一种基于加权扰量的供暖系统供水温度的调节方法

本发明属于能源利用的工程领域，具体涉及一种基于加权扰量的供暖系统供水温度的调节方法。

背景技术：

1、建筑围护结构保温性能的增强起到了降低建筑实际需热量的作用。然而，若供暖系统在运行调节上没有做到与建筑实际需热的相互匹配，则会出现系统“过量供热”的现象。供暖运行的实际数据表明供暖系统过量供热的现象广泛存在，多数建筑的房间室温明显高于供暖设计室温，部分房间室温甚至高达25℃以上。对此，住户往往通过开窗通风来降低室温，导致了非常不必要的能源浪费。因此，优化供暖系统的运行调节方式，最大限度保证热量的供需匹配成为供暖系统节能的关键问题。

2、质调节是实现热量供需匹配的常规手段，在国内外供暖系统的运行调节中得到广泛应用。其基本原理是根据室外温度的变化调节供暖系统二次管网出口的供水温度，并将其控制在合理的范围内，以满足末端用户的需求，实现热量的供需平衡。然而，不可回避的事实是多数供暖系统的质调节并没有达到理想的效果，“过量供热”的现象并未得到很好消除。究其原因，主要在于目前所采用的质调节模式未将室人员、灯光及设备的散热以及邻室传热、室内外通风换气这些热扰量纳入其中；更重要地，该调节模式没有体现出建筑围护结构热惯性作用下各个热扰量(包括外温、室内散热、邻室传热、太阳辐射、室内外通风换气以及以供水温度和供水流量表征的供暖热扰)对房间室温影响的动态特性。对室内温度环境动态变化特性描述的缺失是质调节模式不合理、进而导致过量供热的关键。

3、由于建筑围护结构热惯性的作用，室内外各个热扰量对室温的影响呈现出衰减和延迟特性，即室温随各个热扰量并非呈现出线性变化。因此，对供暖系统供水温度的调节，不应只对各个热扰量当前时刻的作用进行补偿，还需考虑围护结构热惯性作用下各个热扰量影响的衰减和延迟特性，同时补偿之前历史时刻的各个扰量对室温的影响。针对此问题，已有学者提出一种用于质调节的加权外温的确定方法，该方法可以推广到对其他热扰量加权形式的合理确定。基于各个加权扰量可以直接对室内温度的变化状况做出合理估计，但此方法本身尚不能直接对供暖系统质调节的运行状况加以分析确定，还需要基于此开展后续的系统研究。

4、也有研究基于建筑可视为线性热力系统的基本观点，尝试将室外气象条件以及室内人员、灯光及设备的散热对室温的影响与供暖热扰对室温的影响建立起相互关联，在保证热量“供需平衡”的前提下，来分析确定供暖系统供水温度。然而，这些研究在分析描述的过程中，并没有对各个热扰量引入其加权形式，也正因此，在分析刻画室外气象条件以及室内散热作用下的房间基础室温随外温、以及供暖系统作用下的房间供暖温升随供水温度的变化特性时，这些研究通过线性回归的统计方法对外温和供水温度影响特性的分析，会缺失对热扰量与室温两者关联在物理意义上的严格描述。这样，由此所建立的供暖系统供水温度调节方法无法做到对外温变化的很好适应，进而无法保证热量的“供需平衡”。

5、因此，对供暖系统供水温度的调节，需借助于各个热扰量的加权形式，以此来严格刻画各个热扰量与其对室温影响状况两者之间的相互关联，同时基于建筑作为热力系统的线性特性，通过各个热扰量对室温影响的相互关系，构建起能够很好适应建筑热量需求的供暖系统质调节模式，以最大限度保证热源端热量供给与用户端热量需求的相互一致。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：针对供暖系统的常规质调节模式仅着眼于室外温度，同时忽略建筑热惯性作用下各个热扰量历史状态对室温影响所引发的问题，提出了一种基于加权扰量的供暖系统供水温度的调节方法，意图将包括外温、太阳辐射、室内散热、邻室传热、室内外通风换气以及供暖热扰在内的各个热扰量当前及其历史状态对房间室温的影响同时纳入供暖系统的质调节模式中，最终确保供暖系统供热量能够很好适应建筑需热量的变化，实现能源的有效利用。

2、为达到发明目的，本发明采用一种基于加权扰量的供暖系统供水温度的调节方法。该方法以室外温度的加权形式反映出当前及之前历史时刻各个室内外热扰量(外温、太阳辐射、室内散热、邻室传热、室内外通风换气)对当前时刻房间室温的影响，进而以供暖系统供水温度的加权形式反映出当前及之前历史时刻供暖热扰对当前时刻房间室温的影响，并基于建筑作为热力系统的线性特性，通过各个热扰量对室温影响的相互关系，构建出一套基于加权扰量的供暖系统供水温度的调节方法。所述方法包含以下步骤：

3、(1)房间室温的分解

4、根据《建筑环境系统模拟分析方法-dest》中公式(2-27)，得到房间室温与各个热扰相互之间的定量关系如下：

5、

6、式中，t为房间室温，℃；uk为各个热扰量，包括外温、太阳辐射、室内散热、邻室传热、室内外通风换气以及供暖系统的供暖热扰等；λi作用于为表征房间热特性的系数；为热扰uk作用于建筑房间所产生的响应系数；i表示特性系数的个数；k表示扰量的个数；τ表示时间；ξ表示时间的积分变量。

7、房间的建筑形式和围护结构的热工性能在通常的热湿环境下是不变的。于是，房间热特性系数以及各个扰量作用于建筑房间所产生的响应系数相应也是不变的，与热扰的数值大小及变化情况无关。由此，对公式(1)进行转换，得到：

8、

9、式中，t为房间室温，℃；tout为外温，℃；ukt为除去室内外通风换气的其他各个热扰量；q为室内外通风换气量，m3/h；ρ为空气密度，kg/m3；cp为空气比热容，j/(kg·℃)；为室内外通风换气扰量作用于建筑房间的响应系数。

10、冬季供暖期房间室内外通风换气相对较小，其对室内温度环境的影响也相应较小。在此情况下，外温、太阳辐射、室内散热、邻室传热、室内外通风换气以及供暖热扰等各个热扰量对房间室温的总影响可认为是单个热扰量对房间室温影响的代数和，即可将建筑视为线性热力系统。上述各个热扰量中，作为外扰的外温和太阳辐射、作为内扰的人员、灯光及设备的散热以及室内外通风换气和邻室热扰共同决定了房间的基础室温状况，而以供暖系统供水温度和供水流量所表征的供暖热扰则决定了房间供暖室温相对于基础室温的提升幅度，称之为房间供暖温升。对此，房间供暖室温可表示如下：

11、tg＝tb+tup            (3)

12、式中，tg为房间供暖室温，℃；tb为各个内外扰以及室内外通风换气和邻室热扰共同作用下的房间基础室温，℃；tup为供暖热扰作用下的房间供暖温升，℃。

13、(2)加权外温及其影响的分析确定

14、冬季供暖时居住建筑房间室内外的通风换气相对较小；此外，北向房间接受的太阳辐射也非常小；再有，鉴于围护结构热惯性作用下热扰对室温影响的衰减和延迟特性，从日平均的角度近似认为室内散热和邻室传热对房间室温的影响保持不变，也即这几类热扰量对室温的贡献可看作常量。鉴于此，再依据公式(2)，统计得到房间日平均基础室温与日平均外温的数学关系如下：

15、tb(τ)＝c0utw(τ)+c1utw(τ-δτ)+c2utw(τ-2δτ)…+cn-1utw(τ-(n-1)δτ)+cn  (4)

16、式中，tb(τ)为当日的房间日平均基础室温，℃；utw(τ)、utw(τ-δτ)，…，utw(τ-(n-1)δτ)分别为当日及之前日的日平均外温，℃；τ为时间，d；δτ为时间间隔，在此为1d；c0，c1，…，cn-1为各个日平均外温对当日的房间日平均基础室温的贡献率；cn为附加的常数项，表示室内散热、邻室传热以及少量的室内外通风换气、较低的房间太阳辐射得热所导致当日的房间日平均基础室温的增量，℃。

17、进一步根据公式(4)构造出房间日平均基础室温与当日及之前日的日平均外温的多元线性方程组，对此采用多元线性回归的统计分析方法，计算获得当日及之前日的日平均外温对当日的房间日平均基础室温的贡献率c0，c1，…，cn-1以及其他扰量所导致当日的房间日平均基础室温的增量cn，由此根据专利《一种用于供热系统质调节的加权外温的确定方法》中的公式(5)和公式(7)，计算日平均加权外温，进而获得基于日平均加权外温的房间日平均基础室温，具体表示如下：

18、

19、

20、式中，tw(τ)为日平均加权外温，℃；d0，d1，…，dn-1为与当日及之前日的日平均外温相对应的加权系数，

21、(3)加权供水温度的分析确定

22、由于围护结构热惯性的影响，供暖热扰对房间室内温度环境的影响同样呈现出衰减和延迟的特性。因此，供暖系统供水流量保持不变时，当日的日平均供暖温升同样会受到当日及之前日的日平均供水温度的共同作用。为清晰地反映历史状态的日平均供水温度对室内温度环境的影响，类似于日平均加权外温，引入日平均加权供水温度的概念。

23、预先设定一组质调节运行模式所对应的供水温度，同样应用建筑热环境模拟手段，计算获得在仅有供暖热扰作用下房间逐日的日平均供暖温升，继而类似于公式(4)，得到房间日平均供暖温升与日平均供水温度的数学关系，具体表示如下：

24、tup(τ)＝j0tg(τ)+j1tg(τ-δτ)+j2tg(τ-2δτ)…+jn-1tg(τ-(n-1)δτ)   (7)

25、式中，tup(τ)为当日的房间日平均供暖温升，℃；tg(τ)、tg(τ-δτ)，…，tg(τ-(n-1)δτ)分别为当日及之前日的日平均供水温度，℃；τ为时间，d；δτ为时间间隔，在此为1d；j0，j1，…，jn-1为各个日平均供水温度对当日的房间日平均供暖温升的贡献率。

26、根据公式(7)构造出房间日平均供暖温升与当日及之前日的日平均供水温度的多元线性方程组，仍采用多元线性回归的统计分析方法，计算获得当日及之前日的日平均供水温度对当日的房间日平均供暖温升的贡献率j0，j1，…，jn-1，由此计算日平均加权供水温度，进而获得基于日平均加权供水温度的日平均供暖温升，具体表示如下：

27、

28、

29、式中，tgw(τ)为日平均加权供水温度，℃；k0，k1，…，kn-1为与当日及之前日的日平均供水温度相对应的加权系数，

30、(4)供水温度调节模式的分析确定

31、根据日平均基础室温与日平均加权外温，以及日平均供暖温升与日平均加权供水温度的相互关系，再基于建筑房间作为热力系统的线性特性，可结合公式(3)、公式(6)和公式(9)，得到房间的日平均供暖室温如下：

32、t＝atw+btgw+β0    (10)

33、式中，t为房间的日平均供暖室温，℃；a和b分别表示日平均加权外温和日平均加权供水温度对房间的日平均供暖室温的影响系数，且β0为室内散热、邻室传热以及较少的室内外通风换气、较低的房间太阳辐射得热对房间日平均供暖室温的影响，℃。

34、在保持房间的日平均供暖室温为供暖设计室温的情况下，公式(10)表示出日平均加权外温和日平均加权供水温度两者之间的线性关联，将日平均加权外温视为自变量，日平均加权供水温度为因变量，对公式(10)进行变形转换，得到：

35、

36、式中，m，n称之为日平均加权供水温度的调节系数，n为常数项，与供暖设计室温以及房间室内散热、邻室传热以及较少的室内外通风换气、较低的房间太阳辐射得热的影响有关。

37、这样，公式(11)就表示出，为确保房间的日平均供暖室温稳定在设计室温，日平均加权供水温度变化所导致房间日平均供暖温升的波动幅度bδtgw应与日平均加权外温变化所产生的房间日平均基础室温的波动幅度aδtw在数量大小上相同。从这个意义上分析，系数m体现出日平均加权外温的单位变化幅度下，所要求的日平均加权供水温度的变化幅度，该系数的合适选择可以使得热惯性作用下建筑房间对供暖热扰的响应与对室内外其他热扰量的响应相互匹配。

38、此外，公式(10)表明，可以将日平均加权外温和日平均加权供水温度作为表征影响房间的日平均供暖室温的两个关键参数。这样，可先对供暖系统运行预设一组质调节模式，进而在由此所确定的供暖系统供水温度下房间供暖室温的模拟计算结果中，搜索出房间日平均供暖室温为设计室温时，与之相对应的日平均加权外温和日平均加权供水温度tw和tgw，将这两个温度代入公式(11)，可求解得出系数n，具体如公式(12)所示。

39、n＝mtw+tgw        (12)

40、由此，基于房间日平均基础室温与日平均加权外温、房间日平均供暖温升与日平均加权供水温度、以及房间的日平均供暖室温与日平均加权外温和日平均加权供水温度的相互关系，通过供暖运行效果的模拟分析数据，分析确定出合适的系数m和n，进而建立起保持房间的日平均供暖室温稳定在设计室温的日平均加权供水温度。在此基础上，再通过公式(8)的加权系数，反算推导出逐日的日平均供水温度，以及由供水温度逐时变化规则所确定的逐时供水温度。

41、对于本发明所述的一种基于加权扰量的供暖系统供水温度的调节方法，其有益效果主要体现在以下方面：

42、该发明方法考虑建筑围护结构热惯性作用下各个热扰量对房间室温影响的衰减和延迟特性，同时考虑室内散热、邻室传热以及较少的室内外通风换气、较低的房间太阳辐射得热的影响，以室外温度和供暖系统供水温度的加权形式反映出当前及之前历史时刻各个热扰量对当前房间室温的影响。再基于建筑房间作为热力系统的线性特性，建立起以加权供水温度表征的供暖热扰和以加权外温表征的室外气象条件等各个热扰量的线性关联。由此，该发明方法体现出建筑围护结构热惯性作用下各个热扰量对室内温度环境影响的衰减和延迟特性，从而对房间室温变化特性的描述具有明确的物理意义，以此保证供暖系统供热量与供暖房间需热量的供需平衡。同时，该方法实现了调节参数的单一性，避免了调节形式的复杂性。此外，本发明所述的方法具有操作性强、应用流程和步骤清晰的优点，保证了该方法的可实施性。