基于負荷預測的西北地區供暖系統仿真研究

蘇 會，陳少華，張彩瑜，馬 慧，李 娜，白 娟

(國能神東煤炭集團有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017209)

1 概述

當前我國建筑能耗占總的能源消耗的比重相對較高，《中國建筑節能年度發展研究報告2020》指出：2018年中國建筑相關的能耗占全社會能耗的37%，二氧化碳排放占全社會總排放的42%。其中我國北方冬季的采暖能耗占全國建筑總能耗的21%[1]。隨著國家明確提出2030年“碳達峰”和2060年“碳中和”這一目標,為了有效降低采暖能耗，國內外學者對采暖建筑的負荷預測進行了廣泛的研究，楊福進[2]基于自回歸各態歷經模型對建筑熱負荷進行預測，Omer Yetemen等[3]利用自回歸分析方法對地熱水消耗的時間序列分析進行了研究，建立了有關熱負荷的自回歸模型，李銳、董妍等[4]使用BP神經網絡算法對住宅區的供熱負荷預測進行研究，Puning Xue等[5]提出了一種基于機器學習算法的多步超前熱負荷預測框架。但是上述介紹到的負荷預測的計算方法，大多數都存在計算過程過于復雜，在實際生活實踐中往往無法保證其預測的準確性。所以選擇合適的負荷預測的計算方法至關重要?；谧钚《朔ǖ呢摵深A測模型，利用計算機的仿真模擬，可以有效地降低能源的過度浪費，提高能源的利用效率。

2 供暖系統模型建立

2.1 工程概況

以我國西北地區一實際供熱系統為研究對象，并選擇該研究區域的一棟居民住宅樓進行供暖仿真模擬研究。對住宅樓的面積結構進行調查分析可知，該住宅樓為5層建筑，共有6個單元，每單元每層兩居民。由于住宅樓各單元的建筑結構相同，所以只介紹每單元的101號建筑面積，如表1所示，并且利用DeST軟件對研究對象建立三維視圖如圖1所示。

表1 住宅樓建筑面積

2.2 圍護結構數學模型

建筑供暖熱負荷由以下三部分構成：圍護結構基本耗熱量、附加產生的耗熱量、室外的冷風滲透到室內產生的耗熱量[6]，建筑物的供暖熱負荷公式如式(1)所示：

qi=hi[Awall(Tin-Twall,in)+Aroof(Tin-Troof,in)+
Afloor(Tin-Tfloor,in)]+AglassKglass(Tin-To)+
0.278nkVinCinρin(Tin-To)

(1)

其中，qi為供暖熱負荷；hi為圍護結構內表面與空氣的對流換熱系數；Kglass為地板導熱系數；nk為每小時換氣次數；Vin為冷風滲透體積；Tin為室內空氣溫度;Twall,in為室內一側的墻面溫度；Troof,in為室內一側的地表面溫度；Awall為外墻面積；Afloor為地面面積。

2.3 鍋爐數學模型

對鍋爐的數學模型進行簡化，使用集中分析法可以理想的認為鍋爐內部的溫度均勻且不隨空間位置變化。鍋爐內部所儲存的熱量等于鍋爐內燃燒得熱量減去熱網循環帶走的熱量和系統補水的熱量。傳熱平衡方程如式(2)所示。

(2)

其中，Cboiler為鍋爐熱容量；Tboiler為鍋爐的供水溫度；Uboiler為鍋爐燃料的控制變量；Gfuel,max為鍋爐額定燃料的消耗量；hfuel為燃料的熱值；ηboiler為鍋爐的熱效率；cw為水的比熱容；Gmake,w為管網補水流量；Tmakeup,w為鍋爐補給水的溫度；Gdw為管網的循環水流量；Udw為管網循環水流量的控制變量；Trw為供熱管網的回水溫度。

2.4 供回水管道數學模型

該管網供回水管道采用質量綜合調節，仿真模擬過程中可以在熱網管道設置溫度節點進行模型簡化。在管道上，某一管段的傳熱平衡方程式關系為：該管道中存儲的熱量等于上一管道傳遞的熱量減去其傳遞過程中由管道散熱和管網滲漏所引起的熱量損失，管道熱平衡方程如式(3)所示:

(3)

其中，Cn為熱容量；Gn為管段n的循環流量；Gleak-n為管段n的泄漏流量；Ln為管段n的長度；Tsur-soil為土壤表層溫度。

2.5 散熱器數學模型

將整個散熱器當中一個控制體進行簡化分析，進行數學模型建立。根據能量守恒定理可知其散熱器傳熱平衡方程如式(4),式(5)所示。

(4)

(5)

其中，Cheater為熱容量；Th-heater為散熱器的回水溫度；qheater為散熱器供熱量；e為散熱器設計時的過量計算系數；F為散熱器的散熱面積；b為根據散熱器實驗所確定系數。

2.6 室內溫度數學模型

影響建筑物內部熱平衡的影響因素有：圍護結構內表面溫度與室內空氣的對流換熱、散熱器釋放的熱量、太陽輻射的熱量。建立熱平衡方程式如式(6)所示：

(6)

其中，ρ為室內空氣的密度；c為室內空氣的比熱容；V為建筑物室內空氣的體積；qheater為通過散熱裝置傳遞給建筑物的熱量；Ssolar,glass為太陽通過外窗傳遞到室內的輻射量；q為建筑物的熱負荷。

3 負荷預測控制模型

3.1 負荷預測數學模型

對歷史氣象參數使用最小二乘法建立起了負荷預測的數學模型，其數學表達如式(7)～式(11)所示。

tw,i,e=0.592 5tw,i+0.342 5tw,i-1+0.065tw,i-2

(7)

Qi=216.542-5.290 6tw,i,e

(8)

(9)

(10)

(11)

3.2 負荷預測控制仿真模型的建立

利用Simulink建立負荷預測調節模型(見圖2)。

4 系統仿真結果及分析

4.1 預測模型運行

將負荷預測仿真模塊與區域供熱系統連接進行計算機仿真模擬，可以得到基于負荷預測的室內溫度變化曲線，并且將建筑物的預測熱負荷與實際運行測量數據進行誤差分析，如圖3所示。

由圖3可知，當建筑物采用負荷預測控制的供熱系統時，室內溫度控制在19 ℃±1 ℃的波動范圍內，建筑熱負荷預測值和實際值的相對誤差百分比的范圍在-15%～10%。

4.2 模型驗證及誤差分析

使用負荷預測模型對三個溫度節點進行仿真模擬，將管網的供回水溫度和室內溫度的模型預測值與實際工程的運行數據進行相對誤差分析，驗證負荷預測控制模型的準確性。如圖4所示，二次供水溫度預測值與實際測量溫度的響應曲線波動大致相同，最大溫差未超過1 ℃，最大誤差為2.5%，相對誤差百分比頻率分布基本符合正態分布。

如圖5所示，二次網回水溫度的預測值與實際值的波動曲線大致相同，最大溫差為1.2 ℃，最大誤差為3.5%，相對誤差百分比頻率分布基本符合正態分布。

如圖6所示，室內溫度的預測值與實際值的波動曲線大致相同，最大溫差為2.2 ℃，最大誤差為15%，相對誤差百分比頻率分布基本符合正態分布。

4.3 模型驗證結果

通過對三個溫度節點進行對比和誤差分析，可知其模擬仿真的預測結果與實際運行記錄數據之間吻合較好，所以基于負荷預測控制的供暖系統模型是合理的有效的。

5 結語

基于對歷史氣象參數進行數據挖掘，該供熱負荷預測方法簡單，并通過負荷預測仿真模型得出如下結論：

1)建筑熱負荷的預測值實際數據的相對誤差百分比的范圍在-15%～10%。

2)使用負荷預測模型得到的不同節點的溫度響應曲線與實際測量溫度大致相同，說明預測數據的準確性。

3)負荷預測模型能較為理想的改善供暖系統中出現的大慣性和大滯后性這一問題，提高能源的利用效率。

為了實現“碳達峰”和“碳中和”目標，必須著力解決城市供暖系統的能源過度消耗與二氧化碳排放的快速增長。對區域供暖采用負荷預測控制模型能極大程度的降低供暖系統的資源浪費，提高資源的利用效率。