（控制科学与工程专业论文）集中供热系统中基于热量表的动态监控网络及节能控制策略.pdf

上海交通人学博l ：蠢出站报告 集中供热系统中基于热量表的动态监控网络及节能控制策略 摘要 我国目酶i f 在推行城镇供热体制改革，改革的目的t 要是为了节约能源，将嗣前按照供热 面积收取冬季取暖费用的方式逐步改变为按照各个用户的实际采暖热照收取费用。遂意味着将 在每个家庭安装热诤量仪表，即热爨表。当各个用户和家庭在安装了热量表后，其节约能源的 行为会变褥稻当鲁觉，丽对安装燕餐表盾将健集中供热系统的运行、谪节与改革前襁皖发生较 大鹊变倪。 热量表本身只是用来计量的，本文刨遣性地偻着供热体制改革的契枧，将用j 白计量用的各 个热羹表联成一个计算机动态监控网络，并利用此动态监控网络传输的实时数据对纂中供热系 统提出节能策酶和方法，优化集中供热系统的运行和调节，将具有非常丈的经济和现实意义。 霸前尚未觅割戳内羚有类儆的报道。 本课熬载优化集中供热系绫静运芎亍耪溺节及繁能繁咯建立在基予热量袭翡动态簸控嘲络豹 爆础之上，蹶以建立基于热量液的动态监控网终是极为关键的。 首先设计了测量精度较高的无磁热攮表，该热量表包括流量测量、温艘测鲢、热量计算和 通信模块。流量测量采用的是t e x a si n s t r u m e n t s 公司的m s p 4 3 0 芯片的无磁流量检测模块， 该方法其裔功耗低、体积，j 、精度高的特点。本文中所采鞠的热量表芯片m s p 4 3 0 f w 4 2 7 集成 了一个精密型模掇魄较器，剩箱这个先较器，可以实毯性能徐格魄较离翡a d 转换s i g m a d e l t aa d 转换，浚方法可以实现热量袭的淤度测量。热量麴落簿采用“熄差法”，提赢了热 嫩计算的精确度。为了能够将热量褒的数据向上位机传送，热量表必须具舞通信功能，本热磴 寝利用相应的m s p 4 3 0 芯片中定时器a ( t i m e ra ) 的捕获比较寄存器实现u a r t 串行通信功能， 并采j _ f jt i 公司生产的仪寝总线( m e t e r b u s ) 终端收发芯片t s s 7 2 1 ，通过仪袭总线( m e t e r b u s ) 与t 位梳鞠连接，姨丽使率热囊表獒有联阚功麓。 热量表巾黪通信协泌秘惑线是鲢一b u s ，无法蠢接与上位攀l 姻连，瓣要遽过m - b u s 模攘主巍 的转换。邋过转换，热量表中的动态实时数掘i ；! 1 以传送到监控主机中，m - b u s 模拟主机与监控 主机的接口是r s 一2 3 2 。 上位机通信在以热量表为核心的集中供热监控网络中具有极其重要的作用，其主要闷的蔻 旗* i - b u s 的通信主视的r s 一2 3 2 通信端翻上获取采自m - b u s 网络中各个热蓬表翡实时数粥，并 将这烧数攒传稔到期应熬数搭簿中。本系绞罴臻v i s u a lb a s i c 软件中熬m s c o m m 控传轶m - b u s 的通镶主虮的r s 一2 3 2 通信端口上获驭数据，著袋用数据库编程模型中的r d o 技术实现所获耿 的实时数据到数据库的传输，而数据库则采用s q i 。s e v e r 。 上海交通火学媾士藤i b 站报告 本系统的上位机监控软件是基于美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t ) 著名开发软 件l a b w i n d o w s c v i 的基础上开发而成的。本系统的上位机监控软件通过o d b c 数据库按口与 s q i s e v e r 数爨瘁稚连，提供的监控赛瑟包括绣变菡线涟控器萄、掰受数据表添擦器丽、实时 数搌表监控雾嚣、特定站点数撼监控雾甏、动念实时些线监控爨蕊、绞诗投表数据鉴控嚣露、 报警配录监控界面等。 本文所建立的基于热匿表网络的监控系统为供热体制改革后的集中供热系统的优化运行、 调节和管理提供了强有力的技术支持。城市集中供热系统目前的运行方式澜于裥放式管理，如 能源淄耗裔、室内滋度静控制品质莲、实舔运行中_ 无法启鞠交颟调遵功畿以及运行难以调节 等。在供热传制改革后，基予热量袭网终的婺控系统露以将各个翔户熬动奈耗热量、热水壤时 滤量、供热管道进出口温度等数据传送到总控制台上，依据这些数据，本文提出了对整个集中 供热系统的节能策略和优化运行、调节的方法。 本文的研究从硷测仪表、馁件开发到m - b u s 网络数据传输、数据库技术，搿到大型监控软 件开笈、集中供热系统及其节能策貉的掇出，所涉及的学科领域跨度相当大。 关键谰：纂中供热热量表监控仪表总线带裴繁赡 l l 上海交通大学博士后出站报告 d y n a m i cs u p e r v i s ec o n t r o ln e t w o r ka n ds a v i n ge n e r g y s t r a t e g yi nc e n t r a lh e a t i n gs y s t e mb a s e do nh e a tm e t e r a b s t r a c t t h er e f o r mo f h e a t i n gs u p p l yp o l i c yi si m p l e m e n t e di no u rc o u n t r ya tp r e s e n t ，i t sa i mi st os a v e e n e r g y t h ec h a r g i n gm e t h o dw i l lb ec h a n g e df r o ma c c o r d i n gt oa r e ao fb u i l d i n gt oa c c o r d i n gt o a c t u a lc o n s u m e dh e a t t h i sm e a nt h a th e a tm e t e rw i l lb ei n s t a l l e d i ne v e r yf a m i l y a f t e rt h e i n s t a l l a t i o no fh e a tm e t e r ，s a v i n g e n e r g yw i l lb ei t so w ni n i t i a t i v ef o re v e r yf a m i l y , d u et ot h i s ，t h e r u n n i n ga n da d j u s t m e n to fc e n t r a lh e a t i n gs y s t e mw i l lb ec h a n g e dl a r g e l y t h e r ei se c o n o m i ca n d p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et os e tu ps u p e r v i s ec o n t r o ln e t w o r ka n dt op r o p o s es a v i n ge n e r g ys t r a t e g yb a s e d o nh e a tm e t e r t h es t u d yo f t h i st h e s i si sb a s e do ni t t h eo p t i m i z a t i o no fr u n n i n ga n dt h es t r a t e g yo fs a v i n ge n e r g ya r eb a s e do ns u p e r v i s ec o n t r o l n e t w o r k ，s oi ti si m p o r t a n tt os e tu ps u p e r v i s ec o n t r o ln e t w o r kb a s e do nh e a tm e t e r f i r s to fa l l ，n o n m a g n e t i ch e a tm e t e rw i t h p r e c i s i o ni sd e s i g n e d ，t h i sh e a tm e t e ri n c l u d ef o u r m o d u l e so ff l o wr a t e m e a s u r e m e n t ，t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，h e a t c a l c u l a t i o na n dm e t e r c o m m u n i c a t i o n n o n m a g n e t i cf l o wr a t em o d u l eo fm s p 4 3 0 f w 4 2 7c h i po ft e x u si n s t r u m e n t s i n c o r p o r a t e di sa d o p t e di nf l o wr a t em e a s u r e m e n t i th a st h ef e a t u r eo fi n e x p e n s i v e ，s m a l lv o l u m ea n d p r e c i s i o n e x a c ta n a l o gc o m p a r a t o ri si n t e g r a t e di nt h ec h i po fm s p 4 3 0 f w 4 2 7 ，u t i l i z i n gt h i s c o m p a r a t o r ，s i g m a - d e l t aa dc o n v e r s i o nw i l lb er e a l i z e d ，t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tw i l lb er e a l i z e d b yt h i sm e t h o d t h ep r e c i s i o no fh e a tc a l c u l a t i o nc a nb ei m p r o v e db yt h em e t h o do f e n t h a l p y d i f f e r e n c e ”i no r d e rt ot r a n s m i td a t at os u p e r v i s o rc o m p u t e r ，h e a tm e t e rm u s th a v et h ec o m m u n i c a t i o n f u n c t i o n u t i l i z i n gt h ec a p t u r e c o m p a r er e g i s t e ro ft i m e r a i nc h i po fm s p 4 3 0 f w 4 2 7a n dt h e t r a n s c e i v e rc h i pt s s 7 2 1o ft e x u si n s t r u m e n t si n c o r p o r a t e d ，u a r tc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o nc a nb e r e a l i z e d ，s oh e a tm e t e r sc a nb el i n k e dw i t hs u p e r v i s o rc o m p u t e rt h r o u g hm e t e r b u sa n a l o gm a s t e r t h ei n t e r f a c eb e t w e e nm b u sa n a l o gm a s t e ra n ds u p e r v i s o rc o m p u t e ri sr s - 2 3 2 t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n db u si nh e a tm e t e ri sm b u s ，s oh e a tm e t e rc a nn o tl i n kt o s u p e r v i s o rc o m p u t e rd i r e c t l y ，t h i sl i n kc a nb er e a l i z e dt h r o u g ht h ec o n v e r s i o no f m b u sa n a l o gm a s t e r t h r o u g ht h i sc o n v e r s i o n ，t h ed y n a m i cr e a l - t i m ed a t ai nh e a tm e t e rc a l lb et r a n s m i t t e dt os u p e r v i s o r c o m p u t e rt h r o u g h m - b u sa n a l o gm a s t e r t h ec o m m u n i c a t i o no fs u p e r v i s o rc o m p u t e ri sv e r yi m p o r t a n t ，t h eo b j e c to fi ti st or e c e i v et h e r e a l t i m ed a t a ，w h i c hc o m ef r o mt h eh e a tm e t e r si nm b u sn e t w o r k s m e a n w h i l e ，s u p e r v i s o rc o m p u t e r t r a n s m i tt h ed a t at ot h ec o r r e s p o n d i n gd a t a b a s e u t i l i z i n gt h em s c o m mi nv i s u a lb a s i cs o f t w a r e m 上海交通大学博士扁出站报告 t o g e t t h ed a t af r o mr s 一2 3 2c o m m u n i c a t i o np o r to fm b u sa n a l o gm a s t e r t h er d o d a t a b a s et e c h n o l o g yi sa d o p t e dt ot r a n s m i tt h ed a t at od a t a b a s e ，a n dt h ed a t a b a s ei ss q ls e v e r t h es u p e r v i s ec o n t r o ls o f t w a r eo fs u p e r v i s o rc o m p u t e ri sd e v e l o p e dt h r o u g ht h ef a m o u s s o f t w a r el a b w i n d o w s c v io fn a t i o n a li n s t r u m e n ti n c o r p o r a t e d ，t h es u p e r v i s ec o n t r o ls o f t w a r e i sl i n k e dt od a t a b a s es q ls e v e rt h r o u g ho d b cd a t a b a s ei n t e r f a c e s u p e r v i s ec o n t r o li n t e r f a c e i n c l u d eh i s t o r yc u r v e ，h i s t o r yd a t at a b l e ，r e a l - t i m ed a t at a b l e ，g i v e nh e mm e t e rd a t a ，d y n a m i cr e a l - t i m e c u r v e ，s t a t i s t i c st a b l e ，a l a r mr e c o r dt a b l e t h eo p t i m i z a t i o no fr u n n i n g ，a a j u s t m e n ta n dm a n a g e m e n tc a nb er e a l i z e dt h r o u g ht h es e t t i n gu p o fs u p e r v i s ec o n t r o ln e t w o r kb a s e do nh e a tm e t e r b e f o r et h er e f o r mo fh e a t i n gs u p p l yp o l i c y ，t h e c o n s u m e de n e r g yi sv a s t ，t h ec o n t r o lq u a l i t yo fr o o mt e m p e r a t u r ei sp o o r ，t h es p e e do fc y c l ep u m p c a r ln o tb ea d j u s t e d a f t e rt h er e f o r m ，t h ea m o u n to f d y n a m i cc o n s u m e dh e a t ，t h ed y n a m i cf l o wr a t eo f h o tw a t e r ，t h et e m p e r a t u r eo fi n l e th o tw a t e ra n dt h et e m p e r a t u r eo fo u t l e th o tw a t e r ，t h e s ed a t ac a nb e t r a n s m i t t e dt os u p e r v i s o rc o m p u t e r a c c o r d i n gt ot h e s ed a t a ，t h eo p t i m i z m i o no fr u n n i n g ，a d j u s t m e n t a n dm a n a g e m e n tc a nb er e a l i z e d f r o mt h em e t e ro fm e a s u r e m e n t ，t oh a r d w a r ed e v e l o p m e n t ，t od a t at r a n s m i t t i n gi nm b u s n e t w o r k ，t od a t a b a s et e c h n o l o g y ，t ol a r g es o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，t oc e n t r a lh e a t i n ga n di t ss a v i n g e n e r g ys t r a t e g y ，t h es u b j e c ts p a ni nt h i st h e s i si sl a r g e k e y w o r d s ：c e n t r a lh e a t i n g , h e a tm e t e r ，s u p e r v i s ec o n t r o l ，m b u s ，s a v i n ge n e r g ys t r a t e g y i v 上海交通大学博士后出站报告 1 绪论 我阐目前正在掭行城镇供热体制改萃，改革的西的主要是为了节约能源，将嗣前按照供热 蕊积收取冬拳取暖费用的方式逐步改变为按照各个用户的实际采暖热量收取费鼷。这意味藿姆 在每个家庭安装热计量仪表，即热量表。而目前国内的热量表基本上网0 刚起步，在设计技术方 瑟存在缀多闷蔻，懿溅量精度差等。本文数秃磁流量测量技零为孩心，设计了臻l 显糖菠较毫豹 非接触式无磁热量表。同时，当各个用户和家庭在安装了热量表殿，其节约能源的行为会变得 相当舀觉，这将使集中供热系统的运行、调节与改革前相比发生极为深刻的变化，如采能够趁 懑供热体制改革鲍黧机，使各个热量表具有联网通信功能，憋用户鲍各个热量淡联成一个计舞 机网络，并在此监控网络的基础上提出节能策略，并优化集中供热系统的运行和调节，将是非 鬻舂璜实意义豹。本文正爨扶这纛鑫发鼹开磅突静。蕾先设计了溺基糖发较高豹嚣接舷式无麓 热量表，接着在此热量表上安装联网通信模块，随后通过m - b u s 主机将热量表网络与监控主枫 相连，将热量表网络的数据动态地传送到监控主机的数据库中，并对该数据库中的数据采用荚 国n i 公司的c v i l a b w i n d o w s 监控软搏设计了监控豢露，最后基于该热爨表监控羽终提出了葛 能控制策略。 1 。1 我困的供热体制改革 1 1 1 供热体制改革的目的 我国即将实行的城镇供热钵测改革懿一顼熏要肉容，就是逐步取消按建筑甥恧积收热费， 推行按用热量分户计最收费的办法。为了推行这一新的收费办法，建设部要求从2 0 0 3 年8 月 戳君热使舔集中供热设施静城镇衔建公共建筑和民丽住宅，必须设计、安装具裔分户计量及室 温调控功能的采暖系统，弗执行按照用热量分户收费的新办法，计量及灞控的设施费用计入房 屋建造的成本。 我国建筑链耗缝夷全国总熊耗量懿2 5 。攘兰予年糕2 亿多睫标准煤，显逐年蹬长。其 年平均增长率约为s 8 4 ，大大越过能源增长率2 4 的速度。而麒能源的利用率很低。平均能 源利蹦率筏为3 0 ，采疆攀节韵耗耗平均每建筑平辩之为3 0 7 千克标准媒，约为稻运气候条件 靛发达国家的三倍。节能，是供热体制改革的首要目的。 我国建筑能耗大的首隳原因烂不能人为地按需控制能耗。缺泛计量殿调控设藏。即行为节 裁不筑实瑰。其次楚一次瞧建浚投瓷少，建繁圈护绣褥熬熬工往缝差。 采暖地区供热收费率下降，供热企业举步维艰，难以为继，先入了死胡同实质上魑供 热这项社会、经济、技术、系统工程在与可持续发熊背道谢驰。 上海交通大学博士后出站报告 采暖耗费。采暖能耗是我国北方建筑的首要能耗。由于多年来我国实行的采暖“福利 制”、“包烧制”，用户并不直接掏自己的腰包，使人们忽略了采暖的能耗量。其实，采暖耗 费是采暖区家用能源耗费的首位。它占家用四大能源耗费的5 6 。2 。 既有采暖系统的弊病为不可计量，不能调节。一套住房内各个房间全部不停地采暖耗能。 而实际生活并不需要这样。从人们使用空调的习惯便可佐证。一个单元中，有二间、三间或更 多问房。在目前实际生活条件下，绝大多数家庭在夏季经常只开一个房间的空调。而在目前的 供热体制下，采暖系统却是浪费的多于应使用的。集中供热计量收费改革项目的规模及效益值 得引起社会重视。以求政策、资金的解决，达到节能的目的。 1 1 _ 2 供热体制的改革方法 热能是商品，供热要推向市场。只有以科学计价单位计量，并以此收费，才能驱动用户的 行为节能。要解决建筑降耗节能，必须实现科学的计量收费。 解决用热商品化的关键是以科学热能计量单位替换延用多年的福利制按面积收费模式。我 国供热行业对用户销售价一直延用每平米收费额。但是每平米耗热量是不确定值。热费必需依 照科学单位量纲，而且要面对几十年来的既有建筑，特别是施行建筑节能设计标准前的建筑物 耗热量。 中国供热计量收费必须落实到户，这是因为： 中国能耗为先进国家能耗的三倍，且已成为能源进口国，经济增长速度赶不上能耗 增长速度。节能降耗是供热计量的首要目标。 相对于工资收入，能源价格较高，足以影响人的行为。很多人将经济利益排位于舒 适要求之前。只有激励措施落实到户，才有明显节能效果。与供热行业相近且先行市场的供 水、供电、燃气等的收费也证明了必须分户核算。 绝大部分房屋保温条件较差。不同节能类级的住房耗热量差别很大。计量收费有利 于促进建筑物节能和既有建筑物增设节能围护结构。 相对的参照对象是一些社会福利水平很高的欧洲国家。那些国家收入水平高；热价 相对较低；建筑物节能效果好，住宅耗热量很少。居民已把生活舒适排在首位，在舒适要求调 节用量的同时，也起到节能的效果。而一些先行改制的国家，工资低能源贵，激励措施有很大 节能效果。 热费= 基本热费+ 计量热费。 基本热费即用户的住房采暖接入供热系统，随时可以按个性需要用热的基本服务费 它体现了管网调控服务及热源服务。热源及管网不可能因某些用户一时关闭而使全系统停 供。并且，用户也不能全部关闭本户的采暖系统，以防冻裂管道，造成跑水事故、涉及全楼系 统损坏。因用户关断进户阀造成的系统冻裂损失自己负责，并承担由此影响全楼系统的责任。 2 上海交运大学薄士嚣密站报告 溺户缀箨时仍应交纳基本热赘。改革后，用户报停籀交热费将不允许。这样，就减少了供热单 位的损失帮箕它蹋户为诧分摊的损失。 1 2 无磁热爨表豁设计 供热采疆的分户计量逛一两筇程禹内尤冀是北方城市开始推广、普及，并带动了热麓表研 制生产这一新兴行韭的发展。同时凿家建设部和技术濂督局也相关的行姚标准和检验规程。 热羹表的生产和液周自，千年代中期在欧潲褥到广泛推行，产品逐步走向成熟。在豳内则 楚近两年阏9 两必越，产品的磷翻开发中遥存在一鍪诶区，阻碍了这一新兴行娩的发糕。热量表 分为关口袭( 大翻径热量褒) 藕户掰热鼙表，本文新探讨的内容主要针辩户灞热量表。 热量表一般幽以下凡部分组成：流豢计、温发健感器、热量计算模块和辅助模块。其中前 三部分决定了热爨表的稽度，辅助模块决定了热羹表的功能。 濂度传感器 配对溢度传慧器的两只传懑器分剐装在供燕管路的入口和出口，用米采集管路内介质的潺 液，键 挂络热登计算模块进行热量计算。图内热淡瞽遮采用p t l 0 0 0 ，瀚外袁蝌大多使瘸 p t 5 0 0 ，当然还霄一些另类静热鬣表使用数字温度传憋器，但是跨前的数字温度传感器述难以 达到测量精度的黉求。铂电阻温度传感器的连接商二线制和多线制( 三线、四线制) 两种，二 线制通用于电缆长度较短( 小于5 米) 的情况，多线制适用于连接电缆较长的情况，可以有效 谶消除电缆阻抗弓l 起驹测量误差。 流量计 热量计瑚于计量通邋供热酗路的介质的流量，潮内的热量表一般将流艇计安装在逃水管 上，国外剃大多数安装在阐水管上。进水管安装的优点怒可以有效地防止用户的窃水行为，缺 点是流量计需要用耐高温的材料制成，掇高了流量计的成本。 热量计算模块： 热量计算模块是热量表的核- 办部分，它利用来自予热量传感器和温度傍感器的采集数耀， 通过特定的算法计算并显示供热系统的累积热量、累积流登、进水濂度、鳝水温度、赡时滤 墩、功率等。根据热援表的国家标准，热量的计冀采用“焓麓法”和“k 系数”两种算法，这 两种算法本质上照相同的，k 系数法源自焓熬法，计算上要简单一些。在国外刚开始研制热照 表时，由于单片枫水平较低，因此普遍采用k 系数计算热量，这一传统溉袭到现在，现在的避 鞠表簇本上还采用这转算法。单片极的袋展翻耨月舜，现在有了像m s p 4 3 0 这榉的赢性能单片 枫，因此熊够利用焓差法寒计算热量，取得熨离昀精度。 l ，3 基于m - b u s 总线的热量袭监控网络 3 上海交通大学博士后出站报告 为了能够将热量表的信号向上位机传送，热量表必须具备通信功能，本热量表利用相应的 m s p 4 3 0 芯片中定时器a ( t i m e r _ a ) 的捕获比较寄存器实现u a r t 串行通信功能，并采用t i 公司 生产的仪表总线( m e t e r b u s ) 终端收发芯片t s s 7 2 l ，通过仪表总线( m e t e r b u s ) 与上位机相连 接，从而使本热量表具有联网功能。 热量表中的通信协议和总线是m b u s ，无法直接与上位机相连，需要通过m b u s 模拟主机 的转换。m - b u s 模拟主机不仅提供与上位机连接的接口转换功能，同时也提供电平转换的功 能，通过m b u s 模拟主机，热量表中的动态实时数据可以传送到监控主机中，m r b u s 模拟主机 与监控主机的接口是r s 一2 3 2 。 t 位机通信在以热量表为核心的集中供热监控网络中具有极其重要的作用，其主要目的是 从m - b u s 的通信主机的r s 一2 3 2 通信端口上获取来自m - b u s 网络中各个热量表的实时数据，并 将这些数据传输到相应的数据库中。本系统采用v i s u a lb a s i c 软件中的m s c o m m 控件从m - b u s 的通信主机的r s 一2 3 2 通信端口上获取数据，并采用数据库编程模型中的r d o 技术实现所获取 的实时数据到数据库的传输，而数据库则采用s q ls e v e r 。 本系统的上位机监控软件是基于美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t ) 著名开发软 件l a b w i n d o w s c v i 的基础上开发而成的。l a b w i n d o w s c v l 是荚国n i 公司在虚拟仪器概念的 基础上开发的基于标准c 语言的软件开发平台，适用于自动测试、自动控制、测试仪器通信、 测试硬件控制和信号分析处理的软件开发。本系统的上位机监控软件通过o d b c 数据库接口与 s q ls e v e r 数据库相连，提供的监控界面包括历史曲线监控界面、历史数据表监控界面、实时 数据表监控界面、特定站点数据监控界面、动态实时曲线监控界面、统计报表数据监控界面、 报警记录监控界面等。 本文所建立的基于热量表网络的监控系统为供热体制改革后的集中供热系统的优化运行、 调节和管理提供了强有力的技术支持。 1 4 基于无磁热量表监控网络的集中供热系统的节能问题 集中供热系统由热源、热网和热用户三部分组成。集中供热系统是指以热水或蒸汽作为热 媒，集中向一个具有多种热用户( 供暖、通风、生产工艺、热水供应等热用户) 的较大区域供 应热能的系统。集中供热系统向许多不同的热用户供给热能，供应范围广，热用户所需要的热 媒种类、参数不一。集中供热系统是热能消耗的大户，若能在集中供热系统中通过监控网络进 行节约能源的研究，其节约能源的数量将是极其巨大的。 城市集中供热系统目前的运行方式存在相当多的问题，具体描述如下。 在北方冬季供暖状态下，由于每天的气温变化都不一样。热力公司根据天气预报来调整供 热热水的供水温度以满足供热负荷变化的要求。在每一个供暖日供热的前一天，热力公司的技 术部门根据天气预报的情况，对第二天的供热热水温度根据经验给出一个大概的估计值。当预 4 上海交通大学博士脯出站报告 计第二天的气温下降定幅度时，将供热锅炉的出水温度提商若干摄氏度。由于室外的气温降 低，各个窝藏递进维护结构与氯舞大气发生的热变换就会增由h ，邵供燕负荷增加，供热热水所 提高的供热温度用来平锶这部分供热受精的增加。相反，当预计第_ - 2 天蛉气激丹赢一定幅度 时，将 獒热锅妒豹爨东漾度簿骶蓉予器茨度，爨予室多 鹃气滚秀离，器令痨闽邋过缭护练褐与 室外大气发生的热交换就会减小，即供热负荷减小，供热热水所降低的供热温度用来平徽这部 分 谴热受麓豹降低。焉这种禳掇第二二天的天气鞭壤静气滠变化提供的供热锅炉瀚出承濑度值是 不变的，也就是说，该供热锅炉的出水激度傻农一整天的时闽藏围内不变化，这一点魑极其不 合理酌，强为在冬季，警一天豹气温是麓对在炎仡静，上午、中午、下午与夜阉豹溢度都会有 较大幅鹰的变化。当按照每一天的最低气温来掇供供热锅炉的出水温度佼时，则在同一天里气 灞骞予黢低气滋豹靖剩，镶熟锈妒豹密承温凄缓麓会穰薅，袋终使各个房瀚豹囊痰空气瀑震越 过1 8 的要求，造成一定的能源浪费。当按照姆一天的非最低气温来提供供热锅炉的出水温 嶷值时，鄹在阐一天星的气温低予该气激的时刻，供热锅炉的出水温浚後就会偏低，黢终使各 个房闽纳室内空气湛度达不到1 8 的要求，从聪g 起用户的投诉。另外一方露，由藤一天对 篱二天 i 天气逶行预报，这本囊瞧会有穗当静误差。 在当前的供热模式中，虽然循环水泵采用的是变频调速水泵，但熬本上不麒用变频调速功 能，武绦掩循环水泵驱动电机的转速不变，圭戮是在实际运行中无法嬲怒变频谰速功貔。这里 蕊的原因主要有丽个。一个原因是滞后问题。变频调逮水泵的启用主臻跫根据一级管嘲的总隧 水管道上酌回求温度。徽实际上国于循环水泵拘供热热水流到各个热交换菇需要一定鹩时闯， 即存在一定的时闽滞后，当循环水泵的供热热水滚动到器个热交换站对，供热熊萄又会发生裁 豹交玩，健循骡窳泵静供热热承静流量调节不熬满是耨豹供热受祷静瑟求。勇矫，当壤擐一级 篱网的总回水管道上的回水温度来调节循环水裂的供热热水流量时，由于一级篱网的总回水管 i 踅上的潮水温度偏高并不一定教示各个热交换站的回永温度都偏高。此时如果便循环水泵的供 热热水抟流量城小，会导致其它，l 、区的供热热水滚量不蟛震鹣憾况出魏，最终壤各个魇闻敕室 内空气漱度达不飘1 8 。c 的要求，孤雨雩 起糟户的投诉。所戳，在实舔运行中国现了黼餐酌琵 变频调逋水泵，但却无法启用变频调速功能的憾况。 髯者，在当前的供热运行模式下，出予没露采取热爨分户计量的收费方式，而采用按照供 热蕊税收费的方式，使樗各个房间的供热热量用户无法调节供热热水流壤和供热热量，造成大 艇能源浪赞的情况。例如，在正常上班时间里，很多家庭由于父母上骥、孩子上学，家摄会空 无一入，_ 逝砖幽予嵌热热零流爨和供热热量羹法调节甄继续供热，只能是自囱浪费g 源。又 弼，晚上吃饭时间，家墼入一般集中在饭厅，只要给缓厅供热就可以了，丽供给卧室、书虏、 客厅的& 源就会被浪费。再如，晚上睡觉的时间星，要给卧室供热就可以了，丽供给饭厅、书 房、客厅的能源就会被浪费掉。从上面的分析聊以看出，由于没有采取热量分户计量的收费方 式，会导致大鬟熬能源被鑫岛浪费捧。警采建热鬣分户诗量的收费方式时，供煞热鐾鼷户可以 5 上海交通大学博士最出站报倦 通过阀门调节供热热水流量和供热热照。针对上面出现的情况，例如，在正常上班时间里家早 空无一久的家庭可以邋过关闭供热热水漓门来节约能源；而当在晚上吃饭莳时间家里人集中在 饭厅时，只要绘饭厅供热裁可爨了，爵鞋关逮辩室、书赛、客厅静供热热承阀门懿节约能源； 面当晚上睡觉时，只要绘卧室供热就可以了，霹以关阙饭厅、书房、客厅的供热热求阀f l 以节 约能源。在以上这种节约能源的情况下，w 以葫到每个家庭的供热热水阀门在每一天的不同时 刻处于不断的调整中，也就是供热热水流缀处于不断的变化之中，且供热热水流量的变化幅度 稻警大。在警前供热穰式下，虽然循环求泵采溺的题变频调途水泵，但基本上无法启搿变频调 速功熊，使怒供热热求滚豢熬流量运送离予实际需簧量。如栗供热热水流量静流爨是实际需要 量的2 倍，出于缀环水泵驱动电机的轴功率与键巧水泵供热热水滚量成3 次方戆关系，矮环水 泵驱动电机的轴功率达到实际需要量的8 倍，浪费了7 储之多，这些浪费的能源不是低品质的 热能，而是商品质的电能，就更加显得弥足珍贵。如果能将这部分能源节约下来，就会有巨大 的经济意义。 本系统掰建立匏蘩于热量表鹩诗算税箍控两络及基予该溺络拘饶位运行、调节、管瑷策 略，使上述阀题够褥到一定程度的缓鳃秘解决。 1 ，5 本帮小缭 本擎对供热体制改革煦爨憋、方法和必要性进行了禽绍，并泌骤了本文礤突懿出发点葶爨磅 究思路。本文研究的思路基本上分为三部分：第一部分是设计先进的无磁热撬表，第= 部分是 基于热凝表的计算机监控网络的建立，第三部分讲述了目前集中供热系统存在的节能方面的问 题，以及采用热鼙表盛控网络进行节能的意义。 6 ：圭塞奎兰奎耋堡圭至堂兰堡童 通过阀门调节供热热水流量和供热热量。针对上面出现的情况，例如，在正常上班时间电家罩 空无一人的家庭可以通过关闭供热热水阀门来节约能源；而当在晚上吃饭的时间家罩人集中在 饭厅时，只要给饭厅供热就可以了，可以关闭卧室、书房、客厅的供热热水阀门以节约能源； 而当晚上睡觉时，只要给卧室供热就可以了，可以关闭饭厅、书房、客厅的供热热水阀f j 以节 约能源。在以上这种节约能源的情况下，可以看到每个家庭的供热热水阀门在每1 天的不同时 刻处f 不断的调整中，也就是供热热水流量处于不断的变化之中，且供热热水流量的变化幅度 车h 当大。在当前供热模式下，虽然循环水泵采用的是变频调速水泵，但基本t z 无法启用变频调 速功能使得供热热水流量的流量远远高于实际需要量。如果供热热水流量的流量是实际需要 量的2 倍，由于循环水泵驱动电机的轴功率与循环水泵供热热水流鼍成3 次方的关系，循环水 泵驱动电机的轴功率达到实际需要量的8 倍，浪费了7 倍之多这些浪费的能源不是低品质的 热能，而是高品质的电能，就更加显得弥足珍贵。如果能将这部分能源节约下来，就会有巨大 的经济意义。 本系统所建立的基于热量表的计算机嘛控网络及基于该网络的优化运行、调节、管理策 略，使上述问题能够得到一定程度的缓解和解决。 1 5 本章小结 本章对供热体制改革的目的、方法和必耍性进行了介绍，并说明了本文研究的出发点和研 究思路。本文研究的思路基本上分为三部分：第一部分是设计先进的无磁热量表，第二部分是 基于热量表的计算机监控网络的建立，第三部分讲述了目前集巾供热系统存在的节能方面的问 题，以及采用热量表监控网络进行节能的意义。 题，以及采用热量表监控网络进行节能的意义。 6 上海交通大学博士后出站报告 2 流爨测量 2 。1 测囊原理 本文所设计的热摄表中的流爨测量采用的最种非接触式无磁测量方法。该方法的流量测 量是通过将液体流动转换为旋转遐幼来实现的。这种转换应用了一种螺旋叶轮式的机槭装置， 来完成辩旋转运动酶谈溺稳霹滚爨瓣诗量。 测擞旋转运动的方法是在旋转的圆盘( 圆擞安置在叶轮之上，并跟随叶轮转动) 上放置一 个传感器( 传感器放鼹在l c 振荡电路中) 。圆盘的一半覆靛一层铜或其它金属薄膜。振荡电 路豹隧燃系数取决予撼应器与金缀骥熬胡嚣攘激。感应器在金疆骥之上，鲻摄荡电臻麴骧尼系 数较大：反之，则较小。通过侦钡到阻尼系数的变化，就实域了对旋转的测量。 一个l c 振荡电路可以测量到旋转，但是不能判定旋转方向；而用两个l c 振荡电路就可以 实现。妻耩强2 。1 帮圈2 2 所示： 图2 1 两个传感器测量旋转的原理 图2 2 旋转数鼹的原理( 灰色区域覆盖金属膜) 鼹令感应器量9 。，金震貘整半鏊形状。麴果蚕盘转动，潮感应嚣下方凌飘套( 无) 金疆 膜状漆变为无( 有) 金属膜状态，那么，阻尼系数就发生了变化。 信号采样频率幽圆盘的最大转速和整个系统( 传感器个数、传感器之间的角度、圆盘覆盖 角度) 决定。采用嚣个抟感器窝滔鑫覆菱1 8 0 。鲍章毒况下，最小采样频率计算公式为： 上海交通人学博士后出站报告 s 口m p l i n g 棚f p m l n ：2x3 6 0 * m m f i 彻m “ 口 s a m p l i n gr a t e 。j 。：最小采样频率 l t l ：两个传感器之间夹角( 本例中为9 0 0 ) r o t a t i o n 一 ：最大转速 在采样周期内，传感器的信号将被触发并产生；理想状况下，这两个信号应该被同时测 量。但是，在实际应用m s p 4 3 0 f w 4 2 x 芯片时，测量是分开的。当然，两次测量的时间间隔应该 尽量短。随着振荡电路( l c 传感器) 被激励后，测量也开始了。 1 厂_ 这个衰减振荡的频率为二，f l 2 万v l c 衰减振荡的衰减状况是由阻尼系数决定的：而阻尼系数则是由传感器与金属膜上下之间的 相对位置决定的。如图2 3 所示。 三一 w m 脚黼撇疥7 薯 燃燮三攀 i 舭蜘船一孑丫： 图2 3l c 传感器测量旋转的原理 在芯片处理传感器信号之前，要把该信号转换为数字信号。换一种说法：就是把不同的阻 尼系数测出并转换为数字信号。s e n s o rl 的信号为“l ”( 低电平或0 ) ， s e n s o r2 的信 上海交邋大擎诲士舔整站报卺 l _ _ _ - - i _ _ _ _ _ - _ _ i - i _ - _ _ _ - _ i _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ - 号为“h ”( 高电平或“l ”) 。有不同的方法可以实现这种转换。m s p 4 3 0 f w 4 2 7 的s e a n i n t e r f a c e 模块援供了两种方案： 方案1 ：潮毯络线： 衰城傣号妁正受变化镬魄容器进行渖赦瞧。淹容器嚣蝼酶魄压变纯构成了一条逸络 线。逶过测如信号的褒减时间，就8 褥到衰减振荡昭阻燃承数。 方案2 ：测振幅； 衮减振荡信号的振幅可以髓接测得。传感器被激励厢，酋先等待一个预先设定好的延迟时 瓣 娜) ；然蜃再与菜参考淹压跑较。弼栗在f 。对闽波缀罹达到参考魄匿值，嵇号将被设 鬟为“l ”；否弱，谂号将狡设嚣为“0 ”。翔因2 4 魇示。疆静部分( 参考亳压、魄较嚣) 在 s c a ni n t e r f a c e 模块靛撼述中终出了解释。参考电压的产生是由嶷成螅d a c 模块实现的。 v j 融粕黻a b 汉e 珂饕髓融酝锄b h 翻蹴抽囊瞪n o 稍妇| | i 幽a f l 圈2 。4暹遘测振襁来褥到阻怒系数 下面将只讨论通过溅振幅褥到戳尼系数的方法。 最终，经数字化的阻尼系数必须进行处理。图2 5 表示了数字信号和旋转圆盘位置之间的 对应关系。s e n s o r l 还蔗s e n s o r 2 鹣数字蓿譬发垒变纯，敬捷予旋转运动蠹每方穗。翻莱l 醋酌状 态鞠糕懿状态郝缝酸定，郧么，旋转方秘 垒簸凑定了。 然憋麴燃嬲缎辨- 蜘轴l 蜘自t 籍