以用戶室溫為調控目標的集中供熱二次網自動調節方法

摘 要：傳統集中供熱二次網自動調節方法進行二次網自動調節時缺乏精準的室溫監測和反饋，導致供熱二次網節能效果不佳。因此，本文提出了以用戶室溫為調控目標的集中供熱二次網自動調節方法。選取集中供熱二次網的參數，確定集中供熱二次網的調節規則，根據調節規則建立集中供熱二次網隸屬度函數，最后自動調節集中供熱二次網，從而實現集中供熱二次網自動調節。試驗結果證明，本文方法可降低供熱二次網能耗，提高供熱效率，改善用戶的生活質量。

關鍵詞：用戶室溫；調控目標；集中供熱；二次網；自動調節方法

中圖分類號：G 642" " " 文獻標志碼：A

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

為了解決這些問題，本文提出了一種以用戶室溫為調控目標的集中供熱二次網自動調節方法。該方法可實時監測用戶室溫[2]，將室溫信息反饋到控制系統，然后根據預設的調節規則自動調整二次網的流量和溫度。

1 以用戶室溫為調控目標的集中供熱二次網自動調節方法設計

1.1 選取集中供熱二次網的參數

在集中供熱系統中，二次網是連接熱源和用戶的關鍵部分，其參數的選擇對整個系統的節能效果和運行穩定性具有重要意義。集中供熱二次網的信息包括二次網流量、二次網水溫、二次網壓差以及二次網阻抗[3]，均是集中供熱二次網的參數，會直接影響供熱系統的運行效果和能源消耗。

二次網流量是通過集中供熱系統中的二次網（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?？梢酝ㄟ^公式（1）來計算Q的值。

Q=m×v " " " " " （1）

式中：m為熱媒質量流量，kg/h；v為熱媒體積流量，m3/h。

二次網水溫是集中供熱系統中二次網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為一次網水溫，℃；?T為二次網與一次網的溫差，℃。

壓差是二次網壓差，是集中供熱系統中二次網（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的穩定性和效率?？梢酝ㄟ^公式（3）來計算ΔP的值。

（3）

式中：k為管網阻力系數；W為壓力，Pa；A為管網橫截面積，m2。

二次網阻抗反映了熱能在二次網中的傳輸阻力。為了實現節能，應盡量降低阻抗，以提高熱能傳輸效率。阻抗與管徑、管長有關，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的流量、水溫、壓差和二次網阻抗等關鍵參數達到經濟、環保的目的。

1.2 確定集中供熱二次網的調節規則

根據選取的集中供熱二次網參數確定集中供熱二次網調節規則[4]。集中供熱二次網的調節規則主要包括二級網各支路的水力平衡限制和熱水循環泵的使用頻率限制2個方面。

1.2.1 支路的水力均衡調整

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

（5）

式中：G1為支路設計排水量，m3/h；t為支路內部要求氣溫，℃；t1為室外實際氣溫，℃；t2為室外設計溫度，℃；t3為室內設計溫度，℃；j為最優流量調整因子。

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；ρ為流體的密度；v為流體的流速。

在集中供熱系統中，為了實現支路的水力均衡，需要根據計算出的支路阻力和當前所需流量進行調整。先確定各支路的流量分配比例，再根據該比例調整各支路的閥門開度。假設有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。

根據流量分配比例調整各支路的閥門開度。假設每個支路的閥門開度為θi（i=1，2，...，n），則調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 熱水循環泵的調頻

在二次網輸配系統中，熱水循環泵是耗能大戶，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。熱水循環泵的操作限制主要是為了保障設備的安全性，也是為了給供暖用戶提供熱水的流量與揚程。二次網水量的調整是由熱水循環泵的運轉頻率決定的，因此需要把以上內容轉換成熱水循環泵的操作頻率調整，如公式（9）所示。

fmin≤f ≤ fmax" " " " " （9）

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

1.3 建立集中供熱二次網隸屬度函數

上述確定集中供熱二次網的調節規則中涉及供暖系統中的水力平衡調整、熱水循環泵的調頻等，其中的變量，如支路流量、室內外溫度等都是連續變化的，其因素和過程也是連續的，但供暖系統中的關系具有非線性，因此考慮選擇連續型、非線性的高斯型隸屬度函數來描述這些內容。

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

（10）

式中：Y為集中供熱二次網隸屬度函數；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 自動調節集中供熱二次網

自動調節集中供熱二次網在調節過程中可能會出現模糊情況。根據上述建立集中供熱二次網隸屬度函數設定預設因子。預設因子可以根據實際情況進行調整，以適應不同的供熱需求和環境條件。通過調整預設因子可以改變隸屬度函數的形狀和權重分配，從而實現對集中供熱二次網的精細調節，以更好地調節集中供熱二次網的權重，避免設定預設因子導致調節結果發生變化，以此獲取集中供熱二次網的權重，過程如公式（11）所示。

（11）

得到權值后，計算自動調節估計式，如公式（12）所示。

（12）

式中：H為預設因子；g為數據個數；η為速率。

對自動調節估計式進行匹配，最終得到自動調節集中供熱二次網的公式，如公式（13）所示。

（13）

式中：R為自動調節估計式；q為權值；e為種類。

通過上述計算完成自動調節集中供熱二次網，最終確立以用戶室溫為調控目標的集中供熱二次網自動調節方法。

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自動調節方法（本文集中供熱二次網自動調節方法、傳統集中供熱二次網自動調節方法1和傳統集中供熱二次網自動調節方法2）的節能效果。

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用戶室溫，保證10個用戶室溫環境和供熱面積均相同，供熱二次網正常運行。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，試驗環境和參數均保持一致。采用計算機模擬仿真技術，將數據分別輸入本文開發的集中供熱二次網自動調節方法和傳統集中供熱二次網自動調節方法中，進行對比試驗。為保證試驗結果客觀、準確，將調節參數設置為相同，以避免其他因素的影響。

2.2 試驗結果分析與結論

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鍵指標驗證方法的有效性，結果如圖1所示。

分析圖1可知，對于不同支路上的熱表調節，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調節的關鍵，對其阻力、流量進行分析，通過隸屬度分析降低了計算誤差，從而實現了閥門的精確控制。

進一步驗證集中供熱二次網自動調節的效果。以用戶室溫為調控目標，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，在未進行調控前，用戶室內溫度不穩定，最大相差約4.8℃。經本文方法調控后，用戶室內溫度穩定在[20.5，22.3]℃，最大溫差為1.8℃。而其他方法的室內溫度控制效果遠不及本文方法。

設定供熱二次網的原始節能率為10.8%，以此測試上述3種方法的供熱二次網節能效果，測試結果見表1。

根據表1數據進行深入的分析和比較。在相同的室內、室外環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，與傳統集中供熱二次網自動調節方法1、2相比，該數值分別高出約22%和33%。該結果表明，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，比傳統集中供熱二次網自動調節方法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種方案有明顯優勢。綜合以上數據可以得出結論：本文提出的以用戶室溫為調控目標的集中供熱二次網自動調節方法在累積供熱量和能耗方面均表現出優異性能。不僅提高了供熱效率，降低了能源消耗，還實現了更精準的溫度控制。因此，該方法在節能率和控制性能方面均具有較強優勢。

3 結語

在集中供熱系統中，二次網是連接熱源和用戶的關鍵環節，其自動調節方法對保證用戶室溫穩定和供熱效率優化具有重要意義。本文提出了一種以用戶室溫為調控目標的集中供熱二次網自動調節方法，可實時監測用戶室溫，將室溫信息反饋到控制系統，再根據預設的調節規則自動調整二次網的流量和溫度。該方法不僅可以保證用戶室溫的穩定，還可以根據天氣變化和用戶需求進行動態調整。

參考文獻

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