基于CPS系统的经济型热舒适导向集中供暖系统构建

江咏宸

摘要：集中供暖是目前最主流、经济的供暖方式，但是集中供暖系統下会因房屋质量、房屋建成年限、供暖系统建设等多方面因素影响，导致供热过程中出现较为严重的供热不均。同时供暖过程中热能浪费现象也颇为严重。本研究基于CPS信息物理系统理论，进行模型建立与数学计算，构建经济型热舒适导向的新型集中供暖系统，并且针对现有房屋改造及未来智能城市供暖系统建设提供建议。

Abstract： Central heating is currently the most mainstream and economical heating method. However， under the central heating system， there will be many factors such as house quality， house life， heating system construction， etc.， which will cause serious heating unevenness in the heating process. At the same time， the waste of thermal energy in the heating process is quite serious. This study is based on the CPS cyber-physical system theory to perform model building and mathematical calculations， construct a new type of economical thermal comfort-oriented central heating system， and provide suggestions for the reconstruction of existing houses and the construction of future smart city heating systems.

关键词：CPS系统;集中供暖;暖气;热舒适;经济型

Key words： CPS system;central heating;heating;thermal comfort;economical

中图分类号：TU995                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）01-0089-04

1  研究背景

1.1 供暖是北方人民的头等大事

寒冷的冬季，暖气，地暖等设施成为了北方人民的救命稻草。中国北方供暖面积达120亿平米以上，是中国供暖的主要地区，单是供暖每年就要消耗约1.8亿吨标准煤，供暖能耗占全国建筑能耗的1/4。集中供暖是北方供暖的最主要方式，占到了整体的八成以上。此外燃煤锅炉供暖仍是最主要的方式，燃气供暖方式有所增长。目前因管道老化、供暖系统落后等原因，目前供暖热能耗损失达35%。冬季供暖也对北方城市环境气候造成影响，在北方的冬天就是《雾都孤儿》中的伦敦即视感，因为燃煤供暖北方许多城市都是烟雾弥散。

1.2 集中供暖许多人并不舒适

目前北方供热系统仍然通过城市热网进入庭院管网，最后进入个体住户。这使得老旧小区部分住户的体验并不舒适，因供暖方式以暖气片为主、暖气布局不合理、管道老化等诸多因素，暖气温度因小区、楼层之间浮动幅度非常大。供热方无法做到为每位住户提供个专门化供暖服务，使部分住户对室内过低的供暖僵局束手无策，而室温过高的用户也只能靠开窗通风的方式降低室温，从而使能量白白浪费。因此目前的集体供暖系统带来最为严重的问题就是集中供暖供热不均匀引起供热不舒适问题和能源利用率问题。供热不均体现在楼内不均，小区间不均，大系统调控不合理，且无有效末端的调控。热量利用率偏低的原因一方面是因为老旧小区管道、供热技术的落后，另外一方面是因为部分新建小区“过度供热”造成能量浪费。

2  研究目的

信息物理系统（CPS，Cyber-Physical Systems）是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过3C（Computation、Communication、Control）技术的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。信息物理系统主要分为三个部分，分别是感知层、网络层和控制层。感知层有传感设备组成，目前传感技术的发展已经使得传感器能够采集多种形式的信号，使得CPS系统的感知层面很发达。网络层有大数据计算和人工智能技术的支持，智能控制技术已经颇为成熟。控制层则是利用各种物理设备，由网络层的结果控制各种智能动作。

本研究基于CPS系统理念，运用物理传热学中热量传递和散失的计算方法，以能量守恒为基础，平衡供暖系统与房屋热量流失之间的平衡，从而构造温度相对恒定，经济成本低，耗能少的集中供暖经济型热舒适CPS供暖系统。

3  研究思路

①发现问题，查阅相关文献，咨询专家，访问好友，确定问题的存在性和价值，确定研究方向。

②进行选题查新;

③查阅文献，学习相关物理知识，寻找问题解决方法;

④绘制草图技术模型和原理草图;

⑤通过物理理论分析构建理想模型，得出系统算法;

⑥验证算法正确性;

⑦理论模型图构建完成，分析结果，得出结论，给出建议;

⑧撰写论文，整理资料。

整体研究过程可以由图1技术路线图描述。

4  研究方法

文献研究法、观察法、访谈法、数学方法。

5  研究过程

5.1 技术原理

根据不同住户房间体积不同和建造条件不同，所需提供热量、热量流失也有所差别。首先在新房屋建设过程中，应系统、科学计算不同房屋需要安装暖气方式、供热面积、供暖功率，在房屋建设的时候根据国家标准进行科学计算;然后在实际供暖过程当中，由于不同供暖单位的供暖方案不同、各户家庭实际供暖需求不同，利用CPS供暖系统即可进行调控。目前主流供暖方式为暖气片和地暖，本文主要构建这两种供暖方式的实时监控的感知层與实时供暖调整的控制层，利用网络层智能计算与控制，构造经济型热舒适供暖系统。

5.2 系统算法

5.2.1 当温度低于设定值时该如何增大采热功率

设定场景：该房间尺寸为A*B*C，所需温度为t1，而室内温度为t2，为提高用户舒适度，需要在T分钟内升高至t2，考虑到墙体和室内气体的热传导，在T分钟内系统外提供的热量应等于温度升高所需的热量以及热传导丧失的热量。

由传热基本方程P1′=ka（t2-twall）

其中P1′为温差为（t2-twall）时散热的瞬时功率，k为墙体整体传热系数，传热面积a，twall为墙体温度。

故温度传感器应该是接触式传感器和非接触式传感器的组合，正面测室内气温，贴墙的一面测墙面温度。

墙体的传热系数如图2。

计算时先以k表示。

在一侧恒温（即墙体和外界，由于时间为T分钟较短，外界温度变化小，可视为恒温），一侧变温（即室内）的情况下，twall不变。

由于t2会随时间变化而升高，可知当温度到达t1时瞬时散热功率为

P1″=ka（t1-twall）

散热的平均功率为

P1=（P1″+P1′）/2=ka（t1+t2-2twall）/2

空气的比热容为c0=1003J/kg*K;

空气密度为r=1.293kg/m3。

而温度由16度升高到18度所需的热量为

Q=c0rABC（t1-t2）

不考虑散热时的供热功率为

P2=Q/T=c0rABC（t1-t2）/T

所需提供的总功率为

P=P1+P2=kA2B2C2（t1+t2-2*twall）/2+c0rABC（t1-t2）/T

5.2.2 当温度达到设定值后如何稳定室温

5.3 技术难点

5.3.1 CPS系统理念的迁移应用

CPS系统通过人机交互接口和物理进程交互，远程实时操控一个物理实体。将该系统的理念运用到供暖系统中时，”C”即网络，指住户、系统中枢和供热方的实时远程交互;”P”即物理实施媒介，指通过住户家设置的温度传感器和供水控制阀实时记录和反馈调节，实现供热和需要的浮动平衡。”S”即系统，热舒适集体供暖系统可以应用于市级或省级，下至以小区和用户为单位，逐层管理，有系统性。通过建立该系统，从而既可减少能耗，又能提高用户舒适度。

5.3.2 热舒适导向集中供暖系统的构建

舒适性主要体现在用户的体验方面，即应重视用户端的温度恒定设定和不同人群的人性化调控。目前已有的温度调控为白天温度调低，前半夜温度上升，后半夜温度降低。然而不同地区，甚至同地区的不同住户的喜好和硬件效能都有所不同，因此温度调节不应由供热方单方面把控，在住户家装设温度传感器可以实时监控室内真实温度，当室温过低时通过供水控制阀适当增大水流量或直接提高水温，当室温过高时则适当减小水流量或降低水温。这样做可以忽略采热设备性能差异带来的温度感受不同，给予用户舒适的体验。例如：部分旧小区住户家庭采热设备导热性差，而房间面积大，室温相对较低，采用新系统后，温度传感器接收到的温度低于设定值，即可通过增加对该户管道的水流量和水温提高室温，当室温高于正常值时适当降低流量和水温，以达到室温舒适恒定的状态。

5.3.3 经济型集中供暖系统的构建

经济节约主要体现在供热方的供热量和住户的能量损耗方面，即应重视供给和需求的相对平衡。通过温度传感器实时监控住户室温，以便CPS系统及时调整住户水流量，因此新系统的计价方式不应以家中面积计算，而应以每户设定供暖温度和实际供暖热功率为指标进行计算。这样做可以避免收费的不合理性。既可降低过度供热时能源浪费成本，又可使住户少花钱得到更好的体验。在实际场景中情况为：当部分住户房间温度过高时，若无系统调节，用户便只能开窗通风，而热量白白浪费。使用该系统，可以调节温度不使其过高，节省了能源，提高了管道设备的寿命，按新方式计价后，用户也不必掏“冤枉钱”，更加智能化和合理化。同时该系统中供暖部分也可以纳入其他形式的热能循环利用模块，如电热联产系统，发电冷却的高温水用来集中供暖。或者是其他形式新能源供热系统的能量补充，如利用风力发电的风能—电能—热能转化途径。

6  研究成果

CPS集中供暖系统模块及功能原理见如图3。

CPS集中供暖系统实际构建可以参照图4。

6.1 CPS集中供暖系统功能描述

该系统共分为三部分：

①住户即感知层，即供暖服务购买端和信息发出端，温度传感器发现室温与设定值不同后发送信息给CPS网络层;

②CPS网络层，范围覆盖小区，用于储存用户房间信息和实时接收用户端发送的温差变化，依据算法进行分析得出所需增加的热功率，整理后反馈给供热系统;

③供热系统及控制层，收集到次级中枢发送的数据后，通过改变供水调节阀改变该楼层水流量，并适当调节水温，记录消耗的能量并反馈给CPS网络层。CPS网络层收到供热系统提供的用户能量消耗报告后进行分析计价。定期反馈给用户。通过不断进行这种数据交换使室温趋于恒定、舒适。该系统可适用于绝大多数采热设备和供热设备，为用户提供人性化服务。相对快速高效地解决了老式北方集体供热系统耗能高等不合理性。

6.2 CPS集中供暖系统补充说明

CPS控制层功能因级别而变，覆盖小区的网络层主要功能为计算和发送接收数据。主网络层覆盖城市或地区，即多个次级网络层属其管理，负责接收供热设备发送的信息并计价。系统归属政府管理。供热方可以仅通过调节恒压器和热水器局部地改变用户室温而无需变更原来的大锅炉式产热方式，不过由于产热需求降低，燃煤量也可减少。因此并不会对供热方产生多余负担，反而可以降低成本。

使用物理计算的方法，得出适用于大部分房间保持温度在一定值上下浮动所需提供的热功率公式（需用户提供的房间尺寸和由温度传感器实时提供的温度信息）。定量地计算分析了有墙体散热情况下室内温度在限定时间内升高所需的热功率，并将其适用于设计的系统中。

7  项目创新点

7.1 节能环保

在保留原有硬件设备的情况下，通过系统优化调节和能量平衡，使能耗最小化的同时保障用户的舒适度，同时供热系统积极拓展接入多种形式清洁热源补充。

7.2 经济实惠

在使用新系统的前提下采用新的计价方式，用户可以少花钱体会到更舒适的生活。对于供热方，由于没有改变原本的锅炉产热方式而减少了燃煤量，降低了企业成本。感知层设备价格较为低廉，且一劳永逸，不会给人们的家庭生活造成负担，政府也可以通过一定补贴措施进行推广。

7.3 智能化程度高

该系统除定期排查外，不需要添加额外的人力资源，运算调节方面都由系统计算完成，向未来智能城市生活又前进了一步。

7.4 使用周期长

由于适用多种供热和产热装置，该系统的算法可以使用较长时间而无需进行大改造，仅进行部分优化更新即可。

8  建议

对于未来的城市建设与集中供暖系统建设，本文就如下几个方面提出建议。

8.1 城市房屋建设应考虑舒适性与经济性要求

城市规划建设方面应该有大局意识和长远意识，优质的城市建设可以在未来上百年持续服务整个城市的居民。因此未来城市房屋建设应该考虑到人民对于美好生活的需求，构建热舒适导向的城市集中供暖系统;同时，也要考虑到大规模城市供暖对于能源的需求与利用率，优质的供暖系统短时间来看可能成本方面相对较高，但是一次投资，终身受益，能源利用率高的优质供暖系统可以在未来几十年中持续高效运转，节约大量能源。从社会价值角度看也能够减少很多碳排放，是一种更为低碳环保的供热方式。

8.2 现有老旧房屋应注重保暖改造

对于现在的老旧小区，供暖温度偏低现象非常明显。但是出于成本角度、施工难度等，并不适合改进供水管道系统、应用CPS集中供暖系统等先进供暖措施。出于效益方面考虑，不妨现从控制老旧房屋热量损失出发，做好外墙保暖升级和保暖门窗更换升级。外墙保暖升级过程中，可以采用传热系数比较低的材料，这样热量流失率将会大大降低。

8.3 未来城市应丰富热源结构

对于目前北方主要供热方式仍需使用大量煤炭，应尽可能丰富供热方式，使用更为清洁的能源，如天然气。应推广余热利用，如热电联产。从社会角度上看，这样能保护环境，减少污染。从政府管理角度上看，这样能减少能源浪费问题，从而减少能耗。

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