論傳統供熱控制系統

王永貴 蔣文輝 史鴻儒 白景升 李明蒔

摘 要：我國制定的“碳達峰”“碳中和”目標與建筑能耗關系重大。建筑能耗中供熱系統運行能耗占十分龐大，節能潛力巨大。如何利用 “大數據”先進技術來降低建筑能耗是一個重大的突破口。本次研究主要內容：對供熱末端技術的調控機理及特性深度研究，分析供熱末端技術的發展趨勢，建立智能調節下的動態調節模型，提出適應系統中較大熱慣性的智能系統;并且對傳統斷通技術進行優化，生成一個具有預測功能和精準控制的管理系統來降低系統能耗，最后對新行能源和技術進行展望。希望本次研究會為我國“雙碳”目標起到良好的促進作用。

關鍵詞：傳統控制技術;新型控制技術;供熱控制系統

一、引言

統計數據顯示，2021年，我國能源消費總量達52.4億噸標準煤，比上年增長5.2%。其中，煤炭消費量占能源消費總量的56.0%。在2021年大唐吉林發電公司主要負責人到東北能源監管局，反映了因煤炭極端短缺面臨停機，影響電力供應的困境。J X盡管中國的能源強度在近些年間持續下降，節省了6.3億噸煤，減少了15億噸CO2的排放。但由于技術等因素局限，中國萬元GDP的CO2的排放量遠高于歐美發達國家的水平;特別是將煤炭作為一次性消費的主要能源，近些年仍處于增長狀態。煤炭經過古代植物漫長的物理變化和化學變化產生的，大量的使用導致煤炭資源短缺。根據美國石油業協會統計，地球上剩余的原油不足兩萬億桶，在將來，世界上主要使用能源將越來越趨向煤炭，在 2250 到 2500 年之間煤炭也將消失 。

二、末端技術發展的現狀及趨勢：

（一）傳統控制技術發展現狀：

當今社會，城市熱網的調節方式相對落后，水力模塊上具有大慣性和調節上的時滯性，鍋爐供熱量很難滿足人們生活需熱量。目前我國傳統的供暖末端技術的調節方式可分為以下幾種：

（1）無調節方式：北方的一些傳統住宅區，供熱系統及設備落后，不具備有效的調節方式，僅通過管網運行歷史參數來對供給的熱量進行調節，存在著空間上的供熱不均勻和熱量損耗等問題。過熱用戶甚至在冬季需要開窗通風，在北京的一處住宅實測表明，由于用戶開窗導致的熱損失約為36-39MJ/m2，占建筑實際需求熱量的16-40%。

（2）半自動式調節：我國從1993年開始在我國北方城市引入了恒溫閥，在北京、天津、長春等城市進行計量實驗。散熱器供水管上均安裝恒溫閥，隨室溫的變化，通過壓力變化來調節閥門的開度，從而控制供暖末端設備的流量，這種方式極大的改善了供熱不均勻、能耗高等問題。但由于恒溫閥不斷變流容易殘留水垢堵塞管道。

（3）通斷調節技術：2012年以來，斷通技術在我國北方已經大規模的應用。斷通技術的調節機理是設定室內中心溫度在一定波動范圍內，當室溫低于設定溫度與偏差值時閥門打開，當室溫高于設定溫度與偏差值時閥門打開，因為處于全開或全關的狀態不容易堵塞。但由于建筑具有很大的熱惰性因此精準度也不是很好。江億進行了末端冷量主動性調節控制的基礎研究，指出部分負荷工況下出現系統水力變化的根本原因是末端冷負荷變化引起的溫控閥調節，這種調節是主動性、本質性的，且具有顯著的非線性和互擾多變的系統屬性經過相關實驗可得，閥門關閉的初始階段系統末端可能會給房間帶來熱量的過盛，經過9個小時后才退回到標準溫度25℃，可見散熱器存在的金屬的熱惰與房間傳熱的時滯性。這也導致了許多智能控制手段無法生產出高性能的產品。

（二）新型控制技術發展現狀：

在我國傳統的供熱末端系統上，用戶對于室內溫度并不不能實現自我控制與調節，這種供熱方式不僅造成了能源的浪費還不利于用戶舒適度的調節。我國對于供熱節能的提倡，越來越多的人開始研究智能供熱監測系統，在如何滿足節能與用熱用戶熱舒適之間的矛盾成為現階段的問題！

智能監測系統調節：在我國的少數研究地點，已經有智能監測系統的運行模式，通過大數據技術對采集到得數據進行智能化的分析，起來良好的管理系統的作用。但盡管如此，目前這種技術仍沒有普及，在清華大學某一實驗樓進行分戶熱計量示范，已經取得了一定的成效，但是在實際的使用過程中還是存在許多的問題。經過一段時間技術的探索，熱力公司在天津市一小區進行分戶熱計量示范，在經濟上取得了一定的成效，這些實質性的探索為今后的研究有著非常重要意義。2021年國家電投集團東方新能源股份有限公司（簡稱“東方能源”）過去存在系統自動化程度低;管網落后;引發客戶投訴。通過與百度智能云合作，依托人工智能、大數據、物聯網等技術，實現了產業升級改造，極大的改善了上述問題。同年我國落實“新城建”工作要求，在承德市、長春市開展供熱設施智能化建設試點工作，將物聯網、大數據、人工智能等先進信息技術與供熱深度融合，對熱源、管網、熱力站和室內等供熱設施進行智能化改造，解決供熱系統水力失調、冷熱不均等問題，滿足熱用戶自主調節等個性化用熱需求，提高供熱系統運行效率。下一步，住房城鄉建設部將繼續做好供熱系統效率提升工作。2022年人民日報海外版發表：走進國家能源集團江蘇宿遷電廠，兩臺660兆瓦超超臨界二次再熱機組正有序運轉?！拔覀儾捎谩婋p驅引風機高效靈活供熱技術，實現電能和熱能雙向無縫轉換，并借助智慧管控系統實現鍋爐氧量自動尋優，提升鍋爐燃燒效率?！彼捱w電廠負責人介紹，2020年，機組供電煤耗低至263克標準煤/千瓦時，每年可節約標準煤14.4萬噸。

現階段，在國外發達國家大多采用供熱系統均采用動態變流量系統，在調節與控制方式上非常的先進，這是一個非常完善的智能供熱系統。在歐洲許多地區采用分戶計量的方式，熱量計通過計算散熱器散發的熱量而進行收費，不僅在一定程度上促進了智能管理系統的發展，而且還節約了大量的能源消耗。

在芬蘭實現了自動化監控管理，每個換熱站只負責一座公寓實現個性化供熱的同時;實現了自動管理降低了人工管理成本。在德國供熱末端技術的調節都是以室外溫度變化作為依據，起到精準調節的作用。在美國供暖系統是根據長供暖數據的歷史走向積累，對數據進行深度學習，從來進入自動化工作模式保證了舒適性的同時減少了能耗。

我國現階段研發的智能供熱監測系統與國外相比還是有很大的差距，目前在我國熱網上廣泛使用的仍是傳統的末端控制技術為主。

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