供暖室内温度控制技术综述

徐 冲， 王海超

(大连理工大学 土木工程学院，辽宁 大连 116085)

1 概述

与气候条件相似的一些发达国家相比，我国单位面积建筑耗热量高出1～2倍，供暖节能潜力巨大［1－3］。有研究者认为，在我国集中供热系统中，热源、热网、用户的节能潜力分别为10%～15%、2%～4%、18%～26%［4］，由此可知，用户的节能潜力更大。用户侧能耗过高的主要原因有建筑围护结构保温性能差、热计量方法不合理、室温调节机制不完善等［5］。增加围护结构保温层厚度、安装热计量装置在降低供暖能耗方面可取得一定成效，在以上基础上增加室内温控装置可以进一步节约供暖能耗，并在一种程度上实现按需供热，符合智慧供热发展的需要［6］。

目前，我国有条件的供热系统除采用二级管网平衡调节外，主要通过在散热器支管上安装手动调节阀、温控阀来调节散热器水流量，从而改变室内温度。但供暖期很少有用户利用温控装置进行合理调节，甚至出现调节措施不当，导致部分建筑室内温度过高，发生用户开窗散热，供暖能耗浪费严重。因此，通过采用室温控制技术维持室温稳定，可保证房间的热舒适性，减少开窗散热等无效热损失，从而实现节能。本文对供暖室内温度控制技术进行综述。

2 室温控制技术现状分析

欧洲自20世纪70年代起实施供热计量收费，对供热系统以及用户的节能措施格外重视，特别是室温控制、热计量、热网水力平衡调节技术等方面［7］。在这些方面，德国、芬兰、瑞典等国处于世界领先水平，具有完善的末端温度控制系统及热计量收费标准［8］。德国大部分住宅建筑有集中供暖自动控制中心，可根据室外温度的变化对室内温度进行调节。芬兰77%左右的住宅楼室内温度通过安装在散热器上的恒温阀来控制［9］。在瑞典，住宅建筑内的散热装置采用分档调节，最高档一般不超过25℃，最低档则可完全关闭散热装置。波兰供暖建筑内的动态变流量自控系统可使用户设定不同室温［10］。美国的供暖系统具有预设功能，可在上班前的一段时间自动关闭，在下班前的一段时间自动开启，不仅保证供暖质量，而且减少了无人时段的热量浪费［11］。

与国外相比，我国供热系统缺乏热计量装置的使用及室温调控方法，用户很难实现用热量实时调节。用户对热量的概念不清楚，按面积收费的计费机制也导致部分用户节能的积极性不高。据统计，我国由于开窗散热而造成的热量浪费占总供热量的30%以上［12］。

3 室温控制装置和相变蓄热

3.1 室温控制装置

20世纪40年代丹麦发明了散热器温控阀，奠定了室温调控技术的发展基础。散热器温控阀由恒温控制器、流量调节阀以及连接件组成，恒温控制器的核心部件(温包)感应环境温度变化而产生体积变化，带动调节阀阀芯产生位移，进而调节散热器的水流量来改变散热量，最终实现室温控制［13］。

国内外学者对散热器温控阀在供暖室温控制中的应用进行了大量研究，Monetti等人［14］采用EnergyPlus软件对意大利某住宅建筑使用散热器温控阀后的供暖能耗进行动态仿真模拟，结果表明使用散热器温控阀可以显著节约能源，节能范围为2%～10%。Tahersima等人［15］在采用散热器温控阀的基础上，提高了围护结构保温性能，供暖能耗下降了50%。Zhang Lipeng等人［16］采取散热器温控阀与热力入口压差控制阀相结合的方式，与没有压力或流量控制的情况相比，该方式实现了所需的流量分布并且室内温度更加接近设计温度。他们还以北京、哈尔滨的建筑为例，仿真验证通过设置散热器温控阀可以将室内温度维持基本恒定，耗热量和循环泵功耗也明显下降，但投资较大，调试比较复杂［17］。

散热器温控阀在我国新建建筑中应用较多。目前，我国北方地区居住建筑常用的供暖方式为散热器供暖与地面辐射供暖。当使用散热器供暖时，安装在散热器供水管上的温控阀依据室温进行水流量的调节，从而维持室内温度稳定。当使用地面辐射供暖时，室温调节一般有3种方式:一是，在用户入口处的分水器各出口支路上分别设置手动调节阀。二是，在分水器进口主路上设置温控阀，各出口支路上安装手动调节阀，根据室内平均温度控制温控阀的启闭。三是，在分水器各出口支路上分别安装温控阀，从而达到分室控温的目的［18］。

上述室温调节方式仍存在一些问题，散热器供暖时调节温控阀会造成管网水力失调，而地面辐射供暖有较大的蓄热性，实时控制难度较大。为了更好地进行室温调节，有关学者进行了研究和实验，并采用和吸取了国外的先进技术及经验，取得了一定的成果。徐宝萍等人［19］分析了温控阀控制过程并建立各部件的动态数学模型，对不同运行工况及热扰作用下散热器流量、室温等变量的动态响应进行仿真模拟，并对北京某小区供热系统进行试验验证。试验结果显示，在温控阀保持全开状态以及按作息规律进行调节的情况下，回水温度及室温模拟值与实测值的最大偏差均小于1℃，表明了模拟结果的准确性。

李爽［20］研究了既定室温下温控阀调节对供暖房间的动态影响，结果表明当室温设定值为设计温度时，在温控阀的调节下室温可满足用户需求。当室温设定值较低时，温控阀关至最小时失去调节作用，不能满足用户的要求。

邵博等人［21］对采用地面辐射供暖系统并安装温控阀的计量供热用户进行实测以及DeST软件模拟，分析间歇用热模式(8:00—17:00关闭温控阀，其他时段开启)用户室内温度的变化，但其模拟结果建立在周围邻室为连续用热条件下，具有一定局限性，应考虑周围邻室的实际用热方式。

国外的温控设备技术己经相当成熟，比如丹麦生产的户用温控阀，采用了连续变流量调节方式，可以精确控制室温，但价格比较高，回收期往往需要3 a以上。相对于国外，我国在室温控制方面的自动化程度不高，热计量方法也不普遍，但也从侧面反映出我国室温控制技术应用的巨大潜力。

3.2 相变蓄热

将相变蓄热技术与室温控制技术相结合，不仅可以提高室内热舒适性，而且对降低供暖能耗有重大意义，因此有待进一步研究。

相变材料具有蓄热密度高、蓄热温度恒定以及材料热稳定性较好等特点，通过夜间蓄热、白天放热来满足室内舒适性要求，能有效解决能量在时间和空间上供需不匹配的问题并产生较好的经济效益［22］。

目前，国内外学者针对相变蓄热技术在供暖室温控制方面的应用进行了一些研究。在相变材料的性能方面，Ostry等人［23］指出建筑围护结构的蓄热能力在建筑室温控制中起着重要的作用，将相变材料应用于围护结构是解决建筑蓄热能力不足的有效途径。在相变材料的封装技术方面，Rathore等人［24］将相变材料封装到围护结构中进行蓄热，Stritih等人［25］利用TRNSYS软件开发和设计了一种填满不同相变材料的复合墙体。以上两项研究，均可起到调节室内温度、将高峰负荷转移到非高峰时段、降低建筑能耗的作用。

在供暖系统方面，夏燚等人［26］提出了一种双层相变蓄热地面辐射供暖系统，供水温度为40℃时，室温可维持在16.5℃以上。雷永康［22］设计了适用于民用住宅供暖的相变蓄热水箱，模拟结果表明满足供暖温度需求，但体积较大，制作、运输、维修较困难。李志永［27］建立了太阳能－相变蓄热－新风供暖系统及耦合传热模型，并提出了系统运行控制策略，确保了房间新风送风温度的稳定，但不能使房间温度维持稳定。WEI Fanrong等人［28］提出了一种适用于智能建筑能源管理的新型相变材料储能系统及相应的热电联合两级调度策略，相变材料储能系统实现了电力的削峰填谷，实时的热电控制可以缓解电力和室内温度波动，降低了建筑的运行成本，但投资较高。

综上所述，国外学者对相变蓄热技术在供暖室温控制的研究集中在相变材料的性能及封装技术方面，而国内的研究集中在供暖系统上，主要包括地面辐射供暖、散热器供暖、太阳能供暖、谷电蓄热供暖系统等。尽管相变材料的研究取得了一定的成果，但相变材料的高成本是影响其使用的主要因素之一［29］。

4 供暖室温的控制算法

4.1 控制算法类型

室内温度的控制应选择合适的控制算法，通过计算、控制、调节使室内温度满足用户需求，因此供暖室温智能化控制是提高室内供暖质量、建筑节能的一项重要技术。

刘爽［30］设计了控制室温自校正模糊控制器，仿真结果表明室内温度控制效果较好，但在仿真过程中设定供水温度不随室温变化，而且没有考虑热网的滞后性。高秀娟［31］依据PID控制系统、DMC(动态矩阵预测)控制系统，设计了室温DMC－PID串级控制系统，用户可自主调节室温，相对于独立的PID或DMC控制系统，响应速度快，超调量小，但对管网水力工况有较大影响。

徐树庆［32］设计了专家控制器对室温进行调节，实现了对一些复杂的和具有不确定性过程的被控对象的控制，针对不同建筑的供暖需求，采取分时供暖的策略。针对室内温度的控制，采用了模糊控制与室内温度预测模型相结合的调节方法，减小了超调量，实现合理用热，但没有兼顾其他建筑和热力站的调控。

孙大海等人［33］研制了以单片机89C51为硬件核心、模糊控制为软件核心的供暖单户室温调控系统，通过对预先设定的温度进行模糊计算，控制阀门开度，实现温度调节，单户室温调控较好。

虽然国内外的室内温控技术取得较大的进步，对降低供暖能耗起到一定作用，但由于室温控制具有滞后性、非线性、耦合性的特点，在维持室温稳定时需要考虑多因素的影响以及对其他建筑和热力站、热源的影响，从而实现真正的节能。

4.2 模型预测控制

除PID控制、DMC控制外，模型预测控制(Model Predictive Control，MPC)也在供暖室温控制方面得到了应用。模型预测控制是一种基于模型的闭环优化控制策略，对系统的当前状态及预测模型在线反复优化计算、滚动实施控制作用并进行模型误差的反馈校正，可以消除被控变量的偏差［34］。

由于模型预测控制效果好，鲁棒性强，国内外学者基于模型预测对室温的控制进行了研究。Cho等人［35］为提高间歇加热供暖的用能效率，将模型预测控制用于辐射地面供暖，相比于传统控制，冬季可以节能10%～20%。Privara等人［36］提出使用模型预测控制器来控制室温，测试结果表明与气候补偿控制器控制相比节能17%～24%。历秀明等人［37］提出基于Elman神经网络多步预测模型的室温预测控制方法，试验研究结果显示可以满足末端室温控制要求。谢流骏等人［38］设计了一套应用于楼宇温度控制系统中的分散模型预测控制器，对集中算法和分散算法的仿真结果进行了比较，结果表明利用分散算法能够使楼宇的各个房间快速达到期望的温度，但没有权衡解耦程度与系统整体性能之间的关系。陈亮［39］将神经网络模型预测控制运用到具有非线性、大惯性且时变的VAV空调末端室温控制系统中，并基于MATLAB/Simulink进行仿真研究，验证了其可行性。由以上分析可知，目前的模型预测控制大多集中在通风空调领域，对集中供暖室内温度控制的研究比较少。

模型预测控制离不开能耗模拟与控制算法，但能耗模拟软件缺少控制与优化功能。劳伦斯·伯克利国家实验室开发的BCVTB软件实现了能耗模拟软件EnergyPlus与MATLAB的连接［40］。

刘羽岱等人［41］建立了TRNSYS与MATLAB联合仿真平台，对空调系统运行优化进行仿真并验证空调系统的模型预测控制策略，结果表明此策略在夏季典型工况日和过渡期工况日比温度固定值策略(固定冷水供水温度)分别节能 15.5%、9.6%，但由于模型复杂，优化时间比较长。于晓谕［42］设计开发了基于EnergyPlus+MATLAB的建筑能耗联合仿真平台，采用模型预测控制算法实现建筑运行节能控制，结果表明该算法可降低建筑运行能耗，但联合仿真平台的功能还需完善。

Jingran Ma 等人［43］将 EnergyPlus与 MATLAB连接起来，提出一种基于经济模型预测的闭环控制系统，对实时不确定性和约束条件下的商业建筑仿真，结果表明，在分时电价下，该策略可降低用电成本及建筑能耗，但在MATLAB中只识别了温度和功耗模型，忽略了其他因素的影响。Pean等人［44］建立了TRNSYS与MATLAB协同仿真框架，针对西班牙配有热泵机组的住宅建筑，在夏季和冬季测试了模型预测控制效果，提高了能源利用灵活性以及系统热效率。

5 结论

与国外相比，我国供热系统缺乏热计量装置的使用及室内温度调控方法，用户很难实现用热量实时调节。用户对热量的概念不清楚，按面积收费的计费机制也导致部分用户节能的积极性不高。国外的室内温控设备己经相当成熟，我国在室温控制方面的自动化程度不高。将相变蓄热技术与室内温度控制相结合，不仅可以提高室内热舒适性，而且对降低供暖能耗有重大意义。在供暖室内温度的控制算法中，除传统PID控制外，模型预测控制(MPC，基于模型的闭环优化控制策略)以及与其关系密切的能耗模拟与控制算法将成为今后发展的方向。