基于区域性气候条件的建筑节能供热分时控制方法

叶兴森

(凉州区建设工程安全质量技术保障中心,甘肃 武威 733000)

1 引 言

城市化的发展使建筑物数量逐年增多,但是随之而来的能源消耗问题,不断扩大。我国人均能源处于短缺状态,再加上我国“富煤、少气、缺油”的资源现状,导致我国能源现状严峻。由于我国正处于发展阶段,能源的使用情况能够直接影响我国国力的综合发展,据不完全统计,我国发展过程中,能源消耗主要集中在交通、工业以及建筑三大行业中。其中,由于我国独特的地理环境,大量国土位于冬季较为寒冷的地区,导致我国建筑供热[1]能耗占全国能耗的大部分。因此,开展必要的建筑节能供热控制,不仅能够有效缓解资源浪费,还能够减少不必要的大气污染。因此,基于我国建筑的供暖模式,研究节能供热控制[2-4]方法,成为相关领域亟待解决的问题。

文献[5]提出燃气-蒸汽联合循环机组灵活性供热控制策略。该方法基于冬季热力气源紧张的供暖形式,制定不同天气状态下的6种供热模式;并依据制定的供热模式,构建全供热工况控制策略;最后依据构建的控制策略,实现建筑的分时供热。

文献[6]提出集中供热机组全自动控制方法研究。该方法依据供热机组的供热流程,获取建筑供热时供热机组的燃烧特性,设计建筑供热系统的全自动控制策略,并基于该策略实现供热机组的分时控制。

文献[7]提出供热机组热电负荷解耦控制。该方法首先对供热机组的非线性动态模型实施最小偏差线性化处理,获取传递函数矩阵;依据建立的矩阵分析供热对发电侧的扰动因素,设计解耦控制器;最后依据设计的控制器实现建筑的供热控制。

上述方法由于未能在建筑节能控制前对不同区域条件下建筑能耗影响因素展开了具体分析,导致上述方法开展建筑节能控制时的控制效果差。

为解决上述建筑节能控制方法中存在的问题,提出基于区域性气候条件的建筑节能供热分时控制方法。

2 不同区域条件下建筑能耗影响因素分析

受我国地域条件影响,将我国需要供热的地区分成寒冷和严寒地区,不同区域条件下,建筑的能耗[6-7]影响因素也不相同。

2.1 建筑结构其他供热能耗计算

供热建筑中,维护结构供热能耗以及门窗缝隙冷空气渗入供热能耗都会影响建筑供热的节能控制。所以在供热能耗控制前,需要对维护结构供热能耗以及门窗缝隙冷空气渗入供热能耗展开具体计算。

2.1.1 围护结构供热能耗计算

设定供热建筑中,设定围护结构的温差修正系数为ρ,围护结构面积为L,以此计算围护结构供热能耗值,测试结果如下式所示:

P=ρRL(tm-twm)

(1)

式中:P为围护结构在供热时消耗的基本能耗,W;R为传热系数,W/m2;tm为室内期望温度,℃;twm为室外温度,℃。

2.1.2 门窗缝隙冷空气深入供热能耗

由于建筑内,门窗的缝隙宽度不相同,设定空气定压比热容为bq,室外空气密度用θwm表述,以此计算门窗缝隙冷空气渗入供热能耗值,测试结果如下式所示:

Pmc=bqθwmRφ(tm-twm)

(2)

式中:φ为渗透的冷空气量,m3/s。

2.2 寒冷区域建筑供热的热负荷分析

基于上述建筑供热能耗计算结果,选取某城市为寒冷地区城市代表,选取该城市供热负荷最大的一天,开展供热的负荷模拟,获取该城市建筑逐时负荷变化曲线以及供热能耗负荷比重,结果如图1、表1所示。

表1 寒冷地区建筑类型的负荷比重检测结果 %

图1 建筑逐时供热负荷变化曲线

基于图1可知,寒冷地区的供热最大负荷主要出现在上午9∶00左右,最大负荷时段在上午8∶00—11∶00。其中,公共建筑的供热负荷在上午8∶00后开始急速增大,并以此增加供热系统[8]的总负荷幅度,至夜间18∶00—24∶00时,负荷逐渐减小。

从负荷比重上来看,寒冷地区若居住建筑较多,公共建筑所承担的供热负荷会大于该城市公共建筑面积本身。

2.3 严寒地区供热负荷分析

严寒地区的气候条件与寒冷地区略有差异,所以需要选取普遍适应的供热系统,以寒冷地区的负荷变化为参考,获取严寒地区建筑供热在不同时段的供热负荷变化,结果如表2所示。

表2 严寒地区建筑供热在不同时段的供热负荷变化 %

严寒地区的建筑供热能耗负荷变化规律与寒冷地相接近,由此可知严寒地区若居住建筑较多时,该地区的公共建筑供热负荷[9-10]会随着公共区域面积的增加而有所增大。

基于上述供热负荷比重分析结果可知,我国在冬季开展建筑供热时,会消耗大量的供热能耗,从而影响供热地区的能源消耗。因此,需要在建筑供热时,以建筑节能为侧重点,建立能够有效节能的建筑供热分时控制方法。

3 建筑节能供热分时控制方法

基于上述的供热能耗负荷分析结果,结合PID控制方法[11-12]设计模糊自适应的PID控制器,将建筑的供热负荷值放入控制器中实施计算,依据控制器的输出结果,实现建筑节能供热的分时控制。

3.1 设计建筑节能供热分时控制器

设定建筑供热系统的比例增益系数为Zp,从而建立供热系统传递函数,过程如下式所示:

H(x)=Zpε-ts/1+Ts

(3)

式中:T为供热系统的时间常数;s为采样时间,h;ε为传递偏差;t为滞后时间,h;H(x)为传递函数。基于上述建立的传递函数,设定建筑供热系统的积分增益系数为Zi,微分增益系数为Zd,以此获取系统分时供热的PID控制方程,过程如下式所示:

(4)

式中:o(k)为建立的PID控制方程;ε(τ)、ε(i)以及ε(k)分别为Zp、Zi、Zd的传递偏差。

基于获取的系统分时供热的PID控制方程,将供热系统的偏差值ε以及偏差变化率εc作为控制器的输入向量,依据模糊规则[13-14]实施模糊处理,最后通过建立得到模糊矩阵对控制参数进行实时修正,根据修正结果完成建筑节能供热的分时控制。建立的PID控制器如图2所示。

图2 PID控制器结构图

3.2 建立控制器隶属度函数

将供热系统的偏差值ε以及偏差变化率εc作为控制器的输入向量,并将输入向量进行模糊处理,获取输入向量子集{a,b,c,d,e,f,g},分别表示负大、负中、零、正小、正中以及正大;设定控制器控制变量为ΔZp、ΔZi、ΔZd,以此建立PID控制器的隶属度函数,过程如下式所示:

(5)

式中:u(k)为建立的PID控制器的隶属度函数。

3.3 建立模糊控制规则

(6)

式中:Zp、Zi、Zi分别为控制器变量参数的模糊控制规则。

最后通过设计的PID控制器模糊控制规则完成控制器的输出计算,实现建筑节能供热的分时控制。具体控制流程如图3所示。

图3 建筑节能供热分时控制流程图

4 实 验

采用基于区域性气候条件的建筑节能供热分时控制方法(所提方法)、燃气-蒸汽联合循环机组灵活性供热控制策略(文献[3]方法)、集中供热机组全自动控制方法研究(文献[4]方法)展开测试。

4.1 建立测试方案

基于上述3种控制方法,选取严寒地区某地建筑为待控制建筑,以此获取3种方法的测试实际环境,具体情况如表3所示。

表3 分时分区供热控制方法测试方案

4.2 建筑节能供热分时控制效果测试

4.2.1 办公楼供热能耗控制分析

基于上述制定的测试方案,关闭供热系统的气候补偿器,消除补偿器对分时控制的影响,以此测试上述3种方法在办公楼供热时间与供热能耗之间的变化曲线,检测供热分时控制方法的控制效果。结果如图4所示。

图4 办公楼供热时间与供热能耗之间的变化曲线

分析图4可知,建筑供热时的实际能耗与室外气温变化相关。办公楼供热能耗会随时间发生波动,所提方法控制下,建筑供热能耗节省的供热能耗明显高于文献[3]方法以及文献[4]方法,这主要是由于建筑围护结构本身具备热惰性,建筑室内温度虽然在不断下降,但是仍位于防冻温度以上。办公楼15∶00—19∶00能耗负荷变化较不稳定,这主要是因为该时段位于办公人员下班时间。

4.2.2 建筑供热节能效果测试

采用所提方法、文献[3]方法和文献[4]方法开展建筑供热能耗控制时,设定供热建筑的原始节能率为10.8%,以此测试上述3种方法的供热节能效果,测试结果如表4所示。

表4 建筑供热节能测试结果

分析表4可知,所提方法的累积供热量较高,这主要因为所提方法可以在保证低能耗的同时为建筑提供高供热量,且检测出的节能率以及供热面积均高于其他两种方法。而文献[3]方法和文献[4]方法明显低于所提方法的测试结果。由此可证明所提方法节能率高、控制性能强。

4.2.3 建筑供热控制效果测试

设定建筑供热后的室内适宜温度在22～25 ℃,依据建筑节能供热分时控制方法控制建筑供热能耗时,测试3种控制方法在建筑能耗控制时的控制效果,测试结果如表5所示。

表5 不同方法的建筑供热控制效果测试

分析表5可知,所提方法能够在不同时段下,将建筑室内的温度保持在适宜人体生活的温度内,而文献[3]方法和文献[4]方法无法将供热建筑的室内温度控制在人体适宜温度区间内。由此证明,所提方法在开展建筑供热能耗控制时,控制效果优于其他两种方法。

综上所述,所提方法在开展建筑供热能耗控制时,供热能耗小、节能效果好,证明该方法在控制建筑供热能耗时,具备有效性。

5 结 语

随着建筑供暖能耗消耗的两年增加,建筑节能供热分时控制势在必行。针对传统节能控制方法中存在的问题,提出基于区域性气候条件的建筑节能供热分时控制方法。该方法基于不同区域条件下建筑能耗影响因素分析结果,结合PID控制方法设计模糊自适应的PID控制器,通过设计的控制器实现建筑节能供热的分时控制。该方法由于在获取传递函数时存在问题,今后会针对该项缺陷继续优化该控制方法。