气候补偿器的动态热负荷调节方法研究

陈菲菲 杨 炀

（石家庄铁路职业技术学院1） 河北石家庄 050041 河北科技大学2) 河北石家庄 050000）

气候补偿器的动态热负荷调节方法研究

陈菲菲1）杨 炀2）

（石家庄铁路职业技术学院1）河北石家庄 050041 河北科技大学2)河北石家庄 050000）

气候补偿器应保证热源的供热量与用户热负荷变化相适应。依据热负荷预测值，提出一种气候补偿器的动态热负荷调节方法，根据供热需求，调节输出热负荷的大小，论述了动态调节方法的理论依据，并对其进行实验分析。

气候补偿 动态调节 室外温度预测 按需供热

1 引言

气候补偿器调节的基本原则是随着冬季室外温度的变化，调节供热量，保证热源的供热量与用户热负荷变化相适应，实现按需供热，维持室内温度的稳定。如何根据用户热负荷的动态特性选定气候补偿的调节时段，并根据各时段的供热需求调节输出热负荷的大小是气候补偿器的关键技术点[1]。

传统的系统运行调节是建立在稳态计算的基础上，根据调节模型模拟出的室外温度变化曲线，调节系统的供水温度和流量。在调节控制过程中，由于不能精确掌握24 h的室外温度变化规律，生产调度人员只能根据经验来调节热源的供水温度，此种调节方式造成了热源处的被动供热，既增大了供热成本，也无法反映建筑物热负荷的动态特性，不能很好地满足用户的用热需求。实际供热系统的运行调节与控制是随着用户需求不断变化的，应该根据热负荷的变化规律从动态的角度进行调控[2]。

2 热负荷预测

热负荷动态调节方法以气候补偿各时段所对应的热负荷预测值为依据，通过热负荷与供、回水温度关系曲线，提前给出每天供热运行调节控制参数，供管理人员按需调节，实现热源处的主动供热。

气候补偿器进行动态调节的前提是对次日的热负荷进行预测，以便于根据热负荷值各时段的分布情况和大小对供热参数进行调节。动态热负荷预测主要包括两部分，首先是室外温度的预测，即根据当地历史气象数据及气象部门的天气预报对次日的室外温度进行预测，并将该值作为热负荷预测的基本数据；其次是热负荷的预测，即根据室外温度计算出次日的热负荷曲线。

2.1 室外温度预测

在室内温度一定的前提下，采暖热负荷主要取决于室外温度的大小，而实际上，在进行热负荷预测时，第二天的室外温度是难以直接获得的，要提前24 h预测热负荷，首先要对第二天的室外温度值进行预测。

地球白天接受太阳辐射热并在夜晚放出热量，室外温度在一昼夜内随时间连续变化，表现出明显的24 h周期性波动。一日之中室外温度的最低值一般出现在日出前后，而在午后14～15时达到最高值。因此，可以对室外温度进行24 h的周期性预测。

2.1.1 预测方法——形状因子法

形状因子法[3]是根据历史室外温度数据值得出的历史形状因子结合当地气象预报的最高、最低温度数据对未来室外温度进行预测，并在一个预测周期结束后，由室外温度实测值对形状因子进行不断更新修正。

式中，ai——第i小时的形状因子；

一个预测周期结束后，比较当天的室外温度实测值与预测值，对形状因子进行修正，修正后的新形状因子用于次日的室外温度预测，到获知第i小时的温度实测值ti时，结合实测形状因子对该时刻的形状因子进行修正。由第i小时的实测数据得到的实测形状因子为

式中，ai1——第i小时的实测形状因子；

修正后的新形状因子为（其中b为遗忘因子）

2.1.2 室外温度预测值的在线修正

图1 一段法室外温度预测值与实测值对比示意图

图1所示为形状因子法在标准年1月的室外温度预测情况。形状因子法在确定最高、最低的温度的时刻上是按照一般日气温变化规律确定的，由于室外温度变化的随机性，对于异常天气，如图中1月14日室外温度逐渐降低的情况，会出现一定的偏差，采用温度的在线修正将提高预测的准确性。在线修正采用简单移动平均法，采用预测数据采样间隔为1 h，预测时间段长度n为2，即利用当前温度值、前一小时的温度值、前两小时的温度值预测此后一小时的温度值。各采样间隔历史温度数据的权重系数分别为：f0=1/2，f1=1/3，f2=1/6。

2.1.3 室外温度值分段量化

依据气候补偿的调节时段，将对应时段内的室外温度取加权平均值，作为该时段内的室外温度量化值，量化公式为：

式中，tw——相应时段的室外温度量化值（℃）；

2.2 热负荷计算

当建筑物围护结构确定后，建筑物热负荷与室内外温差成正比（忽略日照及风力的影响），当室内温度保持设定值时，热负荷取决于室外温度的大小。在气候补偿器的各调节时段内，室外温度的波动对热负荷的大小不造成影响。此时，依据各时段室外温度量化值对热负荷按稳态传热进行计算，是满足精度要求的，热负荷计算公式为

式中，Q——采暖实际热负荷（W）；

Qs——采暖设计热负荷（W）；

qA——采暖设计热指标（W/m2）；

A——建筑面积（m2）；

3 气候补偿调节时段划分

根据室外温度变化规律，室外温度曲线的峰谷约在7时出现，高峰出现在15时，以0时、7时、15时、23时4个重要时间点为主要划分节点，保证各时段室外温度相差不大于5 ℃的前提下，将一日24 h划分为[0,4]，[5,9]，[10,12]，[13,17]，[18,19]，[20,23]6个时间段。

将石家庄地区各月平均室外温度统计值按上述时段进行划分，得出每个时间段内的最大温差，如表1所示。各月室外温度在[0,4]，[5,9]，[10,12]，[13,17]，[18,19]，[20,23]6个相应时段内的温差变化基本满足小于4 ℃的要求，在各时段内的热负荷可以按稳态传热进行计算。

表1 室外温度在各时段温差统计表 ℃

因此，将一日24 h内的[0,4]，[5,9]，[10,12]，[13,17]，[18,19]，[20,23]定为气候补偿器的6个调节时段，气候补偿器根据热负荷在各时段的分布情况对供热工况进行调节。

4 气候补偿调节模型的建立

气候补偿器通过对间接式供热系统中一次网热水网路侧和二次网供暖用户侧的供热参数的调控，实现系统供热量的补偿调节[4]。在热力站中，一次网热水网路侧的供热量为

二次网供暖用户侧的供热量为

换热器的换热量为

F——换热器换热面积（m2）；

Δt——换热器对数平均温差（℃）。

在忽略换热设备热损失的前提下，一次网热水网路侧、二次网供暖用户侧的供热量等于一、二次网间换热器的换热量，即Q1、Q2、Q三者对应相等，建立气候补偿器在二次网供暖用户侧对供热参数的调节模型。

供暖用户侧供热调节采用质调节模型，以保持用户系统的水力工况稳定。质调节通过改变进入用户侧的供水温度来调节系统供热量，而循环水量保持不变[5-6]。

供热运行调节基本公式[37-39]

b——散热器的传热指数，一般对于常用散热器b=0.14～0.37。

在热用户设定某一室内温度的情况下，供暖用户侧的供、回水温度取决于相对供暖热负荷。质调节随由室外温度变化而引起热负荷的改变值对供、回水温度进行调节，从而保证用户室内温度稳定，不受室外温度变化产生大幅度的干扰。

5 动态调节方法实例分析

将基于气候补偿的动态热负荷调节方法应用于石家庄雅士名邸住宅小区，表2中给出了该小区于2013年1月21日，气候补偿器在当日中[0,4]，[5,9]，[10,12]，[13,17]，[18,19]，[20,23]6个时段内所对应的供热调节参数。

表2 气候补偿各调节时段参数 ℃

由表2可知，一日各调节时段内所对应的最大温度满足不大于5 ℃的要求，不同时段内室外温度量化值所对应的供水温度设定值不同，气候补偿器根据相应时段的参数自动进行针对性调节。

图2、3分别给出了气候补偿器在1月21日的动态热负荷设定值和供水温度设定值与室外温度的关系曲线。

图2 动态热负荷设定值与室外温度关系曲线

图3 供水温度与室外温度关系曲线

如图2所示，气候补偿器各补偿时段内的热负荷调节值与模拟热负荷基本吻合，能够反映用户在不同时段的用热需求。图3中各时段供水温度调节曲线与室外温度波动曲线呈相反的趋势，室外温度高时，供水温度低，反之亦反之。动态热负荷调节法通过提前设定供热系统在各时段内的运行调节指标，充分体现用户各时段内的需求变化，在保证供热质量的前提下，提高供热效率。

6 结论

动态热负荷调节方法依据提前设定的各时段内热负荷调节值对供热工况进行分时段调节，将热源由原先的被动供热变为主动供热，体现用户在各时段的用热需求。

[1]吴修所.阿克姆供暖节能控制技术工程应用[J].建设科技,2008,23(6)∶82-83.

[2]张煜.换热站供热系统研究及智能控制方案设计[D].辽宁∶辽宁科技大学,2012.

[3]石磊.基于负荷预测在线修正的冰蓄冷空调系统优化运行研究[D].西安∶西安建筑科技大学,2002.

[4]李德英.建筑节能技术[M].北京∶机械工业出版社,2006∶178-179.

[5]田玉卓,闫全英,赵秉文.供热工程[M].北京∶机械工业出版社,2008∶178-179.

[6]崔明辉,赵立川.间接连接热水供暖系统集中供热调节分析[J].河北工业大学学报,2010,31(6)∶584-587.

The Research of Dynamic Heat Load Regulation on the Temperature Compensation

CHEN Fei-fei1)YANG Yang2)
(Shijiazhuang Institute of Railway Technology1)Shijiazhuang Hebei 050041 University of science and Technology2)Shijiazhuang Hebei 050000 China)

The climate compensator should ensure that the heat supply of the heat source is adapted to the change of the heat load of the user. According to the predicted value of thermal load, the method of dynamic heat load regulation on the Temperature Compensation is proposed. According to the heating demand, the size of the output heat load is adjusted, the theoretical basis of the dynamic adjustment method is discussed, and the experimental analysis is carried out.

temperature compensation dynamic regulation temperature prediction need-based heating

A

1673-1816(2017)03-0080-06

2016-06-18

陈菲菲（1989-），女，汉，河北石家庄人，硕士，研究方向供热、供燃气、通风及空调工程。