CN109556176A - 一种基于双时间步长的供暖末端智能通断调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于室内环境控制技术领域的一种基于双时间步长的供暖末端智能通断调节方法。所述方法包括确定双时间步长，包括第一时间步长和第二时间步长；基于第一时间步长，建立占空比预测模型，对未来室温控制周期内的阀门开启占空比进行预测；基于第二时间步长，优化各用户的通断时间序列。本发明能够灵活运用双时间步长实现对室温、流量等不同响应频率变量的协同调节，达到各户室温调节快速可靠、供暖***水力稳定的多元控制目标。弥补了现有供暖***末端调节方法中室温调节易滞后、水力不稳定等不足。与建筑及供暖***的控制特性相匹配，且简单易行，便于工程应用。

Description

一种基于双时间步长的供暖末端智能通断调节方法

技术领域

本发明属于室内环境控制技术领域，尤其涉及一种基于双时间步长的供暖末端智能通断调节方法。

背景技术

实现供暖***末端有效的室温调控，对于满足用户多样化用热需求、避免过热浪费具有重要意义。自2012年以来，通断时间面积法在吉林、河北、北京等地区均得到了较大规模的应用。通断时间面积法，即通过各户热力入口处安装的智能通断阀全开全关动作控制入户供暖水量，进而实现室温调节。然而，在现有技术中，大多数供暖***末端只有硬件具备智能通断调节功能，相应的智能通断设备尚未发挥有效的调节作用。究其原因，主要在于缺少适应大惯性供暖***末端智能通断的调节方法，使得多数基于通断时间面积法的温控产品的调节方法均采用风机盘管空调***中常见的位式通断调节。而散热器、地板辐射等供暖***的热惯性远大于风机盘管空调***，这样大的惯性使得调节容易滞后，导致室温超调。因此，需针对散热器等具有较大热惯性和时滞性的供暖***的特点，探索新的具有预测功能的室温调控方法。此外，末端智能通断调节，不仅直接影响热用户室温控制，同时还影响热网的水力工况。例如，基于占空比预测的智能通断方法可能会引起用户群的同开同关，导致热网水力工况不稳定。因此，还需突破目前仅着眼单户室温的一元控制思路，结合计算机信息与控制技术，拓宽末端智能通断调控策略的优化思路，从整个供暖***角度进行兼顾各户室温、***水力工况的多目标优化。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种基于双时间步长的供暖末端智能通断调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定双时间步长，包括第一时间步长和第二时间步长，所述第一时间步长为室温控制周期，第二时间步长为通断时间步长；

步骤2：基于第一时间步长，建立占空比预测模型，并依据历史实测室温以及用户室温设定曲线，对未来室温控制周期内的阀门开启占空比进行预测，以实现多个用户的室温控制；

步骤3：基于第二时间步长，优化各用户的通断时间序列，以实现整个供暖***的水力稳定。

所属步骤1确定双时间步长的具体过程为：

步骤1-1：考虑建筑热特性、供暖***热特性以及室温控制范围要求，计算第一时间步长，其计算公式为：

式中，ΔT₁为第一时间步长；T_d为设计工况下供暖***室温控制的当量时间常数；Δt为末端散热设备投入设计热量时的室内温升；δ为室温控制最大允许波动范围，如室温允许波动值为±0.5℃时，δ取1℃；

步骤1-2：计算第二时间步长，在满足通断阀最小通断周期限制条件下，通过控制通水时间小于散热设备的存水置换时间，使热水在散热设备中充分散热，所述第二时间步长的计算公式为：

T_min≤ΔT₂≤T₃ (2)

式中，ΔT₂为第二时间步长；T₃为各供暖用户支路的存水置换时间；T_min为控制阀最小通断周期限制；

步骤1-3：建立第一时间步长与第二时间步长的比例关系，得到：

ΔT₁＝n×ΔT₂ (3)

式中，n为大于1的整数。

所述占空比预测模型的计算公式为：

D_i+1＝D_i+ΔD_i+1 (4)

ΔD_i+1＝f₃(t_a,i-1,t_a,i,t_set,i+1) (5)

式中，D_i为第i个室温控制周期阀门开启占空比；ΔD_i+1为第i+1个控制周期阀门开启占空比的修正值；t_a,i为第i个室温控制周期的实测室温；t_set,i+1为第i+1 个室温控制周期的设定室温；函数f₃(·)表示占空比修正值与历史室温变化速率、室温与设定值偏差之间的关系，通过模糊控制表或在线自适应学习控制算法建立。

所述步骤3优化各户通断时间序列，即满足步骤2中预测得到的占空比，通过引入随机因子，使各户的通断时间序列随机均匀分布，进而实现水力工况均匀化，具体优化过程为：

将第一时间步长内包含的第二时间步长数记为n，将满足占空比条件的阀门开启时间步数记为m，则：

m＝INT(n×D_i+1)＝INT(ΔT₁/ΔT₂×D_i+1) (6)

式中，INT表示对数值进行四舍五入取整；

此时满足占空比的通断时间序列有N种排列方式，其计算公式为：

将N种通断时间序列的排列方式依次编号为1，2，3，...，N，依据随机均匀分布规则生成一个在1～N之间的随机整数M作为随机因子，将所述随机整数 M对应编号下的通断时间序列确定为当前用户的通断时间序列。

本发明的有益效果在于：

本发明通过综合研究建筑热过程以及供暖***部件控制过程的内在机理，灵活运用双时间步长实现对室温、流量等不同响应频率变量的协同调节，达到各户室温调节快速可靠、供暖***水力稳定的多元控制目标。第一时间步长下的占空比预测及第二时间步长引入随机因子优化通断时间序列的方法，弥补了现有供暖***末端调节方法中室温调节易滞后、水力不稳定等不足。该方法与建筑及供暖***的控制特性相匹配，且简单易行，便于工程应用。

附图说明

附图1(a)为双时间步长预设定过程图；

附图1(b)为末端通断预测控制过程图；

附图2为双时间步长通断调节示意图；

附图3为实施例中的建筑及供暖***综合仿真平台；

附图4为供暖季典型天某房间室温变化曲线；

附图5为典型天供暖***流量变化曲线；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

为了克服现有供暖***末端通断调节方法在室温控制滞后性、***水力不稳定性等方面的问题，本发明提出一种基于双时间步长的末端智能通断调节方法，该方法突破了仅着眼单户室温的一元控制方法，从整个供暖***考虑，实现多个用户室温调节可靠、***水力稳定等多元优化目标。所述方法的流程图如图1(a)、(b)所示，首先，基于建筑供暖***热特性及控制响应特性分析，对室温控制阀的双时间步长进行预设定；其次，在末端通断预测控制过程中，室温控制器依据气象预报数据、室温设定曲线、室温历史实测值等信息，在未来一定预测时域内，进行占空比预测，以实现室温控制可靠及时；最后，利用通断控制器内置的随机均匀数生成器，给出在未来室温控制周期内满足占空比的通断时间序列，以实现供暖***水力均匀化。具体包括以下步骤：

步骤1：确定双时间步长，以实现建筑热过程与供暖***各部件控制过程的协调与统一。所述双时间步长包括第一时间步长和第二时间步长。如图2所示，第一时间步长为室温控制周期，第二时间步长为通断时间步长，具体包括以下子步骤：

步骤1-1：考虑建筑热惯性、建筑围护结构热工特性以及室温控制范围要求，计算第一时间步长，由于室温主要受建筑热过程影响，为低频响应变量，可充分考虑建筑热惯性取较长控制周期为第一时间步长。第一时间步长的确定取决于不同的建筑围护结构热工特性、以及室温控制范围要求。当建筑与供暖***热惰性越大或室温控制范围越大，采用的控制周期可越长。所述第一时间步长的计算公式为：

式中，ΔT₁为第一时间步长，尽可能接近右侧最大限值进行取值；T_d表示设计工况下供暖***室温控制的当量时间常数，Δt表示末端散热设备投入设计热量时的室内温升，T_d和Δt可采用控制仿真试验或理论计算的方式来确定；δ为室温控制最大允许波动范围，如室温允许波动值为±0.5℃时，δ取1℃；

根据多个建筑实测及模拟结果，控制周期取30min时，室温波动可稳定在±0.5℃范围以内。

步骤1-2：计算第二时间步长，由于流量等参数主要受供暖末端及通断阀的控制特性影响，为高频响应变量，采用相对小的控制时间步长为第二时间步长。在满足通断阀最小通断周期限制条件下，通过控制通水时间小于散热设备的存水置换时间，使热水在散热设备中充分散热，所述第二时间步长的计算公式为：

T_min≤ΔT₂≤T₃ (2)

式中，ΔT₂为第二时间步长；T3为各供暖用户支路的存水置换时间；T_min为控制阀最小通断周期限制；兼顾各供暖用户支路的存水置换时间及控制阀最小通断周期限制，第二时间步长可取5min左右。

步骤1-3：建立第一时间步长与第二时间步长的比例关系，得到：

ΔT₁＝n×ΔT₂ (3)

式中，n为大于1的整数。

步骤2：基于第一时间步长，建立占空比预测模型，并依据历史实测室温以及用户室温设定曲线，对未来室温控制周期内的阀门开启占空比进行预测，以实现多个用户的室温控制；所述占空比预测模型的计算公式为：

D_i+1＝D_i+ΔD_i+1 (4)

ΔD_i+1＝f₃(t_a,i-1,t_a,i,t_set,i+1) (5)

式中，D_i为第i个室温控制周期阀门开启占空比；ΔD_i+1为第i+1个控制周期阀门开启占空比的修正值；t_a,i为第i个室温控制周期的实测室温；t_set,i+1为第i+1 个室温控制周期的设定室温；函数f₃(·)表示占空比修正值与历史室温变化速率、室温与设定值偏差之间的关系，通过模糊控制表或在线自适应学习控制算法建立。

步骤3：基于第二时间步长，优化各用户的通断时间序列，以实现整个供暖***的水力稳定。所述优化各户通断时间序列即满足步骤2中预测得到的占空比，通过引入随机因子，使各户的通断时间序列随机均匀分布，进而实现水力工况均匀化，所述占空比是指在一个室温控制周期内，总开阀时间与控制周期的比值，具体优化过程如下：

将第一时间步长内包含的第二时间步长数记为n，将满足占空比条件的阀门开启时间步数记为m，则：

m＝INT(n×D_i+1)＝INT(ΔT₁/ΔT₂×D_i+1) (6)

式中，INT表示对数值进行四舍五入取整。

此时满足占空比的通断时间序列有N种排列方式，其计算公式为：

将N种通断时间序列的排列方式依次编号为1，2，3，...，N，依据随机均匀分布规则生成一个在1～N之间的随机整数M作为随机因子，将所述随机整数 M对应编号下的通断时间序列确定为未来控制周期的通断指令。

实施例1

本实施例依托如图3所示的建筑及供暖***综合仿真平台，对本发明末端智能调节方法下的房间室温变化及供暖***流量变化进行动态模拟，以检验本发明的可行性和控制效果。

假设用户室温设定值为20℃，则本实施例的供暖末端智能通断调节方法包括以下步骤：

(1)确定双时间步长。第一时间步长，考虑建筑围护结构热惰性及供暖室温控制允许偏差，取30min；第二时间步长，兼顾供暖用户支路的存水置换时间及控制阀最小通断周期限制，取3min。

(2)在室温控制器中,内置未来一个室温控制周期(第一时间步长)内占空比预测的智能算法。室温控制器采集历史室温实测值、室温设定值等参数，采用模糊控制或自适应学习算法实现占空比的在线自修正。本实施例以模糊控制算法为例，给出如下模糊控制表进行占空比修正。

表1占空比修正值(ΔD_i+1)换算的模糊控制表

由上表得出占空比修正值，按下式得到下一控制周期的占空比预测值。

D_i+1＝D_i+ΔD_i+1 (8)

(3)智能通断控制器,由以上步骤得到的占空比为输入参数，通过随机数生成器选择生成下一控制周期的通断时间序列。

例如，当要求占空比为10％时，所有可能的通断时间序列存在10种排列方式：1000000000、0100000000、0010000000、0001000000…，且每一种排列方式发生的概率为10％。将每一种方式分别编号为1～10，同时由随机数生成器产生一个1～10之间的随机整数，该随机整数所对应编号下的通断时间序列，即确定为当前用户的通断时间序列。

(4)以逐时气象参数、建筑热工参数、用户室温设定值、供暖***各部件参数为输入，在上述末端智能控制方法作用下，进行供暖季的全工况控制过程仿真模拟。

附图4和附图5为采用本发明的某房间室温及供暖***流量变化模拟结果，从图4和图5中可以看出，室温可基本控制在设定值±0.5℃范围以内，流量波动平缓，基本不会出现***流量大幅阶跃变化的情况。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于双时间步长的供暖末端智能通断调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定双时间步长，包括第一时间步长和第二时间步长，所述第一时间步长为室温控制周期，第二时间步长为通断时间步长；

步骤2：基于第一时间步长，建立占空比预测模型，并依据历史实测室温以及用户室温设定曲线，对未来室温控制周期内的阀门开启占空比进行预测，以实现多个用户的室温控制；

步骤3：基于第二时间步长，优化各用户的通断时间序列，以实现整个供暖***的水力稳定。

2.根据权利要求1所述的一种基于双时间步长的供暖末端智能通断调节方法，其特征在于，所属步骤1确定双时间步长的具体过程为：

步骤1-1：考虑建筑热特性、供暖***热特性以及室温控制范围要求，计算第一时间步长，其计算公式为：

式中，ΔT₁为第一时间步长；T_d为设计工况下供暖***室温控制的当量时间常数；Δt为末端散热设备投入设计热量时的室内温升；δ为室温控制最大允许波动范围，如室温允许波动值为±0.5℃时，δ取1℃；

步骤1-2：计算第二时间步长，在满足通断阀最小通断周期限制条件下，通过控制通水时间小于散热设备的存水置换时间，使热水在散热设备中充分散热，所述第二时间步长的计算公式为：

T_min≤ΔT₂≤T₃ (2)

式中，ΔT₂为第二时间步长；T₃为各供暖用户支路的存水置换时间；T_min为控制阀最小通断周期限制；

步骤1-3：建立第一时间步长与第二时间步长的比例关系，得到：

ΔT₁＝n×ΔT₂ (3)

式中，n为大于1的整数。

3.根据权利要求1所述的一种基于双时间步长的供暖末端智能通断调节方法，其特征在于，所述占空比预测模型的计算公式为：

D_i+1＝D_i+ΔD_i+1 (4)

ΔD_i+1＝f₃(t_a,i-1,t_a,i,t_set,i+1) (5)

式中，D_i为第i个室温控制周期阀门开启占空比；ΔD_i+1为第i+1个控制周期阀门开启占空比的修正值；t_a,i为第i个室温控制周期的实测室温；t_set,i+1为第i+1个室温控制周期的设定室温；函数f₃(·)表示占空比修正值与历史室温变化速率、室温与设定值偏差之间的关系，通过模糊控制表或在线自适应学习控制算法建立。

4.根据权利要求1所述的一种基于双时间步长的供暖末端智能通断调节方法，其特征在于，所述步骤3优化各户通断时间序列，即满足步骤2中预测得到的占空比，通过引入随机因子，使各户的通断时间序列随机均匀分布，进而实现水力工况均匀化，具体优化过程为：

将第一时间步长内包含的第二时间步长数记为n，将满足占空比条件的阀门开启时间步数记为m，则：

m＝INT(n×D_i+1)＝INT(ΔT₁/ΔT₂×D_i+1) (6)

式中，INT表示对数值进行四舍五入取整；

此时满足占空比的通断时间序列有N种排列方式，其计算公式为：

将N种通断时间序列的排列方式依次编号为1，2，3，...，N，依据随机均匀分布规则生成一个在1～N之间的随机整数M作为随机因子，将所述随机整数M对应编号下的通断时间序列确定为当前用户的通断时间序列。