氣候補償器的動態熱負荷調節方法研究

陳菲菲 楊 煬

（石家莊鐵路職業技術學院1） 河北石家莊 050041 河北科技大學2) 河北石家莊 050000）

氣候補償器的動態熱負荷調節方法研究

陳菲菲1）楊 煬2）

（石家莊鐵路職業技術學院1）河北石家莊 050041 河北科技大學2)河北石家莊 050000）

氣候補償器應保證熱源的供熱量與用戶熱負荷變化相適應。依據熱負荷預測值，提出一種氣候補償器的動態熱負荷調節方法，根據供熱需求，調節輸出熱負荷的大小，論述了動態調節方法的理論依據，并對其進行實驗分析。

氣候補償 動態調節 室外溫度預測 按需供熱

1 引言

氣候補償器調節的基本原則是隨著冬季室外溫度的變化，調節供熱量，保證熱源的供熱量與用戶熱負荷變化相適應，實現按需供熱，維持室內溫度的穩定。如何根據用戶熱負荷的動態特性選定氣候補償的調節時段，并根據各時段的供熱需求調節輸出熱負荷的大小是氣候補償器的關鍵技術點[1]。

傳統的系統運行調節是建立在穩態計算的基礎上，根據調節模型模擬出的室外溫度變化曲線，調節系統的供水溫度和流量。在調節控制過程中，由于不能精確掌握24 h的室外溫度變化規律，生產調度人員只能根據經驗來調節熱源的供水溫度，此種調節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特性，不能很好地滿足用戶的用熱需求。實際供熱系統的運行調節與控制是隨著用戶需求不斷變化的，應該根據熱負荷的變化規律從動態的角度進行調控[2]。

2 熱負荷預測

熱負荷動態調節方法以氣候補償各時段所對應的熱負荷預測值為依據，通過熱負荷與供、回水溫度關系曲線，提前給出每天供熱運行調節控制參數，供管理人員按需調節，實現熱源處的主動供熱。

氣候補償器進行動態調節的前提是對次日的熱負荷進行預測，以便于根據熱負荷值各時段的分布情況和大小對供熱參數進行調節。動態熱負荷預測主要包括兩部分，首先是室外溫度的預測，即根據當地歷史氣象數據及氣象部門的天氣預報對次日的室外溫度進行預測，并將該值作為熱負荷預測的基本數據；其次是熱負荷的預測，即根據室外溫度計算出次日的熱負荷曲線。

2.1 室外溫度預測

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

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隨時間連續變化，表現出明顯的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的周期性預測。

2.1.1 預測方法——形狀因子法

形狀因子法[3]是根據歷史室外溫度數據值得出的歷史形狀因子結合當地氣象預報的最高、最低溫度數據對未來室外溫度進行預測，并在一個預測周期結束后，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；

一個預測周期結束后，比較當天的室外溫度實測值與預測值，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測，到獲知第i小時的溫度實測值ti時，結合實測形狀因子對該時刻的形狀因子進行修正。由第i小時的實測數據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 室外溫度預測值的在線修正

圖1 一段法室外溫度預測值與實測值對比示意圖

圖1所示為形狀因子法在標準年1月的室外溫度預測情況。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，會出現一定的偏差，采用溫度的在線修正將提高預測的準確性。在線修正采用簡單移動平均法，采用預測數據采樣間隔為1 h，預測時間段長度n為2，即利用當前溫度值、前一小時的溫度值、前兩小時的溫度值預測此后一小時的溫度值。各采樣間隔歷史溫度數據的權重系數分別為：f0=1/2，f1=1/3，f2=1/6。

2.1.3 室外溫度值分段量化

依據氣候補償的調節時段，將對應時段內的室外溫度取加權平均值，作為該時段內的室外溫度量化值，量化公式為：

式中，tw——相應時段的室外溫度量化值（℃）；

2.2 熱負荷計算

當建筑物圍護結構確定后，建筑物熱負荷與室內外溫差成正比（忽略日照及風力的影響），當室內溫度保持設定值時，熱負荷取決于室外溫度的大小。在氣候補償器的各調節時段內，室外溫度的波動對熱負荷的大小不造成影響。此時，依據各時段室外溫度量化值對熱負荷按穩態傳熱進行計算，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——采暖設計熱負荷（W）；

qA——采暖設計熱指標（W/m2）；

A——建筑面積（m2）；

3 氣候補償調節時段劃分

根據室外溫度變化規律，室外溫度曲線的峰谷約在7時出現，高峰出現在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。

將石家莊地區各月平均室外溫度統計值按上述時段進行劃分，得出每個時間段內的最大溫差，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個相應時段內的溫差變化基本滿足小于4 ℃的要求，在各時段內的熱負荷可以按穩態傳熱進行計算。

表1 室外溫度在各時段溫差統計表 ℃

因此，將一日24 h內的[0,4]，[5,9]，[10,12]，[13,17]，[18,19]，[20,23]定為氣候補償器的6個調節時段，氣候補償器根據熱負荷在各時段的分布情況對供熱工況進行調節。

4 氣候補償調節模型的建立

氣候補償器通過對間接式供熱系統中一次網熱水網路側和二次網供暖用戶側的供熱參數的調控，實現系統供熱量的補償調節[4]。在熱力站中，一次網熱水網路側的供熱量為

二次網供暖用戶側的供熱量為

換熱器的換熱量為

F——換熱器換熱面積（m2）；

Δt——換熱器對數平均溫差（℃）。

在忽略換熱設備熱損失的前提下，一次網熱水網路側、二次網供暖用戶側的供熱量等于一、二次網間換熱器的換熱量，即Q1、Q2、Q三者對應相等，建立氣候補償器在二次網供暖用戶側對供熱參數的調節模型。

供暖用戶側供熱調節采用質調節模型，以保持用戶系統的水力工況穩定。質調節通過改變進入用戶側的供水溫度來調節系統供熱量，而循環水量保持不變[5-6]。

供熱運行調節基本公式[37-39]

b——散熱器的傳熱指數，一般對于常用散熱器b=0.14～0.37。

在熱用戶設定某一室內溫度的情況下，供暖用戶側的供、回水溫度取決于相對供暖熱負荷。質調節隨由室外溫度變化而引起熱負荷的改變值對供、回水溫度進行調節，從而保證用戶室內溫度穩定，不受室外溫度變化產生大幅度的干擾。

5 動態調節方法實例分析

將基于氣候補償的動態熱負荷調節方法應用于石家莊雅士名邸住宅小區，表2中給出了該小區于2013年1月21日，氣候補償器在當日中[0,4]，[5,9]，[10,12]，[13,17]，[18,19]，[20,23]6個時段內所對應的供熱調節參數。

表2 氣候補償各調節時段參數 ℃

由表2可知，一日各調節時段內所對應的最大溫度滿足不大于5 ℃的要求，不同時段內室外溫度量化值所對應的供水溫度設定值不同，氣候補償器根據相應時段的參數自動進行針對性調節。

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

圖2 動態熱負荷設定值與室外溫度關系曲線

圖3 供水溫度與室外溫度關系曲線

如圖2所示，氣候補償器各補償時段內的熱負荷調節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節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。動態熱負荷調節法通過提前設定供熱系統在各時段內的運行調節指標，充分體現用戶各時段內的需求變化，在保證供熱質量的前提下，提高供熱效率。

6 結論

動態熱負荷調節方法依據提前設定的各時段內熱負荷調節值對供熱工況進行分時段調節，將熱源由原先的被動供熱變為主動供熱，體現用戶在各時段的用熱需求。

[1]吳修所.阿克姆供暖節能控制技術工程應用[J].建設科技,2008,23(6)∶82-83.

[2]張煜.換熱站供熱系統研究及智能控制方案設計[D].遼寧∶遼寧科技大學,2012.

[3]石磊.基于負荷預測在線修正的冰蓄冷空調系統優化運行研究[D].西安∶西安建筑科技大學,2002.

[4]李德英.建筑節能技術[M].北京∶機械工業出版社,2006∶178-179.

[5]田玉卓,閆全英,趙秉文.供熱工程[M].北京∶機械工業出版社,2008∶178-179.

[6]崔明輝,趙立川.間接連接熱水供暖系統集中供熱調節分析[J].河北工業大學學報,2010,31(6)∶584-587.

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、通風及空調工程。