CN114263974B - 一种基于调节阀的集中供热系统流量控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于调节阀的集中供热系统流量控制方法及系统，包括：采集集中供热系统的相关数据信息，根据所述集中供热系统的相关数据信息构建拓扑结构；基于所述拓扑结构拟合得到所述集中供热系统热特性参数K₂和b；根据温度传感器采集的温度数据以及所述集中供热系统热特性参数K₂和b计算目标回水温度t_h；基于所述目标回水温度t_h计算调节阀的目标开度K，并下发给所述调节阀，完成供热系统流量控制。本发明基于供热系统的特性和调节阀的特性，仅需要温度传感器和调节阀，不会增加系统控制成本，运行控制简单，直接给定了阀门的开度，能够较好实现供热系统流量的快速准确控制。

Description

一种基于调节阀的集中供热系统流量控制方法及系统

技术领域

本发明涉及热能工程的技术领域，尤其涉及一种基于调节阀的集中供热系统流量控制方法及系统。

背景技术

集中供热系统的水力平衡对于保证供热品质和节约供热能耗具有重要作用。采用调节阀对集中供热系统进行流量调节是目前最常用的调节方式。调节阀接收采暖回水温度，根据设定的目标温度进行阀门开度的调节。目前关于阀门的开度控制，均是将供热系统作为一个黑箱，采用PID控制方法进行调节，而忽视了管网与阀门的特有属性。基于PID控制的阀门调节，往往使供热系统产生较大的水力工况波动，且供热系统的稳定时间较长，阀门一直处于开度调整状态。为解决这一问题，基于供热系统的特性和调节阀的特性，对集中供热系统的流量进行精确控制，可以实现集中供热系统快速水力平衡。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明解决的技术问题是：目前关于阀门的开度控制，均是将供热系统作为一个黑箱，采用PID控制方法进行调节，而忽视了管网与阀门的特有属性。基于PID控制的阀门调节，往往使供热系统产生较大的水力工况波动，且供热系统的稳定时间较长，阀门一直处于开度调整状态。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：采集集中供热系统的相关数据信息，根据所述集中供热系统的相关数据信息构建拓扑结构；基于所述拓扑结构拟合得到所述集中供热系统热特性参数K₂和b；根据温度传感器采集的温度数据以及所述集中供热系统热特性参数K₂和b计算目标回水温度t_h；基于所述目标回水温度t_h计算调节阀的目标开度K₄，并下发给所述调节阀，完成供热系统流量控制。

作为本发明所述的基于调节阀的集中供热系统流量控制方法的一种优选方案，其中：所述温度传感器采集的温度数据包括室外气温t_w、供水温度t_g2、回水温度t_h2。

作为本发明所述的基于调节阀的集中供热系统流量控制方法的一种优选方案，其中：所述目标回水温度t_h计算过程包括，冬季供暖系统的热负荷包括：围护结构的耗热量，加热由外门、窗缝隙渗入室内的冷空气耗热量，加热由外门开启时经外门进入室内的冷空气耗热量，通风耗热量，通过其他途径散失或获得的热量。

作为本发明所述的基于调节阀的集中供热系统流量控制方法的一种优选方案，其中：还包括，所述围护结构的耗热量包括基本耗热量和附加耗热量，，所述基本耗热量的计算公式为：

Q₁＝αFK(t_n-t_w)

其中，Q₁表示围护结构的基本耗热量，单位为W，α表示围护结构温差修正系数，F表示围护结构的面积，单位为m²，K表示围护结构的传热系数，单位为W/(m²·K)，t_n表示供暖室内设计温度，单位为℃，t_w表示供暖室外温度，单位为℃；

所述加热由门窗缝隙渗入室内的冷空气的耗热量计算公式为：

Q₂＝0.28c_pρ_wL(t_n-t_w)

其中，Q₂表示由门窗缝隙渗人室内的冷空气的起热量，单位为W，c_p表示空气的定压比热容，c_p＝1.01kJ/(kg·K)，ρ_w表示供暖室外计算温度下的空气密度，单位为kg/m³，L表示渗透冷空气量，单位为m³/h，t_n表示供暖室内设计温度，单位为℃，t_w表示供暖室外计算温度，单位为℃；

基于上述公式，供暖热负荷Q_h与室内外温差t_n-t_w成正比关系：

Q_h＝K₁(t_n-t_w)

其中，K₁表示负荷温度系数。

作为本发明所述的基于调节阀的集中供热系统流量控制方法的一种优选方案，其中：将室内采暖设备的传热系数K_s值可整理成K_s＝f(Δt)的关系式：

其中，K_s表示采暖设备的传热系数，单位为W/(m²·℃)，a、b是由实验确定的系数，t_g表示散热器进水温度，单位为℃，t_h表示散热器回水温度，单位为℃；

在散热面积F_s条件下的散热量为：

定义散热器的散热量Q_s＝供暖热负荷Q_h，结合上式得到：

其中，K₂表示建筑综合热特性系数。

作为本发明所述的基于调节阀的集中供热系统流量控制方法的一种优选方案，其中：还包括，将式t_n两边取对数，可得：

采用最小二乘法，根据单元实际运行数据，得到b和K₂的值；

根据b和K₂的值计算得到回水温度的目标值为：

作为本发明所述的基于调节阀的集中供热系统流量控制方法的一种优选方案，其中：基于所述目标回水温度t_h计算调节阀的目标开度K₄包括，根据调节阀特性表，拟合得到所述调节阀压降与目标开度的关系：

ΔP_v＝cK₄ ^dG²

其中，ΔP_v是阀门压降，G是系统流量，c、d是调节阀特性拟合参数；

基于阀门所在管段的压降，则含阀管网的压降特性为：

ΔP＝(cK₄ ^d+S)G²

其中，ΔP是含阀管网的压降，S是管网的阻抗。

作为本发明所述的基于调节阀的集中供热系统流量控制方法的一种优选方案，其中：还包括，所述阀门调节过程中，主管网压力波动小，开度与流量的关系为：

其中，K₀是当前开度；

按流量与温差成反比例关系，得到：

其中，t_g2、t_h2为当前供、回水温度，t_h为回水温度目标值；

从而得到：

上式右侧后两项接近，因此，得到调节阀的目标开度K₄的开度调节公式：

其中，K₀是当前开度，K₄是目标开度。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种基于调节阀的集中供热系统流量控制系统，包括：温度传感器，包括供水温度传感器、回水温度传感器、室外温度传感器，用于采集温度信息；调节阀，与所述温度传感器及热用户相连接，根据所述热用户的历史记录数据以及通过温度信息计算得到的目标回水温度计算所述调节阀的目标开度。

本发明的有益效果：本发明基于供热系统的特性和调节阀的特性，仅需要温度传感器和调节阀，不会增加系统控制成本，运行控制简单，直接给定了阀门的开度，能够较好实现供热系统流量的快速准确控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明一个实施例提供的一种基于调节阀的集中供热系统流量控制方法及系统的基本流程示意图；

图2为本发明一个实施例提供的一种基于调节阀的集中供热系统流量控制方法及系统的模块结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”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。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1，为本发明的一个实施例，提供了一种基于调节阀的集中供热系统流量控制方法，包括：

S1：采集集中供热系统的相关数据信息，根据集中供热系统的相关数据信息构建拓扑结构。

S2：基于拓扑结构拟合得到集中供热系统热特性参数K₂和b。

S3：根据温度传感器100采集的温度数据以及集中供热系统热特性参数K₂和b计算目标回水温度t_h。

S4：基于目标回水温度t_h计算调节阀200的目标开度K₄，并下发给调节阀200，完成供热系统流量控制。

需要说明的是，S1～S4步骤具体包括：

温度传感器100采集的温度数据包括室外气温t_w、供水温度t_g2、回水温度t_h2。

本发明的基于调节阀的集中供热系统流量控制方法包括温度传感器100数据的采集和调节阀200开度的调节，系统控制方案如下：

(1)目标回水温度：

冬季供暖系统的热负荷包括：围护结构的耗热量；加热由外门、窗缝隙渗入室内的冷空气耗热量；加热由外门开启时经外门进入室内的冷空气耗热量；通风耗热量；通过其他途径散失或获得的热量。

其中，围护结构的耗热量，应包括基本耗热量和附加耗热量，其基本耗热量的计算公式为：

Q₁＝αFK(t_n-t_w)

其中，Q₁表示围护结构的基本耗热量，单位为W，α表示围护结构温差修正系数，F表示围护结构的面积，单位为m²，K表示围护结构的传热系数，单位为W/(m²·K)，t_n表示供暖室内设计温度，单位为℃，t_w表示供暖室外温度，单位为℃；

加热由门窗缝隙渗入室内的冷空气的耗热量，应根据建筑物的内部隔断、门窗构造、门窗朝向、室内外温度和室外风速等因素确定，多层和高层建筑，加热由门窗缝隙渗入室内的冷空气的耗热量，可按下式计算：

Q₂＝0.28c_pρ_wL(t_n-t_w)

其中，Q₂表示由门窗缝隙渗人室内的冷空气的起热量，单位为W，c_p表示空气的定压比热容，c_p＝1.01kJ/(kg·K)，ρ_w表示供暖室外计算温度下的空气密度，单位为kg/m³，L表示渗透冷空气量，单位为m³/h，t_n表示供暖室内设计温度，单位为℃，t_w表示供暖室外计算温度，单位为℃；

基于上述公式，供暖热负荷Q_h与室内外温差t_n-t_w成正比关系：

Q_h＝K₁(t_n-t_w)

其中，K₁表示负荷温度系数。

进一步的，室内采暖设备的传热系数K_s值可整理成K_s＝f(Δt)的关系式：

其中，K_s表示采暖设备的传热系数，单位为W/(m²·℃)，a、b是由实验确定的系数，t_g表示散热器进水温度，单位为℃，t_h表示散热器回水温度，单位为℃；

在散热面积F_s条件下的散热量为：

为保证用户室温温度恒定，定义散热器的散热量Q_s＝供暖热负荷Q_h，结合公式K_s、Q_s得到：

其中，K₂表示建筑综合热特性系数。

更进一步的，将式t_n两边取对数，可得：

采用最小二乘法，根据单元实际运行数据，得到b和K₂的值；

根据b和K₂的值计算得到回水温度的目标值为：

(2)调节阀开度控制：

根据调节阀特性表，拟合得到调节阀200压降与目标开度的关系：

ΔP_v＝cK₄ ^dG²

其中，ΔP_v是阀门压降，G是系统流量，c、d是调节阀特性拟合参数；

基于阀门所在管段的压降，则含阀管网的压降特性为：

ΔP＝(cK₄ ^d+S)G²

其中，ΔP是含阀管网的压降，S是管网的阻抗。

进一步的，阀门调节过程中，主管网压力波动小，开度与流量的关系为：

其中，K₀是当前开度；

按流量与温差成反比例关系，得到：

其中，t_g2、t_h2为当前供、回水温度，t_h为回水温度目标值；

从而得到：

上式右侧后两项接近，因此，得到调节阀的目标开度K₄的开度调节公式：

其中，K₀是当前开度，K₄是目标开度。

本发明的目的在于克服传统PID调节波动和缓慢的缺点，基于供热系统特性和阀门特性，提出了一种基于调节阀的集中供热系统流量控制方法，该控制方法能够快速实现集中供热系统流量的控制。

对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例选择的不同方法和采用本方法进行对比测试，以科学论证的手段对比试验结果，以验证本方法所具有的真实效果。

测试环境：对某小区的8栋楼共26个单元采用PID调节和本发明调节进行对比。两种调节方法各运行1天后，得到的结果对比见表1。

表1：调节效果对比表。

由表1可见，在同样的调节时间内，与传统方法相比，本发明方法可以使各单元的回水温度趋于一致，得到了满意的调节效果，体现了本发明方法的有效性。

实施例2

参照图2为本发明另一个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，提供了一种基于调节阀的集中供热系统流量控制系统，上述基于调节阀的集中供热系统流量控制方法能够依托于本系统实现。

具体的，该系统包括：

温度传感器100，包括供水温度传感器101、回水温度传感器102、室外温度传感器103，用于采集温度信息；

调节阀200，与所述温度传感器100及热用户300相连接，根据所述热用户300的历史记录数据以及通过温度信息计算得到的目标回水温度计算所述调节阀200的目标开度。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作表示根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

如在本申请所使用的，术语“组件”、“模块”、“系统”等等旨在指代计算机相关实体，该计算机相关实体可以是硬件、固件、硬件和软件的结合、软件或者运行中的软件。例如，组件可以是，但不限于是：在处理器上运行的处理、处理器、对象、可执行文件、执行中的线程、程序和/或计算机。作为示例，在计算设备上运行的应用和该计算设备都可以是组件。一个或多个组件可以存在于执行中的过程和/或线程中，并且组件可以位于一个计算机中以及/或者分布在两个或更多个计算机之间。此外，这些组件能够从在其上具有各种数据结构的各种计算机可读介质中执行。这些组件可以通过诸如根据具有一个或多个数据分组(例如，来自一个组件的数据，该组件与本地系统、分布式系统中的另一个组件进行交互和/或以信号的方式通过诸如互联网之类的网络与其它系统进行交互)的信号，以本地和/或远程过程的方式进行通信。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于调节阀的集中供热系统流量控制方法，其特征在于，包括：

采集集中供热系统的相关数据信息，根据所述集中供热系统的相关数据信息构建拓扑结构；

基于所述拓扑结构拟合得到所述集中供热系统热特性参数K₂和b；

根据温度传感器(100)采集的温度数据以及所述集中供热系统热特性参数K₂和b计算目标回水温度t_h，计算所述目标回水温度t_h的过程包括冬季供暖系统的热负荷，所述冬季供暖系统的热负荷包括：围护结构的耗热量，以及加热由外门、窗缝隙渗入室内的冷空气耗热量，所述围护结构的耗热量包括基本耗热量和附加耗热量，其中：

所述加热由外门、窗缝隙渗入室内的冷空气耗热量的计算公式为：

Q₂＝0.28c_pρ_wL(t_n-t_w)

其中，Q₂表示由门窗缝隙渗入室内的冷空气的加热量，单位为W，c_p表示空气的定压比热容，c_p＝1.01kJ/(kg·K)，ρ_w表示供暖室外计算温度下的空气密度，单位为kg/m³，L表示渗透冷空气量，单位为m³/h；

所述基本耗热量的计算公式为：

Q₁＝αFK(t_n-t_w)

其中，Q₁表示围护结构的基本耗热量，单位为W，α表示围护结构温差修正系数，F表示围护结构的面积，单位为m²，K表示围护结构的传热系数且单位为W/(m²·K)，t_n表示供暖室内设计温度且单位为℃，t_w表示供暖室外温度且单位为℃；

通过下式表述所述热负荷Q_h与室内外温差t_n-t_w成正比关系：

Q_h＝K₁(t_n-t_w)

其中，K₁表示负荷温度系数；

将室内采暖设备的传热系数K_s值可整理成K_s＝f(Δt)的关系式：

其中，K_s表示采暖设备的传热系数，单位为W/(m²·℃)，a、b是由实验确定的系数，t_g表示散热器进水温度，单位为℃，t_h表示散热器回水温度，单位为℃；

在散热面积F_s条件下的散热量为：

定义散热器的散热量Q_s＝供暖热负荷Q_h，结合上式得到：

其中，K₂表示建筑综合热特性系数；

将式t_n两边取对数，可得：

采用最小二乘法，根据单元实际运行数据，得到b和K₂的值；

根据b和K₂的值计算得到回水温度的目标值为：

；

基于所述目标回水温度t_h计算调节阀(200)的目标开度K₄，并下发给所述调节阀(200)，完成供热系统流量控制，其中，确定所述调节阀(200)的目标开度K₄的开度调节公式为：

其中，K₀是当前开度，t_g2、t_h2为当前供、回水温度，t_h为回水温度目标值，d为调节阀特性拟合参数；

基于所述目标回水温度t_h计算调节阀(200)的目标开度K₄，包括，

根据调节阀特性表，拟合得到所述调节阀(200)压降与目标开度的关系：

ΔP_v＝cK₄ ^dG²

其中，ΔP_v是阀门压降，G是系统流量，c、d是调节阀特性拟合参数；

基于阀门所在管段的压降，则含阀管网的压降特性为：

ΔP＝(cK₄ ^d+S)G²

其中，ΔP是含阀管网的压降，S是管网的阻抗；

确定所述调节阀(200)的目标开度K₄的开度调节公式的具体方式为：

所述阀门调节过程中，主管网压力波动小，开度与流量的关系为：

其中，K₀是当前开度；

按流量与温差成反比例关系，得到：

其中，t_g2、t_h2为当前供、回水温度，t_h为回水温度目标值；

从而得到：

上式右侧后两项接近，因此，得到调节阀的目标开度K₄的开度调节公式：

其中，K₀是当前开度，K₄是目标开度。

2.如权利要求1所述的基于调节阀的集中供热系统流量控制方法，其特征在于：所述温度传感器(100)采集的温度数据包括室外气温t_w、供水温度t_g2、回水温度t_h2。

3.如权利要求1或2所述的基于调节阀的集中供热系统流量控制方法，其特征在于：所述冬季供暖系统的热负荷，还包括：加热由外门开启时经外门进入室内的冷空气耗热量和通风耗热量。

4.一种应用于如权利要求1-3任一所述的基于调节阀的集中供热系统流量控制方法的集中供热系统流量控制系统，其特征在于，包括：

温度传感器(100)，用于采集温度信息，所述温度传感器(100)包括供水温度传感器(101)、回水温度传感器(102)、室外温度传感器(103)；

调节阀(200)，与所述温度传感器(100)及热用户(300)相连接，根据所述热用户(300)的历史记录数据以及通过温度信息计算得到的目标回水温度计算所述调节阀(200)的目标开度。