基于流体传热建模的雾计算三级网供热控制系统的制作方法

本发明涉及一种智慧供热控制设备，尤其涉及一种基于流体传热建模的三级网智慧供热系统。

背景技术：

目前供热末端，比如小区楼宇供热和农村村镇供热均采用粗放式控制模式，基本为手动阀门控制；而且位于同一根母管的热用户入户阀门都为全开状态，由于楼层静压差和用户阻力各异，导致供热流体传热效果各异，冷热不均衡，造成大量热量浪费和居民体感温度迥异投诉；

我国北方大部分地区采暖供热热耗为40-50w/㎡，而西方发达国家大多为20w/㎡左右，节能空间巨大；同时，2015年的联合国发展峰会提出能源互联网概念，推进互联网+智慧能源发展，均为更高效、更智能、更物联地合理利用能源指明方向。为此本申请提出一种基于流体传热建模的雾计算三级网供热控制系统。

技术实现要素：

本发明涉及一种供热三级网控制系统，主要用于农村集中供热末端或城镇供热末端；其具有独立的雾计算控制系统，既可响应云端指令，而不依赖于云服务器，可独立建立热流体传热动态数学模型并实时智能控制热用户末端操作，最大程度的按需分配热量，节能降耗。

一种基于流体传热建模的雾计算三级网供热控制系统，该系统包括主控制器模块、从控制器模块，主控制器模块布置于供热三级网末端进水母管，进一步包括雾计算主控单元、数据上传单元、物联通讯单元、自清洁执行单元、电源单元、手持终端维护单元；物联通讯单元与从控制器模块通过iic数据采集协议或nb-iot物联网通讯，同时监测从控制器通讯状态；自清洁执行单元接受雾计算主控单元指令，等百分比准确执行控制阀位，反馈阀位信息，并定期自主清洁阀芯；手持终端维护单元用蓝牙通讯方式，可由手持维护终端输入主控单元末端管网拓扑结构，优化参数；从控制器模块布置于居民入户进水管，包括无线物联通讯单元、数据采集传感器、执行单元；无线物联通讯单元与主控制器通过nb-iot无线物联网通讯；数据采集传感器无线监控居民室内温度和湿度,计算体感温度，并实时监测供回水温度、压力、流量信号；执行单元根据主控制器模块指令，准确执行控制阀位；主从控制器模块之间通讯、传感器通讯、与云端服务器通讯均采用蜂窝式无线网无线通讯方式，物联网采用nb-iot以及rcbus通讯协议。

电源单元通讯采用nb-iot或lora方式，平时在离线状态，需调控时上线工作，选用由流体发电装置供电、市电直接供电、锂电池供电、直流低电压供电方式中的一种或多种。

rcbus通讯协议完全兼容gprs与移动的nb-iot通讯方式，rcbus通讯协议不依赖某个节点，任何节点均可与周边节点通讯，并可中继放大信号与主控制器通讯，既可独立终端控制，也可片区级联组网，并可与云端服务器构建成大范围应用领域。

独立终端控制优选1主30从，片区级联组网优选10主20从。

雾计算主控单元进一步包括：

(1)局部压力损失计算子模块

计算每米管长的沿程损失r：

其中，r为每米管长的沿程损失；gt为一段管内的水流量；d为管子的内直径；θ为管道内壁的摩擦阻力系数；ρ为水的密度；

对于流速大于0.5m/s的热水网路，采用整个紊流区域的统一计算公式计算摩擦阻力系数θ：

其中，g为单位时间内流经管道截面的热水的质量；re为流体的雷诺数；k为绝对粗糙度，与管子的使用状况和时间有关，对于室内热水系统采用k＝0.2；

(2)沿程压力损失计算子模块

计算管道的总压降p：

p＝rlzh

其中，lzh为管段的折算长度；

(3)热水网路水力计算子模块

计算单位时间内流经管道截面的热水质量gⁿ：

其中，qⁿ为供暖用户系统的热负荷；tg、th为供、回水温度；c为水的比热容；n＝1,2,3……；

(4)最小二乘法计算子模块

计算室内温度

其中，tout为室外温度；a为实验系数；k为散热器传热系数；τ为时延系数；

利用最小二乘法计算相关系数a、k、τ；

(5)卡尔曼预测子模块

利用卡尔曼预测方程对室内温度进行预测

状态方程为：

观测方程为：

为n+1时刻室内温度的状态向量；为n时刻室内温度状态向量；为n+1时刻浮动车的观测向量；ωn为系统噪声，vn+1为观测噪声，假设它们是均值为零的高斯白噪声，且互不相关；φ(·)为8维向量方程，是ωn和n的非线性函数；h(·)为8维向量方程，是vn+1和n+1的非线性函数。

附图说明

图1是种基于流体传热建模的雾计算三级网供热控制系统构成图；

图2是硬件实现电路图:图2a-2e，分别为主控单元电路，信号采集电路，通信电路，电源回路以及存储回路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。

参见图1，一种基于流体传热建模的雾计算三级网供热控制系统，该系统包括主控制器模块、从控制器模块，主控制器模块布置于供热三级网末端进水母管，进一步包括雾计算主控单元、数据上传单元、物联通讯单元、自清洁执行单元、电源单元、手持终端维护单元；物联通讯单元与从控制器模块通过iic数据采集协议或nb-iot物联网通讯，同时监测从控制器通讯状态；自清洁执行单元接受雾计算主控单元指令，等百分比准确执行控制阀位，反馈阀位信息，并定期自主清洁阀芯；手持终端维护单元用蓝牙通讯方式，可由手持维护终端输入主控单元末端管网拓扑结构，优化参数；从控制器模块布置于居民入户进水管，包括无线物联通讯单元、数据采集传感器、执行单元；无线物联通讯单元与主控制器通过nb-iot无线物联网通讯；数据采集传感器无线监控居民室内温度和湿度,计算体感温度，并实时监测供回水温度、压力、流量信号；执行单元根据主控制器模块指令，准确执行控制阀位；主从控制器模块之间通讯、传感器通讯、与云端服务器通讯均采用蜂窝式无线网无线通讯方式，物联网采用nb-iot以及rcbus通讯协议。

电源单元通讯采用nb-iot或lora方式，平时在离线状态，需调控时上线工作，选用由流体发电装置供电、市电直接供电、锂电池供电、直流低电压供电方式中的一种或多种。

rcbus通讯协议完全兼容gprs与移动的nb-iot通讯方式，rcbus通讯协议不依赖某个节点，任何节点均可与周边节点通讯，并可中继放大信号与主控制器通讯，既可独立终端控制，也可片区级联组网，并可与云端服务器构建成大范围应用领域。

独立终端控制优选1主30从，片区级联组网优选10主20从。

雾计算主控单元进一步包括：

(1)局部压力损失计算子模块

计算每米管长的沿程损失r：

其中，r为每米管长的沿程损失；gt为一段管内的水流量；d为管子的内直径；θ为管道内壁的摩擦阻力系数；ρ为水的密度；

对于流速大于0.5m/s的热水网路，采用整个紊流区域的统一计算公式计算摩擦阻力系数θ：

其中，g为单位时间内流经管道截面的热水的质量；re为流体的雷诺数；k为绝对粗糙度，与管子的使用状况和时间有关，对于室内热水系统采用k＝0.2；

(2)沿程压力损失计算子模块

计算管道的总压降p：

p＝rlzh

其中，lzh为管段的折算长度；

(3)热水网路水力计算子模块

计算单位时间内流经管道截面的热水质量gⁿ：

其中，qⁿ为供暖用户系统的热负荷；tg、th为供、回水温度；c为水的比热容；n＝1,2,3……；

(4)最小二乘法计算子模块

计算室内温度

其中，tout为室外温度；a为实验系数；k为散热器传热系数；τ为时延系数；

利用最小二乘法计算相关系数a、k、τ；

(5)卡尔曼预测子模块

利用卡尔曼预测方程对室内温度进行预测

状态方程为：

观测方程为：

为n+1时刻室内温度的状态向量；为n时刻室内温度状态向量；为n+1时刻浮动车的观测向量；ωn为系统噪声，vn+1为观测噪声，假设它们是均值为零的高斯白噪声，且互不相关；φ(·)为8维向量方程，是ωn和n的非线性函数；h(·)为8维向量方程，是vn+1和n+1的非线性函数。

参见图2a-2e，分别为主控单元电路，信号采集电路，通信电路，电源回路以及存储回路的电路图，均未现有技术，在此不做赘述。

以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围之内。