换热站室外温度补偿算法与实现

李 超,刘忠庆

(1.烟台大学文经学院信息工程系,山东 烟台 264005;2.烟台肇毅电子科技有限公司技术部,山东 烟台 264670)

冬季供热是我国北方地区取暖的重要方式,随着国家经济建设水平的不断提高和人们生活水平的日益提高,我国集中供热的规模也日益扩大,大有向南方地区蔓延的趋势．供需之间的矛盾也开始逐渐显现,主要体现在供热成本、供热质量与用户舒适度、收费之间的矛盾,并导致周围的环境恶化愈加严重,所以改变以前粗放式的管理方式迫在眉睫．换热站是把一次网得到的热量,自动连续地转换为用户需要的采暖用水,是集中供热系统中不可或缺的组成部分,换热站的运行好坏直接决定了供暖的效果及能耗的高低[1-2]．国家大力提倡节能减排,也要求对换热站的管理从粗放式管理向精细化管理方式转变．由于室外温度变化起伏,没有固定规律可循,不参照室外温度进行控制会导致用户室温过高或者过低,控制系统的调节有一定滞后性[3-4],换热站所带供热面积越大滞后性越明显,如果不进行提前调节会对用户的舒适度产生很大的影响,如何根据室外气温现在及未来的变化来调整供热温度就显得尤为重要[5-7]．

1 温度补偿的原理

温度补偿的工作原理是根据室外空气温度的变化、未来天气预报的预报值和设定的时间段,选择合适的调节曲线,自动调节一次网的有效供水流量来控制二次网的供水温度,以满足用户侧热负荷的变化要求,从而实现供暖系统供水温度的补偿,达到既能节约能源又能保证用户舒适度的目的．

为了实现根据室外空气温度的变化及未来数小时天气的变化来计算所需的供热量,应在供暖系统换热站增加温度补偿控制模块,实现根据室外温度和未来天气的变化实施按需供热,实现节能．带有温度补偿的换热站示意图如图1．当室外温度变化时,为了保持室内温度的相对稳定,供暖用户的供水温度也相应地发生变化．室外温度降低时,为了维持原有的室内温度,供暖用户的供水温度应适当提高,此时气候补偿控制模块会自动加大电动三通阀的开度,使室外管网进入换热器的热水流量多一些,通过换热器后,供暖用户的供水温度会升高;反之,气候补偿控制模块将适当减小电动三通阀的开度,以达到维持室内温度和节能运行的目的．

2 温度补偿算法分析

很多供热系统的温度补偿装置只考虑此时的室外温度,而对未来几小时气温的变化不作考虑,致使补偿装置的调节具有一定的滞后性．对此,我们在设计温度补偿装置时不仅考虑此时室外温度值,同时参考来自气象台的未来几小时的气温变化,从而使温度补偿装置的调节及时而有效．

图1 带有温度补偿的换热站Fig.1 Schematics of heat exchange station with temperature compensation

进行供暖系统供热调节的目的就是维持供暖房间的室内温度稳定．当热水网路在稳定状态下运行时,如果不考虑管网的沿途热损失,不考虑室外风速、风向的变化,特别是太阳辐射热变化的影响,那么有式(1)成立[8]:

(1)

(2)

(3)

此处采用的是利用天气预报改进后的量调节．以山东烟台的气候条件为依据,为了既能精确补偿又能根据未来数小时的天气情况提前做出调节,改进措施如下:温度T0是现场室外检测温度T1和气象局天气预报N小时后温度T2的加权值,设定室外温度的加权比为a,则T0的计算公式如下:

T0=T1·a+T2·(1-a),

令调节阀面板设定温度为T3(二次侧供水温度设定值),实际补偿后的温度设定值为T4,补偿值为Y,则补偿后的二次侧供水设定温度为

T4=T3+Y,

根据烟台地区实际温度和国家相关规定,当室外温度低于-6 ℃,集中供暖将不再保证室内供暖温度,当室外温度高于16 ℃,大部分业主就会开窗通风．因此,当室外温度低于-6 ℃或高于16 ℃时,就不再对设定值做进一步的补偿．设加权以后的室外温度T0的有效范围为(a1,a2),补偿值Y的范围为(A1,A2)(即在最低温度点a1处的补偿值为A1,在最高温度点a2处的补偿值为A2),在补偿区间补偿值Y和温度T0保持线性关系,设两者的关系表达式形式为

Y=k·T0+b,

将(A1,a1)和(A2,a2)代入上式求得

将上式代入T4=T3+Y,即可得到用于控制电动调节阀的实际温度设定值

(4)

例如,假设室外当前温度为T1=0.5 ℃,2 h以后气象局的预报温度为T2=-1 ℃,室外温度的加权比a=0.6,则温度T0=0.5×0.6+(-1)×(1-0.6)=-0.1 ℃;调节阀面板温度设定值T3=32 ℃,设T0的有效范围为(-6,16),补偿值Y的范围为(20,-2)(由实际调试确定),将以上数据代入公式(4)得T4=46.1 ℃,该值即为用于PID控制的二次供水温度实际设定值．

3 温度补偿算法实现

对室外温度的准确采集是对室外温度进行精确补偿的基础,在这里选择西门子专用的室外温度传感器QAC22(NI1000)．传感器放置的位置也很关键,安装在建筑或楼宇装有窗户的墙壁上,但传感器不能暴露在早晨的阳光下．如在不能确定的情况下,传感器应安装在北向或西北向墙壁上．避免由于空气环流产生测量误差,传感器上的电缆导管应密封,传感器表面不应涂其他材料．温度信号通过PLC模块经程序转化得出测量温度T1,未来2 h后的室外温度T2取自于当地气象局数据库,室外温度的加权比为a由调试得到,根据需要设定二次侧供水温度值T3,(a1,a2)取值为(-6,16),(A1,A2)的取值由调试得到,之后根据公式(4)得出用于控制电动调节阀的实际温度设定值T4．最后,将T4代入PID运算求出一次侧电动调节阀的开度．

用于监控的上位机服务器位于监控中心,为了和控制器S7-1200 PLC建立连接,上位机需要有固定IP或者使用花生壳等动态域名[12-16]．

4 实施温度补偿后的效果

以烟台某高校换热站为例,2017年3月1日的具体信息如表1．

表1 2017年3月1日天气及补偿数据Tab.1 March 1, 2017 weather and compensation data sheet

表1(续)

由表1可得图2、图3，图中纵轴的单位为℃，横轴表示时间点，图中曲线是根据一天中从0点到24点每半小时采样一次所得信息绘制而成.图2中的4条曲线依次表示加权后的室外温度T0、室外实际温度T1、室外预报温度T2和温度补偿值Y.图3中的2条曲线依次表示补偿后的设定温度T4和未加补偿时的设定温度T5.

为了保证业主的温度需求，如果没有温度补偿，一般供热时会按照需求最大量设定供水温度，由图3中T4曲线可知供热站二次供热设定温度T5需要在46 ℃以上，在此，不带温度补偿时的设定温度取值46 ℃。从图3可以看出，加不加温度补偿对二次侧供热温度的需求差别较大，最大差值超过10 ℃.由此可知，实施了基于物联网的室外温度补偿后，换热站既能满足用户的供热需求，又能充分地节约能源.

图2 温度补偿曲线Fig.2 Temperature compensation curve

图3 补偿与未补偿时的温度设定值曲线Fig.3 Temperature setting curves with temperature compensa-tion and without temperature compensation

5 结 论

本文在研究烟台某高校换热站控制系统的基础上,在温度补偿装置中考虑了未来2 h天气变化情况,根据现在的室外温度和未来2 h天气的变化来计算所需的供热量．考虑未来2 h天气变化后,可减小换热站控制系统的滞后性,从而达到进一步节约能源和提高用户舒适度的目的．