CN111503721B - 基于室内温度变化率的供暖系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及建筑暖通空调技术领域，涉及一种基于室内温度变化率的供暖系统及方法；所述系统包括至少一个供暖用户端、供暖监测终端以及服务器，所述供暖用户端根据接收到的第一控制信号或者第二控制信号，控制锅炉的开启或关闭，或者调节锅炉的流量；所述供暖监测终端设置于供暖用户端，监测并显示当前温度、电压电流、有用功率、无用功率，同时生成第一供暖状态信号并发送至所述服务器；所述服务器用于接收所述第一供暖状态信号，并根据所述第一供暖状态信号结合预设的最高供水温度生成第一控制信号，并发送至供暖用户端；本发明能够根据室内温度下降速率选择合适的供水温度，以维持室内温度的平稳浮动。具有提高室内人员的热舒适性和节能的特点。

Description

基于室内温度变化率的供暖系统及方法

技术领域

本发明涉及建筑暖通空调技术领域，特别是涉及一种基于室内温度变化率的地板辐射供暖系统供水方法。

背景技术

随着国家经济的发展，人民的物质生活也随之提高，南方地区对冬日供暖的需求也越来越高。如果直接照搬北方地区的供暖系统，必然会造成资源的浪费，此时，一种适合南方气候环境和建筑特点的，资源节约型、环境友好型的供暖系统成为了研究的热点。

目前，绝大多数地暖系统的供水温度在系统运行时是不可调节或需要手动调节的，随着室外气温的变化，房间热负荷也随之改变，预设的供水温度已经不是最佳的温度了，不仅在一定程度上造成资源浪费，也影响了用户的供暖体验。

中国专利CN110469903A提供了一种智能供暖方法、设备及计算机可读存储介质，该方案通过获取同一住宅中每一房间对应的权重值，基于权重值计算室内温度信息；获取室外温度信息，并基于室外温度信息和室内温度信息计算室内外温差信息；基于权重值和室内外温差信息调节住宅的主供热流量以及住宅中每一房间的次供热流量。该方案无需人工对室温进行调节，并且，在室外温度骤降的时候，可以有效提高进水量，从而保证室内温度不会随之突降。另一方面，中国专利CN109737490A利用信息化手段建立智能管理系统，通过网络平台实时监控和调度供暖区内的系统运行，依据用户状态信息、室内外温度乃至气候等因素自动完成室内温度调控。

虽然上述方案都能根据室外的温度状态自动调整，但是实际上，在房间停止供热后的一定时间内，由于水的余温以及地板填充层储存的热量，室内温度有一个上升的趋势，系统停止供热后，温度高出设定温度的部分称为超调量，室温的超调会影响室内人员的舒适度。影响室内温度超调的因素很多，比如，供水的温度，水的流速，供暖盘管的直径、材料，管间距，室内家具物件的摆放情况，室内人员的流动情况，室外天气温度变化的情况等。其中有一些因素比较容易检测，像供水的温度，水的流速，管间距，室外温度等；而室内家具的摆放，室内人员的情况等是十分难以监测的。如果要把这些因素都考虑进来，那么供暖系统的控制复杂度以及成本将会大大增加，对消费者的经济压力也是一个巨大的考验。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种基于室内温度变化率的供暖系统及方法，基于室内温度变化率，能够使得锅炉的供水温度根据室内温度的变化率来动态调整；能够在较小温度超调量的情况下调节室内温度，更有利于节省能源，并为用户节约成本。

在本发明的第一方面，本发明提供了一种基于室内温度变化率的供暖系统，包括至少一个供暖用户端、供暖监测终端以及服务器，所述供暖用户端根据接收到的第一控制信号或者第二控制信号，控制锅炉的开启或关闭，或者调节锅炉的流量；

所述供暖监测终端设置于供暖用户端，用于监测室内温度和室外温度并显示，同时生成第一供暖状态信号，并发送至所述服务器；

可选的，所述供暖监测终端还可以监测并显示当前温度、电压电流、有用功率、无用功率。

所述服务器用于接收所述第一供暖状态信号，并根据所述第一供暖状态信号结合预设的最高供水温度生成第一控制信号，并发送至供暖用户端。

进一步的，还包括至少一个控制终端，所述控制终端用于产生第二供暖状态信号，并通过无线网络发送至服务器；所述服务器根据接收到的第二供暖状态信号结合计算出的供水温度，产生第二控制信号，并发送至供暖用户端；此时供暖用户端根据第二控制信号控制锅炉的开启或关闭，或者调节锅炉的流量。

在本发明的第二方面，还提供了一种基于室内温度变化率的供暖方法，包括：

控制锅炉开启，并开始加热，以最高供水温度t_max向室内管道进行供水；

供暖监测终端实时监测室内温度t_r，计算室内的温升速率θ_up，并计算出温度超调量t_e，根据所述温度超调量，计算出第一阈值；当室内温度t_r到达所述第一阈值时，则控制锅炉关闭，并停止供热；

计算从停止供热到下一次开始加热之前室内的温降速率；

根据所述温降速率选择合适的供水温度。

可选的，根据《辐射供暖供冷技术规程》，民用建筑内供水温度不应大于60℃，民用建筑供水宜采用35℃至45℃。

优选的，最高供水温度取45～55℃。

可选的，在控制锅炉开启之前，通过预约的方式控制锅炉开启，并计算预约加热的温度，将其作为最高供水温度。

可选的，所述步骤4)之后还包括：

每隔时间T，计算当前室内的第二温降速率；

根据当前室内的第二温降速率选择合适的供水温度。

可选的，T可以为30分钟，40分钟，50分钟，60分钟，70分钟，80分钟，90分钟，100分钟，110分钟，120分钟，就计算下一次停止供热后室温下降的速率；当然，T也可以为130分钟，140分钟，150分钟，160分钟，170分钟，180分钟，190分钟，200分钟，210分钟，220分钟，230分钟，240分钟，就计算下一次停止供热后室温下降的速率。

本发明的有益效果：

本发明能够根据室内温度下降速率选择合适的供水温度，使系统的供水温度随室内温度变化率的变化而变化，以维持室内温度的平稳浮动。具有提高室内人员的热舒适性和节能的特点，相较于现有技术，本发明考虑到系统停止供热后的超调量，能够有效减少室内温度的波动幅度，以达到提高室内人员舒适性的目的。

附图说明

图1为本发明的一种供暖系统结构图；

图2为本发明的另一种供暖系统结构图；

图3为本发明的一种优选供暖系统的结构图；

图4为本发明的一种供暖方法流程图；

图5为本发明的另一种供暖方法流程图；

图6为本发明优选的一种供暖方法流程图；

图7为本发明采用的室内温度超调量调控图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。在一个实施例中，如图1所示，本发明的基于室内温度变化率的供暖系统，至少一个供暖用户端、供暖监测终端以及服务器，其中，供暖监测终端设置于供暖的室内，供暖用户端可以全部设置于室内，也可部分设置于室内；所述服务器的设置地点可以是任意的，并且可以是具备数字处理能力的服务器。

在另一个实施例中，如图2所示，本实施例提供了另一种供暖系统，包括至少一个供暖用户端、供暖监测终端、至少一个控制终端以及服务器，其中，供暖监测终端设置于供暖的室内，供暖用户端可以全部设置于室内，也可部分设置于室内；这里需要指出的是，上述控制终端可以为PC这种电子设备，还可以为如PAD，平板电脑，手提电脑这种便携电子设备、还可以为如手机这种智能移动终端，不限于这里的描述；所述服务器可以是通过集群系统构成的，为实现各单元功能而合并为一或各单元功能分体设置的电子设备，控制终端和服务器都至少包括用于存储数据的数据库和用于数据处理的处理器，或者包括设置于服务器内的存储介质或独立设置的存储介质。

在一些可以实现方式中，所述供暖监测终端包括温度传感器、显示器；用于监测室内温度和室外温度并显示；也可以用于监测并显示当前温度、电压电流、有用功率、无用功率，同时生成第一供暖状态信号，并发送至所述服务器。

在一些可以实现的方式中，如图3所示，所述供暖用户端、供暖监测终端以及服务器可以共同构成一种供暖系统，所述供暖系统包括水源1，水的加热装置即锅炉2和控制器3，供暖盘管4，供暖房间内的空气温度传感器5及保证信号传输的通讯电路。房间内的空气温度传感器5测量室内空气的温度。上述空气温度传感器5得到的第一供暖状态信号通过通讯电路传输到服务器中的控制器3。接着，控制器3计算得出室内温度的变化率，并与设定值进行比较，通过通讯电路将代表室内温度变化率的第一控制信号传输到锅炉2，控制出水的温度。

在一个实施例中，所述供暖用户端根据接收到的第一控制信号或者第二控制信号，控制锅炉的开启或关闭，或者调节锅炉的流量；所述供暖监测终端设置于供暖用户端，用于监测室内温度和室外温度并显示，同时生成第一供暖状态信号，并发送至所述服务器；所述服务器用于接收所述第一供暖状态信号，并根据所述第一供暖状态信号结合预设的最高供水温度生成第一控制信号，并发送至供暖用户端。

在一个优选的实施例中，在上述实施例的基础上，所述控制终端产生第二供暖状态信号，并通过无线网络发送至服务器；所述服务器根据接收到的第二供暖状态信号结合计算出的供水温度，产生第二控制信号，并发送至供暖用户端；供暖用户端通过第二控制信号控制锅炉的开启或关闭，或调节锅炉的流量。

在一个实施例中，如图4所示，本发明提供了一种基于室内温度变化率的供暖方法，所述方法包括：

控制锅炉开启，并开始加热，以最高供水温度t_max向室内管道进行供水；

供暖监测终端实时监测室内温度t_r，计算室内的温升速率θ_up，并计算出温度超调量t_e，根据所述温度超调量，计算出第一阈值；当室内温度t_r到达所述第一阈值时，则控制锅炉关闭，并停止供热；

计算从停止供热到下一次开始加热之前室内的温降速率；

根据所述温降速率选择合适的供水温度。

在一个优选实施例中，当用户有预约使用供暖系统的需求时，系统就可以通过判断距离用户要求的时长，以及室外温度的情况，选择合适的供水温度，来避免过久的等待时间，以及资源的浪费，如图5所示，具体流程如下：

通过预约的方式控制锅炉开启，并开始加热，计算预约加热的温度，将其作为最高供水温度，以最高供水温度t_max向室内管道进行供水；

供暖监测终端实时监测室内温度t_r，计算室内的温升速率θ_up，并计算出温度超调量t_e，根据所述温度超调量，计算出第一阈值；当室内温度t_r到达所述第一阈值时，则控制锅炉关闭，并停止供热；

计算从停止供热到下一次开始加热之前室内的温降速率；

根据所述温降速率选择合适的供水温度。

优选的，可以根据预约开启时刻距离到家时间的时长，以及室外温度，确定合适的供水温度，并以该温度向室内管道进行供水。

在一个可实现方式中，为了获取预约加热的温度；该温度可以通过以下方式进行计算：

其中，τ表示预约时长；t_g表示预约加热的供水温度；t_w表示室外温度；τ₀表示预约加热时间常量；A_i表示供水温度影响参数；B_i表示室外温度影响参数；i＝{1,2,...,5}。在一个可实现方式中，各项参数的数值可以见表1所示：

表1参数说明

当然，这些参数值也可以不限于上表。

由于现有技术中影响室内温度超调的因素很多，本发明通过直接考察室内温度的变化率的方法，来避开一些复杂因素地直接考量。因为不管是供水的温度，水的流速等容易监测的因素，还是室内家具的摆放，室内人员的流动等较难监测的因素，他们都直接或间接影响了室内温度的变化情况，那么，本发明可以直接通过室内温度的变化率，如图7所示；来反映各种情况下，室内温度的超调。

为了获取室内温度的超调量，本发明通过在不同的入水温度(35～55℃)，不同的供水速度(0.2～0.8m/s)，不同的室外温度(-5～15℃)三种条件下进行了大量的仿真，从而获得出温度超调量的计算公式t_e＝C×Dθ_up。

其中，C表示第一温度超调量控制参数；D表示第二温度超调量控制参数；可以得出C＝0.40～0.41，D＝1.70～1.80，优选的，温度超调量的计算公式可以表示为θ_down＝0.61587-0.01336t_out。第一阈值的计算公式与温度超调量有关，可以表示为：

t₁＝E-t_e；

其中，t₁表示第一阈值；E表示温度控制常量。优选的，E＝20、21或者22。

在一个实施例中，从停止供热到下一次开始加热之前室内的温降速率的计算公式包括：

θ_down＝F-Gt_out

其中，θ_down表示温降速率，F表示温降速率控制常量；G表示温降速率控制参数；t_out表示室外温度。可以得出F＝0.60～0.62，G＝0.01～0.02，优选的，温降速率的计算公式可以表示为θ_down＝0.61587-0.01336t_out。

根据所述温降速率选择合适的供水温度包括：

当θ_down≥θ_m时，以最高供水温度向室内管道进行供水；

当θ_n<θ_down<θ_m时，以t_g作为供水温度向室内管道进行供水，满足以下关系式：

t_g＝H₁θ_down+H₂θ_down ²+H₃θ_down ³+K；

当θ_down≤θ_n时，以体感供水温度向室内管道进行供水；

其中，θ_down表示温降速率；θ_n表示第一温降阈值；θ_m表示第二温降阈值；H₁表示；优选的，θ_m表示室外温度为-5℃时的室内空气温度下降变化率；θ_n为室外温度为10℃时的室内空气温度下降变化率；H_i表示第一供水温度控制参数；K表示第二供水温度控制参数；i＝{1,2,3}，体感供水温度一般为34-36℃，本实施例优选35℃；对于第一供水控制温度，H₁、H₂以及H₃均为-1～1之间的常数，这三个常数可以相同，也可以不同；对于第二供水控制参数；K一般为一个较大的常数值，其范围为40～50；本实施例给出一个较为具体的供水温度值，表示为：t_g＝-0.937×((0.616-θ_down)/0.013)-0.023×((0.616-θ_down)/0.013)²+0.002×((0.616-θ_down)/0.013)³+42.841。

在一个优选实施例中，为了使得室内温度在较小的能源消耗下仍保持在最佳状态，本实施例给出了一种动态调整室内温度的供暖方法，如图6所示，所述方法包括：

控制锅炉开启，并开始加热，以最高供水温度t_max向室内管道进行供水；

供暖监测终端实时监测室内温度t_r，计算室内的温升速率θ_up，并计算出温度超调量t_e，根据所述温度超调量，计算出第一阈值；当室内温度t_r到达所述第一阈值时，则控制锅炉关闭，并停止供热；

计算从停止供热到下一次开始加热之前室内的温降速率；

根据所述温降速率选择合适的供水温度；

每隔时间T，计算当前室内的第二温降速率；

根据当前室内的第二温降速率选择合适的供水温度。

可选的，T可以为30分钟，40分钟，50分钟，60分钟，70分钟，80分钟，90分钟，100分钟，110分钟，120分钟，就计算下一次停止供热后室温下降的速率；当然，T也可以为130分钟，140分钟，150分钟，160分钟，170分钟，180分钟，190分钟，200分钟，210分钟，220分钟，230分钟，240分钟，就计算下一次停止供热后室温下降的速率。

在本发明的实施例中，本发明还给出了一种供暖系统的使用方法，包括：

供暖用户端接收到第一控制信号后，控制锅炉开始加热，并以最高供水温度t_max向室内管道进行供水；

供暖监测终端实时监测室内温度t_r，服务器计算室内的温升速率θ_up，并计算出温度超调量t_e，在室内温度t_r到达第一阈值时，服务器向供暖用户端发出第一控制信号；

供暖用户端响应于所述第一控制信号，关闭锅炉，并停止供热；

服务器计算供暖用户端从停止供热到下一次开始加热之间室内的温降速率θ_down；

服务器根据所述室内的温降速率θ_down选择合适的供水温度，并将该温度以信号的形式发送给供暖用户端，供暖用户端调节锅炉的流量；

每隔时间T，服务器计算当前室内的温降速率θ_down；

服务器根据当前室内的温降速率θ_down选择合适的供水温度，并将该温度以信号的形式发送给供暖用户端，供暖用户端调节锅炉的流量。

另一方面，当用户有预约需求时，控制终端产生第二供暖状态信号，并通过无线网络发送至服务器；所述服务器根据接收到的第二供暖状态信号结合计算出的供水温度，产生第二控制信号，并发送至供暖用户端；供暖用户端根据第二控制信号控制锅炉开启，并按照计算出的预约加热的温度作为供水温度。

在一个补充实施例中，由于供暖环境的复杂性，本发明中上述公式中的各项参数，应根据实际供暖环境进行仿真计算获得。

其具体方法为：首先通过对供暖房间建立有限元模型，收集实际供暖环境的条件参数，如房间尺寸参数、围护结构(墙体，门窗，天花板，地板)的材料属性、房间处于楼栋的具体位置，供暖期室外温度的变化范围等作为边界条件，进行多次仿真计算。

通过对供水温度、室外温度、预约时间三者之间的数据拟合，可得到预约加热的温度计算公式；

通过对温升速率与超调量的数据拟合，可得到温度超调量的计算公式；

通过对温降速率与室外温度的数据拟合，可得到温降速率的计算公式；

通过对供水温度与温降速率相关数据的拟合，可以选择合适的供水温度。

在一个优选的补充实施例中，本发明还提供了一种基于不同空间的室内温度变化率的供暖方法；所述方法可以包括：

对供暖房间建立有限元模型，收集实际供暖环境的条件参数；并计算出当前供暖房间的温度超调量，一般而言，该温度超调量是一个t_e＝C×Dθ_up方程，具体的参数值一般在C＝0.40～0.41，D＝1.70～1.80之间，而对于一个具体的房间可能略有不同，因此，本发明可以通过建立有限元模型，采用多组数据(包括不同的入水温度，不同的供水速度，不同的室外温度)进行拟合获得，也可以采用PID控制器进行控制，当然也可以直接从该范围中选择一个值进行计算；

控制锅炉开启，并开始加热，以最高供水温度t_max向室内管道进行供水；

供暖监测终端实时监测室内温度t_r，计算室内的温升速率θ_up，并计算出温度超调量t_e，根据所述温度超调量，计算出第一阈值；当室内温度t_r到达所述第一阈值时，则控制锅炉关闭，并停止供热；

计算从停止供热到下一次开始加热之前室内的温降速率；

根据所述温降速率选择合适的供水温度。

可以理解的是，本发明中的供暖系统、方法的部分特征可以相互引用，本发明不再一一例举。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于室内温度变化率的供暖系统，包括至少一个供暖用户端、供暖监测终端以及服务器，其特征在于，

所述供暖用户端根据接收到的第一控制信号，控制锅炉开启，并开始加热，以最高供水温度向室内供水管道供水或者根据接收到的第二控制信号，控制锅炉的开启或关闭，或者调节锅炉的流量；

所述供暖监测终端设置于供暖用户端，用于监测室内温度和室外温度并显示，同时生成第一供暖状态信号，并发送至所述服务器；所述服务器用于计算室内的温升速率θ_up，并计算出温度超调量t_e，根据所述温度超调量，计算出第一阈值；计算出从停止供热到下一次开始加热之前室内的温降速率；根据所述温降速率确定出合适的供水温度，还用于接收所述第一供暖状态信号，并根据所述第一供暖状态信号结合预设的最高供水温度生成第一控制信号，并发送至供暖用户端或者所述服务器根据接收到的第二供暖状态信号结合计算出的供水温度，产生第二控制信号，并发送至供暖用户端；

其中，温度超调量t_e的计算公式表示为：

C表示第一温度超调量控制参数；D表示第二温度超调量控制参数；

第一阈值的计算公式表示为：

t₁＝E-t_e

t₁表示第一阈值；E表示温度控制常量；

所述温降速率的计算公式表示为：

θ_down＝F-Gt_out

θ_down表示温降速率，F表示温降速率控制常量；G表示温降速率控制参数；t_out表示室外温度。

2.根据权利要求1所述的一种基于室内温度变化率的供暖系统，其特征在于，还包括至少一个控制终端，所述控制终端用于产生第二供暖状态信号，并通过无线网络发送至服务器。

3.一种基于室内温度变化率的供暖方法，其特征在于，包括：

控制锅炉开启，并开始加热，以最高供水温度t_max向室内管道进行供水；

供暖监测终端实时监测室内温度t_r，计算室内的温升速率θ_up，并计算出温度超调量t_e；

温度超调量t_e的计算公式表示为：

其中，C表示第一温度超调量控制参数；D表示第二温度超调量控制参数；

根据所述温度超调量，计算出第一阈值；当室内温度t_r到达所述第一阈值时，则控制锅炉关闭，并停止供热；

第一阈值的计算公式表示为：

t₁＝E-t_e

其中，t₁表示第一阈值；E表示温度控制常量；

计算从停止供热到下一次开始加热之前室内的温降速率；

所述温降速率的计算公式表示为：

θ_down＝F-Gt_out

其中，θ_down表示温降速率，F表示温降速率控制常量；G表示温降速率控制参数；t_out表示室外温度；

根据所述温降速率选择合适的供水温度。

4.根据权利要求3所述的一种基于室内温度变化率的供暖方法，其特征在于，所述方法还包括在控制锅炉开启之前，通过预约的方式控制锅炉开启，并计算预约加热的温度，将其作为最高供水温度。

5.根据权利要求4所述的一种基于室内温度变化率的供暖方法，其特征在于，所述预约加热的供水温度根据如下公式计算：

其中，τ表示预约时长；t_g表示预约加热的供水温度；t_w表示室外温度；τ₀表示预约加热时间常量；A_i表示供水温度影响参数；B_i表示室外温度影响参数；i＝{1,2,...,5}。

6.根据权利要求3所述的一种基于室内温度变化率的供暖方法，其特征在于，所述根据所述温降速率选择合适的供水温度包括：

当θ_down≥θ_m时，以最高供水温度向室内管道进行供水；

当θ_n<θ_down<θ_m时，以t_g作为供水温度向室内管道进行供水，满足以下关系式：

t_g＝H₁θ_down+H₂θ_down ²+H₃θ_down ³+K；

当θ_down≤θ_n时，以体感供水温度向室内管道进行供水；

其中，θ_down表示温降速率；θ_n表示第一温降阈值；θ_m表示第二温降阈值；H₁表示；H_i表示第一供水温度控制参数；K表示第二供水温度控制参数；i＝{1,2,3}。

7.根据权利要求3所述的一种基于室内温度变化率的供暖方法，其特征在于，所述根据所述温降速率选择合适的供水温度之后还包括：

每隔时间T，继续计算当前室内的温降速率；

根据当前室内的温降速率选择合适的供水温度。

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