李 超,劉忠慶

(1.煙臺大學文經(jīng)學院信息工程系,山東 煙臺 264005;2.煙臺肇毅電子科技有限公司技術部,山東 煙臺 264670)

冬季供熱是我國北方地區(qū)取暖的重要方式,隨著國家經(jīng)濟建設水平的不斷提高和人們生活水平的日益提高,我國集中供熱的規(guī)模也日益擴大,大有向南方地區(qū)蔓延的趨勢．供需之間的矛盾也開始逐漸顯現(xiàn),主要體現(xiàn)在供熱成本、供熱質(zhì)量與用戶舒適度、收費之間的矛盾,并導致周圍的環(huán)境惡化愈加嚴重,所以改變以前粗放式的管理方式迫在眉睫．換熱站是把一次網(wǎng)得到的熱量,自動連續(xù)地轉(zhuǎn)換為用戶需要的采暖用水,是集中供熱系統(tǒng)中不可或缺的組成部分,換熱站的運行好壞直接決定了供暖的效果及能耗的高低[1-2]．國家大力提倡節(jié)能減排,也要求對換熱站的管理從粗放式管理向精細化管理方式轉(zhuǎn)變．由于室外溫度變化起伏,沒有固定規(guī)律可循,不參照室外溫度進行控制會導致用戶室溫過高或者過低,控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)有一定滯后性[3-4],換熱站所帶供熱面積越大滯后性越明顯,如果不進行提前調(diào)節(jié)會對用戶的舒適度產(chǎn)生很大的影響,如何根據(jù)室外氣溫現(xiàn)在及未來的變化來調(diào)整供熱溫度就顯得尤為重要[5-7]．

1 溫度補償?shù)脑?/h2>

溫度補償?shù)墓ぷ髟硎歉鶕?jù)室外空氣溫度的變化、未來天氣預報的預報值和設定的時間段,選擇合適的調(diào)節(jié)曲線,自動調(diào)節(jié)一次網(wǎng)的有效供水流量來控制二次網(wǎng)的供水溫度,以滿足用戶側(cè)熱負荷的變化要求,從而實現(xiàn)供暖系統(tǒng)供水溫度的補償,達到既能節(jié)約能源又能保證用戶舒適度的目的．

為了實現(xiàn)根據(jù)室外空氣溫度的變化及未來數(shù)小時天氣的變化來計算所需的供熱量,應在供暖系統(tǒng)換熱站增加溫度補償控制模塊,實現(xiàn)根據(jù)室外溫度和未來天氣的變化實施按需供熱,實現(xiàn)節(jié)能．帶有溫度補償?shù)膿Q熱站示意圖如圖1．當室外溫度變化時,為了保持室內(nèi)溫度的相對穩(wěn)定,供暖用戶的供水溫度也相應地發(fā)生變化．室外溫度降低時,為了維持原有的室內(nèi)溫度,供暖用戶的供水溫度應適當提高,此時氣候補償控制模塊會自動加大電動三通閥的開度,使室外管網(wǎng)進入換熱器的熱水流量多一些,通過換熱器后,供暖用戶的供水溫度會升高;反之,氣候補償控制模塊將適當減小電動三通閥的開度,以達到維持室內(nèi)溫度和節(jié)能運行的目的．

2 溫度補償算法分析

很多供熱系統(tǒng)的溫度補償裝置只考慮此時的室外溫度,而對未來幾小時氣溫的變化不作考慮,致使補償裝置的調(diào)節(jié)具有一定的滯后性．對此,我們在設計溫度補償裝置時不僅考慮此時室外溫度值,同時參考來自氣象臺的未來幾小時的氣溫變化,從而使溫度補償裝置的調(diào)節(jié)及時而有效．

圖1 帶有溫度補償?shù)膿Q熱站Fig.1 Schematics of heat exchange station with temperature compensation

進行供暖系統(tǒng)供熱調(diào)節(jié)的目的就是維持供暖房間的室內(nèi)溫度穩(wěn)定．當熱水網(wǎng)路在穩(wěn)定狀態(tài)下運行時,如果不考慮管網(wǎng)的沿途熱損失,不考慮室外風速、風向的變化,特別是太陽輻射熱變化的影響,那么有式(1)成立[8]:

(1)

(2)

(3)

此處采用的是利用天氣預報改進后的量調(diào)節(jié)．以山東煙臺的氣候條件為依據(jù),為了既能精確補償又能根據(jù)未來數(shù)小時的天氣情況提前做出調(diào)節(jié),改進措施如下:溫度T0是現(xiàn)場室外檢測溫度T1和氣象局天氣預報N小時后溫度T2的加權(quán)值,設定室外溫度的加權(quán)比為a,則T0的計算公式如下:

T0=T1·a+T2·(1-a),

令調(diào)節(jié)閥面板設定溫度為T3(二次側(cè)供水溫度設定值),實際補償后的溫度設定值為T4,補償值為Y,則補償后的二次側(cè)供水設定溫度為

T4=T3+Y,

根據(jù)煙臺地區(qū)實際溫度和國家相關規(guī)定,當室外溫度低于-6 ℃,集中供暖將不再保證室內(nèi)供暖溫度,當室外溫度高于16 ℃,大部分業(yè)主就會開窗通風．因此,當室外溫度低于-6 ℃或高于16 ℃時,就不再對設定值做進一步的補償．設加權(quán)以后的室外溫度T0的有效范圍為(a1,a2),補償值Y的范圍為(A1,A2)(即在最低溫度點a1處的補償值為A1,在最高溫度點a2處的補償值為A2),在補償區(qū)間補償值Y和溫度T0保持線性關系,設兩者的關系表達式形式為

Y=k·T0+b,

將(A1,a1)和(A2,a2)代入上式求得

將上式代入T4=T3+Y,即可得到用于控制電動調(diào)節(jié)閥的實際溫度設定值

(4)

例如,假設室外當前溫度為T1=0.5 ℃,2 h以后氣象局的預報溫度為T2=-1 ℃,室外溫度的加權(quán)比a=0.6,則溫度T0=0.5×0.6+(-1)×(1-0.6)=-0.1 ℃;調(diào)節(jié)閥面板溫度設定值T3=32 ℃,設T0的有效范圍為(-6,16),補償值Y的范圍為(20,-2)(由實際調(diào)試確定),將以上數(shù)據(jù)代入公式(4)得T4=46.1 ℃,該值即為用于PID控制的二次供水溫度實際設定值．

3 溫度補償算法實現(xiàn)

對室外溫度的準確采集是對室外溫度進行精確補償?shù)幕A,在這里選擇西門子專用的室外溫度傳感器QAC22(NI1000)．傳感器放置的位置也很關鍵,安裝在建筑或樓宇裝有窗戶的墻壁上,但傳感器不能暴露在早晨的陽光下．如在不能確定的情況下,傳感器應安裝在北向或西北向墻壁上．避免由于空氣環(huán)流產(chǎn)生測量誤差,傳感器上的電纜導管應密封,傳感器表面不應涂其他材料．溫度信號通過PLC模塊經(jīng)程序轉(zhuǎn)化得出測量溫度T1,未來2 h后的室外溫度T2取自于當?shù)貧庀缶謹?shù)據(jù)庫,室外溫度的加權(quán)比為a由調(diào)試得到,根據(jù)需要設定二次側(cè)供水溫度值T3,(a1,a2)取值為(-6,16),(A1,A2)的取值由調(diào)試得到,之后根據(jù)公式(4)得出用于控制電動調(diào)節(jié)閥的實際溫度設定值T4．最后,將T4代入PID運算求出一次側(cè)電動調(diào)節(jié)閥的開度．

用于監(jiān)控的上位機服務器位于監(jiān)控中心,為了和控制器S7-1200 PLC建立連接,上位機需要有固定IP或者使用花生殼等動態(tài)域名[12-16]．

4 實施溫度補償后的效果

以煙臺某高校換熱站為例,2017年3月1日的具體信息如表1．

表1 2017年3月1日天氣及補償數(shù)據(jù)Tab.1 March 1, 2017 weather and compensation data sheet

表1(續(xù))

由表1可得圖2、圖3，圖中縱軸的單位為℃，橫軸表示時間點，圖中曲線是根據(jù)一天中從0點到24點每半小時采樣一次所得信息繪制而成.圖2中的4條曲線依次表示加權(quán)后的室外溫度T0、室外實際溫度T1、室外預報溫度T2和溫度補償值Y.圖3中的2條曲線依次表示補償后的設定溫度T4和未加補償時的設定溫度T5.

為了保證業(yè)主的溫度需求，如果沒有溫度補償，一般供熱時會按照需求最大量設定供水溫度，由圖3中T4曲線可知供熱站二次供熱設定溫度T5需要在46 ℃以上，在此，不帶溫度補償時的設定溫度取值46 ℃。從圖3可以看出，加不加溫度補償對二次側(cè)供熱溫度的需求差別較大，最大差值超過10 ℃.由此可知，實施了基于物聯(lián)網(wǎng)的室外溫度補償后，換熱站既能滿足用戶的供熱需求，又能充分地節(jié)約能源.

圖2 溫度補償曲線Fig.2 Temperature compensation curve

圖3 補償與未補償時的溫度設定值曲線Fig.3 Temperature setting curves with temperature compensa-tion and without temperature compensation

5 結(jié) 論

本文在研究煙臺某高校換熱站控制系統(tǒng)的基礎上,在溫度補償裝置中考慮了未來2 h天氣變化情況,根據(jù)現(xiàn)在的室外溫度和未來2 h天氣的變化來計算所需的供熱量．考慮未來2 h天氣變化后,可減小換熱站控制系統(tǒng)的滯后性,從而達到進一步節(jié)約能源和提高用戶舒適度的目的．