徐 沖， 王海超

(大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116085)

1 概述

與氣候條件相似的一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)單位面積建筑耗熱量高出1～2倍，供暖節(jié)能潛力巨大［1－3］。有研究者認(rèn)為，在我國(guó)集中供熱系統(tǒng)中，熱源、熱網(wǎng)、用戶的節(jié)能潛力分別為10%～15%、2%～4%、18%～26%［4］，由此可知，用戶的節(jié)能潛力更大。用戶側(cè)能耗過(guò)高的主要原因有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能差、熱計(jì)量方法不合理、室溫調(diào)節(jié)機(jī)制不完善等［5］。增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫層厚度、安裝熱計(jì)量裝置在降低供暖能耗方面可取得一定成效，在以上基礎(chǔ)上增加室內(nèi)溫控裝置可以進(jìn)一步節(jié)約供暖能耗，并在一種程度上實(shí)現(xiàn)按需供熱，符合智慧供熱發(fā)展的需要［6］。

目前，我國(guó)有條件的供熱系統(tǒng)除采用二級(jí)管網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)外，主要通過(guò)在散熱器支管上安裝手動(dòng)調(diào)節(jié)閥、溫控閥來(lái)調(diào)節(jié)散熱器水流量，從而改變室內(nèi)溫度。但供暖期很少有用戶利用溫控裝置進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，甚至出現(xiàn)調(diào)節(jié)措施不當(dāng)，導(dǎo)致部分建筑室內(nèi)溫度過(guò)高，發(fā)生用戶開(kāi)窗散熱，供暖能耗浪費(fèi)嚴(yán)重。因此，通過(guò)采用室溫控制技術(shù)維持室溫穩(wěn)定，可保證房間的熱舒適性，減少開(kāi)窗散熱等無(wú)效熱損失，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。本文對(duì)供暖室內(nèi)溫度控制技術(shù)進(jìn)行綜述。

2 室溫控制技術(shù)現(xiàn)狀分析

歐洲自20世紀(jì)70年代起實(shí)施供熱計(jì)量收費(fèi)，對(duì)供熱系統(tǒng)以及用戶的節(jié)能措施格外重視，特別是室溫控制、熱計(jì)量、熱網(wǎng)水力平衡調(diào)節(jié)技術(shù)等方面［7］。在這些方面，德國(guó)、芬蘭、瑞典等國(guó)處于世界領(lǐng)先水平，具有完善的末端溫度控制系統(tǒng)及熱計(jì)量收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)［8］。德國(guó)大部分住宅建筑有集中供暖自動(dòng)控制中心，可根據(jù)室外溫度的變化對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。芬蘭77%左右的住宅樓室內(nèi)溫度通過(guò)安裝在散熱器上的恒溫閥來(lái)控制［9］。在瑞典，住宅建筑內(nèi)的散熱裝置采用分檔調(diào)節(jié)，最高檔一般不超過(guò)25℃，最低檔則可完全關(guān)閉散熱裝置。波蘭供暖建筑內(nèi)的動(dòng)態(tài)變流量自控系統(tǒng)可使用戶設(shè)定不同室溫［10］。美國(guó)的供暖系統(tǒng)具有預(yù)設(shè)功能，可在上班前的一段時(shí)間自動(dòng)關(guān)閉，在下班前的一段時(shí)間自動(dòng)開(kāi)啟，不僅保證供暖質(zhì)量，而且減少了無(wú)人時(shí)段的熱量浪費(fèi)［11］。

與國(guó)外相比，我國(guó)供熱系統(tǒng)缺乏熱計(jì)量裝置的使用及室溫調(diào)控方法，用戶很難實(shí)現(xiàn)用熱量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。用戶對(duì)熱量的概念不清楚，按面積收費(fèi)的計(jì)費(fèi)機(jī)制也導(dǎo)致部分用戶節(jié)能的積極性不高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)由于開(kāi)窗散熱而造成的熱量浪費(fèi)占總供熱量的30%以上［12］。

3 室溫控制裝置和相變蓄熱

3.1 室溫控制裝置

20世紀(jì)40年代丹麥發(fā)明了散熱器溫控閥，奠定了室溫調(diào)控技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)。散熱器溫控閥由恒溫控制器、流量調(diào)節(jié)閥以及連接件組成，恒溫控制器的核心部件(溫包)感應(yīng)環(huán)境溫度變化而產(chǎn)生體積變化，帶動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥芯產(chǎn)生位移，進(jìn)而調(diào)節(jié)散熱器的水流量來(lái)改變散熱量，最終實(shí)現(xiàn)室溫控制［13］。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)散熱器溫控閥在供暖室溫控制中的應(yīng)用進(jìn)行了大量研究，Monetti等人［14］采用EnergyPlus軟件對(duì)意大利某住宅建筑使用散熱器溫控閥后的供暖能耗進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真模擬，結(jié)果表明使用散熱器溫控閥可以顯著節(jié)約能源，節(jié)能范圍為2%～10%。Tahersima等人［15］在采用散熱器溫控閥的基礎(chǔ)上，提高了圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能，供暖能耗下降了50%。Zhang Lipeng等人［16］采取散熱器溫控閥與熱力入口壓差控制閥相結(jié)合的方式，與沒(méi)有壓力或流量控制的情況相比，該方式實(shí)現(xiàn)了所需的流量分布并且室內(nèi)溫度更加接近設(shè)計(jì)溫度。他們還以北京、哈爾濱的建筑為例，仿真驗(yàn)證通過(guò)設(shè)置散熱器溫控閥可以將室內(nèi)溫度維持基本恒定，耗熱量和循環(huán)泵功耗也明顯下降，但投資較大，調(diào)試比較復(fù)雜［17］。

散熱器溫控閥在我國(guó)新建建筑中應(yīng)用較多。目前，我國(guó)北方地區(qū)居住建筑常用的供暖方式為散熱器供暖與地面輻射供暖。當(dāng)使用散熱器供暖時(shí)，安裝在散熱器供水管上的溫控閥依據(jù)室溫進(jìn)行水流量的調(diào)節(jié)，從而維持室內(nèi)溫度穩(wěn)定。當(dāng)使用地面輻射供暖時(shí)，室溫調(diào)節(jié)一般有3種方式:一是，在用戶入口處的分水器各出口支路上分別設(shè)置手動(dòng)調(diào)節(jié)閥。二是，在分水器進(jìn)口主路上設(shè)置溫控閥，各出口支路上安裝手動(dòng)調(diào)節(jié)閥，根據(jù)室內(nèi)平均溫度控制溫控閥的啟閉。三是，在分水器各出口支路上分別安裝溫控閥，從而達(dá)到分室控溫的目的［18］。

上述室溫調(diào)節(jié)方式仍存在一些問(wèn)題，散熱器供暖時(shí)調(diào)節(jié)溫控閥會(huì)造成管網(wǎng)水力失調(diào)，而地面輻射供暖有較大的蓄熱性，實(shí)時(shí)控制難度較大。為了更好地進(jìn)行室溫調(diào)節(jié)，有關(guān)學(xué)者進(jìn)行了研究和實(shí)驗(yàn)，并采用和吸取了國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)，取得了一定的成果。徐寶萍等人［19］分析了溫控閥控制過(guò)程并建立各部件的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，對(duì)不同運(yùn)行工況及熱擾作用下散熱器流量、室溫等變量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行仿真模擬，并對(duì)北京某小區(qū)供熱系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在溫控閥保持全開(kāi)狀態(tài)以及按作息規(guī)律進(jìn)行調(diào)節(jié)的情況下，回水溫度及室溫模擬值與實(shí)測(cè)值的最大偏差均小于1℃，表明了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

李爽［20］研究了既定室溫下溫控閥調(diào)節(jié)對(duì)供暖房間的動(dòng)態(tài)影響，結(jié)果表明當(dāng)室溫設(shè)定值為設(shè)計(jì)溫度時(shí)，在溫控閥的調(diào)節(jié)下室溫可滿足用戶需求。當(dāng)室溫設(shè)定值較低時(shí)，溫控閥關(guān)至最小時(shí)失去調(diào)節(jié)作用，不能滿足用戶的要求。

邵博等人［21］對(duì)采用地面輻射供暖系統(tǒng)并安裝溫控閥的計(jì)量供熱用戶進(jìn)行實(shí)測(cè)以及DeST軟件模擬，分析間歇用熱模式(8:00—17:00關(guān)閉溫控閥，其他時(shí)段開(kāi)啟)用戶室內(nèi)溫度的變化，但其模擬結(jié)果建立在周?chē)徥覟檫B續(xù)用熱條件下，具有一定局限性，應(yīng)考慮周?chē)徥业膶?shí)際用熱方式。

國(guó)外的溫控設(shè)備技術(shù)己經(jīng)相當(dāng)成熟，比如丹麥生產(chǎn)的戶用溫控閥，采用了連續(xù)變流量調(diào)節(jié)方式，可以精確控制室溫，但價(jià)格比較高，回收期往往需要3 a以上。相對(duì)于國(guó)外，我國(guó)在室溫控制方面的自動(dòng)化程度不高，熱計(jì)量方法也不普遍，但也從側(cè)面反映出我國(guó)室溫控制技術(shù)應(yīng)用的巨大潛力。

3.2 相變蓄熱

將相變蓄熱技術(shù)與室溫控制技術(shù)相結(jié)合，不僅可以提高室內(nèi)熱舒適性，而且對(duì)降低供暖能耗有重大意義，因此有待進(jìn)一步研究。

相變材料具有蓄熱密度高、蓄熱溫度恒定以及材料熱穩(wěn)定性較好等特點(diǎn)，通過(guò)夜間蓄熱、白天放熱來(lái)滿足室內(nèi)舒適性要求，能有效解決能量在時(shí)間和空間上供需不匹配的問(wèn)題并產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益［22］。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)相變蓄熱技術(shù)在供暖室溫控制方面的應(yīng)用進(jìn)行了一些研究。在相變材料的性能方面，Ostry等人［23］指出建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱能力在建筑室溫控制中起著重要的作用，將相變材料應(yīng)用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)是解決建筑蓄熱能力不足的有效途徑。在相變材料的封裝技術(shù)方面，Rathore等人［24］將相變材料封裝到圍護(hù)結(jié)構(gòu)中進(jìn)行蓄熱，Stritih等人［25］利用TRNSYS軟件開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)了一種填滿不同相變材料的復(fù)合墻體。以上兩項(xiàng)研究，均可起到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度、將高峰負(fù)荷轉(zhuǎn)移到非高峰時(shí)段、降低建筑能耗的作用。

在供暖系統(tǒng)方面，夏燚等人［26］提出了一種雙層相變蓄熱地面輻射供暖系統(tǒng)，供水溫度為40℃時(shí)，室溫可維持在16.5℃以上。雷永康［22］設(shè)計(jì)了適用于民用住宅供暖的相變蓄熱水箱，模擬結(jié)果表明滿足供暖溫度需求，但體積較大，制作、運(yùn)輸、維修較困難。李志永［27］建立了太陽(yáng)能－相變蓄熱－新風(fēng)供暖系統(tǒng)及耦合傳熱模型，并提出了系統(tǒng)運(yùn)行控制策略，確保了房間新風(fēng)送風(fēng)溫度的穩(wěn)定，但不能使房間溫度維持穩(wěn)定。WEI Fanrong等人［28］提出了一種適用于智能建筑能源管理的新型相變材料儲(chǔ)能系統(tǒng)及相應(yīng)的熱電聯(lián)合兩級(jí)調(diào)度策略，相變材料儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電力的削峰填谷，實(shí)時(shí)的熱電控制可以緩解電力和室內(nèi)溫度波動(dòng)，降低了建筑的運(yùn)行成本，但投資較高。

綜上所述，國(guó)外學(xué)者對(duì)相變蓄熱技術(shù)在供暖室溫控制的研究集中在相變材料的性能及封裝技術(shù)方面，而國(guó)內(nèi)的研究集中在供暖系統(tǒng)上，主要包括地面輻射供暖、散熱器供暖、太陽(yáng)能供暖、谷電蓄熱供暖系統(tǒng)等。盡管相變材料的研究取得了一定的成果，但相變材料的高成本是影響其使用的主要因素之一［29］。

4 供暖室溫的控制算法

4.1 控制算法類(lèi)型

室內(nèi)溫度的控制應(yīng)選擇合適的控制算法，通過(guò)計(jì)算、控制、調(diào)節(jié)使室內(nèi)溫度滿足用戶需求，因此供暖室溫智能化控制是提高室內(nèi)供暖質(zhì)量、建筑節(jié)能的一項(xiàng)重要技術(shù)。

劉爽［30］設(shè)計(jì)了控制室溫自校正模糊控制器，仿真結(jié)果表明室內(nèi)溫度控制效果較好，但在仿真過(guò)程中設(shè)定供水溫度不隨室溫變化，而且沒(méi)有考慮熱網(wǎng)的滯后性。高秀娟［31］依據(jù)PID控制系統(tǒng)、DMC(動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè))控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了室溫DMC－PID串級(jí)控制系統(tǒng)，用戶可自主調(diào)節(jié)室溫，相對(duì)于獨(dú)立的PID或DMC控制系統(tǒng)，響應(yīng)速度快，超調(diào)量小，但對(duì)管網(wǎng)水力工況有較大影響。

徐樹(shù)慶［32］設(shè)計(jì)了專家控制器對(duì)室溫進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)一些復(fù)雜的和具有不確定性過(guò)程的被控對(duì)象的控制，針對(duì)不同建筑的供暖需求，采取分時(shí)供暖的策略。針對(duì)室內(nèi)溫度的控制，采用了模糊控制與室內(nèi)溫度預(yù)測(cè)模型相結(jié)合的調(diào)節(jié)方法，減小了超調(diào)量，實(shí)現(xiàn)合理用熱，但沒(méi)有兼顧其他建筑和熱力站的調(diào)控。

孫大海等人［33］研制了以單片機(jī)89C51為硬件核心、模糊控制為軟件核心的供暖單戶室溫調(diào)控系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)預(yù)先設(shè)定的溫度進(jìn)行模糊計(jì)算，控制閥門(mén)開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)，單戶室溫調(diào)控較好。

雖然國(guó)內(nèi)外的室內(nèi)溫控技術(shù)取得較大的進(jìn)步，對(duì)降低供暖能耗起到一定作用，但由于室溫控制具有滯后性、非線性、耦合性的特點(diǎn)，在維持室溫穩(wěn)定時(shí)需要考慮多因素的影響以及對(duì)其他建筑和熱力站、熱源的影響，從而實(shí)現(xiàn)真正的節(jié)能。

4.2 模型預(yù)測(cè)控制

除PID控制、DMC控制外，模型預(yù)測(cè)控制(Model Predictive Control，MPC)也在供暖室溫控制方面得到了應(yīng)用。模型預(yù)測(cè)控制是一種基于模型的閉環(huán)優(yōu)化控制策略，對(duì)系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)及預(yù)測(cè)模型在線反復(fù)優(yōu)化計(jì)算、滾動(dòng)實(shí)施控制作用并進(jìn)行模型誤差的反饋校正，可以消除被控變量的偏差［34］。

由于模型預(yù)測(cè)控制效果好，魯棒性強(qiáng)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于模型預(yù)測(cè)對(duì)室溫的控制進(jìn)行了研究。Cho等人［35］為提高間歇加熱供暖的用能效率，將模型預(yù)測(cè)控制用于輻射地面供暖，相比于傳統(tǒng)控制，冬季可以節(jié)能10%～20%。Privara等人［36］提出使用模型預(yù)測(cè)控制器來(lái)控制室溫，測(cè)試結(jié)果表明與氣候補(bǔ)償控制器控制相比節(jié)能17%～24%。歷秀明等人［37］提出基于Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)多步預(yù)測(cè)模型的室溫預(yù)測(cè)控制方法，試驗(yàn)研究結(jié)果顯示可以滿足末端室溫控制要求。謝流駿等人［38］設(shè)計(jì)了一套應(yīng)用于樓宇溫度控制系統(tǒng)中的分散模型預(yù)測(cè)控制器，對(duì)集中算法和分散算法的仿真結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明利用分散算法能夠使樓宇的各個(gè)房間快速達(dá)到期望的溫度，但沒(méi)有權(quán)衡解耦程度與系統(tǒng)整體性能之間的關(guān)系。陳亮［39］將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)控制運(yùn)用到具有非線性、大慣性且時(shí)變的VAV空調(diào)末端室溫控制系統(tǒng)中，并基于MATLAB/Simulink進(jìn)行仿真研究，驗(yàn)證了其可行性。由以上分析可知，目前的模型預(yù)測(cè)控制大多集中在通風(fēng)空調(diào)領(lǐng)域，對(duì)集中供暖室內(nèi)溫度控制的研究比較少。

模型預(yù)測(cè)控制離不開(kāi)能耗模擬與控制算法，但能耗模擬軟件缺少控制與優(yōu)化功能。勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的BCVTB軟件實(shí)現(xiàn)了能耗模擬軟件EnergyPlus與MATLAB的連接［40］。

劉羽岱等人［41］建立了TRNSYS與MATLAB聯(lián)合仿真平臺(tái)，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化進(jìn)行仿真并驗(yàn)證空調(diào)系統(tǒng)的模型預(yù)測(cè)控制策略，結(jié)果表明此策略在夏季典型工況日和過(guò)渡期工況日比溫度固定值策略(固定冷水供水溫度)分別節(jié)能 15.5%、9.6%，但由于模型復(fù)雜，優(yōu)化時(shí)間比較長(zhǎng)。于曉諭［42］設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于EnergyPlus+MATLAB的建筑能耗聯(lián)合仿真平臺(tái)，采用模型預(yù)測(cè)控制算法實(shí)現(xiàn)建筑運(yùn)行節(jié)能控制，結(jié)果表明該算法可降低建筑運(yùn)行能耗，但聯(lián)合仿真平臺(tái)的功能還需完善。

Jingran Ma 等人［43］將 EnergyPlus與 MATLAB連接起來(lái)，提出一種基于經(jīng)濟(jì)模型預(yù)測(cè)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，對(duì)實(shí)時(shí)不確定性和約束條件下的商業(yè)建筑仿真，結(jié)果表明，在分時(shí)電價(jià)下，該策略可降低用電成本及建筑能耗，但在MATLAB中只識(shí)別了溫度和功耗模型，忽略了其他因素的影響。Pean等人［44］建立了TRNSYS與MATLAB協(xié)同仿真框架，針對(duì)西班牙配有熱泵機(jī)組的住宅建筑，在夏季和冬季測(cè)試了模型預(yù)測(cè)控制效果，提高了能源利用靈活性以及系統(tǒng)熱效率。

5 結(jié)論

與國(guó)外相比，我國(guó)供熱系統(tǒng)缺乏熱計(jì)量裝置的使用及室內(nèi)溫度調(diào)控方法，用戶很難實(shí)現(xiàn)用熱量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。用戶對(duì)熱量的概念不清楚，按面積收費(fèi)的計(jì)費(fèi)機(jī)制也導(dǎo)致部分用戶節(jié)能的積極性不高。國(guó)外的室內(nèi)溫控設(shè)備己經(jīng)相當(dāng)成熟，我國(guó)在室溫控制方面的自動(dòng)化程度不高。將相變蓄熱技術(shù)與室內(nèi)溫度控制相結(jié)合，不僅可以提高室內(nèi)熱舒適性，而且對(duì)降低供暖能耗有重大意義。在供暖室內(nèi)溫度的控制算法中，除傳統(tǒng)PID控制外，模型預(yù)測(cè)控制(MPC，基于模型的閉環(huán)優(yōu)化控制策略)以及與其關(guān)系密切的能耗模擬與控制算法將成為今后發(fā)展的方向。