floor 分別表示外墻、屋頂和地面，in 表示室內(nèi)空氣，out 或0 表示室外空氣，glass 表示玻璃，solar 表示太陽(yáng)輻射。

1.4.2 室內(nèi)溫度模型

依據(jù)散熱器提供的熱量加上通過(guò)外窗獲得的太陽(yáng)輻射熱量減去圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量等于室內(nèi)空氣蓄熱量這一等式關(guān)系建立室內(nèi)溫度數(shù)學(xué)模型如式(6)，其中下角標(biāo)z 表示仿真區(qū)域：

1.5 仿真模型建立

在MATLAB/Simulink 軟件環(huán)境下建立上述各部分?jǐn)?shù)學(xué)模型對(duì)應(yīng)的仿真模塊，基于實(shí)際工程物理模型將各模塊進(jìn)行組合與連接，得到整個(gè)區(qū)域供暖系統(tǒng)的仿真模型如圖1 所示：

圖1 區(qū)域供暖系統(tǒng)仿真模型

2 調(diào)節(jié)控制模型

2.1 無(wú)調(diào)節(jié)模型

為了更好地對(duì)比直接連接供暖系統(tǒng)中常規(guī)調(diào)節(jié)方式與基于預(yù)測(cè)方法調(diào)節(jié)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行指導(dǎo)過(guò)程中的能源消耗量，首先建立定流量定供水溫度運(yùn)行方案下的供暖系統(tǒng)仿真模型，即控制燃?xì)庀牧亢拖鄬?duì)流量的參數(shù)uboiler、udw均為定值，以此為基礎(chǔ)，將下述兩種調(diào)節(jié)方案模型的能耗進(jìn)行對(duì)比。

2.2 室外溫度補(bǔ)償調(diào)節(jié)模型

根據(jù)室外空氣溫度來(lái)調(diào)節(jié)熱源處供水溫度是區(qū)域供暖系統(tǒng)熱源處現(xiàn)在常用的供熱量控制方法。采用分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)方式，以室外溫度-5 ℃時(shí)為分界線(xiàn)將循環(huán)水流量分為100%和80%兩個(gè)階段，供回水溫度與室外溫度條件的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2 所示：

圖2 鍋爐房運(yùn)行溫度曲線(xiàn)圖

2.3 基于負(fù)荷預(yù)測(cè)的調(diào)節(jié)模型

本節(jié)主要引入結(jié)合了未來(lái)4 小時(shí)，前24 小時(shí)以及前25 到48 小時(shí)內(nèi)三個(gè)時(shí)間段平均溫度的綜合室外溫度tw,i,e，基于最小二乘法得到建筑熱負(fù)荷與綜合室外溫度的線(xiàn)性關(guān)系[9]，利用數(shù)據(jù)挖掘得到的結(jié)果提前調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù)，旨在得出適合工程實(shí)際應(yīng)用簡(jiǎn)便易操作的運(yùn)行調(diào)節(jié)方案。最終得到綜合室外溫度和預(yù)測(cè)供熱負(fù)荷表達(dá)式為：

式中：tw,i-n為三個(gè)時(shí)間段對(duì)應(yīng)的平均溫度，Qi為預(yù)測(cè)負(fù)荷。在運(yùn)行調(diào)節(jié)中，把室內(nèi)供暖設(shè)計(jì)溫度代入式（8）中便可得到設(shè)計(jì)供暖熱負(fù)荷Q'，預(yù)測(cè)負(fù)荷與設(shè)計(jì)負(fù)荷之比即為相對(duì)熱負(fù)荷比，且滿(mǎn)足等式（9）：

最后選擇使用一種修正的質(zhì)量綜合調(diào)節(jié)方式[10]，即在熱負(fù)荷較大時(shí)為量調(diào)節(jié)，熱負(fù)荷較小時(shí)為質(zhì)調(diào)節(jié)，結(jié)合上式及調(diào)節(jié)策略可以得到熱網(wǎng)運(yùn)行調(diào)節(jié)曲線(xiàn)如圖3，在調(diào)節(jié)過(guò)程中，根據(jù)計(jì)算出的負(fù)荷比對(duì)未來(lái)四小時(shí)的供熱參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，就可以提前做出調(diào)節(jié)動(dòng)作，從而抵消掉由于系統(tǒng)的大滯后和延遲帶來(lái)的供需不匹配的問(wèn)題。

圖3 質(zhì)量綜合調(diào)節(jié)曲線(xiàn)

3 仿真結(jié)果與分析

運(yùn)行各調(diào)節(jié)方案下的仿真模塊，觀察室內(nèi)溫度波動(dòng)情況對(duì)比如圖4：

圖4 三種調(diào)節(jié)方案下的室內(nèi)溫度響應(yīng)情況

觀察可得，在負(fù)荷預(yù)測(cè)模塊提前對(duì)供暖系統(tǒng)做出指導(dǎo)調(diào)節(jié)動(dòng)作的前提下，室內(nèi)溫度響應(yīng)曲線(xiàn)波動(dòng)范圍縮小到了20±1 ℃，相較于常規(guī)調(diào)節(jié)方式，距離室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度的上下浮動(dòng)值減小了1.5 ℃，極大改善了控制效果。

假設(shè)水力工況平衡，則說(shuō)明利用改進(jìn)后的質(zhì)量-流量調(diào)節(jié)方式所建立的供熱負(fù)荷預(yù)測(cè)模型對(duì)區(qū)域供暖系統(tǒng)進(jìn)行控制的效果是比較理想的。為了進(jìn)一步探究此方案的節(jié)能性，建立鍋爐燃料消耗量計(jì)算模塊和管網(wǎng)循環(huán)水泵耗電量計(jì)算模塊，觀察供暖季運(yùn)行過(guò)程中的能耗變化情況如圖5 所示：

圖5 供暖季能耗對(duì)比情況

由整個(gè)供暖季內(nèi)鍋爐和水泵的能耗統(tǒng)計(jì)對(duì)比圖可以看出，方案三中鍋爐的總耗氣量和水泵的耗電量變化均比較大，將三個(gè)方案供暖季的總能耗進(jìn)行計(jì)算，折算成標(biāo)準(zhǔn)煤進(jìn)行比較結(jié)果如表1 所示：

表1 整個(gè)供暖季能耗模擬結(jié)果

通過(guò)計(jì)算結(jié)果可知，采用基于負(fù)荷預(yù)測(cè)調(diào)節(jié)方式整個(gè)供暖季的總能耗為1230.75t 標(biāo)準(zhǔn)煤，相比方案一節(jié)能率為29.53%，相比于方案二節(jié)能率為14.54%。

4 結(jié)語(yǔ)

本文引入基于數(shù)據(jù)挖掘機(jī)理的供熱負(fù)荷預(yù)測(cè)方法簡(jiǎn)單，且經(jīng)模擬發(fā)現(xiàn)可以達(dá)到較為理想的調(diào)節(jié)效果。基于建立的整個(gè)供暖系統(tǒng)仿真模型，代入不同調(diào)節(jié)方案運(yùn)行后得出，整個(gè)供暖季中本所采用的負(fù)荷預(yù)測(cè)調(diào)節(jié)方式相較于定流量定供水溫度調(diào)節(jié)方式節(jié)能率可達(dá)29.53%，相較于常規(guī)調(diào)節(jié)方式節(jié)能率可達(dá)14.54%。