CN111102646A - 基于数据驱动的智能气候补偿方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请实施方式公开了一种基于数据驱动的智能气候补偿方法及装置，其中，气候补偿方法包括：获取当前时刻对应的室内温度数据、室外温度数据、室外综合气象因素数据和供水实测温度；根据所述当前时刻对应的室内温度数据、所述室外温度数据、所述室外综合气象因素数据以及供热曲线来确定理论供水温度；其中，所述供热曲线是历史供热季采集到的供热数据、光照辐射能变化与室外温度数据变化之间的关系、风力变化与室外温度数据变化之间的关系确定；根据所述理论供水温度和所述供水实测温度之间的差异来调节电动阀在当前时刻对应的阀口开度。

Description

基于数据驱动的智能气候补偿方法及装置

技术领域

本申请涉及供热技术领域，尤其涉及一种基于数据驱动的智能气候补偿方法及装置。

背景技术

我国北方冬季采暖主要以集中供热为主，目前现行的集中供热大多是以热源厂、电厂抽气取热等方式为热源，利用热水或热蒸汽为热媒传送热量，在城市地下铺设环状或枝状一次供热管网，通过热力站进行热交换给二次供热管网，最终连接各个用户的采暖设备。然而，目前的集中供热系统由于自动化水平的限制，存在供热品质差、室温冷热不平衡、能量浪费严重、系统供热效率低等方面的问题。因此，科学地监控集中供热系统是行业亟需解决的问题。

由于换热站运行控制的好坏会直接影响集中供热品质，而气候补偿处理器可以有效的解决集中供热系统中换热站处的控制和管理问题。如图1所示，为气候补偿处理器原理示意图。气候补偿处理器是一种安装在供热系统换热站处的节能自动控制器。气候补偿处理器根据室外温度的高低和供暖热用户对室内温度的要求，自动调节一次网电动调节阀的开度来实时调节进入换热站的热水流量，进而控制二次网的供水温度。因此，实现二次网温度随室外温度的高低而变化的自动补偿，目的是使热用户的室内温度保持在一个设定的范围内，避免产生室内温度过高或过低的现象，这样不仅节约了能源，又有利于热用户的身体健康。

现阶段在供热系统中采用气候补偿处理器节约了一定能源，然而市面上的气候补偿处理器仍存在以下不足：

(1)目前市面上的气候补偿处理器大部分是设定了几条室外温度与二次供水温度之间的曲线公式(或表格)，供使用者挑选。然而只设定几条曲线控制精度较为粗糙，没有结合用户的具体工况和实际的天气，通常会造成能源的浪费和室内温度的波动。

(2)气候补偿处理器使用过程中，依赖于使用者的经验选择供热曲线。经验需要积累，气候是在不断变化的，今年的经验明年未必能用。从我国的实际情况来看，经济发达地区即使供热站员工技术素质较高，气候补偿处理器的使用效果并不好；而经济欠发达地区，则几乎气候补偿处理器未使用或未被正常使用。

(3)除室外温度外，室内温度、光照辐射、风力等气象因素同样对二次网供水温度有较大的影响，而当前的气候补偿处理器没有考虑这些影响因素。

发明内容

鉴于此，本申请提供一种基于数据驱动的智能气候补偿方法及装置，引入风力、辐射能等气象因素，将风力、辐射能等效转化为室外温度的变化，可以使得供温曲线更加精准、室内温度波动更平稳。

为实现上述目的，本申请实施方式提供一种基于数据驱动的智能气候补偿方法，包括：

获取当前时刻对应的室内温度数据、室外温度数据、室外综合气象因素数据和供水实测温度；

根据所述当前时刻对应的室内温度数据、所述室外温度数据、所述室外综合气象因素数据以及供热曲线来确定理论供水温度；其中，所述供热曲线是历史供热季采集到的供热数据、光照辐射能变化与室外温度数据变化之间的关系、风力变化与室外温度数据变化之间的关系确定；

根据所述理论供水温度和所述供水实测温度之间的差异来调节电动阀在当前时刻对应的阀口开度。

可选地，所述供热曲线确定步骤包括：

获取所述历史供热季采集到的供热数据集；其中，所述供热数据集包括室内温度数据、室外温度数据、换热站供水出站温度数据；

根据能量守恒方程，获得室内温度数据与室外温度数据、换热站供水温度数据之间的线性关系式；

根据室内温度数据与室外温度数据、换热站供水温度数据之间的线性关系式，添加光照辐射能变化与室外温度数据变化之间的关系、风力变化与室外温度数据变化之间的关系；获得供热曲线。

可选地，所述光照辐射能变化与室外温度数据变化之间的关系的确定步骤包括：

从所述供热数据集中获得换热站供水出站温度数据和风力均相同的情况下相邻时间点对应室外温度数据和光照辐射能；

根据所述换热站供水出站温度数据和风力均相同的情况下相邻时间点对应室外温度数据和光照辐射能拟合获得光照辐射能变化与室外温度数据变化之间的关系。

可选地，所述风力变化与室外温度数据变化之间的关系的确定步骤包括：

从所述供热数据集中获得换热站供水出站温度数据和光照辐射能均相同的情况下相邻时间点对应室外温度数据和风力；

根据所述换热站供水出站温度数据和光照辐射能均相同的情况下相邻时间点对应室外温度数据和风力拟合获得风力变化与室外温度数据变化之间的关系。

可选地，所述室外综合气象因素数据包括：光照辐射能、风力。

为实现上述目的，本申请实施方式提供一种基于数据驱动的气候补偿装置，所述装置包括温度传感器、电动阀、室外综合气象因素传感器、无线通信模块、气候补偿处理器；其中，

所述温度传感器，用于获得当前时刻对应的供水实测温度数据、室内温度数据和室外温度数据；

所述室外综合气象因素传感器，用于获得当前时刻对应的室外综合气象因素数据；其中，所述室外综合气象因素数据包括风力和光照辐射能；

所述无线通信模块，用于将供水实测温度数据、室内温度数据、室外温度数据、风能和光照辐射能传输至所述气候补偿处理器；

所述气候补偿处理器，用于根据当前时刻对应的室内温度数据、所述室外温度数据、所述室外综合气象因素数据以及供热曲线来确定理论供水温度，根据所述理论供水温度和所述供水实测温度之间的差异来产生控制信号；其中，所述供热曲线是历史供热季采集到的供热数据、光照辐射能变化与室外温度数据变化之间的关系、风力变化与室外温度数据变化之间的关系确定；

所述电动阀，用于根据所述控制信号来调整当前时刻对应的阀口开度。

可选地，所述温度传感器包括供水温度传感器、室内温度传感器、室外温度传感器。

可选地，所述室外综合气象因素传感器包括风力传感器和光照辐射传感器。

可选地，所述无线通信模块分别置于所述温度传感器、所述室外综合气象因素传感器上。

可选地，还包括伺服控制器；其中，

所述伺服控制器，用于根据在控制信号的作用下调整所述电动阀在当前时刻对应的阀口开度。

通过以上技术手段，可以实现以下有益效果：

本技术方案通过热网运行时长期历史数据拟合理论供热曲线，该曲线可以反映实际工况环境下理论供水温度与室内外温度的关系，并将该曲线作为后续供热指导；引入风力、辐射能等气象因素，将风力、辐射能等效转化为室外温度的变化，可以使得供温曲线更加精准、室内温度波动更平稳。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为气候补偿处理器原理示意图；

图2为本申请实施例提出的一种基于数据驱动的智能气候补偿方法流程图；

图3为供热曲线确定流程图；

图4为历史数据集数据抽取示意图；

图5为本申请实施例提出的一种基于数据驱动的智能气候补偿装置示意图；

图6为气候补偿处理器的硬件组成示意图；

图7为气候补偿处理器软件架构设计示意图；

图8为气候补偿处理器的软件流程图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

目前市面上的气候补偿处理器只能提供几条经验性供热曲线，供热曲线反映室外温度与理论供水温度之间的关系，供用户选取。这种供热方式没有结合用户的具体工况和实际的天气，并且对操作人员技术经验要求较高，通常会造成供热不精细化、不经济化的结果。本专利提出一种基于数据驱动的气候补偿算法，通过热网运行时长期历史数据拟合理论供热曲线，该曲线可以反映实际工况环境下理论供水温度与气象因素的关系，作为后续供热指导。另外，目前市面上的气候补偿处理器只考虑室外温度对供水温度的影响，而室内温度、光照辐射、风力等气象因素同样对二次网供水温度有较大的影响。本技术方案引入风力、辐射能等气象因素，将风力、辐射能等效转化为室外温度的变化，可以使得供温曲线更加精准、室内温度波动更平稳。

基于上述描述，如图2所示，为本申请实施例提出的一种基于数据驱动的智能气候补偿方法流程图。包括：

步骤201)：获取当前时刻对应的室内温度数据、室外温度数据、室外综合气象因素数据和供水实测温度。

步骤202)：根据所述当前时刻对应的室内温度数据、所述室外温度数据、所述室外综合气象因素数据以及供热曲线来确定理论供水温度；其中，所述供热曲线是历史供热季采集到的供热数据、光照辐射能变化与室外温度数据变化之间的关系、风力变化与室外温度数据变化之间的关系确定。

如图3所示，为供热曲线确定流程图。包括：

步骤a)：获取所述历史供热季采集到的供热数据集；其中，所述供热数据集包括室内温度数据、室外温度数据、换热站供水出站温度数据。

在本实施例中，历史数据存储格式：每条数据包含[供水温度、室内温度、室外温度、辐射能、风力]。

步骤b)：根据能量守恒方程，获得室内温度数据与室外温度数据、换热站供水温度数据之间的线性关系式。

在实际中，供热系统包含热源、换热站、管网、用户，对供热系统建立能量守恒方程，并通过推倒可以得到室内温度与室外温度、换热站供水温度之间的线性关系式，见公式(1)：

T_i＝k₁·T_s+k₂·T_o (1)

式中，T_i为室内温度，T_o为室外温度，T_s为换热站供水出站温度，k₁、k₂为公式系数，该系数与实际供热环境中的换热面积、换热系数、比热容等相关。在传统气候补偿方法中，k₁、k₂由理论公式计算，或根据经验给出粗略估算公式。在本技术方案中，根据历史供热季采集到的T_i、T_o、T_s数据，通过最小二乘法拟合供热曲线。

步骤c)：根据室内温度数据与室外温度数据、换热站供水温度数据之间的线性关系式，添加光照辐射能变化与室外温度数据变化之间的关系、风力变化与室外温度数据变化之间的关系，获得供热曲线。

除室外温度外，自然风、太阳辐射等气象因素也对热网热负荷产生影响，传统的气候补偿处理器只考虑室外温度，通过自然风以及太阳辐射对室外温度做修正可以使得拟合曲线更精准。自然风、太阳辐射等气象因素与热负荷之间既存在线性关系也存在非线性关系，为了更恰当的反映热负荷的变化趋势，本技术方案中，提出将自然风、太阳辐射等效为室外温度的方法。

采用控制变量的方法估算辐射能的等效温度变化，如图4所示，从所述供热数据集中获得换热站供水出站温度数据和风力均相同的情况下相邻时间点对应室外温度数据和光照辐射能；从所述供热数据集中获得换热站供水出站温度数据和光照辐射能均相同的情况下相邻时间点对应室外温度数据和风力。采用最小二乘法拟合辐射能变化与室外温度变化之间的关系，得到公式(2)。

ΔT_or＝f₁(ΔR) (2)

式中，ΔT_or为由辐射能变化等效而来的温度变化，ΔR表示辐射能变化，f₁为辐射能变化与室外温度变化关系式。

同理，抽取供水温度、辐射能数值相同的数据条，求取相邻时间点内的室外温度变化和风力变化值，采用最小二乘法拟合风力变化与室外温度变化之间的关系，得到公式(3)。

ΔT_ow＝f₂(ΔW) (3)

式中，ΔT_ow为由风力变化等效而来的温度变化，ΔW表示风力变化，f₂为风力变化与室外温度变化关系式。

构建公式(4)得到室内温度与供水温度、室外综合气象因素之间的关系。因此通过室内温度、室外温度、风力、辐射传感器采集数据可以算出精准的供水温度理论值，作为供热曲线。

T_i＝k₁·T_s+k₂·(T_o+ΔT_or+ΔT_ow) (4)

步骤203)：根据所述理论供水温度和所述供水实测温度之间的差异来调节电动阀在当前时刻对应的阀口开度。

目前市面上的气候补偿处理器只能提供几条经验性供热曲线，供热曲线反映室外温度与理论供水温度之间的关系，供用户选取。这种供热方式没有结合用户的具体工况和实际的天气，并且对操作人员技术经验要求较高，通常会造成供热不精细化、不经济化的结果。本技术方案通过热网运行时长期历史数据拟合理论供热曲线，该曲线可以反映实际工况环境下理论供水温度与室内外温度的关系，并将该曲线作为后续供热指导；引入风力、辐射能等气象因素，将风力、辐射能等效转化为室外温度的变化，可以使得供温曲线更加精准、室内温度波动更平稳。

如图5所示，为本申请实施例提出的一种基于数据驱动的智能气候补偿装置示意图。所述装置包括温度传感器、电动阀、室外综合气象因素传感器、无线通信模块、气候补偿处理器；其中，

所述温度传感器，用于获得当前时刻对应的供水实测温度数据、室内温度数据和室外温度数据。所述室外综合气象因素传感器，用于获得当前时刻对应的室外综合气象因素数据；其中，所述室外综合气象因素数据包括风力和光照辐射能。所述无线通信模块，用于将供水实测温度数据、室内温度数据、室外温度数据、风能和光照辐射能传输至所述气候补偿处理器。所述气候补偿处理器，用于根据当前时刻对应的室内温度数据、所述室外温度数据、所述室外综合气象因素数据以及供热曲线来确定理论供水温度，根据所述理论供水温度和所述供水实测温度之间的差异来产生控制信号；其中，所述供热曲线是历史供热季采集到的供热数据、光照辐射能变化与室外温度数据变化之间的关系、风力变化与室外温度数据变化之间的关系确定。所述电动阀，用于根据所述控制信号来调整当前时刻对应的阀口开度。

智能气候补偿处理器架构基于物联网技术，由于气候补偿处理器安置在换热站内，温度传感器安置在用户生活区，考虑到实际传输距离在1-3km左右，并兼顾高可靠性、低能耗的需求，采用短距离无线通信技术Lora。换热站内，气候补偿处理器与无线通信模块中的Lora主站直连实现无线传输；气候补偿处理器直连供水温度传感器，采集实际供水温度作为反馈；供水温度实测值与理论计算值的偏差用于控制电动阀的阀口开度。用户生活区，安装室内温度传感器、室外温度传感器、室外综合气象因素传感器，这些传感器分别与无线通信模块中的Lora从站直连，无线通信模块实现将传感器采集数据通过无线向气候补偿处理器的传输。传感器与无线通信模块中的Lora从站整体封装，这样模块化设计便于数量扩展和现场布设。Lora从站以预设周期向Lora主站传输数据。

LoRa是semtech公司创建的低功耗局域网无线标准，低功耗一般很难覆盖远距离，远距离一般功耗高，要想马儿不吃草还要跑得远，好像难以办到。LoRa的名字就是远距离无线电(Long Range Radio)，它最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，它在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3-5倍。

在本实施例中，所述温度传感器包括供水温度传感器、室内温度传感器、室外温度传感器。所述室外综合气象因素传感器包括风力传感器和光照辐射传感器。

在实际应用场景中，温度传感器采集二次网供水实际温度，作为控制系统的反馈。如图6所示，为气候补偿处理器的硬件组成示意图。气候补偿处理器包括ARM处理器，电源与复位、时钟、SD卡、LCD触摸屏、网口、USB等基本功能与接口。气候补偿处理器通过串口与Lora主站相连，各种传感器采集的数据采用Modbus-RTU协议传输至ARM处理器，ARM处理器根据当前时刻对应的室内温度数据、所述室外温度数据、所述室外综合气象因素数据以及供热曲线来确定理论供水温度，根据所述理论供水温度和所述供水实测温度之间的差异来产生控制信号。在实现功能方面，ARM处理器将控制信号输入电动阀伺服控制器，控制电动阀的阀口开度。

如图7所示，气候补偿方案实现的软件架构包括硬件层、驱动层、操作系统层、功能模块层、应用层。硬件层由ARM核、存储器、各种接口电路等组成；驱动层包含板载硬件资源正常运行所需要用到的硬件和接口驱动，并提供API给功能模块调用；操作系统层由内核、文件系统、网络系统、电源管理、嵌入式GUI组成，负责系统的任务调度、磁盘和文件的管理；功能模块封装为数据存储模块、通信模块、气候补偿算法模块、PID算法模块、心跳模块，功能模块层包括实现具体功能的函数，提供API给应用层调用，功能模块具体描述如下：

数据存储模块：将供热季传感器采集数据以[供水温度、室内温度、室外温度、辐射能、风力]为一个数据条，实时存储在SD卡，并可以通过USB口拷出历史数据。

通信模块：包含ARM板卡与传感器间基于Lora的无线通讯和ARM板卡与物联网平台基于TCP/IP的通讯。

气候补偿算法模块：基于如图3所示的供热曲线确定方法流程图来执行气候补偿算法。

PID算法模块：对调节电动阀的伺服控制器的控制算法。

心跳模块：定时向各种传感器和ARM处理器发送心跳包，证明各种传感器自身仍在工作状态中。

应用层将各个功能模块进行整合调用，完成整个产品的功能，气候补偿处理器的应用层包含如下：

①控制电动阀实现气候补偿：借助于PID控制算法、气候补偿算法、数据存储模块的大量历史数据，气候补偿处理器实现对阀门开度即二次供水温度的精准控制。

②与物联网平台通讯实现远程监控：将气候补偿处理器接入物联网平台，以实现对供热状态的远程监测与控制。

如图8所示，气候补偿处理器软件程序分别由主线程和气候补偿算法子线程、PID控制子线程、网络通信子线程组成。网络通信线程和PID控制线程无条件开启；气候补偿线程只在有开启指令时开启，定期更新供热曲线。

①主线程：主线程中实现传感器采集数据的接收、解析和存储。

②气候补偿算法线程：实现通过历史数据拟合供热曲线，并在接收到更新指令时更新曲线。

③PID控制线程：实现通过供热曲线和实时传感器采集数据计算理论供水温度，PID控制伺服控制器。

④网络通信线程：实现与物联网平台的数据传输。

本技术方案将提出的气候补偿算法在嵌入式系统中实现，并基于物联网技术实现气象传感器数据的远程无线传输、将气候补偿处理器接入物联网平台实现远程监控，进而实现了气候补偿处理器的智能化。

本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

虽然通过实施方式描绘了本申请，本领域普通技术人员知道，本申请有许多变形和变化而不脱离本申请的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本申请的精神。

Claims (10)

1.一种基于数据驱动的智能气候补偿方法，其特征在于，包括：

获取当前时刻对应的室内温度数据、室外温度数据、室外综合气象因素数据和供水实测温度；

根据所述当前时刻对应的室内温度数据、所述室外温度数据、所述室外综合气象因素数据以及供热曲线来确定理论供水温度；其中，所述供热曲线是历史供热季采集到的供热数据、光照辐射能变化与室外温度数据变化之间的关系、风力变化与室外温度数据变化之间的关系确定；

根据所述理论供水温度和所述供水实测温度之间的差异来调节电动阀在当前时刻对应的阀口开度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述供热曲线确定步骤包括：

获取所述历史供热季采集到的供热数据集；其中，所述供热数据集包括室内温度数据、室外温度数据、换热站供水出站温度数据；

根据能量守恒方程，获得室内温度数据与室外温度数据、换热站供水温度数据之间的线性关系式；

根据室内温度数据与室外温度数据、换热站供水温度数据之间的线性关系式，添加光照辐射能变化与室外温度数据变化之间的关系、风力变化与室外温度数据变化之间的关系；获得供热曲线。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述光照辐射能变化与室外温度数据变化之间的关系的确定步骤包括：

从所述供热数据集中获得换热站供水出站温度数据和风力均相同的情况下相邻时间点对应室外温度数据和光照辐射能；

根据所述换热站供水出站温度数据和风力均相同的情况下相邻时间点对应室外温度数据和光照辐射能拟合获得光照辐射能变化与室外温度数据变化之间的关系。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述风力变化与室外温度数据变化之间的关系的确定步骤包括：

从所述供热数据集中获得换热站供水出站温度数据和光照辐射能均相同的情况下相邻时间点对应室外温度数据和风力；

根据所述换热站供水出站温度数据和光照辐射能均相同的情况下相邻时间点对应室外温度数据和风力拟合获得风力变化与室外温度数据变化之间的关系。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述室外综合气象因素数据包括：光照辐射能、风力。

6.一种基于数据驱动的智能气候补偿装置，其特征在于，所述装置包括温度传感器、电动阀、室外综合气象因素传感器、无线通信模块、气候补偿处理器；其中，

所述温度传感器，用于获得当前时刻对应的供水实测温度数据、室内温度数据和室外温度数据；

所述室外综合气象因素传感器，用于获得当前时刻对应的室外综合气象因素数据；其中，所述室外综合气象因素数据包括风力和光照辐射能；

所述无线通信模块，用于将供水实测温度数据、室内温度数据、室外温度数据、风能和光照辐射能传输至所述气候补偿处理器；

所述气候补偿处理器，用于根据当前时刻对应的室内温度数据、所述室外温度数据、所述室外综合气象因素数据以及供热曲线来确定理论供水温度，根据所述理论供水温度和所述供水实测温度之间的差异来产生控制信号；其中，所述供热曲线是历史供热季采集到的供热数据、光照辐射能变化与室外温度数据变化之间的关系、风力变化与室外温度数据变化之间的关系确定；

所述电动阀，用于根据所述控制信号来调整当前时刻对应的阀口开度。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述温度传感器包括供水温度传感器、室内温度传感器、室外温度传感器。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述室外综合气象因素传感器包括风力传感器和光照辐射传感器。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述无线通信模块分别置于所述温度传感器、所述室外综合气象因素传感器上。

10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括伺服控制器；其中，

所述伺服控制器，用于根据在控制信号的作用下调整所述电动阀在当前时刻对应的阀口开度。

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