王全昌 侯超凡 衛(wèi)大（大慶油田礦區(qū)服務(wù)事業(yè)部外圍物業(yè)管理公司）

大慶油田礦區(qū)服務(wù)事業(yè)部承擔(dān)的供熱面積約2 698×104m2，包括學(xué)校、商場、體育館、辦公樓等公共建筑1 121.24×104m2。公共建筑普遍采用24 h供暖方式，非用熱時間也進(jìn)行滿負(fù)荷供熱，存在一定的節(jié)能潛力，精細(xì)化供熱管理延伸至公共建筑是可行且必要的。

1 現(xiàn)狀

公共建筑因其特有的用熱規(guī)律本應(yīng)采用間歇供暖調(diào)節(jié)方案，實(shí)現(xiàn)用熱與供熱的協(xié)調(diào)，尤其在公休日和節(jié)假日期間只需保證值班采暖溫度即可。目前未實(shí)行間歇供暖調(diào)節(jié)方案的原因有兩點(diǎn)：由于集中供暖各建筑物用熱時間和熱量及其持續(xù)時間不同，現(xiàn)行供熱系統(tǒng)不具備單體建筑自動調(diào)控能力，間歇供暖難以實(shí)現(xiàn);現(xiàn)行的調(diào)控方法多為定性或經(jīng)驗(yàn)的滯后調(diào)節(jié)，利用室外溫度確定供熱溫度，依據(jù)回水溫度進(jìn)行反饋控制。這種不考慮維護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能和維護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱延遲性的傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方式，難免造成熱用戶的供熱量跟不上室外天氣變化的步伐，使熱用戶熱舒適性欠佳。因此，提出了公共建筑的分時分溫供熱調(diào)節(jié)控制，使公共建筑系統(tǒng)具備自主調(diào)控能力。根據(jù)熱用戶的用熱情況，動態(tài)調(diào)整流量分配，只給公共建筑（如辦公樓）中當(dāng)時需要采暖時間供暖，其他時間暫時降低供暖參數(shù)。在節(jié)約熱量的同時，可進(jìn)一步滿足熱用戶對熱舒適性的要求。

2 技術(shù)難點(diǎn)

1）維護(hù)結(jié)構(gòu)控溫時滯性研究。不同的建筑具有不同的維護(hù)結(jié)構(gòu)，降溫與升溫的速度也不同，如何保證升溫、降溫時間，在滿足用戶用熱的前提下達(dá)到節(jié)能的目的是研究的技術(shù)難點(diǎn)。

2）自動控制方法。以閥門開度作為輸出，以室內(nèi)溫度作為控制目標(biāo)，以目標(biāo)溫度與室內(nèi)溫度差值作為反饋?？刂七^程中大時滯的特點(diǎn)非常明顯，常用的PID控制方法控制該系統(tǒng)存在明顯的不足，如何改進(jìn)PID是研究的技術(shù)難點(diǎn)。

3 技術(shù)方案

總體思路：研究多點(diǎn)室溫采集技術(shù)，并建立數(shù)據(jù)庫，為分析建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)的熱惰性提供數(shù)據(jù)支持；分析該建筑溫度變化數(shù)據(jù)，擬合出隨時間變化的室溫變化曲線，開展維護(hù)結(jié)構(gòu)控溫時滯性研究，為研究供熱調(diào)控方案奠定基礎(chǔ)；研究制定不同時間段的供熱調(diào)控方案；開展樓宇熱平衡研究，保證未實(shí)施分時分溫控制的建筑正常供暖。

3.1 工藝流程

管道構(gòu)建部分是在公共建筑樓前的回水管路上安裝電動調(diào)節(jié)閥（圖1）。

數(shù)據(jù)采集部分是在供、回水管線上安裝PT100熱電阻溫度變送器采集供、回水溫度，在公共建筑內(nèi)安裝室內(nèi)溫度采集器，同時將供、回水溫度信號、電動閥開度信號及室內(nèi)溫度信號接入現(xiàn)場控制器。

自動控制部分是在公共建筑內(nèi)安裝分時分溫現(xiàn)場控制器，將采集來的模擬量信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字量信號，內(nèi)設(shè)的嵌入式軟件將采集來的數(shù)據(jù)與設(shè)定值對比分析，輸出4～20 mA電流信號控制電動閥開度，執(zhí)行控制策略，控制室內(nèi)溫度。

圖1 分時分溫控制系統(tǒng)工藝

3.2 室內(nèi)多點(diǎn)測溫技術(shù)

在每棟公共建筑內(nèi)安裝3個室溫遠(yuǎn)傳采集器，分別測量不同位置的溫度值，將溫度數(shù)據(jù)傳送分時分溫控制器。對控制器內(nèi)軟件進(jìn)行編程，將溫度信號做有效的平均計(jì)算，計(jì)算結(jié)果作為控制器調(diào)控依據(jù)。

由表1可知：體操房、食堂等建筑室內(nèi)空間較大，采取三面墻體表面測溫取平均值的方式，客觀地反映室內(nèi)溫度情況；教學(xué)樓、辦公樓等建筑的房間數(shù)量較多，室內(nèi)空間較小，采取分樓層多點(diǎn)測溫方式，反映樓內(nèi)整體供熱效果。項(xiàng)目組在杏南供熱分公司辦公樓試點(diǎn)，選取了熱水入樓房間、出樓前房間及中間房間的多點(diǎn)測溫方式，反映出樓內(nèi)供熱平衡狀況。通過試驗(yàn)觀測，根據(jù)建筑物實(shí)際情況選取的不同的測溫方案能夠客觀真實(shí)地反映每座建筑的供暖情況，為分時控溫提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

3.3 維護(hù)結(jié)構(gòu)控溫時滯性研究

通過實(shí)時采集室內(nèi)溫度、室外溫度及電動閥開度等數(shù)據(jù)，建立歷史數(shù)據(jù)庫。擬合電動閥不同開度狀態(tài)下室內(nèi)溫度與室外溫度的變化規(guī)律曲線，找到公共建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)控溫時滯性規(guī)律，確定相似條件下建筑室內(nèi)控溫隨室外溫度變化的延遲時間；并以此為依據(jù)，作為工作模式與節(jié)能模式切換的超前時間，在供熱調(diào)節(jié)上給予時間修正，對電動閥進(jìn)行前饋調(diào)節(jié)，避免下班后預(yù)定時間內(nèi)溫度降不下去、上班前溫度升不上來的情況發(fā)生。同時，實(shí)時采集模式切換后的室外溫度、室內(nèi)溫度及電動閥開度等數(shù)據(jù)，建立自學(xué)習(xí)自尋優(yōu)的降溫（升溫）調(diào)節(jié)模式。

以杏南供熱分公司辦公樓為例，2012年11月10日至11日，夜間最低氣溫-3℃。數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)如表2所示，分時分溫調(diào)節(jié)曲線如圖2所示。

節(jié)能模式工作起始時間可定于15點(diǎn)左右，采取緩慢降溫方式，17點(diǎn)左右采取快速降溫方式，分階段設(shè)定調(diào)控目標(biāo)，直至達(dá)到節(jié)能目標(biāo)溫度。降溫所需時間長，升溫所需時間短，體育館等建筑降溫稍快一些，辦公室降溫稍慢，升溫的時間大致相同。系統(tǒng)為各個建筑記錄大量的控制結(jié)果數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)庫為下一步自尋優(yōu)控制奠定基礎(chǔ)。

3.4 分時分溫控制方法研究

由于建筑物的蓄熱性，使得該系統(tǒng)成為了一個大時滯系統(tǒng)，項(xiàng)目組試驗(yàn)應(yīng)用了PID控制（圖3），控制目標(biāo)曲線與控制結(jié)果曲線相互纏繞，電動閥劇烈、頻繁跳動，對電動閥的使用壽命產(chǎn)生不利影響。由此看出，PID控制效果不夠穩(wěn)定，超調(diào)量較大，振蕩頻繁，收斂速度慢，顯現(xiàn)出PID控制對大時滯系統(tǒng)控制的不足，需加以改進(jìn)。

表1 公共建筑測溫點(diǎn)的安裝明細(xì)

表2 杏南供熱分公司分時分溫數(shù)據(jù)庫

在外圍物業(yè)試驗(yàn)點(diǎn)應(yīng)用了自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的控制方法改進(jìn)PID控制（圖4），收到了較好的控制效果。改進(jìn)PID控制方法：建立自學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫包含室外溫度、室內(nèi)溫度、閥門開度、供水溫度等實(shí)時數(shù)據(jù)；在極值動態(tài)尋優(yōu)的過程中，為加速PID在線整定速度，解決最小均方(LMS)算法（梯度最速下降方法）的穩(wěn)定性以及收斂速度和穩(wěn)態(tài)誤差之間的矛盾，擬采用復(fù)數(shù)型自適應(yīng)變步長的LMS算法，它的權(quán)系數(shù)的調(diào)整取決于誤差曲面在新權(quán)值點(diǎn)上的梯度，達(dá)到收斂速度快、魯棒穩(wěn)定性且運(yùn)算小的目的。

用自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的算法改進(jìn)后的PID控制效果比較理想，曲線形狀優(yōu)良，電動閥除開始降溫和開始升溫時開度變化較大，其他時間運(yùn)行平穩(wěn)，說明控制比較精準(zhǔn)。

3.5 運(yùn)行模式

將整個供暖期間的每一天分成幾個時間段，不同的時間段采用不同的參數(shù)設(shè)置，各個時間段的起始點(diǎn)都可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修改。通過液晶操作面板或監(jiān)控中心上位機(jī)軟件進(jìn)行設(shè)定。

工作模式：是指用于每周工作日上班時的運(yùn)行模式（表3）。運(yùn)行人員設(shè)定樓內(nèi)所需要供暖時間（如7時至18時）和供暖溫度（如20℃），在此段時間內(nèi)閥門打開進(jìn)行供暖，使樓內(nèi)達(dá)到預(yù)設(shè)溫度。

表3 工作模式常規(guī)運(yùn)行時刻

圖2 杏南供熱分公司辦公樓分時分溫調(diào)節(jié)曲線

圖3 單一PID調(diào)節(jié)曲線

圖4 改進(jìn)PID調(diào)節(jié)曲線

節(jié)能模式：是指用于每周工作日下班時的運(yùn)行模式（表4）。當(dāng)下班后樓內(nèi)無人時，如16時后，閥門關(guān)??；當(dāng)樓內(nèi)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)節(jié)能溫度8℃時，按維持當(dāng)前溫度調(diào)節(jié)供熱量，直至第二天5時再提高供熱量，恢復(fù)工作溫度。為防止意外凍壞管路及防止樓內(nèi)溫度過低現(xiàn)象發(fā)生，設(shè)定下限溫度7℃，啟動系統(tǒng)自動保護(hù)式升溫。

節(jié)假日模式：節(jié)假日無人使用時，結(jié)合室外溫度及公共建筑熱力入口供、回水溫度，分時段修正閥門開度，保持建筑物內(nèi)達(dá)到值班溫度即可，全天處于節(jié)能狀態(tài)。另外，還可以直接按照不同的時間段手動給定室內(nèi)目標(biāo)溫度或電動調(diào)節(jié)閥的開度，手動調(diào)節(jié)熱量。

表4 節(jié)能模式常規(guī)運(yùn)行時刻

4 樓宇熱平衡研究

公共建筑在夜間或節(jié)假日流量下調(diào)后，如不采取有效措施，部分流量勢必重新分配到住宅樓等非公共建筑內(nèi)，導(dǎo)致二次網(wǎng)熱量的重新分配。這將打破樓宇間的熱平衡，致使其他建筑夜間及節(jié)假日過熱，散熱損失增加，節(jié)能降耗收效甚微。

因此，要把供熱運(yùn)行建立在計(jì)算機(jī)統(tǒng)一采集公共建筑運(yùn)行參數(shù)、統(tǒng)一分析供熱平衡效果、統(tǒng)一管理平衡控制和統(tǒng)一規(guī)劃供熱量指揮熱力站及熱源運(yùn)行的現(xiàn)代科學(xué)供熱技術(shù)的基礎(chǔ)之上。在熱力站乃至鍋爐房熱量輸配及生產(chǎn)上集中規(guī)劃，實(shí)時調(diào)節(jié)熱力站支線泵運(yùn)行流量，維持樓宇的熱平衡。

在熱力站熱量分配上，適時調(diào)整該公共建筑所在熱力站的總熱量，根據(jù)控溫情況換算出該站的熱負(fù)荷，提前減小或增加該熱力站總熱量。

同時，在該熱力站支線的熱量分配上，保證其他分支正常獲取熱量，調(diào)整該公共建筑所在分支熱量，即調(diào)整該支線循環(huán)總流量。

5 適用性分析

該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)建筑的分時分溫控制以達(dá)到節(jié)能目的，但對公共建筑的熱量調(diào)控方式為整棟樓的集中調(diào)節(jié)，目前尚不能解決對值班值宿房間的熱量補(bǔ)償；且與樓前混水系統(tǒng)存在一定差別，無法解決一些垂直失調(diào)嚴(yán)重的公共建筑供熱調(diào)節(jié)問題。

6 結(jié)論

分時分溫控制系統(tǒng)采用集散控制技術(shù)將整個供暖系統(tǒng)中熱源、熱力站變頻泵和公共建筑供熱負(fù)荷分時段控制集成為一個實(shí)時在線監(jiān)控系統(tǒng)，在提高熱源運(yùn)行效率的同時，實(shí)現(xiàn)了公共建筑的分時分溫供熱控制；并根據(jù)供熱負(fù)荷的變化實(shí)時調(diào)節(jié)熱源、熱力站熱量輸出。在保證供暖質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)了整個供暖系統(tǒng)的整體優(yōu)化節(jié)能。僅從降低公共建筑非用熱時間供暖參數(shù)一項(xiàng)測算，節(jié)能率就可達(dá)11.6%。