供热控制装置和方法
【专利摘要】本发明提供一种供热控制装置，对以热源进行集中供热的供热网络内的多个建筑的供热进行控制，包括：建筑负荷模拟模块，对各个建筑的供热负荷进行模拟，得到各个建筑的供热需求曲线；供热量计算模块，根据供热需求曲线，计算不同时段对各个建筑供热的供热量；以及，供热控制模块，根据计算得到的供热量，对用于调整各个建筑的供热的供热控制单元进行分时段控制。从而，能在确保舒适度的同时，达到节约热能的目的。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种供热控制装置和方法，特别是按照建筑的热能需求量进行自动分 时段供热控制的装置和方法。 供热控制装置和方法
【背景技术】
[0002] 随着社会的发展，能源越来越紧张，节能日益被人们重视。现有的热能供热系统， 尤其是集中供热系统，是按面积计费，并且不考虑建筑本身供热需求特性，统一供热，造成 供热不均匀，过热浪费热能，过冷的区域人体舒适度极差。
[0003] 现有的公知技术中，有根据不同用户的供热需求调整供热的技术，但是，需要通过 人机界面模块输入相应的用户终端供热需求信息，无法通过计算自动分成不同的供热时间 段，那么对于其他因素引起的供热需求变化，就不能对应，从而造成过热或欠热的情况发 生。另外，该公知技术在供热需求高峰时刻，仍然按照热需求量供热，当该高峰时刻总需求 大于最大供热功率时，就会使系统中楼宇的需求供热量都按比例减小，舒适度变差。
【发明内容】
[0004] 本发明正是针对这些问题提出的，提供一种供热控制装置和方法，能够根据不同 类型的建筑、供热需求量以及需求时间段，通过理论计算模拟出每个时间点的热需求，从而 对不同建筑分时段自动调整供热量，在确保舒适度的同时，达到节约热能的目的。
[0005] 本发明的一个方面，提供一种供热控制装置，对以热源进行集中供热的供热网络 内的多个建筑的供热进行控制，包括：建筑负荷模拟模块，对各个建筑的供热负荷进行模 拟，得到各个建筑的供热需求曲线；供热量计算模块，根据供热需求曲线，计算不同时段对 各个建筑供热的供热量；以及，供热控制模块，根据计算得到的供热量，对用于调整各个建 筑的供热的供热控制单元进行分时段控制。
[0006] 本发明的另一个方面，提供一种供热控制方法，对以热源进行集中供热的供热网 络内的多个建筑的供热进行控制，包括：建筑负荷模拟步骤，对各个建筑的供热负荷进行模 拟，得到各个建筑的供热需求曲线；供热量计算步骤，根据供热需求曲线，计算不同时段对 各个建筑供热的供热量；以及，供热控制步骤，根据计算得到的供热量，对用于调整各个建 筑的供热的供热控制单元进行分时段控制。
[0007] 根据本发明，通过建筑特性模拟建筑热需求，通过天气情况，历史数据等其他因素 修正热负荷，并通过曲线拟合找出建筑供热规律，自动将供热按需求分时段，按实际需求供 热，不会出现过热或欠热的情况；另外，通过增加了在供热高峰时段对于需要供热的建筑进 行分别间歇供热，保证了建筑的温度在合适的舒适度范围内，舒适度良好。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 图1是本发明的实施例1的供热系统的结构图。
[0009] 图2是表示实施例1的供热系统的供热控制装置3的结构的框图。
[0010] 图3是表示供热控制装置3实施的控制的流程的流程图。
[0011]图4是表示建筑负荷模拟模块31计算供热终端5的供热曲线的子流程的流程图。 [0012] 图5表示计算得到的供热需求曲线的一例。
[0013] 图6表示根据预报温度修正后的供热需求曲线的一例。
[0014] 图7表示通过方波拟合将供热需求曲线拟合为方波曲线的一例。
[0015] 图8是表示实施例2的供热控制装置3A的结构的框图。
[0016] 图9表示将各个建筑的供热需求曲线累加得到的总供热需求曲线的一例。
[0017] 图10表示供热控制装置3A实施的控制的流程的流程图。
[0018] 图11表示用热高峰交替供热调度单元321实施用热高峰交替供热调度的子流程 的流程图。
[0019] 图12表示对供热高峰的供热控制图进行交替供热调度后的结果。
[0020] 图13表示交替供热调度期间的建筑物内的温度变化。
【具体实施方式】
[0021] 本发明的供热控制装置，是一种按照建筑的热能需求量进行分时段供热控制装 置。对于不同类型的建筑，供热需求量以及需求时间段都是不同的，根据建筑自身的特点， 本发明首先通过理论计算模拟出每个时间点的热需求，得到一天中的供热需求曲线，再通 过方波曲线拟合，得到分时段的供热需求，进行自动分时段供热。而且，还能根据历史数据 和天气情况对供热需求曲线进行修正，得到更为准确的分时段的供热需求。根据确定的供 热需求，供热控制装置确定各个时段向每个建筑供热的热量的大小。另外，在供热的高峰时 段，当总供热需求于热源的总供热能力时，进一步根据建筑的供热需求以及保温性等特性， 对建筑进行分组来进行交替供热，从而在保证舒适度基本不变的情况下，使热源的供热功 率维持平衡。
[0022] 以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
[0023] 实施例1
[0024] 图1是供热系统的结构图，由热源1、供热管路2、供热控制装置3、供热控制单元4 以及供热终端5组成。
[0025] 供热管路2,是热量输送的管路，用于将热量由集中供热的热源产生中心输送到供 热终端，形成供热网络。
[0026] 供热控制装置3,设置在供热的总控制中心，是对以热源1进行集中供热的供热网 络内的各个供热终端5的供热进行控制。
[0027] 供热控制单元4,用于对提供给供热终端5的供热量进行控制，可以设置在供热终 端5内或者供热终端5外。例如，可以包括用于与总控制中心通信的通信单元、采集供热终 端的信息的终端信息采集单元和用于对供热流量进行控制的流量控制单元等。
[0028] 供热终端5,是接受供热的建筑，例如住宅、商业建筑办公楼等。图2是表示供热控 制装置3的结构的框图。供热控制装置3,由建筑负荷模拟模块31、供热量计算模块32、供 热控制模块33、供热信息采集模块34构成。
[0029] 建筑负荷模拟模块31，对供热终端5的供热负荷进行模拟，得到各个建筑的供热 需求曲线。例如，可以使用热平衡方法来模拟建筑负荷。热平衡法由建筑外表面热平衡、建 筑体热平衡、内表面热平衡和室内空气热平衡方程式组成，方程联立可以求解各表面温度 和室内空气温度，一旦确定目标温度，就可以得到供热需求曲线。具体在后文中进行说明。
[0030] 建筑负荷模拟模块31，还包括气候补偿修正单元311、曲线拟合单元312、和历史 数据修正单元313。
[0031] 气候补偿修正单元311，用于根据当日的天气信息，对得到的供热需求曲线进行实 时修正。具体在后文中进行说明。
[0032] 曲线拟合单元312,用于通过方波拟合将由气候补偿修正单元修正的供热曲线拟 合为方波曲线。具体在后文中进行说明。
[0033] 历史数据修正单元313,用于根据历史数据对方波拟合后的方波曲线进行修正。具 体在后文中进行说明。
[0034] 供热量计算模块32,根据建筑负荷模拟模块31得到的供热需求曲线，计算对各个 建筑提供的供热量。
[0035] 供热控制模块33,与供热控制单元4连接，根据供热量计算模块32计算得到的供 热量，对用于调整供热终端5的供热量的供热控制单元4进行控制。
[0036] 供热信息采集模块34,例如通过温度传感器采集供回水温度，流量传感器采集供 热流量等，用于让供热控制模块33闭环反馈调整对供热控制单元4施加的控制量请确认修 改。图2中供热信息采集模块34虽然设置在供热控制装置3之内，但也可以设置在供热控 制装置3之外。
[0037] 图3是表示供热控制装置3实施的控制的流程的流程图。
[0038] 在步骤301，从各个供热终端3获取与供热相关的数据，包括作为供热终端3的建 筑的基本信息、设定的温度时间表、最高温度、最低温度等，用于供热控制。
[0039] 在步骤302,建筑负荷模拟模块31，对各个建筑的供热负荷进行模拟，得到各个建 筑的供热需求曲线。该步骤的详细，在后文中结合图4进行说明。
[0040] 在步骤303,供热量计算模块32,根据建筑负荷模拟模块31求出的供热需求曲线， 计算对供热终端5提供的供热量。
[0041] 在步骤304,供热控制模块33,根据供热量计算模块32计算得到的供热量，对用于 调整供热终端5的供热量的供热控制单元4进行控制。
[0042] 步骤305,当供热网络内的某个建筑的供热需求发生变化时，返回至步骤201。
[0043] 图4是表示建筑负荷模拟模块31计算供热终端5的供热曲线的子流程（步骤302) 的流程图。
[0044] 在步骤401，供热控制装置3读取建筑的温度设定曲线。这里温度设定曲线是指 在某一供热终端中，根据建筑的使用特性设定的不同时间段的舒适温度表。比如办公室8 : 00?18 :00设定20度，18 :00?8 :00设定10度等。
[0045] 在步骤402,建筑负荷模拟模块31根据温度设定曲线，用热平衡方法模拟建筑的 供热负荷。如上，热平衡法由建筑外表面热平衡、建筑体热平衡、内表面热平衡和室内空气 热平衡方程式组成，方程联立可以求解各表面温度和室内空气温度。即根据温度设定曲线， 能够得到该建筑的供热需求曲线。图5表示计算得到的供热需求曲线的一例，其中供热需 求（Q)可以表示为时间（t)的函数，S卩Q = f(T)。另外，也可以通过式1，根据设计工况下 的热负荷来进行推算。
[0046] 【式1】 「 n Q'irn-tw)
[0047] Q 二=--- tnr-t\v'
[0048] Q' 一--设计工况下的建筑热负荷；
[0049] tn' 一--设计工况下的室内计算温度；
[0050] tw' 一--设计工况下的室外计算温度
[0051] Q 实际建筑热负荷；
[0052] tn--室内温度；
[0053] tw--室外温度；
[0054] 在步骤403,由气候补偿修正单元311，根据读取的天气信息对供热需求曲线进行 实时修正。例如，可读取本日天气预报，得到每小时的预报温度，根据预报温度来修正供热 需求曲线。图6表示根据预报温度修正后的供热需求曲线的一例。
[0055] 在步骤404,由曲线拟合单元312通过方波拟合将该建筑的供热需求曲线拟合为 方波曲线，如图7所示。由此，能够自动生成对供热进行分时段调整的目标，无需进行手动 输入。
[0056] 作为方波拟合的具体方法，考虑：
[0057] 1.结合供热控制单元4的控制精度来确定拟合的方波的阶梯。一般来说，供热控 制单元4中用于控制供热流量的阀门是阶梯性变化的而不是连续的，所以，供热控制装置3 的给出的供热量也应当是阶梯变化的。因此，进行方波拟合时，要以此为拟合基准。
[0058] 2.在符合以上基准的前提下，要使拟合后的方波曲线的面积最小，也就是最逼近 真实的供热需求曲线。这样能保证准确性。
[0059] 在步骤405,考虑热惯性的影响，建筑负荷模拟模块31进一步计算与确定在特定 时间点提前或滞后进行供热的时间。例如，以办公建筑为例，考虑上班的时点，计算用于进 行提前预热的T1时刻，可以使上班时刻达到供热温度。考虑下班的时点，计算用于进行提 前减小供热功率的T2时刻，可以使下班时的温度维持在下限。根据T1、T2等特定时刻的信 息，对供热需求曲线进行修正。
[0060] 在步骤406,由历史数据修正单元313根据历史数据，对拟合完毕的方波进行修 正，得到适于由供热控制单元4实施供热量调整的供热控制图。
[0061] 根据本实施例的供热控制装置3,能够自动生成供热网络内各个建筑的供热需求 曲线，并由供热控制单元4对各个建筑的供热量进行调整。进而，还可以考虑天气因素、供 热控制单元4中的阀门等的特性、建筑中一些特定时点以及历史数据等，生成供热控制图， 来进行更为精确的控制。
[0062] 实施例2
[0063] 图8是表示供热控制装置3Α的结构的框图，其与实施例1的供热控制装置3的区 别在于，供热控制装置3Α的供热量计算模块32Α，还具备用热高峰交替供热调度单元321。 对于与实施例1相同的部分赋予同样的符号并省略说明。
[0064] 供热量计算模块32Α与供热量计算模块32的区别在于，还将各个建筑的供热需求 曲线累加，得到总供热需求曲线，并在判断为存在超过热源的最大供热能力的情况下，由用 热高峰交替供热调度单元321对所述供热需求曲线中的所述高峰时段进行交替供热调度。 图9表示将各个建筑的供热需求曲线累加得到的总供热需求曲线的一例。
[0065]用热高峰交替供热调度单元321，在总供热需求曲线中存在超过热源的最大供热 能力的高峰的情况下，根据高峰时段各个建筑所需的供热量，将各个建筑划分为两个供热 组，让各供热组的总和供热量彼此最为接近的方式且让同一供热组中的各个建筑的保温特 性近似，并以在每规定周期中对各个供热组交替进行按需供热和维持供热的交替供热方 式，对所述供热需求曲线中的所述高峰时段进行交替供热调度，来计算出对各个建筑提供 的供热量。这一过程参照图10进行具体说明。
[0066] 图10表示供热控制装置3A实施的控制的流程的流程图。其与供热控制装置3 实施的控制的流程的区别在于，在步骤302得到各个建筑的供热需求曲线后，执行步骤 1010 ?1012。
[0067] 在步骤1010,将各个建筑的供热需求曲线累加得到的总供热需求曲线。
[0068] 在步骤1011，判断总供热需求曲线中是否存在超过热源的最大供热能力的高峰。 在不存在这一高峰的情况下，进入步骤303进行正常的按需供热，否则进入步骤1012实施 用热高峰调度处理。
[0069] 在步骤1012,用热高峰交替供热调度单元321根据各个建筑的供热高峰时段所需 的供热量，将各个建筑按照总和供热量彼此最为接近的方式划分为两个供热组，并以在每 规定周期中对各个供热组交替进行按需供热和维持供热的交替供热方式，对所述供热需求 曲线中的所述高峰时段进行交替供热调度，来计算出对各个建筑提供的供热量后，进入步 骤 303。
[0070] 这里所进行的控制总体思想是，在用热高峰时刻，根据楼的特性进行分组，分为两 组进行交替供热。若设总的供热需求是Q，则Q为各个建筑1?η的供热需求Q1?Qn之 和，即 Q = Q1+Q2+. · · +Qn
[0071] 通过计算，找出将所有需要供热的建筑分为两组，让这两组的供热功率近似相等， Q1+Q3+...?Q2+Q4+....。同时，由于要确保每一个建筑的温度都不会低于设定温度，因此 考虑到交替的效率，需要让每一组中各个建筑的保温特性近似。即，当设在维持供热的情况 下，各个建筑1?η中由最高温度降低到最低温度所花费的下降时间为tl?tn时，希望各 组中的建筑的t彼此接近。所谓维持供热是指，以维持在不会对供热系统造成损害的最低 供热温度的方式进行供热。
[0072] 这里，参照图11，对步骤1012中用热高峰交替供热调度单元321进行的处理流程 进行说明。
[0073] 在步骤1101，读取各个建筑中设定的最高温度和最低温度。这里，也可以是根据用 户设定的目标温度配合舒适温度的范围来推算出最高温度和最低温度。
[0074] 在步骤1102,根据读取的最高温度和最低温度，计算在维持供热的情况下，各个建 筑由最高温度降低到最低温度所花费的温度下降时间tl?tn。作为计算方法可以采取任 何公知的方法，例如可对于不同建筑，计算在外界气候条件及其他条件都相同的情况下，停 止供暖，由一个高温度降低到一个低温度需要的时间，比如由22度到18度。t = f(墙面散 热系数，墙面面积，窗户散热系数，窗户面积等）。
[0075] 在步骤1103,对tl?tn进行排序，得到这些房屋保温性的排序。并按照供热功率 之和彼此最为接近的方式，将这些负载分为两组。优先考虑保温性，根据保温性进行分组， 原则是两组的供热功率之和彼此最为接近；作为分组结果的一例，例如表1所示。
[0076]【表1】
[0077] 楼1 楼2 楼5 楼3 楼4 t 1小时~1. 5小时1. 7小时2小时~2. 5小时~ Q 10 32 22 41 33 第一组第一组第一组第二组第二组
[0078] 对以上5个楼以t进行排序，由低到高；然后依次计算两组的供热功率，10+32+22 =64,41+33 = 74,完成分组。
[0079] 不过，此过程是一个动态平衡的过程，当任何一个楼宇的热负荷发生变化，那么重 新计算重新分组，匹配交替供热；
[0080] 在步骤1104,对这两组建筑进行交替供热调度，将交替时间间隔设为各组中最小 的时间t，以保证组内所有建筑的舒适度。例如在图12所示的例子中，以建筑X的t为第 一组的交替时间间隔、即G1组最长维持供热tGl，以建筑Y的t为第二组的交替时间间隔、 即G2组最长维持供热tG2 (配合图12修改）。tGl+tG2为一个周期。图12表示对供热高 峰的供热控制图进行交替供热调度后的结果。由于维持供热下的降温和按需供下的升温有 一个时间过程，因此建筑内的温度如图13所示。
[0081] 根据本发明的实施例2,在出现供热高峰的期间，通过用热高峰交替供热调度单元 321将各个供热终端5分为保温性相对好和保温性相对差且总热负荷接近的两组来进行交 替供热调度，从而能够最大限度地确保各个供热终端的温度在舒适范围内，避免出现个别 供热终端的温度过低。
[0082] 至此，结合上述的实施例以及变形例对本发明进行了说明，但本发明并非限定于 此，可以在不脱离本发明的主旨的范围内进行任意的变更、组合，这些都应当被理解为包含 在本发明的范围之内。
【权利要求】
1. 一种供热控制装置，对以热源进行集中供热的供热网络内的多个建筑的供热进行控 制，包括： 建筑负荷模拟模块，对各个建筑的供热负荷进行模拟，得到各个建筑的供热需求曲 线. 供热量计算模块，根据供热需求曲线，计算不同时段对各个建筑供热的供热量；以及， 供热控制模块，根据计算得到的供热量，对用于调整各个建筑的供热的供热控制单元 进行分时段控制。
2. 根据权利要求1的供热控制装置，其特征在于， 建筑负荷模拟模块，还包括：气候补偿修正单元，曲线拟合单元，历史数据修正单元， 所述气候补偿修正单元，根据天气信息，对供热需求曲线进行实时修正， 所述曲线拟合单元，通过方波拟合将由气候补偿修正单元修正的供热需求曲线拟合为 方波曲线， 所述历史数据修正单元，根据供热的历史数据对方波拟合后的方波曲线进行修正。
3. 根据权利要求2的供热控制装置，其特征在于， 所述曲线拟合单元，根据供热控制单元的控制精度来确定拟合的方波的阶梯，并且使 拟合后的方波曲线的面积最小。
4. 根据权利要求1的供热控制装置，其特征在于， 供热量计算模块，还将各个建筑的供热需求曲线累加，得到总供热需求曲线， 供热量计算模块还包括：用热高峰交替供热调度单元，在总供热需求曲线中存在超过 热源的最大供热能力的高峰时段的情况下，根据高峰时段各个建筑所需的供热量，将各个 建筑划分为两个供热组，让各供热组的总和供热量彼此最为接近的方式且让同一供热组中 的各个建筑的保温特性近似，并以在每规定周期中对各个供热组交替进行按需供热和维持 供热的交替供热方式，在所述总供热需求曲线中的所述高峰时段中进行交替供热调度。
5. 根据权利要求4的供热控制装置，其特征在于， 所述维持供热，是指以维持不会对供热系统造成损害的最低供热温度进行供热。
6. 根据权利要求1的供热控制装置，其特征在于， 根据与建筑相关的特定时间点，按照提前或滞后供热的方式对供热需求曲线进行修 正。
7. 根据权利要求4的供热控制装置，其特征在于， 供热量计算模块，以各组中保温特性最差的建筑的温度下降时间作为该供热组在所述 规定周期中的维持供热的期间， 以所述两个供热组的维持供热的期间之和作为所述规定周期。
8. -种供热控制方法，对以热源进行集中供热的供热网络内的多个建筑的供热进行控 制，包括： 建筑负荷模拟步骤，对各个建筑的供热负荷进行模拟，得到各个建筑的供热需求曲 线. 供热量计算步骤，根据供热需求曲线，计算不同时段对各个建筑供热的供热量；以及， 供热控制步骤，根据计算得到的供热量，对用于调整各个建筑的供热的供热控制单元 进行分时段控制。
【文档编号】F24D19/10GK104121622SQ201310155918
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2013年4月28日 优先权日:2013年4月28日
【发明者】张志霞, 叶涛, 李超 申请人:株式会社日立制作所