陳菲菲 楊 煬

（石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院1） 河北石家莊 050041 河北科技大學(xué)2) 河北石家莊 050000）

氣候補償器的動態(tài)熱負荷調(diào)節(jié)方法研究

陳菲菲1）楊 煬2）

（石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院1）河北石家莊 050041 河北科技大學(xué)2)河北石家莊 050000）

氣候補償器應(yīng)保證熱源的供熱量與用戶熱負荷變化相適應(yīng)。依據(jù)熱負荷預(yù)測值，提出一種氣候補償器的動態(tài)熱負荷調(diào)節(jié)方法，根據(jù)供熱需求，調(diào)節(jié)輸出熱負荷的大小，論述了動態(tài)調(diào)節(jié)方法的理論依據(jù)，并對其進行實驗分析。

氣候補償 動態(tài)調(diào)節(jié) 室外溫度預(yù)測 按需供熱

1 引言

氣候補償器調(diào)節(jié)的基本原則是隨著冬季室外溫度的變化，調(diào)節(jié)供熱量，保證熱源的供熱量與用戶熱負荷變化相適應(yīng)，實現(xiàn)按需供熱，維持室內(nèi)溫度的穩(wěn)定。如何根據(jù)用戶熱負荷的動態(tài)特性選定氣候補償?shù)恼{(diào)節(jié)時段，并根據(jù)各時段的供熱需求調(diào)節(jié)輸出熱負荷的大小是氣候補償器的關(guān)鍵技術(shù)點[1]。

傳統(tǒng)的系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)是建立在穩(wěn)態(tài)計算的基礎(chǔ)上，根據(jù)調(diào)節(jié)模型模擬出的室外溫度變化曲線，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的供水溫度和流量。在調(diào)節(jié)控制過程中，由于不能精確掌握24 h的室外溫度變化規(guī)律，生產(chǎn)調(diào)度人員只能根據(jù)經(jīng)驗來調(diào)節(jié)熱源的供水溫度，此種調(diào)節(jié)方式造成了熱源處的被動供熱，既增大了供熱成本，也無法反映建筑物熱負荷的動態(tài)特性，不能很好地滿足用戶的用熱需求。實際供熱系統(tǒng)的運行調(diào)節(jié)與控制是隨著用戶需求不斷變化的，應(yīng)該根據(jù)熱負荷的變化規(guī)律從動態(tài)的角度進行調(diào)控[2]。

2 熱負荷預(yù)測

熱負荷動態(tài)調(diào)節(jié)方法以氣候補償各時段所對應(yīng)的熱負荷預(yù)測值為依據(jù)，通過熱負荷與供、回水溫度關(guān)系曲線，提前給出每天供熱運行調(diào)節(jié)控制參數(shù)，供管理人員按需調(diào)節(jié)，實現(xiàn)熱源處的主動供熱。

氣候補償器進行動態(tài)調(diào)節(jié)的前提是對次日的熱負荷進行預(yù)測，以便于根據(jù)熱負荷值各時段的分布情況和大小對供熱參數(shù)進行調(diào)節(jié)。動態(tài)熱負荷預(yù)測主要包括兩部分，首先是室外溫度的預(yù)測，即根據(jù)當(dāng)?shù)貧v史氣象數(shù)據(jù)及氣象部門的天氣預(yù)報對次日的室外溫度進行預(yù)測，并將該值作為熱負荷預(yù)測的基本數(shù)據(jù)；其次是熱負荷的預(yù)測，即根據(jù)室外溫度計算出次日的熱負荷曲線。

2.1 室外溫度預(yù)測

在室內(nèi)溫度一定的前提下，采暖熱負荷主要取決于室外溫度的大小，而實際上，在進行熱負荷預(yù)測時，第二天的室外溫度是難以直接獲得的，要提前24 h預(yù)測熱負荷，首先要對第二天的室外溫度值進行預(yù)測。

地球白天接受太陽輻射熱并在夜晚放出熱量，室外溫度在一晝夜內(nèi)隨時間連續(xù)變化，表現(xiàn)出明顯的24 h周期性波動。一日之中室外溫度的最低值一般出現(xiàn)在日出前后，而在午后14～15時達到最高值。因此，可以對室外溫度進行24 h的周期性預(yù)測。

2.1.1 預(yù)測方法——形狀因子法

形狀因子法[3]是根據(jù)歷史室外溫度數(shù)據(jù)值得出的歷史形狀因子結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀箢A(yù)報的最高、最低溫度數(shù)據(jù)對未來室外溫度進行預(yù)測，并在一個預(yù)測周期結(jié)束后，由室外溫度實測值對形狀因子進行不斷更新修正。

式中，ai——第i小時的形狀因子；

一個預(yù)測周期結(jié)束后，比較當(dāng)天的室外溫度實測值與預(yù)測值，對形狀因子進行修正，修正后的新形狀因子用于次日的室外溫度預(yù)測，到獲知第i小時的溫度實測值ti時，結(jié)合實測形狀因子對該時刻的形狀因子進行修正。由第i小時的實測數(shù)據(jù)得到的實測形狀因子為

式中，ai1——第i小時的實測形狀因子；

修正后的新形狀因子為（其中b為遺忘因子）

2.1.2 室外溫度預(yù)測值的在線修正

圖1 一段法室外溫度預(yù)測值與實測值對比示意圖

圖1所示為形狀因子法在標(biāo)準(zhǔn)年1月的室外溫度預(yù)測情況。形狀因子法在確定最高、最低的溫度的時刻上是按照一般日氣溫變化規(guī)律確定的，由于室外溫度變化的隨機性，對于異常天氣，如圖中1月14日室外溫度逐漸降低的情況，會出現(xiàn)一定的偏差，采用溫度的在線修正將提高預(yù)測的準(zhǔn)確性。在線修正采用簡單移動平均法，采用預(yù)測數(shù)據(jù)采樣間隔為1 h，預(yù)測時間段長度n為2，即利用當(dāng)前溫度值、前一小時的溫度值、前兩小時的溫度值預(yù)測此后一小時的溫度值。各采樣間隔歷史溫度數(shù)據(jù)的權(quán)重系數(shù)分別為：f0=1/2，f1=1/3，f2=1/6。

2.1.3 室外溫度值分段量化

依據(jù)氣候補償?shù)恼{(diào)節(jié)時段，將對應(yīng)時段內(nèi)的室外溫度取加權(quán)平均值，作為該時段內(nèi)的室外溫度量化值，量化公式為：

式中，tw——相應(yīng)時段的室外溫度量化值（℃）；

2.2 熱負荷計算

當(dāng)建筑物圍護結(jié)構(gòu)確定后，建筑物熱負荷與室內(nèi)外溫差成正比（忽略日照及風(fēng)力的影響），當(dāng)室內(nèi)溫度保持設(shè)定值時，熱負荷取決于室外溫度的大小。在氣候補償器的各調(diào)節(jié)時段內(nèi)，室外溫度的波動對熱負荷的大小不造成影響。此時，依據(jù)各時段室外溫度量化值對熱負荷按穩(wěn)態(tài)傳熱進行計算，是滿足精度要求的，熱負荷計算公式為

式中，Q——采暖實際熱負荷（W）；

Qs——采暖設(shè)計熱負荷（W）；

qA——采暖設(shè)計熱指標(biāo)（W/m2）；

A——建筑面積（m2）；

3 氣候補償調(diào)節(jié)時段劃分

根據(jù)室外溫度變化規(guī)律，室外溫度曲線的峰谷約在7時出現(xiàn)，高峰出現(xiàn)在15時，以0時、7時、15時、23時4個重要時間點為主要劃分節(jié)點，保證各時段室外溫度相差不大于5 ℃的前提下，將一日24 h劃分為[0,4]，[5,9]，[10,12]，[13,17]，[18,19]，[20,23]6個時間段。

將石家莊地區(qū)各月平均室外溫度統(tǒng)計值按上述時段進行劃分，得出每個時間段內(nèi)的最大溫差，如表1所示。各月室外溫度在[0,4]，[5,9]，[10,12]，[13,17]，[18,19]，[20,23]6個相應(yīng)時段內(nèi)的溫差變化基本滿足小于4 ℃的要求，在各時段內(nèi)的熱負荷可以按穩(wěn)態(tài)傳熱進行計算。

表1 室外溫度在各時段溫差統(tǒng)計表 ℃

因此，將一日24 h內(nèi)的[0,4]，[5,9]，[10,12]，[13,17]，[18,19]，[20,23]定為氣候補償器的6個調(diào)節(jié)時段，氣候補償器根據(jù)熱負荷在各時段的分布情況對供熱工況進行調(diào)節(jié)。

4 氣候補償調(diào)節(jié)模型的建立

氣候補償器通過對間接式供熱系統(tǒng)中一次網(wǎng)熱水網(wǎng)路側(cè)和二次網(wǎng)供暖用戶側(cè)的供熱參數(shù)的調(diào)控，實現(xiàn)系統(tǒng)供熱量的補償調(diào)節(jié)[4]。在熱力站中，一次網(wǎng)熱水網(wǎng)路側(cè)的供熱量為

二次網(wǎng)供暖用戶側(cè)的供熱量為

換熱器的換熱量為

F——換熱器換熱面積（m2）；

Δt——換熱器對數(shù)平均溫差（℃）。

在忽略換熱設(shè)備熱損失的前提下，一次網(wǎng)熱水網(wǎng)路側(cè)、二次網(wǎng)供暖用戶側(cè)的供熱量等于一、二次網(wǎng)間換熱器的換熱量，即Q1、Q2、Q三者對應(yīng)相等，建立氣候補償器在二次網(wǎng)供暖用戶側(cè)對供熱參數(shù)的調(diào)節(jié)模型。

供暖用戶側(cè)供熱調(diào)節(jié)采用質(zhì)調(diào)節(jié)模型，以保持用戶系統(tǒng)的水力工況穩(wěn)定。質(zhì)調(diào)節(jié)通過改變進入用戶側(cè)的供水溫度來調(diào)節(jié)系統(tǒng)供熱量，而循環(huán)水量保持不變[5-6]。

供熱運行調(diào)節(jié)基本公式[37-39]

b——散熱器的傳熱指數(shù)，一般對于常用散熱器b=0.14～0.37。

在熱用戶設(shè)定某一室內(nèi)溫度的情況下，供暖用戶側(cè)的供、回水溫度取決于相對供暖熱負荷。質(zhì)調(diào)節(jié)隨由室外溫度變化而引起熱負荷的改變值對供、回水溫度進行調(diào)節(jié)，從而保證用戶室內(nèi)溫度穩(wěn)定，不受室外溫度變化產(chǎn)生大幅度的干擾。

5 動態(tài)調(diào)節(jié)方法實例分析

將基于氣候補償?shù)膭討B(tài)熱負荷調(diào)節(jié)方法應(yīng)用于石家莊雅士名邸住宅小區(qū)，表2中給出了該小區(qū)于2013年1月21日，氣候補償器在當(dāng)日中[0,4]，[5,9]，[10,12]，[13,17]，[18,19]，[20,23]6個時段內(nèi)所對應(yīng)的供熱調(diào)節(jié)參數(shù)。

表2 氣候補償各調(diào)節(jié)時段參數(shù) ℃

由表2可知，一日各調(diào)節(jié)時段內(nèi)所對應(yīng)的最大溫度滿足不大于5 ℃的要求，不同時段內(nèi)室外溫度量化值所對應(yīng)的供水溫度設(shè)定值不同，氣候補償器根據(jù)相應(yīng)時段的參數(shù)自動進行針對性調(diào)節(jié)。

圖2、3分別給出了氣候補償器在1月21日的動態(tài)熱負荷設(shè)定值和供水溫度設(shè)定值與室外溫度的關(guān)系曲線。

圖2 動態(tài)熱負荷設(shè)定值與室外溫度關(guān)系曲線

圖3 供水溫度與室外溫度關(guān)系曲線

如圖2所示，氣候補償器各補償時段內(nèi)的熱負荷調(diào)節(jié)值與模擬熱負荷基本吻合，能夠反映用戶在不同時段的用熱需求。圖3中各時段供水溫度調(diào)節(jié)曲線與室外溫度波動曲線呈相反的趨勢，室外溫度高時，供水溫度低，反之亦反之。動態(tài)熱負荷調(diào)節(jié)法通過提前設(shè)定供熱系統(tǒng)在各時段內(nèi)的運行調(diào)節(jié)指標(biāo)，充分體現(xiàn)用戶各時段內(nèi)的需求變化，在保證供熱質(zhì)量的前提下，提高供熱效率。

6 結(jié)論

動態(tài)熱負荷調(diào)節(jié)方法依據(jù)提前設(shè)定的各時段內(nèi)熱負荷調(diào)節(jié)值對供熱工況進行分時段調(diào)節(jié)，將熱源由原先的被動供熱變?yōu)橹鲃庸?，體現(xiàn)用戶在各時段的用熱需求。

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The Research of Dynamic Heat Load Regulation on the Temperature Compensation

CHEN Fei-fei1)YANG Yang2)
(Shijiazhuang Institute of Railway Technology1)Shijiazhuang Hebei 050041 University of science and Technology2)Shijiazhuang Hebei 050000 China)

The climate compensator should ensure that the heat supply of the heat source is adapted to the change of the heat load of the user. According to the predicted value of thermal load, the method of dynamic heat load regulation on the Temperature Compensation is proposed. According to the heating demand, the size of the output heat load is adjusted, the theoretical basis of the dynamic adjustment method is discussed, and the experimental analysis is carried out.

temperature compensation dynamic regulation temperature prediction need-based heating

A

1673-1816(2017)03-0080-06

2016-06-18

陳菲菲（1989-），女，漢，河北石家莊人，碩士，研究方向供熱、供燃氣、通風(fēng)及空調(diào)工程。