CN114396646A - 一种基于用户有效室温的换热站智能控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于用户有效室温的换热站智能控制方法，涉及换热站运行调节控制技术领域，包括：获取室外气象参数；获取用户有效室温，制定各区域用户目标室温；建立各换热站机组基于历史运行数据分析的供热调节曲线；建立用户有效室温预测控制模型，基于用户有效室温进行预测控制，实时计算、修正二次网供水温度与二次网循环泵流量；智能控制平台向PLC下发二次网供水温度修正值与二次网循环泵流量修正值，PLC根据二次网供水温度修正值与二次网循环泵流量修正值自动调节电动调节阀开度和水泵转速；本发明能够监测用户室温情况，采取室温预测闭环控制，根据供热参数的变化对供热调节曲线实时优化调整，实现换热站的智能调节控制。

Description

一种基于用户有效室温的换热站智能控制方法

技术领域

本发明涉及换热站运行调节控制技术领域，具体涉及一种基于用户有效室温的换热站智能控制方法。

背景技术

集中供热系统是一个复杂的多变系统，具有大惯性、大滞后等特性，且我国供暖对应的能源消耗巨大。近年来，随着控制技术日趋成熟和供热企业精细化管理意识的增强，大多数供热企业对换热站进行了以节能降耗为目标的自控系统改造，并逐步建立了智能运营平台，实现了供热运行数据的实时采集、远程监测控制等多种功能。但对于换热站的控制，传统的控制方法主要依靠人工参照气象预报凭经验手动调节，造成供热能耗过高，用户室温波动大，热舒适性差等问题。

供热系统的室外气候补偿控制被普遍认为是节能降耗、实现按需供热的手段之一。目前，气候补偿控制在集中供热系统的运行调节中已得到广泛应用。然而，一些研究者通过对实际工程的调研发现，现有气候补偿控制的应用虽然对供需不平衡有一定的调节作用，且有明显的节能效果。但是并没有真正实现供热量和需热量的匹配，过量供热和冷热不均的现象依然存在，现有气候补偿控制的节能应用效果并没有达到理想状态。

要实现按需供热及对换热站的精准调控，首先，应提高供热调节曲线的准确性。其次，换热站的运行过程是一个复杂的非线性过程，具有时变、时滞、不确定和强耦合等特点，同时受多变的天气条件影响，供热负荷的变化是一个动态的过程，传统气候补偿控制会导致系统动态特性较差，加上缺少及时的室温反馈，极易造成用户室温的较大波动。因此，即使具备了精准的供热调节曲线，如果不能根据用户室温的变化情况对换热站进行动态调控，仍然无法实现按需供热。

发明内容

为了克服现有供热系统不能根据用户室温的变化情况对换热站进行动态调控的缺陷，本发明提供一种基于用户有效室温的换热站智能控制方法，监测用户室温情况，采取室温预测闭环控制，根据供热参数的变化对供热调节曲线实时优化调整，实现换热站的智能调节控制。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于用户有效室温的换热站智能控制方法，包括：

获取室外气象参数；

获取用户有效室温，制定各区域用户目标室温；

建立各换热站机组基于历史运行数据分析的供热调节曲线；

建立用户有效室温预测控制模型，基于用户有效室温进行预测控制，实时计算、修正二次网供水温度与二次网循环泵流量；

智能控制平台向PLC下发二次网供水温度修正值与二次网循环泵流量修正值，PLC根据二次网供水温度修正值与二次网循环泵流量修正值自动调节电动调节阀开度和水泵转速。

作为本发明的进一步实施方案，所述获取室外气象参数，包括：从国家气象网获取精确天气信息，展示当日、未来三天、未来一周的天气情况，包括天气状况、温度、湿度、风力，智能控制平台对各参数多维度加权计算，将加权结果发送给用户有效室温预测控制模型。

作为本发明的进一步实施方案，所述获取用户有效室温，包括：在用户家中安装室温采集设备，用户室温数据传输至智能控制平台的室温监测分析模块，室温监测分析模块对采集的用户室温数据进行清洗、排杂，剔除无效数据，选取能够真实反映用户室温的有效数据后进行加权计算，得到该换热站机组的用户有效室温。

作为本发明的进一步实施方案，所述室温监测分析模块对采集的用户室温数据进行清洗、排杂，剔除无效数据，包括：

首先，计算换热站机组覆盖区域一小时内的室内平均温度及室温标准偏差；

其中，室内平均温度计算公式见下式：

式中：t—换热站机组覆盖区域的室内平均温度，℃；

t_i—换热站机组覆盖区域第i个测温点的室内平均温度，℃；

t_i,j—第i个测温点的第j个室内温度值，℃；

n—布置的测温点数；

p—室内温度值的个数；

室温标准偏差计算公式见下式：

将一小时内的各个室内温度值与室内平均温度进行比较，若t-σ_T≤t_i，j≤t+σ_T，表示t_i，j满足要求；若t_i，j＜t-σ_T，或t_i，j＞t+σ_T，则剔除此数据；

最后，再次应用室内平均温度计算公式对满足要求的室内温度值计算其平均温度，得到该换热站机组的用户有效室温。

作为本发明的进一步实施方案，所述建立各换热站机组基于历史运行数据分析的供热调节曲线，包括：建立动态能耗分析模型，依据换热站机组的历史运行数据，对差异化建筑结构的换热站供热系统进行能耗分析，得到符合每个换热站机组特点的供热调节曲线。

作为本发明的进一步实施方案，所述能耗分析，包括：由能量平衡法原理，二次网提供给用户采暖系统的供热量等于末端散热设备向室内传递的热量，同时也等于建筑结构的供暖热负荷，因而有如下的热平衡方程式：

Q₁＝Q₂＝Q₃

Q₁＝Gc_p(t_g-t_h)

Q₂＝KF(t_pj-t_n)

Q₃＝qV(t_n-t_w)

式中：Q₁-用户采暖系统供热量，kW；

Q₂-散热设备向室内传递的热量，kW；

Q₃-建筑结构的供暖热负荷，kW；

q-建筑结构的体积供暖热指标，W/(m3·℃)；

V-建筑结构的外部体积，m3；

G-管路的循环流量，kg/s；

c_p-热媒的比热容，kJ/(kg·℃)；

K-散热设备的传热系数，kW/(m2·℃)；

F-散热设备的传热面积，m2；

t_g-进入用户采暖系统的供水温度，℃；

t_h-用户采暖系统的回水温度，℃；

t_n-室内平均温度，℃；

t_w-室外温度，℃；

t_pj-散热设备内热媒平均温度，℃；

其中，

K＝a(t_pj-t_n)^b

式中，a、b为供热系统固有系数，

供热系统稳定时，由上述各式可得：

式中，α＝aF、β＝b+1、γ＝qV，为供热系统常数，通过调入换热站机组的历史运行数据，将多组任意工况下对应的供水温度、回水温度、室内平均温度、室外温度和热媒循环流量代入上式，通过最小二乘法得到换热站供热系统常数α、β和γ，由此得到各个换热站机组在不同室外温度下的供热调节曲线，各换热站机组依据供热调节曲线运行，并将得到的下一时间段的室外气象参数、室内平均温度、二次网管路循环流量、二次网供水温度及供暖热负荷的历史值作为更新供热调节曲线的样本数据，应用最小二乘法再次对供热调节曲线拟合，实时优化调整供热调节曲线。

作为本发明的进一步实施方案，所述基于用户有效室温进行预测控制，包括：以用户有效室温为控制目标，根据室外气象参数及基于历史运行数据分析的供热调节曲线得到二次网初始供水温度，通过用户目标室温与用户有效室温之差，实时修正二次网初始供水温度，同时根据不同室外气象参数区间的二次网最佳循环流量调整水泵转速。

本发明的有益效果包括：(1)调度人员可以根据不同用户用热习惯及人员生活习惯，制定各区域用户目标室温，提升不同用户的用热舒适性，实现恒室温，采暖季室温偏差在±0.5℃；

(2)系统自适应调节，在保证舒适供热的基础上，实时在线调节运行参数，实现精准调控，热耗降低7％，电耗降低30％。

(3)大幅提高工作效率，调度人员可通过设置用户目标室温方便地完成大区域、多用户和换热站的精准调控工作。

附图说明

图1是本发明室温监测采样方法研究路线图。

图2是本发明模型预测控制流程图。

图3是本发明室温预测控制原理图。

图4是本发明基于用户有效室温的换热站智能控制平台原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“水平”、“内”、“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部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”、“第三”仅用于区分部件，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

一种基于用户有效室温的换热站智能控制方法，将室外气象参数、用户有效室温、用户目标室温及基于历史运行数据分析的供热调节曲线相结合，应用智能算法，根据用户有效室温与用户目标室温之差，实时修正二次网初始供水温度，同时，根据不同室外气象参数区间的二次网最佳循环流量调整水泵转速，实现基于有效室温检测的二次网动态反馈的智能控制运行，保证室温始终在合理区间，实现精准调控。

具体的，本发明的实施方案包括：

获取室外气象参数

从国家气象网获取精确天气信息，展示当日、未来三天、未来一周的天气情况，包括天气状况、温度、湿度、风力等，室外温度按每小时进行采集和存储；优选的，为减小电动调节阀频繁调节引起的一次管网的波动，设为三个时间段，智能控制平台自动多维度加权计算各时间段内气象参数，将加权结果发送给用户有效室温预测控制模型；上述实施方案为换热站智能控制提供准确的室外气象参数。

获取用户有效室温

选用固定式的插座或开关式室温采集设备，两种室温采集设备的通信方式均为NB-IoT通讯，信号稳定，通讯费用低；

1)测温点选择及布置

通过研究区片住户采样样本量，即住户覆盖率及室温采集设备布置原则，确定测温点的选择及布置原则，使得室温采集设备能够合理覆盖该供热区域，实现有效地监测室温，从而提取用户有效室温。图1为室温监测采样方法研究路线图。

区片住户采样样本量的估计是基于现有的室温监测数据，通过统计学和概率论的方法计算得出，并与实际情况结合，在理论基础上对计算样本量进行修正，使之更加适用于实际应用；室温采集设备布置原则是根据区片水平失调程度和户间失调程度制定，使估计的理想样本量科学合理地分布。

对区片住户采样样本量的估计(住户覆盖率计算)和室温采集设备的分布计算方法如下：

首先需要对采样整体的总体标准差进行估算，此处采用Bessel公式：

式中，σ—总体标准差估计；

X_i—第i个住户的室内温度(℃)(i＝1，2，……，n)；

——区片住户室内温度的平均值(℃)；

n—估算所用样本的样本量。

通过Bessel公式计算得出的总体标准差为有偏估计，根据以下公式对其进行修正：

式中，σ′—修正后的总体标准差；

M_Bn—对总体标准差的修正系数。

根据样本量n的不同，M_Bn使用不同的计算方法：

根据以上计算，得到室温采集设备的布置原则如下：

①住户覆盖率不低于7％；

②监测楼栋应均匀分布在管网远、中、近端；

③安装在室温偏低的用户室内，重点安装在每栋楼的边户，分布在立管两侧，并且顶层、底层均安装，中间层每隔1-2层安装；

④安装在人员进行常规起居的房间(常用卧室、客厅)，避免阳光直射，且不宜安装在外墙、窗前、阳台等局部冷辐射和冷风渗透作用较强的位置；

⑤插座式室温采集设备避开常开大功率电器的位置，开关式室温采集设备安装在常用开关的位置。

2)室温数据处理

根据以上原则在用户家中安装室温采集设备，室温数据通过NB-IoT传输至智能控制平台的室温监测分析模块，室温监测分析模块对采集的用户室温数据进行清洗、排杂，剔除无效数据，选取能够真实反映用户室温的有效数据后进行加权计算，得到该换热站机组的用户有效室温。

当用户室温明显偏离合理区间时，室温监测分析模块通过数据清洗自动剔除此类数据。

首先，计算换热站机组覆盖区域一小时内的室内平均温度及室温标准偏差；

其中，室内平均温度计算见公式(4)和公式(5)：

式中：t—换热站机组覆盖区域的室内平均温度，℃；

t_i—换热站机组覆盖区域第i个测温点的室内平均温度，℃；

t_i,j—第i个测温点的第j个室内温度值，℃；

n—布置的测温点数；

p—室内温度值的个数；

室温标准偏差计算公式见公式(6)：

将一小时内的各个室内温度值与室内平均温度进行比较，若t-σ_T≤t_i，j≤t+σ_T，表示t_i，j满足要求；若t_i，j＜t-σ_T，或t_i，j＞t+σ_T，则剔除此数据；

最后，再次应用公式(4)和公式(5)对满足要求的室内温度值计算其平均温度，得到该换热站机组的用户有效室温。

制定用户目标室温

根据不同用户用热习惯，人员生活习惯，制定各区域用户目标室温。

建立各换热站机组基于历史运行数据分析的供热调节曲线

分析建筑结构与供热系统相互耦合影响，以及供热系统存在大滞后、大惰性、非线性、受多变量影响及不确定性大(设计偏差、个体差别)等问题，建立动态能耗分析模型，依据换热站机组的历史运行数据，对差异化建筑结构的换热站供热系统进行能耗分析，得到符合每个换热站机组特点的供热调节曲线，实现一机组一曲线。

根据能量平衡法原理，在供热系统平衡的条件下，二次网提供给用户采暖系统的供热量等于末端散热设备向室内传递的热量，同时也等于建筑结构的供暖热负荷，因而有如下的热平衡方程式：

Q₁＝Q₂＝Q₃ (7)

Q₁＝Gc_p(t_g-t_h) (8)

Q₂＝KF(t_pj-t_n) (9)

Q₃＝qV(t_n-t_w) (10)

式中：Q₁-用户采暖系统供热量，kW；

Q₂-散热设备向室内传递的热量，kW；

Q₃-建筑结构的供暖热负荷，kW；

q-建筑结构的体积供暖热指标，W/(m3·℃)；

V-建筑结构的外部体积，m3；

G-管路的循环流量，kg/s；

c_p-热媒的比热容，kJ/(kg·℃)；

K-散热设备的传热系数，kW/(m2·℃)；

F-散热设备的传热面积，m2；

t_g-进入用户采暖系统的供水温度，℃；

t_h-用户采暖系统的回水温度，℃；

t_n-室内平均温度，℃；

t_w-室外温度，℃；

t_pj-散热设备内热媒平均温度，℃；

在供热系统中，t_pj可以表示为式(11)，

对于散热设备系统，基于国际标准化组织(ISO)规定，散热设备的传热系数可以表示为式(12)：

K＝a(t_pj-t_n)^b (12)

式中，a、b为供热系统固有系数，在供热系统相对稳定时，由式(7)(8)(9)(10)(11)(12)可得到：

式中，α＝aF、β＝b+1、γ＝qV，为供热系统常数，通过调入换热站机组的历史运行数据，将多组任意工况下对应的供水温度、回水温度、室内平均温度、室外温度和热媒循环流量代入公式(13)，通过最小二乘法得到换热站供热系统常数α、β和γ，由此得到各个换热站机组在不同室外温度下的供热调节曲线，各换热站机组依据供热调节曲线运行，并将得到的下一时间段的室外气象参数、室内平均温度、二次网管路循环流量、二次网供水温度及供暖热负荷的历史值作为更新供热调节曲线的样本数据，应用最小二乘法再次对供热调节曲线拟合，实时优化调整供热调节曲线。

建立用户有效室温预测控制模型，基于用户有效室温进行预测控制

基于各换热站机组的差异化供热调节曲线、用户有效室温、室外气象参数，结合供热系统衰减性、延迟性、各个用户不平衡性，建立用户有效室温预测控制模型。

模型预测控制是一种基于模型的闭环优化控制策略，对系统的当前状态及预测模型在线反复优化计算、滚动实施控制作用并进行模型误差的反馈校正，可以消除被控变量的偏差。图2为模型预测控制的控制流程。

模型预测控制的算法包含预测模型、滚动优化和反馈校正三部分。预测模型的功能是根据系统的历史信息和未来输入预测其未来输出，具有展示系统未来行为的功能，通过观察系统在不同控制策略下的输出情况，从而为选择最优控制策略提供基础。滚动优化是反复在线进行的优化算法，在每个采样时刻，通过预测模型求解未来有限时域的开环最优控制问题，并执行最优控制序列的第一步。反馈校正是为了防止模型失配或者环境干扰引起控制对理想状态的偏离，通过检测系统的实际输出对预测模型进行修正，从而构成闭环。

本实施方案将模型预测控制应用于换热站的智能控制。以用户有效室温为控制目标，根据室外气象参数及基于历史运行数据分析的供热调节曲线得到二次网初始供水温度，通过用户目标室温与用户有效室温之差，实时修正二次网初始供水温度，同时根据不同室外气象参数区间的二次网最佳循环流量调整水泵转速，实现基于有效室温检测的二次网动态反馈的智能控制运行，保证室温始终在合理区间。

如图3，基于用户有效室温预测控制具体为：根据室外温度t_w及基于历史运行数据分析的供热调节曲线得到二次网初始供水温度t_g’和水泵频率，通过二次网初始供水温度t_g’和循环泵流量影响有效室温t_n，计算目标室温t_n’与有效室温t_n的差值ΔT＝t_n’-t_n，判断ΔT是否在偏差范围内，超出室温偏差则计算修正二次网供水温度设定值t_g’，得到二次网供水温度计算值T_g，通过PID调节电动调节阀开度和水泵转速，从而调节二次网供水温度和供水流量，实现分时段变流量质调节。二次网供水温度曲线如下式：

式中：T_g—二次网供水温度计算值，℃；

t_n—有效室温，℃；

t_w—实际室外温度，℃；

t_g’—二次网供水温度设定值，℃；

t_h’—二次网回水温度设定值，℃；

t_n’—目标室内温度，℃；

t_w’—设计室外温度，℃；

B—散热设备的传热指数；

—系统实际循环流量与设计循环流量比值，％；

f(ΔT)—实测有效温度与目标室温的函数。

本发明基于用户有效室温的换热站智能控制原理：如图4所示，智能控制平台根据用户有效室温预测控制模型，结合室外气象参数、用户有效室温、用户目标室温及基于历史运行数据分析的供热调节曲线，向PLC下发二次网供水温度修正值与二次网循环泵流量修正值，PLC根据二次网供水温度修正值与二次网循环泵流量修正值自动调节电动调节阀开度和水泵转速，实现基于有效室温检测的二次网动态反馈的智能控制运行，保证室温始终在合理区间，实现精准调控。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种基于用户有效室温的换热站智能控制方法，其特征在于，包括：

获取室外气象参数；

获取用户有效室温，制定各区域用户目标室温；

建立各换热站机组基于历史运行数据分析的供热调节曲线；

建立用户有效室温预测控制模型，基于用户有效室温进行预测控制，实时计算、修正二次网供水温度与二次网循环泵流量；

智能控制平台向PLC下发二次网供水温度修正值与二次网循环泵流量修正值，PLC根据二次网供水温度修正值与二次网循环泵流量修正值自动调节电动调节阀开度和水泵转速。

2.根据权利要求1所述的一种基于用户有效室温的换热站智能控制方法，其特征在于，所述获取室外气象参数，包括：从国家气象网获取精确天气信息，展示当日、未来三天、未来一周的天气情况，包括天气状况、温度、湿度、风力，智能控制平台对各参数多维度加权计算，将加权结果发送给用户有效室温预测控制模型。

3.根据权利要求1所述的一种基于用户有效室温的换热站智能控制方法，其特征在于，所述获取用户有效室温，包括：在用户家中安装室温采集设备，用户室温数据传输至智能控制平台的室温监测分析模块，室温监测分析模块对采集的用户室温数据进行清洗、排杂，剔除无效数据，选取能够真实反映用户室温的有效数据后进行加权计算，得到该换热站机组的用户有效室温。

4.根据权利要求3所述的一种基于用户有效室温的换热站智能控制方法，其特征在于，所述室温监测分析模块对采集的用户室温数据进行清洗、排杂，剔除无效数据，包括：

首先，计算换热站机组覆盖区域一小时内的室内平均温度及室温标准偏差；

其中，室内平均温度计算公式见下式：

式中：t—换热站机组覆盖区域的室内平均温度，℃；

t_i—换热站机组覆盖区域第i个测温点的室内平均温度，℃；

t_i，j—第i个测温点的第j个室内温度值，℃；

n—布置的测温点数；

p—室内温度值的个数；

室温标准偏差计算公式见下式：

将一小时内的各个室内温度值与室内平均温度进行比较，若t-σ_T≤t_i，j≤t+σ_T，表示t_i，j满足要求；若t_i，j＜t-σ_T，或t_i，j＞t+σ_T，则剔除此数据；

最后，再次应用室内平均温度计算公式对满足要求的室内温度值计算其平均温度，得到该换热站机组的用户有效室温。

5.根据权利要求1所述的一种基于用户有效室温的换热站智能控制方法，其特征在于，所述建立各换热站机组基于历史运行数据分析的供热调节曲线，包括：建立动态能耗分析模型，依据换热站机组的历史运行数据，对差异化建筑结构的供热系统进行能耗分析，得到符合每个换热站机组特点的供热调节曲线。

6.根据权利要求5所述的一种基于用户有效室温的换热站智能控制方法，其特征在于，所述能耗分析，包括：由能量平衡法原理，二次网提供给用户采暖系统的供热量等于末端散热设备向室内传递的热量，同时也等于建筑结构的供暖热负荷，因而有如下的热平衡方程式：

Q₁＝Q₂＝Q₃

Q₁＝Gc_p(t_g-t_h)

Q₂＝KF(t_pj-t_n)

Q₃＝qV(t_n-t_w)

式中：Q₁-用户采暖系统供热量，kW；

Q₂-散热设备向室内传递的热量，kW；

Q₃-建筑结构的供暖热负荷，kW；

q-建筑结构的体积供暖热指标，W/(m3.℃)；

V-建筑结构的外部体积，m3；

G-管路的循环流量，kg/s；

c_p-热媒的比热容，kJ/(kg.℃)；

K-散热设备的传热系数，kW/(m2.℃)；

F-散热设备的传热面积，m2；

t_g-进入用户采暖系统的供水温度，℃；

t_h-用户采暖系统的回水温度，℃；

t_n-室内平均温度，℃；

t_w-室外温度，℃；

t_pj-散热设备内热媒平均温度，℃；

其中，

K＝a(t_pj-t_n)^b

式中，a、b为供热系统固有系数，

供热系统稳定时，由上述各式可得：

式中，α＝aF、β＝b+1、γ＝qV，为供热系统常数，通过调入换热站机组的历史运行数据，将多组任意工况下对应的供水温度、回水温度、室内平均温度、室外温度和热媒循环流量代入上式，通过最小二乘法得到换热站供热系统常数α、β和γ，由此得到各个换热站机组在不同室外温度下的供热调节曲线，各换热站机组依据供热调节曲线运行，并将得到的下一时间段的室外气象参数、室内平均温度、二次网管路循环流量、二次网供水温度及供暖热负荷的历史值作为更新供热调节曲线的样本数据，应用最小二乘法再次对供热调节曲线拟合，实时优化调整供热调节曲线。

7.根据权利要求1所述的一种基于用户有效室温的换热站智能控制方法，其特征在于，所述基于用户有效室温进行预测控制，包括：以用户有效室温为控制目标，根据室外气象参数及基于历史运行数据分析的供热调节曲线得到二次网初始供水温度，通过用户目标室温与用户有效室温之差，实时修正二次网初始供水温度，同时根据不同室外气象参数区间的二次网最佳循环流量调整水泵转速。

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