（检测技术与自动化装置专业论文）建筑节能测控一体化系统的研究.pdf

中文摘要 于葡要 我国建筑能耗占社会总能耗的2 7 8 ，北方城市中的冬季采暖能耗又约占建 筑能耗的6 5 ，供热节能成为建筑节能的一个不可或缺的重要组成部分。我国北 方地区冬季供暖以集中供热为主，不仅消耗大量的燃煤而且造成严峻的环保压力， 其中存在巨大的节能减排空间。这其中既有热源部分的热效率问题，又有传输过 程的热损失问题，更有终端热用户的热平衡和合理用热的问题。 针对在同一网段内混网设置的不同热需求难以兼顾的问题，以及其产生的供 热效果差( 包括冷热不均和舒适度不足) 和能源浪费大的负面结果，分析其原因 是在于传统的供热方式缺乏在适当位置上的适当调控与适当计量。按照国外集中 供热的经验，分户调节是解决这一问题的有效手段。但国内户表相关技术尚未过 关，难以有效的在末端进行调节。由于系统在关键位置上热计量表和热调节表的 缺失，也造成了管理运行人员没有具体的数量上的依据来控制管理。 本文针对热用户的合理用热存在的问题，建立了区域供热控制系统的模型， 采用供热区域调控与计量( 楼表) 这个不可或缺的平台，通过制定其控制策略， 根据建筑物的使用功能不同进行区段划分，分为供热时段与防冻时段。在供热时 段动态调整管网回水温度，增大供回水温差，提高供热的品质，改善热力平衡； 在防冻时段采用气候补偿的方式，根据外界环境温度的变化间歇窜热，在保证供 热安全的前提下合理用热，达到节能的效果；在由防冻时段转换为供热时段时， 利用智能模态切换进行时段的转换，确保室内的温度在规定时间内准时快速上升 到指定温度。该系统实现了分时供热、防冻窜热、模态切换、数据传输和热计量 等功能，即实现了节能减排，又创造了一个更加舒适的生活环境。 针对某高校的区域供热控制系统的现场运行情况进行分析。该工程( 非寒假 期) 引入楼表后全校供热节能率为1 6 6 1 ；其中，办公建筑供热节能率为1 7 4 ， 宿舍建筑供热节能率为1 5 8 2 ；由此可见，针对分户计量技术尚不完善的现状， 采用区域供热调控装置确实具有良好的节能性和性价比，从积极意义上提高了能 源的利用效率，对于建筑能耗的研究起到了积极的作用。 关键词：建筑节能；供热能耗；分时控制；气候补偿；节能率 a b s t r a c t b u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o na c c o u n t e df o r2 7 8 o fs o c i a l e n e r g ymc h l n a ， h e a t i n gc n e r g yc o n s u m p t i o n h a sa c c o u n t e df o ra b o u t6 5 o fb u i l d i n g e n e r g y c o n s 啪m i o ni nn o r t h e r n c i t i e si nw i n t e r a sa l li n d i s p e n s a b l yi m p o r t 孤tp a n m b u l i d m g e n e r g y h e a t i n ge n e r g y i sc l o s e l y r e l a t e dt ol o wc a r b o ne c o n o m y a n de n e r g y c o n s e r v a t i o n w em a i n l ya p p l yc e n t r a lh e a t i n gi nw i n t e rh e a t i n gi nn o r t h e r nc l l i n 如i t n o to n l vc o n s 啪e sl a r g ea m o u n t so fc o a lb u t a l s oc a u s e ss e v e r ee n v i r o n m e n t a ip r e s s u r e ， s ot h e r ei sh u g er o o mf o re n e r g ys a v i n g n o to n l yt h eh e a te f f i c i e n c yp r o b l e m s i nt h e h e a ts o u r c e ，b u ta l s ot h eh e a tl o s s e sd u r i n gt r a n s m i s s i o n ，m o r ea b o u t h e a tb a l a n c ea n d t h er a t i o n a lu s eo fh e a t i n gp r o b l e m sw i t h e n d - u s e r s i ti sd i f f i c u i tt om e e tt h ed i f f e r e n th e a td e m a n d i nam i xn e t w o r k i tc a u s e sn e g a t l v e r e s u l t so fp o o rh e a t i n ga n de n e r g yw a s t a g e ，i n c l u d i n ge n t h u s i a s ma n d l a c ko fc o m t 砥 1 1 1 er o o tc a u s e si st h el a c ko ft h ea p p r o p r i a t er e g u l a t i o na n da p p r o p r i a t em e a s u r e s l n p r o p e rp o s i t i o n i i la c c o r d a n c ew i t ht h ee x p e r i e n c eo f f o r e i g nc e n t r a lh e a t i n g ，h o u s e h o l d r e g u l a t i o ni sa i le f f e c t i v em e a n s t os o l v et h i sp r o b l e m h o w e v e r , t h er e l e v 孤tt e c h n o l o g y h a sr 1 0 ty e ts u c c e e d e di n d o m e s t i ch o u s e h o l dm e t e r , s oi t i sd i f f i c u l tt oe f f e c t i v e l y r e g u l a t ei nt h ee n d a st h el a c ko fh e a t i n gr e g u l a t i o nm e t e ra n d h e a tm e a s u r em e t e r s y s t c mi i lk e yp o s i t i o n ，t h i s c a u s e dt h el a c ko fn u m b e rf o rm a n a g e r st oc o n t r o ia n d m a n a g e t h ea n i c i er e s e a r c h e d o nt h ep r o b l e mo fu s e r s r e a s o n a b l eh e a tu s m ga 1 1 d e s t a b l i s h e dm o d e lo fd i s t r i c th e a t i n gc o n t r o ls y s t e m ，b yt h ee s s e n t i a lp l a t f o r m o fh e a t l n g r e g i o r l a lc o n t r o l a r l dm e a s u r c m e n t ( h o u s e h o l dm e t e r ) ，t h r o u g ht h ed e v e l o p m e n to f c o n t r o ls 把l t e g y d i v i d e dt h eb u i l d i n gi n t os e c t i o n sa c c o r d i n g t od i f f e r e n tf u n c t i o n sf o r u s e d i v i d e di n t oh e a t i n gp e r i o d a n dt h ef r o s tp e r i o d ，d y n a m i ca d j u s t i n g t h e t e m p e r a t u r eo fr e t u r nw a t e ri np i p en e t w o r ki nh e a t i n g p e r i o d ，i n c r e a s et h et e m p e r a t u r e d i 髓r e n c eb e 似e e ns u p p l ya n dr e t u r nw a t e r , i m p r o v et h eq u a l i t yo fh e a ts u p p l y a i l d t h e r m a lb a l a n c e ；a p p l y i n gt h ew a y o fc l i m a t ec o m p e n s a t i o ni nf r o s tp e r i o d ，i n t e r m i t t e n t h e a t i n ga c c o r d i n gt o t h ee x t e r n a le n v i r o n m e n tt e m p c r a t u r et og e tt h ee n e r g y s a v l n g e 疵c ti np r c m i s eo fs a f e t y ；u s i n gi n t e l l i g e n tm o d e s w i t c h i n gw h e nc o n v e r t t h ef r o s t 英文摘要 p e r i o dt ot h eh e a t i n gp e r i o d ，t oe n s u r et h a tt h ei n d o o rt e m p e r a t u r eq u i c k l yr i s eu pt ot h e s p e c i f i e dt e m p e r a t u r ew i t h i nas p e c i f i e dt i m e t h es y s t e mr e a l i z e st h et i m e h e a t ，f r o s t c h a n n e l i n gh e a t ，m o d es w i t c h i n g ，d a t at r a n s m i s s i o na n dm e t e r i n ga n do t h e rf u n c t i o n s ， n o to n l ya c h i e v et h e e n e r g ys a v i n g ，b u ta l s o c r e a t eam o r ec o m f o r t a b l e l i v i n g e n v i r o n m e n t f o ri n s t a n c eau n i v e r s i t yp r o j e c ta n a l y z e dt h ea p p l i c a t i o no fr e g i o n a lc o n t r o lo f e n e r g y - s a v i n gs y s t e m t h i se x a m p l ew o r k si nt h eh e a t i n gs y s t e m ( n o n w i n t e rb r e a k ) ， a f t e rt h ei n t r o d u c t i o no ff l o o rm e t e rt h es c h o o lh e a t i n gs a v e sa p e r c e n t a g eo f16 4 2 ；i n o f f i c eb u i l d i n g ss a v e sap e r c e n t a g eo f1 7 4 ；i nd o r m i t o r yb u i l d i n gs a v e sa p e r c e n t a g e o f15 8 2 ；t h i ss h o w st h a tu s i n gd i s t r i c th e a t i n gc o n t r o ld e v i c e sh a sag o o de n e r g y s a v i n gw h e n h o u s e h o l dm e t e r i n gt e c h n o l o g yi sn o ty e tc o m p l e t e d ，i tp o s i t i v e l y i m p r o v e st h ee n e r g ye f f i c i e n c ya n dp l a y sap o s i t i v er o l eo nr e s e a r c hf o rb u i l d i n ge n e r g y c o n s u m p t i o n k e yw o r d s ：b u ii d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n ：h e a t i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n ： t i m e s h a ri n gc o n t r o i ：0 ii m a t ec o m p e n s a t i o n ：e n e r g ye f f i c i e n c y 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下；独立进行研究工作所取得的成果，撰写成博硕 士学位论文：建筮莹能测控二住丝丕统盥班窒：。除论文中已经注明引用的内容外，对论文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加 明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承 担。 学位论文作者签名：盘垒 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学位论文的规 定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本 学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志 社) 、中国学位论文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物 形式出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密i ( 请在以上方框内打“寸) 论文作者签名：彳玉导师签名： 日期：如年二月工，日 建筑节能测控一体化系统的研究 1 1 研究的目的及意义 第一章绪论帚一早珀t 匕 当前世界各国越来越重视能源问题，在长期的能源开发与利用的过程中，越 来越多的国家开始把注意力集中到节约能源上来，“节能”被称为煤炭、石油、天然 气、核能之外的第五大能源【l 】。节能降耗已成为一项基本国策，国家相继颁布了节 约能源法和建筑节能管理条例，要求在“十一五”期间完成单位g d p 能耗降 低2 0 的硬性指标。建筑能耗在社会总能耗中占据着很大的比例，并有不断增大 的趋势，而且社会经济越发达，生活水平越高，这个比例就越大。建筑节能是实 现国家总体节能目标的重要环节。 通常将建筑能耗狭义地理解为建筑使用能耗，也称为狭义的建筑能耗，而将 包括建筑过程能耗和建筑使用能耗的全寿命周期能耗，称为广义的建筑能耗 2 1 。本 研究所论及的建筑能耗，专指建筑使用能耗，即狭义的建筑能耗。按照这一定义， 建筑节能的提出是建立在建筑用能的基础上的。因此，现代社会所提出来的节能 的概念应该是“能效”的意义，即提高能源的使用效率，用最少的能耗来满足人们正 常的生活需求。社会的发展与进步使得人们对于居住和工作环境也不断提出新的 需求。为了适应可持续发展，保护人类生存环境，减少对不可再生资源的消耗， 我们应该合理用热。 在能源的消费构成中，建筑能耗占全社会能耗的2 7 8 ，北方城市中的冬季采 暖能耗又约占建筑能耗的6 5 蜊引，建筑能耗的节约已经受到普遍的注意。我国北方 地区冬季供暖以集中供热为主，不仅消耗大量的燃煤而且造成严峻的环保压力， 其中存在巨大的节能减排空间【4 棚。该系统存在的一个重要问题是不同热需求混网 难以兼顾，造成供热效果差( 包括冷热不均和舒适度不足) 和能源浪费大。其原 因在于缺乏在适当位置上的适当调控与适当计量。按照国外集中供热的经验，分 户调节是解决这一难题的有效手段。但国内户表相关技术尚未过关，无法运用户 表进行调节。由于系统在关键位置一般不设热表或不预设热表，未能实行计量收 费是造成用户不会去主动节能的主要原因，同时也造成了管理运行人员没有具体 第一章绪论 的数量上的依据来控制管理。对此国内外供热有着不同程度的发展情况。 1 2 国内外用热现状 1 2 1 国外用热现状 国外集中供暖方式的技术手段较为成熟，均采用动态变流量系统，调控技术 先进，调节手段完善，调控设备质优【9 】。在室内温度可调的基础上，一些国外发达 国家已经实现分户计量，按用热收费，极大地提高了供暖节能效率，并且提高了 供暖的舒适性与经济性【1 0 1 。 国外某些采用集中供暖方式供热的国家，采取了有别于传统控制方式的供暖 策略，有效的提高了供暖的效率、降低了供暖的能耗f 】。还有其他一些国家采用 限制供暖期室内最高温度的策略。例如瑞典，该国家设定暖气设备最高温度为2 5 ：芬兰则一般保持住宅和办公室的供暖温度在2 0 至2 2 之间，商店和工厂车 间在1 8 ；德国政府则建议了一系列的室内温度，分别为：卧室1 6 ，起居室2 0 ，书房2 2 ，浴室2 4 。相关国家在集中供暖时，在室内温度可调的基础上， 按户计量，按用热收费，如芬兰、瑞典等北欧国家。同时在这些国家里，供暖时 间并无统一的规定，住宅用户可以根据自己的需求选择集中供暖或单独供暖【1 2 】。 1 2 2 国内用热现状 比较我国的集中供暖情况，在技术、设备、管理和服务质量上都与国外先进水 平具有较大的差距f 1 3 j ，主要表现在以下两个方面： ( 1 ) 污染与浪费严重 首先，热源所用燃料绝大多数以煤为主，空气环境污染比较严重； 其次，没有完善的供热规划和供热项目审批手续，供热项目盲目建设，出现 了热负荷不足“大马拉小车”的严重浪费现象； 第三，热力管网中水力失调问题严重存在，系统失水、补水量大，能量浪费 严重，再加上施工、管理缺欠造成大量的热损失【1 4 1 。 ( 2 ) 供热效果差 建筑节能测控一体化系统的研究 供热效果差包括冷热不均和舒适度不足两个方面。用户冷热不均，造成一些用户 的室内温度达不到标准要求，影响居民的正常生活；另一部分用户的室内温度过 高，只能通过开窗调节，严重影响供热的舒适度。 ( 3 ) 调控与计量落后 国内的热力站设备陈旧落后，没有热力工况调节设备，绝大部分机械设备室 其他产业的代用品，基本上没有专业的供热设备。 目前，集中供热的调控手段主要集中在热源处，供水温度受天气情况影响， 采取间歇供热方式并且依据经验保持室内温度平衡。然而在大范围内进行粗调势 必会影响供热的质量，造成“水力失调、热力失衡【 】 等不利后果。没有对供热 数据进行规划和考核，反映不出真实的节能情况，既浪费了能源又得不到良好的 供热效果。 按照国外集中供热的经验，分户调节是解决这一难题的有效手段。但是，在 国内普及分户计量仍存在很大的问题：首先，为实现供热系统的可计量、可调节、 安全性、舒适性、节能性等技术性能，需要每户增加相应的计量、控制、调节、 平衡设备，使得分户计量初投资大大增加；其次，我国分户计量的相关技术还比 较落后，民用计量设备的质量和后期服务与国外发达国家相比较还具有一定的差 距。 1 3 存在的问题与解决措施 产生上面原因的根源是缺乏在适当位置上的适当调控与适当计量。 近些年来，集中供热系统扩网增容的现象十分普遍，供热系统中的水力失调 现象变得越来越明显，即：供热系统在实际运行时，流经各建筑物各用热设备的 水量与设计水量不符，近端热用户流量大，而远端热用户的流量小，“近热远冷 的现象较为严重。此时往往采用加大换热器和循环水泵流量的方法来缓解矛盾， 结果导致了工程投资增加、运行费用加大。依靠增加电耗和热损失来消除水力工 况失调，造成了在热源供热量相同的情况下热量得不到充分利用的局面，造成了 “大热源、大流量、小温差的恶性循环。 第一章绪论 对于学校、商场、办公楼等分时用热特点明显的区域，没有采取适合的供热 方案，不用热时段仍按照供热时段进行供热，造成能源极大浪费。 按照国外集中供热的经验，分户调节是解决这一难题的有效手段。但国内户表相 关技术尚未过关，无法运用户表进行调节。在这样的背景下，供热区域调控 与计量( 楼表) 成为一个不可或缺的平台，既能实现合理用热，又能区分能耗品 质，为分户计量打下坚实基础。 针对分户计量存在的问题，采用分楼计量可以使计量改革工作走出困境。对 每座建筑的用热总量进行计量，楼内各户按面积分摊并据其收费，计量工作可以 大大简化。基于分楼计量体系建立有效的建筑能耗统计平台，可以给出不同地域 不同属性建筑群体所消耗能源的具体数据，定量描述建筑能耗的具体特点，因此 分楼计量体系是建筑节能工作的重要基础。 1 4 本文的研究内容及结构 本文针对目前建筑节能领域内供热能耗中的热用户的欠合理用热问题，建立 了区域供热控制系统的模型，采用供热区域调控与计量( 楼表) 装置，通过制定 智能区域供热控制器的控制策略，分为供热时段与防冻时段，提高了供热的品质， 改善了热力平衡，在安全的前提下合理用热，达到节能的效果。通过在现场投入 使用了一个采暖季，对实测数据进行节能效益分析，得到了较好的节能效果和经 济效益。同时证实了区域供热调控装置确实具有良好的节能性和性价比，从积极 意义上提高了能源的利用效率，对于建筑能耗的研究起到了积极的作用。 本文共分四章，具体的结构安排如下： 第一章：绪论。首先，阐述建筑节能研究的目的及意义；其次，针对目前建 筑节能领域中集中供热存在的问题，详细地介绍国内外用热的现状，提出国内存 在的问题与解决手段；最后，概述出本文的主要内容和结构。 第二章：针对目前建筑节能领域中集中供热存在的问题，建立区域供热控制 系统的模型，对大型供热区域进行局部调节，引出智能区域供热控制器的研制目 的、意义、结构、原理，再对阀门进行配置，设计系统的控制算法，根据建筑物 建筑节能测控一体化系统的研究 的使用功能不同进行区段划分，分为供热时段与防冻时段。做好现场投运的理论 工作。 第三章：首先，做好分析的前提工作；其次，对实测数据进行统计整理，设 定相应符号与计算公式：最后不同供热时期、不同控制方式、不同温度段对不同 供热区域进行节能效益和经济性分析。第四章：总结与展望。对本文的研究内容 进行全面的总结，得出几点大的结论，并针对研究中遇到的问题和存在的不足之 处进行分析和总结，最后对本研究进行展望。 1 5 本章小结 本章首先介绍了建筑节能研究的目的及意义；然后，针对目前建筑节能领域 中集中供热存在的问题，详细地介绍国内外用热的现状，总结了国内集中供热存 在的问题与解决手段，指出了本文研究的必要性和可行性：最后，归纳出本文的 主要内容和结构。 第二章智能区域供热控制系统 第二章智能区域供热控制系统 针对目前热用户的欠合理用热问题，建立了区域供热控制系统的模型，采用 供热区域调控与计量( 楼表) 这个不可或缺的平台，通过制定智能区域供热控制 器的控制策略，根据建筑物的使用功能不同进行区段划分，分为供热时段与防冻 时段。在供热时段动态调整管网回水温度，增大供回水温差，提高供热的品质， 改善热力平衡；在防冻时段采用气候补偿的方式，根据外界环境温度的变化间歇 窜热，在安全的前提下合理用热，达到节能的效果；在由防冻时段转换为供热时 段时，利用智能模态切换进行时段的转换，确保室内的温度在规定时间内准时快 速的上升到指定温度。 2 1 区域供热控制系统建模 闭环控制系统是基于反馈原理建立的自动控制系统。所谓反馈原理，就是 根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为( 输出) 与期望 行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。在反馈控制系统中， 既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈 通路，两者组成一个闭合的回路【l6 】。因此，反馈控制系统又称为闭环控制系 统，反馈控制是自动控制的主要形式。 反馈控制系统由控制器、受控对象和反馈通路组成。图中带叉号的圆圈 为比较环节，用来将输入与输出相减，给出偏差信号。基于反馈控制系统， 我们建立建筑系统模型，被控对象为建筑物，输出变量为实际建筑物的室内 温度；输入变量为给定温度，控制单元为智能区域供热控制器，测量单元为 m c g s 嵌入式触摸屏( 控制单元与测量单元整体形成为楼表) 。 近代传统的“建筑一人”二元结构，是以人为中心的自然、经济、社会结构体系， 以构建舒适环境为根本需求，通过掠夺式的获取自然资源模式，形成“资源、建筑、 废物”的流程。以大量消耗不可再生资源，以及排放大量废弃污染物为特征，以地 球环境恶化为巨大的代价，是非可持续和难以维继的。因此，需要在有所约束( 节 建筑节能测控一体化系统的研究 能环保) 的条件下，从控制学角度研究建筑满足人的舒适要求的被控目标的实现 问题，引入环境因素，并把环境、建筑、人作为统一完整的系统列研究对象【1 7 1 。 人作为控制的出发点和落脚点，以建筑及其附属设备为工具，通过调节与控制， 在外环境变化的条件下，保证内环境的相对稳定，达到健康和舒适【1 8 】。 其区域供热控制系统模型见图2 1 。 - _ - _ 一甲 i ， ： 1 1 2 ，：ii， 图2 1 典型的区域供热控制系统模型 f i g 2 1at y p i c a ld i s t r i c th e a t i n gc o n t r o ls y s t e mm o d e l 从图2 1 可以看出，模型分为测量，给定，控制( 即测、定、控) 三大模块。 测量，向外感知环境状况，例如测量室外大气温度，用于系统的“气候补偿”， 可以用此切换整个系统的控制模式和调整控制策略，也可直接进行相关的开环调 整；向内感知环境状况，例如测量室内温度，用于系统构成闭环，以此为调节控 制具体的供热指标提供基础；有助于产生行为节能和推广节能新技术，测量供回 水温度、供水流量、供回水压力等。 给定，是对内环境的舒适要求的具体指标，是人的设想与需求。目标的合理 是控制系统“容易”达到要求的关键，并对控制系统达标而花费能耗的多少有着十分 重要的影响。 第二章智能区域供热控制系统 控制，在于以有效( 节省) 方式实现目的。涉及分时分用途，区分有无人状 态；开、闭环控制相结合，充分利用建筑的热惯性，不断优化调整以达到最优。 对于具体的实例工程，需要强调的是，测量是控制的基础，控制后的效果也有待 于再测量，促使控而更优；相对舒适，设定合理的给定值，保证了控制的可达和 易于达到，当然也方便实现以较少的能耗完成控制任务，所以测量是建筑节能控 制系统的基础【1 9 】。 2 2 智能区域供热控制器研发目的及意义 目前，国家相关部门十分重视建筑节能技术、建筑节能措施，鼓励采用国内 外先进的技术和设备，对建筑物与热源、热网进行合理科学的规划与统筹安排， 实现区域供热系统各个环节的全面节能，逐步建立按耗热量收取热费的体系，实 现我国建筑节能的长远发展战略。 但是由于种种原因，例如技术问题、水质问题、成本价格等问题尚未很好解 决，民用热量表( 流量计) 和分户调节装置仍然没有真正被市场认可，产品化趋 势还有相当长的一段路要走【2 们。 我国大量商场、住宅、高校、政府机关办公区域等，有着十分鲜明的分时段 用热需求特点。而目前只是由于缺乏有效的调节手段，无法在供热管网中区别管 理，而只好任凭热能无谓的消耗。基于此思想，具有重大在创建节约型社会的过 程中，对此类有着鲜明供热需求的建筑物进行供热节能和热计量改造是极具现实 意义的，智能区域供热控制器的研发有其一定的价值。 2 3 智能区域供热控制器结构 智能区域供热控制器的设计是根据当前正在推广的热计量供热的思想【2 1 乏3 1 研 制开发的。热计量供热系统中，在各热用户的散热器处安装温度控制阀，根据用 户的用热需求供热。在某实例高校的供热管网中，针对整个楼宇中各热用户用热 需求基本相同的特点，以楼宇为单位作为热网中的热用户，通过调节智能区域供 热控制器来满足不同楼宇的用热需求。 建筑节能测控一体化系统的研究 智能区域供热控制器由西门子s 7 2 0 0 系列p l c 控制器和m c g s 触摸屏组成。 具有方便的网络传输功能，易于扩充其它辅助功能与进一步系列化。该系统对3 点室内温度进行测量，以及室外温度、供水温度、回水温度、阀门开度、热水流 量等共8 路模拟量输入，1 路电动阀控制调节输出【2 4 - 2 6 1 ，见图2 2 。 置、。 国二 8 ，产。、 g p r s 蠖袅 图2 2 智能区域供热控制器结构图 f i g 22 t h ec h a r t o f i n t c l l l g e m 口e a h e a t i n g c o n t r o l l e r 智能区域供热控制器安装在各楼宇值班室，除了可以就地控制以外，还可以 通过g p r s 网络与供热中心通信并进行远程控制。供热中心可以实现对远端各个 区域供热控制器的网络协调控制与管理【2 1 ：可以设置控制器相关的控制参数，包 括设定值等；可以远程直接操作电动阀门开关；还可以进行供热管理，数据统计 与报表打印等工作。 24 智能区域供热控制器原理 ( 1 ) 按需分时供热：该控制器可自动按照预设的时间表，将电动开关阀置于 “开”或“关”的状态，实现供热关断。 ( 2 ) 防冻气候补偿：在防冻运行时。根据室外温度，动态调整回水温度适 时将电动开关阀置于“开”的状态，防止管路冻损。 ( 3 ) 智能模式切换：为保证供热及时与舒适。结合室外温度气候补偿调节给 出由防冻时段转为供热时段的时间提前量。 第二章智能区域供热控制系统 该方案除了带来客观的节能效果，在区域或楼宇热用户入口处安装热量表， 还能方便实现该部分的总热能消耗监控，从而为分户计量的推广与应用打下了坚 实基础。 25 阀门配置方案 现在绝大多数建筑物都采用截门方式调节阀进行流量调节。截门方式调节阀 的节能原理是根据不同建筑物的需热时段不同，将供暖方式大体分为办公模式和 住宅模式2 q 。在建筑物不用热时段控制截流阀使多余的热量依然保留在供水 管网中有效的提高二次网的供水温度降低回水温度，通过降低建筑物的多余 耗热量达到节约热能的目的4 】。截门方式调节阀配置方案见图23 ， 图2 3 截门方式调节蒯配置方案 f i g2 3t h e v a l v e i nc u t o f f d o o r w a yc o n f i g u r a t i o n 26 智能区域供热控制器算法设计 在供热管网中为了保证热力平衡，即使足够的热量输送到供热管网末端，在 供回水管路中需要热水满足一定设计要求的流量与流速。因此，模拟调节如简单 的p i d 控制并不适用，存在明显的局限性 拄”l 。在本论文中阀门控制的设计思想是 阀门打开就需开足，阀门关闭必须关死而阀门若处于半开半闭的中间状态，会 建筑节能测控一体化系统的研究 造成压力与流量的损失1 3 s 4 0 1 。为了更好的说明问题，制定适宜的控制方案，先设定 相应的变量参数，见表2 1 。 表2 1 主要变量表 t a b 2 1t h em a i nv a r i a b l et a b l e 供热始时 t m r 供水温度t g 防冻始时 t m d 回水温度 刀7 供热保温 t r 室外温度 t w 防冻保温 t d 室内温度 t n 切换提前t m o ( k 1 ，k 2 )正偏差 o f f 无冻温度 t w h 冻极温度 t w l 2 6 1 分时供热 智能区域供热控制器可以将不同的建筑物按照使用功能进行归类划分，对于 不同区域采用适合的供暖时间规划方案，。将全天2 4 d x 时分为供暖时段与防冻时段， 针对不同时段分别采取不同的供热策略。 首先，系统判断选择手动状态还是自动状态，手动状态则执行手动操作：自 动状态时将现行时间t 与供热起始时间t m r 、防冻起始时间t m d 相比较，判断是供 热时段还是防冻时段，从而决定电动阀此时应该开启或是关闭。具体程序流程图 如下： 第二章智能区域供热控制系统 图2 4 分时供热程序流程图 f i g 。2 4f l o wd i a g r a mo ft i m e h e a t i n gp r o c e s s 2 6 2 防冻时段气候补偿 防冻时段气候补偿重点解决不同气候条件下供暖的安全性问题，在保证供热 管路安全的前提下实现节能【4 h 3 1 。此控制方法不仅要依赖于系统时钟及预设时间 表，尤其要依赖室外温度测量的准确性。天气越冷防冻时段下的保温操作越频繁， 电动阀的开关状态根据室外温度动态调节 4 4 4 6 】。 由于室内温度的多样性及不便于测量等问题，本文引进冷度系数的概念。在 供热防冻阶段，根据不同的室外温度，分别计算出相应的冷度系数，从而推算出 不同的室外温度下电动阀的开闭时间。 冷度系数：z = ( t w h t w ) ( t w h t w l ) ( 2 1 ) 建筑节能测控一体化系统的研究 由( 2 1 ) 式可知，冷度系数与室外温度成反比。室外温度越高冷度系数越低， 室外温度越低冷度系数越高。在防冻阶段，如果测得的t w = t w h ，电动阀关闭， 楼宇不得热；如果t w t w l ，则根据冷度系数z ，算出电动阀打开和关闭的时间。 公式如下： 防冻时段电动阀关闭计数器： t e = i n t z x n + 0 5 】 ( 2 2 ) 防冻控制循环周期计数器： t o = 2 n t 1( 2 3 ) 式中：t 1 为阀门控制周期，2 n 为每个防冻控制循环周期所含的阀门控制周期 总数。对应的程序流程图如下： 第二章智能区域供热控制系统 图2 5 气候补偿供热程序流程图 f i g 2 5f l o wd i a g r a mo fc l i m a t ec o m p e n s a t i o np r o c e s s 例如：n = 3 ，阀门控制周期t 1 - - 1 0 m i n ，即2 n t 1 = 6 0 m i n ，电动阀需一通一断 的工作。 2 6 3 智能模态切换 在分时供热时如果严格按照预设时间表运行，模式切换后室内温度不能在指 定时间内达到规定标准，严重影响供热舒适性。因此，在由防冻时段转入供暖时 建筑节能测控一体化系统的研究 段时，应该考虑适当提前切换启动的时间。 智能模态切换控制流程的基本思想是：为保证供热舒适性，在状态切换时根 据室外温度决定时间提前量，提前进行加热，在不断加热的过程中，还需要比较 室内温度t n 与临时温度t t 的大小，决定在未来的一个控制周期内电动阀的动作 规律。这里临时温度t t 是指在每个阀门控制周期实测的室内温度值，当它大于控 制曲线上对应的室内温度时，关闭电动阀；反之，开启电动阀供热。算法流程图 如下： 图2 6 智能模态切换程序流程图 f i g 2 6f l o wd i a g r a mo fi n t e l l i g e n tm o d es w i t c h i n g 模态切换提前量与室外温度、供暖时段室内温度设定值z 和防冻时段室内温度 设定值乃之差有关。设提前切换启动时间为岔，则： a t = 厂( 瓦，( i 一乃) ) ( 2 4 ) 结合实际运行情况易知，供热设定温度与防冻设定温度的差值越大，室外环 境温度越低，模态切换提前量越大。 第二章智能区域供热控制系统 t t r t d 图2 7 智能模态切换时间控制曲线 f i g 2 7t i m ec o n t r o lc u r v eo fi n t e l l i g e n tm o d es w i t c h i n g 如图2 7 知，欲在t 1 时刻达到供热运行的室内温度要求，需在t o 时刻就进行供 热操作。t o 为模式切换时刻，t 1 为达到供热时段设定温度的时刻。a t - - t l t o 为提前 启动的时间间隔。 图中c 与乃之间上升曲线簇为不同室外温度对应的室内温度随时间变化的曲 线。该曲线簇为非线性曲线，曲线的斜率标准温升系数，随着室内温度的上 升而减小( 室内温度每升高1 所需的加热时间随着室内温度的升高而增加) 。本 文在做简化处理，近似认为在相同的室外温度下标准温升系数为定值。 设供热区域的标准温升系数为k ，单位为分钟 c ，k 随室外温度变化非线性 曲线如下图： 建筑节能测控一体化系统的研究 j i k 、 - 。 - l o 一50 5 t 外 图2 8 标准温升系数与外界温度的非线性关系 f i g 2 8n o n - l i n e a rr e l a t i o n s h i po fs t a n d a r dt e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n ta n do u t s i d et e m p e r a t u r e 由图可知k 与室外温度呈非线性关系，室外温度越低，k 会更大。外界温度 影响室内温度的上升速率，外界温度越低，室内温度上升越慢，应提前较长时间 进行切换；反之，则所需时间越短，仅提前较短时间切换即可满足温度控制要求。 由图2 7 可以得出公式2 5 ，从而计算模态切换提前时间。 z = 乃+ k ( t 一岛) ( 2 5 ) 2 7 人机界面 m c g s 嵌入式触摸屏能够运行m c g s 嵌入版组态软件，在区域调控装置上安 装触摸屏可以就地、实时的显示智能区域供热控制器运行的实测数据值、供暖曲 线，并且查看历史数据曲线，还可以进行参数的设置。在现场运行过程中，可以 根据触摸屏上显示的数据及调控曲线，及时的进行控制参数以及模式的转换，达 到最佳的供暖效果。m c g s 主要有监控和系统管理两个部分组成。 ( 1 ) 监控部分设计 监控部分分为主窗口、历史曲线、数据表三个界面。 主窗口可以动态显示阀门的运行状态、室内温度、室外温度、供回水温度、 累计热量和当日热量，显示并控制手自动状态。主窗口为维护人员提供一个良好 第二章智能区域供热控制系坑 直观的人机界面，整个界面层次结构清晰，画面分布合理，重点信息突出，方便 维护人员监控，如图2 9 。 图2 9 智能区域供热控制器主窗1 2 r i g29 m a i n w i n d o w o f i n t e l l i g e n ta r e ah e a t i n gc o n t r o l l e r 历史曲线界面便于工程维护人员查询之前的设备运行情况对故障分析诊断、 运行状况分析、设计工艺比较等有着重要的意义。历史曲线界面显示的几条曲线 分别是室内温度、室外温度、供水温度、回水温度和阀门开度，见图21 0 。 图21 0 智能区域供热控制器历史曲线 f i g2l o h l m o c u l l eo f i n t e l l i g e n ta r e a h e a t i n g c o n t r o l l e r 数据表界面中每十分钟记录一次供水温度、回水温度、室内温度、室外温度 建筑节能测控一体化系统的研究 热量消耗这几个运行参数，便于工程维护人员深入分析系统的运行状况，见图2l l 。 m c g s 触摸屏装各了u s b 接口t 这样就可以直接将此数据表导出供节能分析使用。 玉簿叁 & m 翟曰。 。，慧。“篡等一o9 74 7 7 二。一卜f “r 。f 1g l 】_ 聃_ & m _ 8 口 - 二- - 二一 幽2 1 1 智能区域供热控制器数据袭 f i g2 i ld a t as h e e t o f i n t e l l i g e n ta 托a h e a t i n gc o n 的l l e r ( 2 ) 系统管理部分设计 系统管理部分为参数设置窗口主要是为系统管理者更改运行参数而设置。 可更改的运行参数包括供热时间、防冻时间、自动控制状态、供热温度、展高外 温和最低外温等。见图21 2 。 - 二- - 簟二 圈21 2 智能区域供热控制器管理窗口 f i g r 2 1 2 m a n a g e m c m w i n d o w o f i n t e l l i g e n ta a e a h e a t i n g c o n t r o l l 第二章智能区域供热控制系统 2 。8