CN112577088A - 地热供暖控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种地热供暖控制方法及系统，该方法包括：获取室外温度，根据室外温度计算室外综合温度；根据室外综合温度、室内供暖设计温度和供暖室外计算温度计算供暖热负荷比；根据供暖热负荷比和设计状态下的供暖地面单位面积散热量计算第一预定时间后实际所需的供暖地面单位面积散热量；基于实际所需的供暖地面单位面积散热量，根据供暖地面单位面积散热量与供回水平均温度之间的关系确定供回水平均温度；根据供回水平均温度和供回水温差计算供水温度；在第二预定时间之后根据供水温度控制供暖设备的供水温度，根据供暖热负荷计算并控制供暖设备的供水流量。本发明能够维持室内温度基本恒定，避免因室内温度过高而造成的能源浪费。

Description

地热供暖控制方法及系统

技术领域

本发明涉及地热供暖技术领域，特别涉及一种地热供暖控制方法及系统。

背景技术

地板辐射采暖是目前城镇集中供暖比较常用的一种采暖方式，与传统散热片取暖相比，其具有室内温度梯度小、温度均匀、舒适性好、不占用室内空间，运行费用低等优点。地板辐射采暖中，热量的传播主要以辐射形式进行，热量散发均匀，且自下向上传递，房间下暖上凉，适合人体的生理特点，给人以自然的舒适感。

目前居民集中供暖常采用按面积计费的方式，如果用户室内温度过高，就会导致能源的浪费，增加供暖的运行成本，降低项目的收益。室内温度过高后，人们通常采用两种调节方式来降低室内温度。一种是开启门窗，这就造成大量的热量排向室外；待室内温度降低后，供暖系统又需要补充大量的热量，周而复始，恶性循环，造成能源的浪费。此外，这种调节方式导致室内温度不能维持在舒适的温度区间内，引起身体不适。另一种是关小地板辐射进水母管上的阀门，待室内温度降低后，再开大该阀门，如此反复调整，非常不便，而且由于调节的大滞后性，室内温度忽高忽低，容易引起感冒。

因此，急需推出一种针对地热供暖的自动控制方法，以获得相对稳定的室内供暖温度。

发明内容

本发明的目的是提供一种地热供暖控制方法及系统，以自动控制供暖设备的供水温度和供水流量，进而获得相对稳定的室内供暖温度。

本发明一方面提出了一种地热供暖控制方法，包括：

获取室外温度，根据所述室外温度计算室外综合温度；

根据所述室外综合温度、室内供暖设计温度和供暖室外计算温度计算供暖热负荷比；

根据所述供暖热负荷比和设计状态下的供暖地面单位面积散热量计算第一预定时间后实际所需的供暖地面单位面积散热量；

基于所述实际所需的供暖地面单位面积散热量，根据供暖地面单位面积散热量与供回水平均温度之间的关系确定供回水平均温度；

根据所述供回水平均温度和供回水温差计算供水温度；

在第二预定时间之后根据所述供水温度控制供暖设备的供水温度，根据供暖热负荷计算并控制供暖设备的供水流量。

优选地，根据公式(1)计算室外综合温度：

t_z＝t_w+t_y+t_f (1)

其中，t_z为室外综合温度，t_w为室外温度，t_y为太阳辐射对室外温度的修正量，t_f为风力对室外温度的修正量。

优选地，根据以下表达式确定太阳辐射对室外温度的修正量t_y和风力对室外温度的修正量t_f：

雨雪天t_y＝-1.3℃，晴天t_y＝1.3℃，其他天气t_y＝0℃；

t_f＝-0.2v℃，其中v为平均风速。

优选地，所述室外温度是以所述第一预定时间为周期实时采集的，所述第一预定时间为2～4小时。

优选地，根据公式(2)计算供暖热负荷比：

其中，

表示供暖热负荷比，t_n表示室内供暖设计温度，t_z表示室外综合温度，t’_w表示供暖室外计算温度。

优选地，根据公式(3)计算实际所需的供暖地面单位面积散热量：

其中，q表示实际所需的供暖地面单位面积散热量，

表示供暖热负荷比，q’表示设计状态下的供暖地面单位面积散热量。

优选地，根据公式(4)计算供水温度：

t₁＝T+Δt/2 (4)

其中，t₁表示供水温度，T表示供回水平均温度，Δt表示供回水温差。

优选地，根据公式(5)计算供暖设备的供水流量：

其中，G表示供水流量，Q表示供暖热负荷，Q＝q·A，A表示实际供暖面积，q表示实际所需的供暖地面单位面积散热量，c_p表示水的比热容，t₁表示供水温度，t₂表示回水温度，且t₂＝T-Δt/2。

优选地，所述第二预定时间为1～3小时，且所述第二预定时间小于所述第一预定时间。

本发明另一方面提出了一种地热供暖控制系统，包括：

温度采集装置，用于采集室外温度；

存储器，存储有计算机可执行指令；

处理器，所述处理器运行所述存储器中的计算机可执行指令，执行以下步骤：

根据所述室外综合温度、室内供暖设计温度和供暖室外计算温度计算供暖热负荷比；

根据所述供暖热负荷比和设计状态下的供暖地面单位面积散热量计算第一预定时间后实际所需的供暖地面单位面积散热量；

基于实际所需的供暖地面单位面积散热量，根据供暖地面单位面积散热量和供回水平均温度之间的关系确定供回水平均温度；

根据所述供回水平均温度和供回水温差计算供水温度，根据供暖热负荷计算供暖设备的供水流量；

控制器，用于在第二预定时间之后根据所述供水温度控制供暖设备的供水温度，根据计算的供暖设备的供水流量对所述供暖设备进行流量控制。

优选地，根据公式(1)计算室外综合温度：

t_z＝t_w+t_y+t_f (1)

其中，t_z为室外综合温度，t_w为室外温度，t_y为太阳辐射对室外温度的修正量，t_f为风力对室外温度的修正量。

优选地，根据以下表达式确定太阳辐射对室外温度的修正量t_y和风力对室外温度的修正量t_f：

雨雪天t_y＝-1.3℃，晴天t_y＝1.3℃，其他天气t_y＝0℃；

t_f＝-0.2v℃，其中v为平均风速。

优选地，所述室外温度是以所述第一预定时间为周期实时采集的，所述第一预定时间为2～4小时。

优选地，根据公式(2)计算供暖热负荷比：

其中，

表示供暖热负荷比，t_n表示室内供暖设计温度，t_z表示室外综合温度，t’_w表示供暖室外计算温度。

优选地，根据公式(3)计算实际所需的供暖地面单位面积散热量：

其中，q表示实际所需的供暖地面单位面积散热量，

表示供暖热负荷比，q’表示设计状态下的供暖地面单位面积散热量。

优选地，根据公式(4)计算供水温度：

t₁＝T+Δt/2 (4)

其中，t₁表示供水温度，T表示供回水平均温度，Δt表示供回水温差。

优选地，根据公式(5)计算供暖设备的供水流量：

其中，G表示供水流量，Q表示供暖热负荷，Q＝q·A，A表示实际供暖面积，q表示实际所需的供暖地面单位面积散热量，c_p表示水的比热容，t₁表示供水温度，t₂表示回水温度，且t₂＝T-Δt/2。

优选地，所述第二预定时间为1～3小时，且所述第二预定时间小于所述第一预定时间。

优选地，控制器通过调节供暖设备的板换、热泵机组和调峰热源的负荷来控制供暖设备的供水温度，通过调节二次网循环泵的变频控制供暖设备的供水流量。

本发明的有益效果在于：考虑到室外综合温度的影响，根据室外综合温度确定供暖热负荷比和实际所需的供暖地面单位面积散热量，进而确定供水温度和流量，能够维持室内温度基本恒定，避免因室内温度过高而造成的能源浪费。此外，本发明考虑到供暖系统具有“大滞后性”，计算“延迟的”实际所需的供暖地面单位面积散热量，并延迟调节供水水温和流量，避免频繁调节。本发明无需人工反复调节供暖设备的供暖温度和流量，提高了供暖系统的自动化程度。

本发明具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的附图标记通常代表相同部件。

图1显示根据本发明实施例的地热供暖控制方法的流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

图1显示根据本发明实施例的地热供暖控制方法的流程图，如图1所示，该控制方法包括以下步骤：

步骤1：获取室外温度，根据室外温度计算室外综合温度；

步骤2：根据室外综合温度、室内供暖设计温度和供暖室外计算温度计算供暖热负荷比；

步骤3：根据供暖热负荷比和设计状态下的供暖地面单位面积散热量计算第一预定时间后实际所需的供暖地面单位面积散热量；

步骤4：基于实际所需的供暖地面单位面积散热量，根据供暖地面单位面积散热量与供回水平均温度之间的关系确定供回水平均温度；

步骤5：根据供回水平均温度和供回水温差计算供水温度；

步骤6：在第二预定时间之后根据供水温度控制供暖设备的供水温度，根据供暖热负荷计算并控制供暖设备的供水流量。

本发明针对现有技术的不足，考虑到室外综合温度的影响，根据室外综合温度确定供暖热负荷比和实际所需的供暖地面单位面积散热量，进而确定供水温度和流量，能够维持室内温度基本恒定，避免因室内温度过高而造成的能源浪费。此外，本发明考虑到供暖系统具有“大滞后性”，计算“延迟的”实际所需的供暖地面单位面积散热量，并延迟调节供水水温和流量，避免频繁调节。

具体地，在常规的供暖控制方法中，通常加热供暖热负荷与室内外温差的变化成正比。但实际上，室内外温差并不能反映风速和风向，特别是太阳辐射热对供暖热负荷的影响，因此这一假设会有一定的误差。为修正这一误差，引入室外综合温度的概念来指导供暖。室外综合温度是为了更接近供暖设备实际运行中的室外情况，综合考虑气温、太阳辐射热与风速等环境因子得出的温度。

在步骤1中，根据公式(1)计算室外综合温度：

tz＝t_w+t_y+t_f (1)

其中，t_z为室外综合温度，t_w为室外温度，t_y为太阳辐射对室外温度的修正量，t_f为风力对室外温度的修正量。

不同天气条件下，太阳辐射对室外温度的修正量t_y不同，优选地，雨雪天t_y＝-1.3℃，晴天t_y＝1.3℃，其他天气t_y＝0℃；

风力对室外温度的修正量t_f与平均风速有关，t_f＝-0.2v℃，其中v为平均风速，单位为m/s。

在一个示例中，室外温度t_w是以第一预定时间为周期实时采集的，第一预定时间为2～4小时。例如，可以采集中央气象台每3小时发布的气温信息，作为室外温度t_w。

在步骤2中，根据室外综合温度、室内供暖设计温度和供暖室外计算温度计算供暖热负荷比。

具体地，根据公式(2)计算供暖热负荷比：

其中，

表示供暖热负荷比，t_n表示室内供暖设计温度，t_z表示室外综合温度，t’_w表示供暖室外计算温度。

室内供暖设计温度t_n是根据供暖要求而设定的，一般地区要求的室内供暖设计温度t_n在18～20℃之间。供暖室外计算温度t’_w根据国标GB50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》确定，不同地区的供暖室外计算温度t’_w差异较大，例如北京为-6.9℃，乌鲁木齐为-18.6℃。

在步骤3中，根据供暖热负荷比和设计状态下的供暖地面单位面积散热量计算第一预定时间后实际所需的供暖地面单位面积散热量。

具体地，根据公式(3)计算实际所需的供暖地面单位面积散热量：

其中，q表示实际所需的供暖地面单位面积散热量，

表示供暖热负荷比，q’表示设计状态下的供暖地面单位面积散热量。

设计状态下的供暖地面单位面积散热量q’根据行业标准JGJ142-2012《辐射辐射供暖供冷技术规程》确定，对于不同的地面材质和辐射管间距，设计状态下的供暖地面单位面积散热量q’不同。在实际应用中，根据供暖地区的地暖设备安装情况估算地面材质和辐射管间距，以室内供暖设计温度作为室内空气温度，以设计供回水温度的平均温度作为平均水温，根据JGJ142-2012查表确定设计状态下的供暖地面单位面积散热量q’。

此外，考虑到供暖系统具有“大滞后性”，室内温度不能很好地对供暖设备的调节(例如水温和流量调节)做出反应，在本步骤中计算第一预定时间后实际所需的供暖地面单位面积散热量，第一预定时间优选地等于室外温度的采集周期。

在步骤4中，基于实际所需的供暖地面单位面积散热量，根据供暖地面单位面积散热量与供回水平均温度之间的关系确定供回水平均温度。

行业标准JGJ142-2012《辐射辐射供暖供冷技术规程》规定了供暖地面单位面积散热量与供回水平均温度之间的关系，该关系主要取决于地面材质、辐射管间距和室内空气温。利用《辐射辐射供暖供冷技术规程》时，地面材质和辐射管间距可根据供暖地区的地暖设备安装情况进行估计，室内空气温取室内供暖设计温度。

在本步骤中，基于实际所需的供暖地面单位面积散热量(其对应于《辐射辐射供暖供冷技术规程》中向上供热量与向下供热量之和)，根据《辐射辐射供暖供冷技术规程》规定的供暖地面单位面积散热量与供回水平均温度之间的关系，即可确定供回水平均温度。特别地，当实际所需的供暖地面单位面积散热量没有记载在《辐射辐射供暖供冷技术规程》中时，可通过线性插值法确定其对应的供回水平均温度。

在步骤5中，根据供回水平均温度和供回水温差计算供水温度。

具体地，根据公式(4)计算供水温度：

t₁＝T+Δt/2 (4)

其中，t₁表示供水温度，T表示供回水平均温度，Δt表示供回水温差。

供回水温差是根据供暖系统的性能而确定的已知量，通过公式(4)即可计算供水温度。

在步骤6中，在第二预定时间之后根据供水温度控制供暖设备的供水温度，根据供暖热负荷计算并控制供暖设备的供水流量。

其中，根据公式(5)计算供暖设备的供水流量G：

其中，Q表示供暖热负荷，Q＝q·A，A表示实际供暖面积，q表示实际所需的供暖地面单位面积散热量，c_p表示水的比热容，t₁表示供水温度，t₂表示回水温度，且t₂＝T-Δt/2。

根据建筑的热惰性和供暖系统时滞可估计第二预定时间，一般情况下第二预定时间为1～3小时，且第二预定时间小于第一预定时间。

具体地，可通过调节供暖设备的板换、热泵机组和调峰热源的负荷来控制供暖设备的供水温度，可通过调节二次网循环泵的变频调节供暖设备的供水流量。

本发明另一方面提供一种地热供暖控制系统，其特征在于，包括：

温度采集装置，用于采集室外温度；

存储器，存储有计算机可执行指令；

处理器，所述处理器运行所述存储器中的计算机可执行指令，执行以下步骤：

根据所述室外综合温度、室内供暖设计温度和供暖室外计算温度计算供暖热负荷比；

根据所述供暖热负荷比和设计状态下的供暖地面单位面积散热量计算第一预定时间后实际所需的供暖地面单位面积散热量；

基于实际所需的供暖地面单位面积散热量，根据供暖地面单位面积散热量和供回水平均温度之间的关系确定供回水平均温度；

根据所述供回水平均温度和供回水温差计算供水温度，根据供暖热负荷计算供暖设备的供水流量；

控制器，用于在第二预定时间之后根据所述供水温度控制供暖设备的供水温度，根据计算的供暖设备的供水流量对所述供暖设备进行流量控制。

在一个示例中，根据公式(1)计算室外综合温度：

t_z＝t_w+t_y+t_f (1)

其中，t_z为室外综合温度，t_w为室外温度，t_y为太阳辐射对室外温度的修正量，t_f为风力对室外温度的修正量。

在一个示例中，根据以下表达式确定太阳辐射对室外温度的修正量t_y和风力对室外温度的修正量t_f：

雨雪天t_y＝-1.3℃，晴天t_y＝1.3℃，其他天气t_y＝0℃；

t_f＝-0.2v℃，其中v为平均风速。

在一个示例中，所述室外温度是以所述第一预定时间为周期实时采集的，所述第一预定时间为2～4小时。

在一个示例中，根据公式(2)计算供暖热负荷比：

其中，

表示供暖热负荷比，t_n表示室内供暖设计温度，t_z表示室外综合温度，t’_w表示供暖室外计算温度。

在一个示例中，根据公式(3)计算实际所需的供暖地面单位面积散热量：

其中，q表示实际所需的供暖地面单位面积散热量，

表示供暖热负荷比，q’表示设计状态下的供暖地面单位面积散热量。

在一个示例中，根据公式(4)计算供水温度：

t₁＝T+Δt/2 (4)

其中，t₁表示供水温度，T表示供回水平均温度，Δt表示供回水温差。

在一个示例中，根据公式(5)计算供暖设备的流量：

其中，G表示供水流量，Q表示供暖热负荷，Q＝q·A，A表示实际供暖面积，q表示实际所需的供暖地面单位面积散热量，c_p表示水的比热容，t₁表示供水温度，t₂表示回水温度，且t₂＝T-Δt/2。

在一个示例中，所述第二预定时间为1～3小时，且所述第二预定时间小于所述第一预定时间。

在一个示例中，控制器通过调节供暖设备的板换、热泵机组和调峰热源的负荷来控制供暖设备的供水温度，通过调节二次网循环泵的变频控制供暖设备的供水流量。

在一个示例中，地热供暖控制系统还包括蓄能装置，夜间电价较低，通过供暖设备进行供暖并将富余的热量贮存于蓄能装置，白天再利用蓄能装置贮存的热量进行供暖，以节省运营费用。优选地，通过控制蓄能装置的调节电动阀来调节供暖时间。

实施例

以北京地区为例，解释根据本实施例的地热供暖控制方法，其包括以下步骤：

步骤1：获取室外温度，根据室外温度计算室外综合温度，其中室外温度t_w以3小时为周期采集自中央气象台发布的气温信息；

其中，根据公式(1)计算室外综合温度t_z。

步骤2：根据室外综合温度、室内供暖设计温度和供暖室外计算温度计算供暖热负荷比；

根据公式(2)计算供暖热负荷比

其中室内供暖设计温度为20℃，供暖室外计算温度为-6.9℃。

步骤3：根据供暖热负荷比和设计状态下的供暖地面单位面积散热量计算3小时后实际所需的供暖地面单位面积散热量；

根据公式(3)计算实际所需的供暖地面单位面积散热量q。以水泥、石材或陶瓷面层为例，设计状态下的供暖地面单位面积散热量q’通过查表1确定。表1中，向上供热量与向下传热量之和对应于设计状态下的供暖地面单位面积散热量，室内空气温对应于室内供暖设计温度，设计供回水平均温度对应于平均水温。例如，若加热管间距为300mm，室内供暖设计温度为20℃，设计供回水平均温度为40℃，则可确定设计状态下的供暖地面单位面积散热量为87.5+20.6＝108.1W/m²。表1仅显示了《辐射辐射供暖供冷技术规程》的一部分，其他地面材质、平均水温对应的散热量可通过《辐射辐射供暖供冷技术规程》查询，这是本领域技术人员容易理解的。

表1水泥、石材或陶瓷面层单位底面面积的向上供热量和向下传热量

步骤4：基于实际所需的供暖地面单位面积散热量，根据供暖地面单位面积散热量与供回水平均温度之间的关系确定供回水平均温度；

仍参考表1，基于实际所需的供暖地面单位面积散热量(对应于向上供热量与向下传热量之和)，可以确定供回水平均温度，即表1中的平均水温。

步骤5：根据供回水平均温度和供回水温差计算供水温度；

根据公式(4)计算供水温度。

步骤6：在2小时之后根据供水温度控制供暖设备的供水温度，根据供暖热负荷计算并控制供暖设备的流量。

在2小时之后根据供水温度控制供暖设备的供水温度，根据供暖热负荷计算并控制供暖设备的流量。

其中，根据公式(5)计算供暖设备的供水流量。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种地热供暖控制方法，其特征在于，包括：

获取室外温度，根据所述室外温度计算室外综合温度；

根据所述室外综合温度、室内供暖设计温度和供暖室外计算温度计算供暖热负荷比；

根据所述供暖热负荷比和设计状态下的供暖地面单位面积散热量计算第一预定时间后实际所需的供暖地面单位面积散热量；

基于所述实际所需的供暖地面单位面积散热量，根据供暖地面单位面积散热量与供回水平均温度之间的关系确定供回水平均温度；

根据所述供回水平均温度和供回水温差计算供水温度；

在第二预定时间之后根据所述供水温度控制供暖设备的供水温度，根据供暖热负荷计算并控制供暖设备的供水流量。

2.根据权利要求1所述的地热供暖控制方法，其特征在于，根据公式(1)计算室外综合温度：

t_z＝t_w+t_y+t_f (1)

其中，t_z为室外综合温度，t_w为室外温度，t_y为太阳辐射对室外温度的修正量，t_f为风力对室外温度的修正量。

3.根据权利要求2所述的地热供暖控制方法，其特征在于，根据以下表达式确定太阳辐射对室外温度的修正量t_y和风力对室外温度的修正量t_f：

雨雪天t_y＝-1.3℃，晴天t_y＝1.3℃，其他天气t_y＝0℃；

t_f＝-0.2v℃，其中v为平均风速。

4.根据权利要求2所述的地热供暖控制方法，其特征在于，所述室外温度是以所述第一预定时间为周期实时采集的，所述第一预定时间为2～4小时。

5.根据权利要求1所述的地热供暖控制方法，其特征在于，根据公式(2)计算供暖热负荷比：

其中，

表示供暖热负荷比，t_n表示室内供暖设计温度，t_z表示室外综合温度，t’_w表示供暖室外计算温度。

6.根据权利要求1所述的地热供暖控制方法，其特征在于，根据公式(3)计算实际所需的供暖地面单位面积散热量：

其中，q表示实际所需的供暖地面单位面积散热量，

表示供暖热负荷比，q’表示设计状态下的供暖地面单位面积散热量。

7.根据权利要求1所述的地热供暖控制方法，其特征在于，根据公式(4)计算供水温度：

t₁＝T+Δt/2 (4)

其中，t₁表示供水温度，T表示供回水平均温度，Δt表示供回水温差。

8.根据权利要求7所述的地热供暖控制方法，其特征在于，根据公式(5)计算供暖设备的供水流量：

其中，G表示供水流量，Q表示供暖热负荷，Q＝q·A，A表示实际供暖面积，q表示实际所需的供暖地面单位面积散热量，c_p表示水的比热容，t₁表示供水温度，t₂表示回水温度，且t₂＝T-Δt/2。

9.根据权利要求4所述的地热供暖控制方法，其特征在于，所述第二预定时间为1～3小时，且所述第二预定时间小于所述第一预定时间。

10.一种地热供暖控制系统，其特征在于，包括：

温度采集装置，用于采集室外温度；

存储器，存储有计算机可执行指令；

处理器，所述处理器运行所述存储器中的计算机可执行指令，执行以下步骤：

根据所述室外综合温度、室内供暖设计温度和供暖室外计算温度计算供暖热负荷比；

根据所述供暖热负荷比和设计状态下的供暖地面单位面积散热量计算第一预定时间后实际所需的供暖地面单位面积散热量；

基于实际所需的供暖地面单位面积散热量，根据供暖地面单位面积散热量和供回水平均温度之间的关系确定供回水平均温度；

根据所述供回水平均温度和供回水温差计算供水温度，根据供暖热负荷计算供暖设备的供水流量；

控制器，用于在第二预定时间之后根据所述供水温度控制供暖设备的供水温度，根据计算的供暖设备的供水流量对所述供暖设备进行流量控制。

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