低溫地板輻射采暖系統(tǒng)的新型控制策略

李翠環(huán)

（蘭州博文科技學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

在建筑行業(yè)大力推廣綠色節(jié)能建筑背景下，低溫地板輻射采暖系統(tǒng)得到了廣泛運(yùn)用。其原理是將50℃左右的低溫?zé)崴ㄈ氲筋A(yù)先埋設(shè)在地板下的加熱管道中，通過(guò)熱對(duì)流加熱地板，再通過(guò)地板與室內(nèi)空氣進(jìn)行換熱。室內(nèi)底部空氣受熱后上升，頂部空氣下降，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)流加熱。此外，還能以輻射換熱的方式對(duì)室內(nèi)墻壁、頂棚等進(jìn)行加熱，供暖效果更好。低溫地板熱輻射采暖系統(tǒng)采用溫控器調(diào)節(jié)控制，在軟件控制算法上還是以PID（比例微分積分控制）為主，雖然其控制模式簡(jiǎn)單、控制效果較為穩(wěn)定，但是只能用于單一或少數(shù)控制對(duì)象。現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，被控對(duì)象較多，PID控制的弊端逐漸顯現(xiàn)，在這一背景下探究地板輻射采暖系統(tǒng)控制策略的優(yōu)化路徑具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 低溫地板輻射采暖系統(tǒng)的控制策略

1.1 基于模糊PI控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)階段工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域普遍使用的PID控制，具有算法簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)勢(shì)，但是面對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)、多個(gè)控制對(duì)象時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)精度不高的問(wèn)題。隨著人工智能技術(shù)的成熟，基于語(yǔ)言規(guī)則和模糊推理的模糊控制得到了推廣應(yīng)用。本文基于模糊PI控制構(gòu)建地板輻射采暖系統(tǒng)，在PI調(diào)節(jié)器的積分調(diào)節(jié)作用下，可以使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差接近于0，對(duì)提高系統(tǒng)控制精確性和保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性有積極幫助。模糊PI控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于模糊PI控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其控制原理是以誤差e為基準(zhǔn)，尋找e與變化率ec之間的模糊關(guān)系。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，由模糊PI控制器收集兩項(xiàng)參數(shù)，并根據(jù)參數(shù)變化進(jìn)行模糊判斷，得到相應(yīng)的PI參數(shù)。根據(jù)PI參數(shù)調(diào)節(jié)地板輻射采暖系統(tǒng)的輸入量，從而讓該系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。

1.2 模糊規(guī)則設(shè)計(jì)

在模糊規(guī)則設(shè)計(jì)時(shí)，需要遵循的一個(gè)基本原則為：當(dāng)誤差較小時(shí)，優(yōu)先維持系統(tǒng)自身的穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)運(yùn)行期間出現(xiàn)超調(diào)和震蕩的概率；當(dāng)誤差較大時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)控制量盡量縮小誤差，最終將誤差降低至允許范圍。模糊規(guī)則的一般形式為：

式中，ei、cj、uij分別為不同的模糊子集；e為被控對(duì)象期望值與實(shí)際值的差，即誤差；ec表示e的變化率；m1和m2分別是e和ec模糊子集的劃分?jǐn)?shù)目。

模糊控制包括3個(gè)步驟，即模糊化、模糊邏輯推理、精確化。模糊化處理的主要內(nèi)容是將傳感器采集到的各類前端信號(hào)（如溫度信號(hào)、壓力信號(hào)等），轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的電信號(hào)。將轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)作為輸入量，輸入到計(jì)算機(jī)中。由計(jì)算機(jī)調(diào)用隸屬度函數(shù)對(duì)輸入量進(jìn)行轉(zhuǎn)化，得到模糊集合。模糊PI控制器的輸入變量（e和ec）與輸出變量（控制量）都是以自然語(yǔ)言形式呈現(xiàn)出來(lái)，而非具體的數(shù)值。處理后的模擬集合{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}。

1.3 生成模糊PI控制器

計(jì)算PI控制器的參數(shù)增量，分別用Δkp和Δki表示：

式中，Δkp和Δki表示未使用模糊控制器調(diào)節(jié)前的PI控制器參數(shù)，kp*和ki*則表示調(diào)節(jié)之后的PI控制器參數(shù)。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建模糊規(guī)則集，如表1所示，Δk i的模糊規(guī)則集同Δkp，不再贅述。

表1 Δkp的模糊規(guī)則集

1.4 仿真結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)中，地板輻射采暖房間的面積為1.8 m×1.8 m，地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為44.3W/（m2·℃），空氣傳熱系數(shù)為15.5 W/（m2·℃），房屋墻壁傳熱系數(shù)為41.5 W/（m2·℃），管壁傳熱系數(shù)為380 W/（m2·℃）。利用地板采暖系統(tǒng)傳遞函數(shù)和模糊算法，計(jì)算出模糊PI仿真結(jié)果，如圖2所示。

圖2 模糊PI仿真結(jié)果

結(jié)合圖2可知，在環(huán)境溫度為25℃的情況下，地板輻射采暖系統(tǒng)模型啟動(dòng)后，在模糊PI控制器的作用下僅用時(shí)2 800 s即可達(dá)到環(huán)境溫度，制熱速度較快，并且沒(méi)有超調(diào)量，達(dá)到了預(yù)期。

2 低溫地板輻射采暖系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

模糊PI控制是現(xiàn)階段低溫地板輻射采暖系統(tǒng)中常用的一種控制策略，為了更加直觀地驗(yàn)證該控制策略的有效性，搭建了地板輻射采暖系統(tǒng)的模擬水箱控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)，結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

圖3 模擬裝置組成結(jié)構(gòu)圖

圖3中左側(cè)的加熱水箱模擬溫控室，右側(cè)的采暖水箱模擬需要加熱的房間。兩者通過(guò)由循環(huán)泵、電熱閥、流量計(jì)、控制臺(tái)組成的控制系統(tǒng)進(jìn)行連接。在實(shí)驗(yàn)中，左側(cè)水箱的水溫設(shè)置為50℃，并且由水箱內(nèi)的溫度傳感器實(shí)時(shí)采集溫度數(shù)據(jù)，當(dāng)溫度低于該設(shè)定值后，自動(dòng)進(jìn)行加熱。當(dāng)溫度超過(guò)50℃后，自動(dòng)停止加熱，維持水溫的穩(wěn)定。然后利用循環(huán)泵，使左側(cè)水箱中的熱水流入右側(cè)水箱的地暖盤(pán)管中，利用熱交換將右側(cè)水箱中的涼水加熱。調(diào)節(jié)電熱閥的開(kāi)度和流量計(jì)的數(shù)值，相當(dāng)于更改加熱效率；調(diào)節(jié)右側(cè)水箱的水位，相當(dāng)于調(diào)節(jié)房間的大小。左右兩個(gè)水箱內(nèi)的溫度傳感器，將溫度信號(hào)反饋給控制臺(tái)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行溫度對(duì)比，并根據(jù)對(duì)比結(jié)果發(fā)送指令控制循環(huán)泵的啟停，使加熱房間的溫度達(dá)到特定值。為消除無(wú)關(guān)因素干擾，使用空調(diào)將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度維持在恒定的25℃。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本次實(shí)驗(yàn)中用到的裝置主要有：（1）恒溫加熱器，溫度控制進(jìn)度為±0.1℃，加熱功率10 kW，管道水泵轉(zhuǎn)速3 000轉(zhuǎn)/min；（2）旋翼式熱水表，流量在0.1～5.0 m3/h之間可調(diào)，公稱壓力2.0 MPa；（3）熱電偶，材質(zhì)為銅-康銅，使用范圍20℃～100℃；（4）溫度計(jì)，有表面溫度計(jì)和鉑電阻溫度計(jì)兩種類型，前者精度可達(dá)到±0.05℃，后者精度可達(dá)到±0.1℃；（5）其他儀器，包括溫度控制器、仿真器、無(wú)紙記錄儀等。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

模擬低溫地板輻射采暖系統(tǒng)的加熱水箱實(shí)驗(yàn)操作為：通電之后，電加熱器會(huì)對(duì)左側(cè)水箱加熱，使水溫上升并維持在50℃～60℃之間。由銅-康銅熱電偶組成的溫度傳感器會(huì)分別收集兩臺(tái)水箱內(nèi)的水溫信號(hào)，并利用通信系統(tǒng)將該信號(hào)上傳至溫度控制器。基于模糊PI控制算法的溫控器，會(huì)根據(jù)前端反饋的溫度參數(shù)，自動(dòng)判斷是否對(duì)采暖水箱加熱。如果判斷結(jié)果為需要加熱，則調(diào)用加熱程序、發(fā)送加熱指令。繼電器接收該指令后通電，循環(huán)泵運(yùn)行，使采暖水箱的熱水流向右側(cè)水箱。這一過(guò)程中可手動(dòng)調(diào)節(jié)流量計(jì)，調(diào)整單位時(shí)間內(nèi)的供水量。使用無(wú)紙記錄儀將供水溫度、盤(pán)管水箱內(nèi)的水溫以及流量等進(jìn)行如實(shí)記錄。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

地板輻射采暖系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)受到諸多因素的影響，例如環(huán)境溫度、管道水泵流速、溫度控制器的精度等。在本次實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)科學(xué)挑選儀器設(shè)備，降低實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差；利用空調(diào)保持環(huán)境溫度相對(duì)恒定，提高了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。在保證進(jìn)水流速相同、溫度相同的情況下，更改空調(diào)溫度，使實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境溫度分別為22℃和32℃，觀察水箱溫度變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 外界環(huán)境溫度為22℃

圖5 外界環(huán)境溫度為32℃

結(jié)合圖4、圖5可以發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度對(duì)溫度控制器調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的影響十分明顯。在環(huán)境溫度為22℃時(shí)，在9：47時(shí)室內(nèi)溫度達(dá)到指定溫度，共計(jì)用時(shí)47 min 30 s；在環(huán)境溫度為32℃時(shí)，在9：28時(shí)室內(nèi)溫度達(dá)到指定溫度，共計(jì)用時(shí)28 min 35 s。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，隨著環(huán)境溫度的升高，室內(nèi)溫度達(dá)到指定溫度的用時(shí)減少。

3 低溫地板輻射采暖軟件設(shè)計(jì)

3.1 地暖軟件的功能組成

實(shí)踐表明，采暖房間的面積、鋪設(shè)管道的方式、管道的直徑與間距、供水溫度等因素，都會(huì)對(duì)低溫地板輻射采暖系統(tǒng)的溫度調(diào)控產(chǎn)生影響。為了節(jié)約成本和時(shí)間，可以開(kāi)發(fā)地暖軟件，靈活調(diào)節(jié)參數(shù)并驗(yàn)證采暖效果。軟件共分為4個(gè)功能模塊，分別是：（1）登錄界面。軟件啟動(dòng)后進(jìn)入登錄界面，主要顯示軟件名稱、操作環(huán)境、使用范圍、開(kāi)發(fā)單位等基本信息。用戶需要在登錄界面輸入正確的賬號(hào)和密碼，才能進(jìn)入主菜單。（2）主菜單。提供地板輻射采暖系統(tǒng)的主要參數(shù)，包括管型、施工參數(shù)、地板材料選擇等。以施工參數(shù)為例，有防水層、填充厚度、絕熱厚度等基本參數(shù)，可以手動(dòng)輸入具體數(shù)值，點(diǎn)擊確定后保存參數(shù)。（3）溫控參數(shù)設(shè)置。包括進(jìn)出水溫度設(shè)置、地板溫度設(shè)置、房間溫度設(shè)置等。（4）注釋。對(duì)該系統(tǒng)各部分功能、選項(xiàng)等進(jìn)行說(shuō)明，介紹選擇不同參數(shù)的利弊等。

3.2 地暖軟件的功能實(shí)現(xiàn)

該軟件在運(yùn)行中使用MATCOM軟件調(diào)用函數(shù)，獲取進(jìn)出水溫度、排管方式等相關(guān)參數(shù)。然后利用虛擬熱源法在for循環(huán)中求解虛擬熱源方程，得出地板下方各個(gè)點(diǎn)的實(shí)際溫度。利用采集到的溫度參數(shù)構(gòu)建低溫地板輻射采暖系統(tǒng)的二維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。并通過(guò)執(zhí)行按鈕獲得仿真圖，如圖6所示。

圖6 底板輻射采暖軟件仿真界面圖

結(jié)合圖6可知，該軟件可同時(shí)顯示地板上方、下方的溫度場(chǎng)。在地板下方溫度場(chǎng)中，可展示各個(gè)熱源的溫度變化曲線；在地板上方溫度場(chǎng)中，可顯示棚頂、室內(nèi)、地板的實(shí)時(shí)溫度。

4 結(jié)束語(yǔ)

低溫地板輻射采暖系統(tǒng)因?yàn)樵诠?jié)能效益、供暖效果、維護(hù)成本、使用壽命等方面具有諸多優(yōu)勢(shì)，因此在現(xiàn)代建筑中得到推廣應(yīng)用。溫控器作為該系統(tǒng)的核心設(shè)備，采用何種控制策略將會(huì)直接決定系統(tǒng)的加熱效率和溫控精度。基于人工智能的模糊PI控制，能夠消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，理想狀態(tài)下穩(wěn)態(tài)誤差可以趨近于零，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，使用基于模糊PI控制策略的溫控器，將會(huì)顯著提高低溫地板輻射采暖系統(tǒng)的實(shí)用性能，在保證溫度舒適、節(jié)能降耗、精準(zhǔn)控溫等方面有更加出色的發(fā)揮。