基于负荷预测的区域供热控制模型实例研究

摘 要：以新疆某间接区域供热系统为对象进行研究，该系统控制方法采用目前广泛应用的气候补偿器。利用MATLAB/Simulink建立包括循环水泵的区域供热系统仿真模型和气候补偿控制模型。由于采用气候补偿器调控使得供热量与实际供热需求差距较大，因此，建立负荷预测模型，对负荷预测供热系统进行动态仿真，室内温度结果为19±1℃。通过对这两种控制方式下实际数据和模拟值的误差分析，验证了两种仿真模型的合理性;计算两种控制方式下的供热系统耗电量，结果表明：负荷预测控制的供热系统节能率达到13.5%。

关键词：区域供热控制模型;实例研究;负荷预测;模型验证

随着经济不断发展，我国城镇化率大概以每年1%的比例增长，为推进节能减排，国务院于2013年印发了“大气十条”。我国建筑供暖主要存在需热量和供热量不平衡问题。因此，供热系统控制是节能的重要研究方向之一。

简毅文、陈亮等[1-2]基于实际工程和实验装置对气候补偿器的应用效果进行模拟分析，气候补偿器没有从根本解决供热量和需热量之间的平衡问题。因此，很多学者对负荷预测控制方法进行研究。刘也[3]研究小波神经网络和支持向量机供热负荷预测，李凯[4]建立能耗模型获取机器学习的建筑供热负荷预测模型，李锐等[5]使用BP神经网络算法研究负荷预测。本文选用历史气象参数作为负荷预测模型的输入参数，该方法对历史数据要求较低，以便将算法嵌入控制器中，局限性小。

1 系统描述和动态模型

文献[6]中已经给出直接连接区域供热系统数学模型和仿真模块。本文将添加循环水泵模块，针对实际工程中常用控制方法的局限性，提出负荷预测控制方法。

1.1 循环水泵模型

根据水泵电动机产生的发热量引起泵内流体升温来计算水泵出口温度。

1.2 工程概况

本文以新疆某区域供热系统为对象进行研究。该系统为间接连接区域供热系统，选取兴尉站连接康达苑2号住宅楼这一回路进行研究。二次网供回水温度为45℃/40℃。

区域供热系统模型建立。本文忽略换热站，作为直接区域供热系统进行研究。依据物理模型建立仿真模型如图1所示。

2 实例工程控制系统模拟

2.1 实例工程控制系统介绍

康达苑2号住宅楼二次网温度调节范围为设定温度的±0.5℃，用户的投诉电话和开窗次数也是调节的依据。

2.2 基于室外温度补偿的控制模型搭建

2.2.1 调节原理

根据管网的供热量、建筑物热负荷和散热器散热量三者相等的原理，在供热系统运行的任一时刻和供暖室外计算温度下可以得到供暖系统的供回水温度曲线图如下：

本节采用分阶段改变流量的质调节。以-5℃作为温度分段点，循环流量为设计值的80%作为流量分段点。

2.2.2 仿真模型的建立

建立室外温度补偿控制模块，并对实际数据进行预处理，连接供热系统仿真模型，运行得到室内温度控制在20±2.5℃。

2.3 模型验证

通过对某一周内二次网供回水温度和室内温度模拟值与实测值的相对误差验证仿真模型的准确性。如图4所示，实测值与模拟值大部分在45±0.5℃，误差百分比基本服从正态分布。

如图5所示，实测值与模拟值的数值波动在38.7～41.3之间，相对误差百分比基本服从正态分布。

如图6所示，实测值的波动范围更广，最高温度20.7，最低温度17.3。相对误差基本服从正态分布。

综上所述，本章的模型建立是合理有效的。然而，并不能真正做到按需供热。因此，研究负荷预测控制方法是非常有必要的。

3 负荷预测控制模型的建立

3.1 负荷预测的原理

由牛顿冷却公式和建筑围护結构导热过程可知，建筑热负荷和室外空气温度呈线性关系且当受历史时刻温度影响。因此引入一个当量室外空气温度，由文献[7]可知以前两天温度来预测。当量室外空气温度和建筑热负荷的线性表示关系式设为：

公式由最小二乘法拟合得到，本课题原始数据的时间间隔选择4小时，对数据拟合得到公式如下：

流量调节采用质量综合调节的，温度和流量的调节曲线如下：

3.2 建立负荷预测控制模型

建立负荷预测调节模型并连接供热系统模型，可以得到室内温度控制在19±1℃。

取与气候补偿控制供热系统模型验证同一周数据为对象进行模型验证。如图9所示，实测值波动范围更广，模拟值的波动范围为44.7℃～45.8℃，误差百分比基本服从正态分布。

如图10所示，实测值与模拟值波动趋势大致相同，但是实测值波动范围更大，误差百分比基本服从正态分布。

如图11所示，模拟值比实测值的波动范围小±1℃。相对误差主要分布-5%～7.5%，误差百分比基本服从正态分布。

4 两种控制方式的能耗分析

4.1 水泵耗电量分析

4.1.1 水泵电功率计算

对一定的管网，系统压力损失与流量的平方成正比关系。因此，当系统的相对流量比为φ时，实际工况下的循环水泵功率计算公式为：

4.1.2 水泵耗电量对比

建立水泵能耗计算模块，得到水泵耗电量如下。

4.2 锅炉耗电量分析

本文根据年供热量来计算锅炉耗电量：

利用Simulink建立仿真模块，并分别和两种控制方式下的供热系统进行连接，得到锅炉的耗电量如下图所示。

根据耗电量波动图，输出得到两种不同控制方式下的水泵和锅炉总耗电量。

由上表可知，基于负荷预测控制较基于室外温度补偿控制的节能率为13.5%。

5 结论

本文基于新疆某实际区域供热系统，利用Simulink建立室外温度补偿和负荷预测两种控制模型，并根据实际运行数据对模型进行验证，并计算供热系统水泵和锅炉耗电量，得出负荷预测控制的供热系统较室外温度补偿控制的供热系统节能率为13.5%。

参考文献：

[1]简毅文，李毅，田园泉，等.气候补偿器应用效果及影响特性的模拟研究[J].建筑科学，2016，32（04）：134-139.

[2]陈亮.气候补偿器在供热系统中的应用[J].建筑科学，2010，26（10）：42-46.

[3]刘也.基于小波神经网络与支持向量机的供热负荷预测方法研究[D].东北电力大学，2020.

[4]李凯.基于机器学习的短期建筑供热负荷预测[D].吉林大学，2020.

[5]李锐，董妍，薛炜，等.住宅区供热负荷预测研究[J].区域供热，2019（03）：28-31.

[6]宋凯.基于MATLAB/Simulink的供热系统动态特性及控制策略优化分析[D].哈尔滨工程大学，2012.

[7]王素玉，姜永成，方修睦，等.基于供热数据挖掘和负荷预测的适量供热技术[J].暖通空调，2011，41（07）：1-5.

作者简介：李静（1995— ），女，汉族，河南林州人，硕士，研究方向：建筑节能新技术。