冬季供暖节能调控方法及控制装置*

刘 钢 贾书洪 王蓉晖

(1:空军航空大学基础部实验中心，长春 130000; 2:吉林建筑工程学院电气与电子信息工程学院，长春 130118)

目前，无论是热电厂余热供暖还是锅炉供暖，其热水循环泵通常是工频运转，或是多个工频泵并联运转，采用恒流量方式运行．而泵的装机功率设计通常是按照当地历史最冷天气情况和供热工程运行寿命内可能的最大热负荷进行设计，而实际情况却是在整个采暖季期间内，大气温度在－38℃ ～10℃范围内变化，在采暖季的160多天中，能达到－20℃以下温度的天数也就只有20天左右，其它绝大多数时间内的大气温度都在－20℃ ～10℃．另外，多数换热站的热负荷也没有达到设计的额定值，而工频恒流量运行的供暖循环水系统在供暖期中的绝大多数时间内都工作在供过于需的工况下，造成电能的大量浪费．

目前，在国内供热采暖循环水节能方面的应用主要是工频恒流量，国内在这一领域比较先进的技术现状是对供热循环水泵进行变频改造，采用PLC的自动压力控制，即应用变频器对循环出水的压力进行闭环PID控制，以维持压力恒定，这一技术应用比较适用于采暖用户负荷变动较大，尤其是安装了热计量表的系统．冬季供暖节能调控方法及控制装置，实现供暖循环水系统能较好的随大气温度和热负荷的变化而变化，从而实现在保证供暖效果的基础上大幅度降低电能消耗的目的．

1 冬季供暖节能调控方法

1．1 供水温度和回水温度差结合大气温度调控［1－2］

大气温度是供热采暖系统的一个重要参数，它主要决定了供热采暖系统的热负荷的大小，基本规律是大气温度越低则系统的热负荷就越大;而大气温度越高则系统的热负荷就越小．供水温度应当取决于热负荷的大小，原则上热负荷越大，则说明用户对热量需求越多，则供水温度就应该越高，反之就应该越低．而回水温度的运行趋势也相类似，所以，在技术实现的调控算法模型如图1所示，出水温度调控主要由控制一次网进水阀门的开度实现，而回温度调控主要由改变循环水流量实现．

图1 大气温度与供回水温度关系曲线

1．2 出、回水压差保障

循环水的作用是将热量由换热站输送到用户，热负荷越大则需要的循环水流量也就越大，热负荷越小则需要的循环水流量也就越小，因此，通过大气温度计算出水压力对循环水的流量进行相应保障．技术实现的算法模型如图2所示．

图2 出、回水压差与大气温度关系曲线

1．3 时间调控

冬季用户的供热采暖是有一定时效性，即在人们生活的活动时间应相应提高温度的舒适度，而当人们在休息时间内也可以相应适量降低，因此，可以在调控方法上进行时间设计，对总体的控制进行微量修正，具体实现是将24 h供热周期可以分为多个时段，每个时段可人工设定增量或者减量的百分比，从而对前面设定的运行调控目标值(压力、温度)进行微调［3］．

1．4 脉冲调控

在对应冬初和冬末的大气温度比较高时，按系统调控运行的频率可能比较低．可能会出现循环水失调问题，针对这个问题的解决方法拟采用脉冲方式进行调控(PWM)，脉冲方式的启用是有先决条件的，即大气温度高于一个可人工设定的值，再就是脉冲的周期、脉冲宽度和脉冲的幅度，这3个参数是根据大气温度人工设定的．脉冲宽度调控方式与大气温度关系曲线图如图3所示．

图3 脉冲宽度调控方式与大气温度关系曲线

2 “冬季供暖节能调控装置”的硬件设计

节能控制器用于实现上述的各种控制算法，通过变频器接口对变频器进行智能调控．

节能调控方法实现的硬件平台由C 8051 F 040单片机完成，计算机硬件系统由I/O接口电路、A/D转换电路、CPU处理电路和通信接口电路组成节能调控控制器．在该节能调控控制器基础上再外接变频器就构成了冬季采暖节能调控装置［4］．

通信接口电路:通信接口电路采用RS－485标准，以方便与触摸屏(HMI)或上位机进行实时通信，接口协议采用标准的Mod－Bus协议．电源电路采用带有后备电池的多路隔离输出电源，可以保证系统工作．

节能控制器的主要接口框图如图4所示，由温度传感器、压力变送器分别采集管道出水和回水的温度，与设定温差控制量比较，采用参数自适应模糊PID结合PWM(脉冲宽度调控)算法．另外，要采集出、回水压力进行保障压差不低于一定值．控制器输出0～20 mA标准电流来控制变频器工作，从而控制各水泵电机变频工作，达到最佳节能效果．

图4 节能控制器的主要接口框图

3 结语

该系统是对供热采暖循环水系统实现多参量智能优化调控的一个智能平台，相对于简单变频或PLC控制提高了一个层次，它能实现多参量综合优化智能调控;并将大气温度、出回水温度和时间等参数进行综合分析优化，从而得出近似理想的运行模式．科学地调控循环水流量，与实际需求的热负荷相匹配，并且随着实际系统运行时间的增加，该优化运行模式会越接近理想，效果会更好．

该系统具有算法模型先进、技术实用、节电效果理想及综合性价比高等优点，是供热采暖节能降耗改造的理想技术设备，具有相当广阔的市场前景．应用“冬季供暖节能调控方法及装置”后，相对于原工频方式，其节电率可达25%～35%，在我国北方大范围内推广应用将能产生相当可观的经济效益．

［1］ Ying－ Shieh Kung and Chang － Ming Liaw．A Fuzzy Controller Improving a Linear Model Following Controller for Motor Drives［C］．IEEE TRANSACTIONS ON FUZZY SYSTEMS，1994，2(3):194 －202．

［2］ CHUEN CHZEN LEE．Fuzzy Logical in Control System:Fuzzy Logical Controller PartⅠ［C］．IEEE TRANSACTIONS ON SYSTEM，MAN，CYBERNETICS，1990，20(2):404 －410．

［3］ Han － xiong Li and H．B Gatland．Conventional Fuzzy Control and Its Enhancement［C］．IEEE TRANSACTIONS ON SYSTEM，MAN AND CYBERNETICS － PARTB:CYBERNETICS，1996，26(5):791 －797．

［4］ 李士勇．模糊控制、神经控制和智能控制论［M］．哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1998:15－20．