论传统供热控制系统

王永贵 蒋文辉 史鸿儒 白景升 李明莳

摘 要：我国制定的“碳达峰”“碳中和”目标与建筑能耗关系重大。建筑能耗中供热系统运行能耗占十分庞大，节能潜力巨大。如何利用 “大数据”先进技术来降低建筑能耗是一个重大的突破口。本次研究主要内容：对供热末端技术的调控机理及特性深度研究，分析供热末端技术的发展趋势，建立智能调节下的动态调节模型，提出适应系统中较大热惯性的智能系统;并且对传统断通技术进行优化，生成一个具有预测功能和精准控制的管理系统来降低系统能耗，最后对新行能源和技术进行展望。希望本次研究会为我国“双碳”目标起到良好的促进作用。

关键词：传统控制技术;新型控制技术;供热控制系统

一、引言

统计数据显示，2021年，我国能源消费总量达52.4亿吨标准煤，比上年增长5.2%。其中，煤炭消费量占能源消费总量的56.0%。在2021年大唐吉林发电公司主要负责人到东北能源监管局，反映了因煤炭极端短缺面临停机，影响电力供应的困境。J X尽管中国的能源强度在近些年间持续下降，节省了6.3亿吨煤，减少了15亿吨CO2的排放。但由于技术等因素局限，中国万元GDP的CO2的排放量远高于欧美发达国家的水平;特别是将煤炭作为一次性消费的主要能源，近些年仍处于增长状态。煤炭经过古代植物漫长的物理变化和化学变化产生的，大量的使用导致煤炭资源短缺。根据美国石油业协会统计，地球上剩余的原油不足两万亿桶，在将来，世界上主要使用能源将越来越趋向煤炭，在 2250 到 2500 年之间煤炭也将消失 。

二、末端技术发展的现状及趋势：

（一）传统控制技术发展现状：

当今社会，城市热网的调节方式相对落后，水力模块上具有大惯性和调节上的时滞性，锅炉供热量很难满足人们生活需热量。目前我国传统的供暖末端技术的调节方式可分为以下几种：

（1）无调节方式：北方的一些传统住宅区，供热系统及设备落后，不具备有效的调节方式，仅通过管网运行历史参数来对供给的热量进行调节，存在着空间上的供热不均匀和热量损耗等问题。过热用户甚至在冬季需要开窗通风，在北京的一处住宅实测表明，由于用户开窗导致的热损失约为36-39MJ/m2，占建筑实际需求热量的16-40%。

（2）半自动式调节：我国从1993年开始在我国北方城市引入了恒温阀，在北京、天津、长春等城市进行计量实验。散热器供水管上均安装恒温阀，随室温的变化，通过压力变化来调节阀门的开度，从而控制供暖末端设备的流量，这种方式极大的改善了供热不均匀、能耗高等问题。但由于恒温阀不断变流容易残留水垢堵塞管道。

（3）通断调节技术：2012年以来，断通技术在我国北方已经大规模的应用。断通技术的调节机理是设定室内中心温度在一定波动范围内，当室温低于设定温度与偏差值时阀门打开，当室温高于设定温度与偏差值时阀门打开，因为处于全开或全关的状态不容易堵塞。但由于建筑具有很大的热惰性因此精准度也不是很好。江亿进行了末端冷量主动性调节控制的基础研究，指出部分负荷工况下出现系统水力变化的根本原因是末端冷负荷变化引起的温控阀调节，这种调节是主动性、本质性的，且具有显著的非线性和互扰多变的系统属性经过相关实验可得，阀门关闭的初始阶段系统末端可能会给房间带来热量的过盛，经过9个小时后才退回到标准温度25℃，可见散热器存在的金属的热惰与房间传热的时滞性。这也导致了许多智能控制手段无法生产出高性能的产品。

（二）新型控制技术发展现状：

在我国传统的供热末端系统上，用户对于室内温度并不不能实现自我控制与调节，这种供热方式不仅造成了能源的浪费还不利于用户舒适度的调节。我国对于供热节能的提倡，越来越多的人开始研究智能供热监测系统，在如何满足节能与用热用户热舒适之间的矛盾成为现阶段的问题！

智能监测系统调节：在我国的少数研究地点，已经有智能监测系统的运行模式，通过大数据技术对采集到得数据进行智能化的分析，起来良好的管理系统的作用。但尽管如此，目前这种技术仍没有普及，在清华大学某一实验楼进行分户热计量示范，已经取得了一定的成效，但是在实际的使用过程中还是存在許多的问题。经过一段时间技术的探索，热力公司在天津市一小区进行分户热计量示范，在经济上取得了一定的成效，这些实质性的探索为今后的研究有着非常重要意义。2021年国家电投集团东方新能源股份有限公司（简称“东方能源”）过去存在系统自动化程度低;管网落后;引发客户投诉。通过与百度智能云合作，依托人工智能、大数据、物联网等技术，实现了产业升级改造，极大的改善了上述问题。同年我国落实“新城建”工作要求，在承德市、长春市开展供热设施智能化建设试点工作，将物联网、大数据、人工智能等先进信息技术与供热深度融合，对热源、管网、热力站和室内等供热设施进行智能化改造，解决供热系统水力失调、冷热不均等问题，满足热用户自主调节等个性化用热需求，提高供热系统运行效率。下一步，住房城乡建设部将继续做好供热系统效率提升工作。2022年人民日报海外版发表：走进国家能源集团江苏宿迁电厂，两台660兆瓦超超临界二次再热机组正有序运转。“我们采用‘汽电双驱引风机高效灵活供热技术，实现电能和热能双向无缝转换，并借助智慧管控系统实现锅炉氧量自动寻优，提升锅炉燃烧效率。”宿迁电厂负责人介绍，2020年，机组供电煤耗低至263克标准煤/千瓦时，每年可节约标准煤14.4万吨。

现阶段，在国外发达国家大多采用供热系统均采用动态变流量系统，在调节与控制方式上非常的先进，这是一个非常完善的智能供热系统。在欧洲许多地区采用分户计量的方式，热量计通过计算散热器散发的热量而进行收费，不仅在一定程度上促进了智能管理系统的发展，而且还节约了大量的能源消耗。

在芬兰实现了自动化监控管理，每个换热站只负责一座公寓实现个性化供热的同时;实现了自动管理降低了人工管理成本。在德国供热末端技术的调节都是以室外温度变化作为依据，起到精准调节的作用。在美国供暖系统是根据长供暖数据的历史走向积累，对数据进行深度学习，从来进入自动化工作模式保证了舒适性的同时减少了能耗。

我国现阶段研发的智能供热监测系统与国外相比还是有很大的差距，目前在我国热网上广泛使用的仍是传统的末端控制技术为主。

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