分时分温控制技术研究及应用

王全昌 侯超凡 卫大（大庆油田矿区服务事业部外围物业管理公司）

大庆油田矿区服务事业部承担的供热面积约2 698×104m2，包括学校、商场、体育馆、办公楼等公共建筑1 121.24×104m2。公共建筑普遍采用24 h供暖方式，非用热时间也进行满负荷供热，存在一定的节能潜力，精细化供热管理延伸至公共建筑是可行且必要的。

1 现状

公共建筑因其特有的用热规律本应采用间歇供暖调节方案，实现用热与供热的协调，尤其在公休日和节假日期间只需保证值班采暖温度即可。目前未实行间歇供暖调节方案的原因有两点：由于集中供暖各建筑物用热时间和热量及其持续时间不同，现行供热系统不具备单体建筑自动调控能力，间歇供暖难以实现;现行的调控方法多为定性或经验的滞后调节，利用室外温度确定供热温度，依据回水温度进行反馈控制。这种不考虑维护结构保温性能和维护结构蓄热延迟性的传统调节方式，难免造成热用户的供热量跟不上室外天气变化的步伐，使热用户热舒适性欠佳。因此，提出了公共建筑的分时分温供热调节控制，使公共建筑系统具备自主调控能力。根据热用户的用热情况，动态调整流量分配，只给公共建筑（如办公楼）中当时需要采暖时间供暖，其他时间暂时降低供暖参数。在节约热量的同时，可进一步满足热用户对热舒适性的要求。

2 技术难点

1）维护结构控温时滞性研究。不同的建筑具有不同的维护结构，降温与升温的速度也不同，如何保证升温、降温时间，在满足用户用热的前提下达到节能的目的是研究的技术难点。

2）自动控制方法。以阀门开度作为输出，以室内温度作为控制目标，以目标温度与室内温度差值作为反馈。控制过程中大时滞的特点非常明显，常用的PID控制方法控制该系统存在明显的不足，如何改进PID是研究的技术难点。

3 技术方案

总体思路：研究多点室温采集技术，并建立数据库，为分析建筑维护结构的热惰性提供数据支持；分析该建筑温度变化数据，拟合出随时间变化的室温变化曲线，开展维护结构控温时滞性研究，为研究供热调控方案奠定基础；研究制定不同时间段的供热调控方案；开展楼宇热平衡研究，保证未实施分时分温控制的建筑正常供暖。

3.1 工艺流程

管道构建部分是在公共建筑楼前的回水管路上安装电动调节阀（图1）。

数据采集部分是在供、回水管线上安装PT100热电阻温度变送器采集供、回水温度，在公共建筑内安装室内温度采集器，同时将供、回水温度信号、电动阀开度信号及室内温度信号接入现场控制器。

自动控制部分是在公共建筑内安装分时分温现场控制器，将采集来的模拟量信号转变成数字量信号，内设的嵌入式软件将采集来的数据与设定值对比分析，输出4～20 mA电流信号控制电动阀开度，执行控制策略，控制室内温度。

图1 分时分温控制系统工艺

3.2 室内多点测温技术

在每栋公共建筑内安装3个室温远传采集器，分别测量不同位置的温度值，将温度数据传送分时分温控制器。对控制器内软件进行编程，将温度信号做有效的平均计算，计算结果作为控制器调控依据。

由表1可知：体操房、食堂等建筑室内空间较大，采取三面墙体表面测温取平均值的方式，客观地反映室内温度情况；教学楼、办公楼等建筑的房间数量较多，室内空间较小，采取分楼层多点测温方式，反映楼内整体供热效果。项目组在杏南供热分公司办公楼试点，选取了热水入楼房间、出楼前房间及中间房间的多点测温方式，反映出楼内供热平衡状况。通过试验观测，根据建筑物实际情况选取的不同的测温方案能够客观真实地反映每座建筑的供暖情况，为分时控温提供可靠的数据支持。

3.3 维护结构控温时滞性研究

通过实时采集室内温度、室外温度及电动阀开度等数据，建立历史数据库。拟合电动阀不同开度状态下室内温度与室外温度的变化规律曲线，找到公共建筑维护结构控温时滞性规律，确定相似条件下建筑室内控温随室外温度变化的延迟时间；并以此为依据，作为工作模式与节能模式切换的超前时间，在供热调节上给予时间修正，对电动阀进行前馈调节，避免下班后预定时间内温度降不下去、上班前温度升不上来的情况发生。同时，实时采集模式切换后的室外温度、室内温度及电动阀开度等数据，建立自学习自寻优的降温（升温）调节模式。

以杏南供热分公司办公楼为例，2012年11月10日至11日，夜间最低气温-3℃。数据库数据如表2所示，分时分温调节曲线如图2所示。

节能模式工作起始时间可定于15点左右，采取缓慢降温方式，17点左右采取快速降温方式，分阶段设定调控目标，直至达到节能目标温度。降温所需时间长，升温所需时间短，体育馆等建筑降温稍快一些，办公室降温稍慢，升温的时间大致相同。系统为各个建筑记录大量的控制结果数据，形成数据库为下一步自寻优控制奠定基础。

3.4 分时分温控制方法研究

由于建筑物的蓄热性，使得该系统成为了一个大时滞系统，项目组试验应用了PID控制（图3），控制目标曲线与控制结果曲线相互缠绕，电动阀剧烈、频繁跳动，对电动阀的使用寿命产生不利影响。由此看出，PID控制效果不够稳定，超调量较大，振荡频繁，收敛速度慢，显现出PID控制对大时滞系统控制的不足，需加以改进。

表1 公共建筑测温点的安装明细

表2 杏南供热分公司分时分温数据库

在外围物业试验点应用了自学习、自适应的控制方法改进PID控制（图4），收到了较好的控制效果。改进PID控制方法：建立自学习数据库，数据库包含室外温度、室内温度、阀门开度、供水温度等实时数据；在极值动态寻优的过程中，为加速PID在线整定速度，解决最小均方(LMS)算法（梯度最速下降方法）的稳定性以及收敛速度和稳态误差之间的矛盾，拟采用复数型自适应变步长的LMS算法，它的权系数的调整取决于误差曲面在新权值点上的梯度，达到收敛速度快、鲁棒稳定性且运算小的目的。

用自学习、自适应的算法改进后的PID控制效果比较理想，曲线形状优良，电动阀除开始降温和开始升温时开度变化较大，其他时间运行平稳，说明控制比较精准。

3.5 运行模式

将整个供暖期间的每一天分成几个时间段，不同的时间段采用不同的参数设置，各个时间段的起始点都可以根据实际情况进行修改。通过液晶操作面板或监控中心上位机软件进行设定。

工作模式：是指用于每周工作日上班时的运行模式（表3）。运行人员设定楼内所需要供暖时间（如7时至18时）和供暖温度（如20℃），在此段时间内阀门打开进行供暖，使楼内达到预设温度。

表3 工作模式常规运行时刻

图2 杏南供热分公司办公楼分时分温调节曲线

图3 单一PID调节曲线

图4 改进PID调节曲线

节能模式：是指用于每周工作日下班时的运行模式（表4）。当下班后楼内无人时，如16时后，阀门关小；当楼内温度达到预设节能温度8℃时，按维持当前温度调节供热量，直至第二天5时再提高供热量，恢复工作温度。为防止意外冻坏管路及防止楼内温度过低现象发生，设定下限温度7℃，启动系统自动保护式升温。

节假日模式：节假日无人使用时，结合室外温度及公共建筑热力入口供、回水温度，分时段修正阀门开度，保持建筑物内达到值班温度即可，全天处于节能状态。另外，还可以直接按照不同的时间段手动给定室内目标温度或电动调节阀的开度，手动调节热量。

表4 节能模式常规运行时刻

4 楼宇热平衡研究

公共建筑在夜间或节假日流量下调后，如不采取有效措施，部分流量势必重新分配到住宅楼等非公共建筑内，导致二次网热量的重新分配。这将打破楼宇间的热平衡，致使其他建筑夜间及节假日过热，散热损失增加，节能降耗收效甚微。

因此，要把供热运行建立在计算机统一采集公共建筑运行参数、统一分析供热平衡效果、统一管理平衡控制和统一规划供热量指挥热力站及热源运行的现代科学供热技术的基础之上。在热力站乃至锅炉房热量输配及生产上集中规划，实时调节热力站支线泵运行流量，维持楼宇的热平衡。

在热力站热量分配上，适时调整该公共建筑所在热力站的总热量，根据控温情况换算出该站的热负荷，提前减小或增加该热力站总热量。

同时，在该热力站支线的热量分配上，保证其他分支正常获取热量，调整该公共建筑所在分支热量，即调整该支线循环总流量。

5 适用性分析

该技术可实现建筑的分时分温控制以达到节能目的，但对公共建筑的热量调控方式为整栋楼的集中调节，目前尚不能解决对值班值宿房间的热量补偿；且与楼前混水系统存在一定差别，无法解决一些垂直失调严重的公共建筑供热调节问题。

6 结论

分时分温控制系统采用集散控制技术将整个供暖系统中热源、热力站变频泵和公共建筑供热负荷分时段控制集成为一个实时在线监控系统，在提高热源运行效率的同时，实现了公共建筑的分时分温供热控制；并根据供热负荷的变化实时调节热源、热力站热量输出。在保证供暖质量的前提下，实现了整个供暖系统的整体优化节能。仅从降低公共建筑非用热时间供暖参数一项测算，节能率就可达11.6%。