一种基于群智能的高层集中供暖系统优化控制方法

摘要

本发明涉及一种基于群智能的高层集中供暖系统优化控制方法，该方法为高层集中供暖系统中的每个房间均设置室温控制器，楼下换热站中的每个换热器均设置换热控制器，每个循环水泵均设置循环水泵控制器；并将所有的控制器互联以形成群智能网络系统；各个控制器依次发起调节任务，当某一种控制器发起调节任务时，其余的控制器配合所述调节任务对相应的设备或空间进行信息采集，且对相邻控制器进行信息交互，并完成系统运算，实现自主协同调节高层集中供暖系统的运行。极大的降低传统控制形式的人工配置调试的工作量与换热站能源消耗，实现控制设备的即插即用，提高系统的控制效率以及可扩展性。

说明书

技术领域

本发明涉及建筑节能和智能控制技术领域，特别涉及一种基于群智能的高层集中供暖系统优化控制方法。

背景技术

在高层楼宇中，通常楼下会配有换热站，交换从市政热网过来的热水量，使热水温度达到设定值，供给高层楼宇供暖使用。

现有的高层集中供暖系统为集中监控方式。集中供暖方式造成房间的温度会受相邻房间影响，且供热量不会跟随室内温度的变化而变化，为粗放型供热方式，通常会造成房间内温度过高，住户需要开窗散热。系统采用集中控制方式需要对换热站中的控制器进行手动配置，带来大量的现场调试工作，且对于之后的维修与拓展工作也有不利影响。

发明内容

针对现有的高层集中供暖系统存在的技术问题，本发明在于，提供一种基于群智能的高层集中供暖系统优化控制方法。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种基于群智能的高层集中供暖控制优化方法，其特征在于，该方法为高层集中供暖系统中的每个房间均设置室温控制器，楼下换热站中的每个换热器均设置换热控制器，每个循环水泵均设置循环水泵控制器；并将所有的控制器互联以形成群智能网络系统；各个控制器依次发起调节任务，当某一种控制器发起调节任务时，其余的控制器配合所述调节任务对相应的设备或空间进行信息采集，且对相邻控制器进行信息交互，并完成系统运算，实现自主协同调节高层集中供暖系统的运行；其中：

室温控制器内设置对应房间的建筑参数，窗墙比，各墙面传热系数，房间预设室内温度，室温预测控制动态模型，通过采集太阳光光照强度与相邻房间温度，测定对应的每个房间内散热器流量值；

换热控制器内设置对应换热器的一次网供回水温度和回水流量，二次网回水温度，并预设二次供水温度，实时测定一次网回水流量值与二次网供水温度值；

循环水泵控制器内设置水泵性能参数和预设调节余量阈值，并实时检测对应水泵的频率值并计算出相应的总流量值；

若群智能网络系统中存在发起调节任务的室温控制器，则该室温控制器与其相邻的室温控制器进行信息交互；经过若干次信息交互叠加后系统确定高层总流量需求，并将参数传递给循环水泵控制器；

若群智能网络系统中存在发起调节任务的循环水泵控制器，则该循环水泵控制器与相邻的循环水泵控制器进行信息交互；经过若干次信息交互后，群智能网络系统确定每个循环水泵的运行参数，并根据运行参数控制循环水泵的运行状态；

若群智能网络系统中存在发起调节任务的换热控制器，则该换热控制器与相邻的换热控制器进行信息交互；经过若干次信息交互后，群智能网络系统改变进入每台换热器的一次热媒流量，改变传送到换热器的热能，使二次供水温度稳定在设定值附近；

若群智能网络系统中没有发起调节任务的控制器，则各个控制器的运行参数不变。

根据本发明，所述室温控制器、循环水泵控制器和换热控制器至少每一小时发起一次调节任务。

进一步地，所述室温控制器发起调节任务的条件为：室温控制器达到了预设的控制周期，或者室温发生变化不满足设定条件；

所述换热器控制器发起调节任务的条件为：换热器控制器所检测的二次网供水温度不满足设定条件；

所述循环水泵控制器发起调节任务的条件为：循环水泵控制器达到了预设的控制周期或者末端所需热水流量发生变化。

所述信息交互是指每个房间的温度、散热器流量、一次网的流量和二次网供水温度。

所述发起任务的室温控制器执行以下步骤：

1)参考房间理论预测温度值，以房间温度设定值为目标调整散热器流量；

2)将室温值与散热器流量值写入传递信息，发送给与其相邻的室温控制器，相邻的室温控制器收到传递信息后执行以下步骤：

A：调节散热器流量值保证室内温度达到设定条件；

B：记录调节后的流量并将接受的流量值进行加和运算，写入传递信息并发送给与其相邻的室温控制器。

所述发起调节任务的循环水泵控制器执行如下步骤：

1)参考循环水泵当前工作点，以获得的楼宇所有房间的总需水量与最高效率点为调节预期，计算得到新的循环水泵流量和流量调节余量；

2)将流量调节余量写入传递信息，发送给相邻的循环水泵控制器；相邻的循环水泵控制器收到传递信息后执行以下步骤：

A：比较收到的流量调节余量和水泵当前的运行流量，计算得到两者的差值；

B：根据差值调节循环水泵的频率，并计算新的流量调节余量；

若新的流量调节余量绝对值高于预设调节余量阈值，则需要将新的效率调节预期和新的调节余量传递给邻居循环水泵控制器；

若新的流量调节余量绝对值低于预设调节余量阈值，则不再发送传递信息。

所述室温控制器的流量加和运算按照以下步骤进行：

整个高层建筑的室温控制器形成一个树形网络，由某个室温控制器节点发起，以发起点为根节点形成生成树，由生成树的所有顶部端点开始计算，同级节点并行计算；每个节点从所有非计算来源节点的邻居节点收集数据，收齐后进行加法运算；整个高层建筑室温达到预设定条件，则室温控制器不再发送传递信息，此时系统收敛。

所述树形网络的顶部和根部在信息交互过程中可变。

所述整个高层建筑室温达到预设定条件后，所有的室温控制器将根据散热器流量值将对应的散热器变更为新的运行参数。

所述循环水泵控制器的总流量为整个高层建筑供暖所需流量，具体流量按照以下步骤进行：

群智能网络系统的循环水泵控制器形成一条链路，由链首向链尾发送信息。由链首获得楼宇所有房间的总需求量，将总需求量转化为水泵频率，根据水泵目前运行状态调节水泵频率至满足需求量。若水泵调节至最大频率或最高效率点，还未达到总需求量要求，则计算满载流量与总需求量差值，将流量余量信息传送给邻居循环水泵，依次传递信息至链尾，直至水泵运行流量满足楼宇所有房间的需求量，在达到系统收敛条件时，所有循环水泵控制器根据散热器流量值计算水泵启停与水泵转速，并将水泵变更为新的运行参数。

本发明的基于群智能的高层集中供暖控制优化方法，基于群智能网络，使各房间散热器与循环水泵平等自主协调完成控制目标，分布式地计算出优化控制方案，换热站根据楼宇的需热量确定供热量，极大的降低传统控制形式的人工配置调试的工作量与换热站能源消耗，实现控制设备的即插即用，提高系统的控制效率以及可扩展性。

附图说明

图1是本发明的智能的高层集中供暖系统优化控制方法流程示意图。

图2是高层集中供暖系统的结构示意图。

图3是本发明实施例的集中供暖系统控制算法的具体运行流程图。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

本实施例给出一种基于群智能的高层集中供暖控制优化方法，该方法为高层集中供暖系统中的每个房间均设置室温控制器，楼下换热站中的每个换热器均设置换热控制器，每个循环水泵均设置循环水泵控制器；并将所有的控制器互联以形成群智能网络系统；各个控制器依次发起调节任务，当某一种控制器发起调节任务时，其余的控制器配合所述调节任务对相应的设备或空间进行信息采集，且对相邻控制器进行信息交互，并完成系统运算，实现自主协同调节高层集中供暖系统的运行。

若群智能网络系统中存在发起调节任务的室温控制器，则该室温控制器与其相邻的室温控制器进行信息交互；经过若干次信息交互叠加后系统确定高层总流量需求，并将参数传递给循环水泵控制器；

若群智能网络系统中存在发起调节任务的循环水泵控制器，则该循环水泵控制器与相邻的循环水泵控制器进行信息交互；经过若干次信息交互后，群智能网络系统确定每个循环水泵的运行参数，并根据运行参数控制循环水泵的运行状态；

若群智能网络系统中存在发起调节任务的换热控制器，则该换热控制器与相邻的换热控制器进行信息交互；经过若干次信息交互后，群智能网络系统改变进入每台换热器的一次热媒流量，改变传送到换热器的热能，使二次供水温度稳定在设定值附近；

若群智能网络系统中没有发起调节任务的控制器，则各个控制器的运行参数不变。

具体包括的步骤如图1所示：

步骤S1：为高层集中供暖系统中多个相互独立的房间分别设置一个室温控制器，多个相互独立的循环水泵分别设置一个循环水泵控制器，换热器设置一个换热器控制器。

步骤S2：将所有的控制器按照集中供暖系统物理连接拓扑结构进行网络互连以形成群智能网络。

步骤S3：每个室温控制器对相应房间，每个循环水泵控制器对相应水泵，每个换热器控制器对相应换热器分别进行信息采集，控制且对相邻控制器进行信息交互以实现自主协同调节集中供暖系统。

每个房间室温控制器对相应的房间参数进行信息采集，所述循环水泵控制器对相应循环水泵参数进行信息采集，控制且与相邻控制器进行信息交互以实现自主协同调节。

参考图2，图2示出了高层集中供暖系统采用的结构示意图。

由图2可知，高层集中供暖系统中包括有n个房间，两个循环水泵，一个换热器。

以一个房间为例，在房间内配置室温控制器，则n个房间就有n个室温控制器。两个循环水泵配置循环水泵控制器，换热器配置换热控制器。

室温控制器内设置对应房间的建筑参数，窗墙比，各墙面传热系数，房间预设室内温度，室温预测控制动态模型，通过采集太阳光光照强度与相邻房间温度，测定对应的每个房间内散热器流量值；

换热控制器内设置对应换热器的一次网供回水温度和回水流量，二次网回水温度，并预设二次供水温度，实时测定一次网回水流量值与二次网供水温度值；

循环水泵控制器内设置水泵性能参数和预设调节余量阈值，并实时检测对应水泵的频率值并计算出相应的总流量值；

将所有的控制器互联以形成群智能网络系统；各个控制器依次发起调节任务，当某一种控制器发起调节任务时，其余的控制器配合所述调节任务对相应的设备或空间进行信息采集，且对相邻控制器进行信息交互，并完成系统运算，实现自主协同调节高层集中供暖系统的运行。

其中，多个室温控制器、多个循环水泵控制器和多个换热控制器的算法相同。网络构建是平等的，扁平的无中心网络结构，因此每个节点地位相同，故同类型的控制器可采用相同控制算法。

多个室温控制器、循环水泵控制器和换热控制器之间通过有线网络、无线网络或者结合有线无线两种形式的综合网络进行连接，构成群智能网络。此处不限定与任何具体的通信控制协议，只要能进行网络通信和控制即可实现，由此此处的节点控制网络或者网络需要以最广泛的技术领域中含义来进行理解和限定。

在本实施例中，由用户将房间建筑参数输入到对应的所述的室温控制器中，根据室温预测控制模型结合室内温度的变化计算得出散热器的散热量；由水泵生产商将所述水泵性能参数输入到对应的控制器中，由换热器生产商将所述换热器性能参数输入到对应的控制器中。

室温控制器通过设置在房间内的室温传感器实现对室温的实时监测，通过设置在散热器处的流量传感器实现对散热器流量的实时监测。

循环水泵控制器通过设置在循环水泵出口处的流量传感器与压差传感器实现对循环水泵总流量和压差的实时监测，循环水泵的性能曲线被输入到循环水泵控制器中，根据循环水泵的性能曲线计算水泵的流量与效率。

换热器控制器通过设置在二次网的温度传感器与一次网的流量传感器实现对二次网供水温度的实时监测。

当达到室温控制器预设控制周期时，室温控制器比较预测室温与设定室温值，如果不满足设定室温值，同时未收到其他邻居控制器所发起的调节任务，则自己调节对应的散热器流量值并发起调节任务，执行下列步骤：

C1：室温控制器根据设定的室内温度值，参考房间理论预测温度值，计算下时刻要达到设定温度值所需要的散热器流量；

C2：室温控制器对相应散热器流量调节至所述新的流量值；

C3：室温控制器将调节后的室内温度值与散热器流量值写入调节任务，发送至所有相邻的控制器。

如果同时收到其他邻居控制器所发起的调节任务，则配合相邻控制器发起的调节任务进行运算，并执行下列步骤：

D1：室温控制器收到来自相邻控制器的调节任务后，根据邻室温度值与设定室温值，及室温预测控制模型，计算要达到设定温度值所需的散热器流量；

D2：室温控制器对相应散热器流量调节至所述新的流量值；

D3：室温控制器将相邻控制器的流量值与本房间流量值加和；

D4：将调节后的室内温度值与散热器流量总值写入调节任务，发送至所有相邻的控制器。

D5：所有接收到所述调节任务的控制器，在接收到调节任务信号的瞬间开始计时，在预设收敛周期内如果后续没有收到其他相邻控制器的他调节任务信号，则认为所有房间的温度值都已经达到设定温度值，计算已收敛。

D6：此时室温控制器将整个高层散热器流量总值记录并储存。

当达到循环水泵控制器预设控制周期时，循环水泵控制器调取楼宇总房间所需的供热热水量并比较对应水泵实际循环水量与总需求水量，如果不满足或超过总需求水量，则调节对应循环水泵转速并发起调节任务，执行下列步骤：

E1：循环水泵控制器调用高层散热器流量总值的最新记录值；

E2：循环水泵控制器比较对应循环水泵的满载量与总需水量；

E3：若总需水量小于满载量，则计算循环水泵转速并将对应循环水泵调至新的运行参数。

E4：若总需水量大于满载量，则根据水泵性能参数，参考当前实际工作点，以最高效率点为调节预期，计算得到新的水泵转速和压差调节余量；

E5：循环水泵控制器控制对应水泵变速至新的水泵转速；

E6：循环水泵控制器将效率调节预期和流量调节余量写入调节任务的信号，发送给相邻循环水泵控制器；

E7：循环水泵控制器接收到来自相邻控制器的调节任务后，根据流量调节余量计算相应水泵转速；

E8：循环水泵控制器对应水泵变速至新的水泵转速；

E9：所有接收到所述调节任务的循环水泵控制器，在接收到调节任务信号的瞬间开始计时，在预设收敛周期内如果后续没有收到其他相邻循环水泵控制器的他调节任务信号，则认为循环水泵总运行水量与总需求量相等，则认为计算已收敛。在达到系统收敛条件时，所有循环水泵控制器根据散热器流量值计算水泵启停与水泵转速，并将水泵变更为新的运行参数。

本实施例中，群智能网络的实现形式为有线网络和无线网络中二者之一或二者的组合。

其中，室温控制器、循环水泵控制器和换热控制器至少每一小时发起一次调节任务(或者根据实际需要另行设置调节任务的发起时间)。

所述室温控制器发起调节任务的条件为：室温控制器达到了预设的控制周期，或者室温发生变化不满足设定条件；

所述换热器控制器发起调节任务的条件为：换热器控制器所检测的二次网供水温度不满足设定条件；

所述循环水泵控制器发起调节任务的条件为：循环水泵控制器达到了预设的控制周期或者末端所需热水流量发生变化。

所述信息交互是指每个房间的温度、散热器流量、一次网的流量和二次网供水温度。

所述发起任务的室温控制器执行以下步骤：

1)参考房间理论计算预测温度值，以房间温度设定值为目标调整散热器流量；

2)将室温值与散热器流量值写入传递信息，发送给与其相邻的室温控制器，相邻的室温控制器收到传递信息后执行以下步骤：

A：调节散热器流量值保证室内温度达到设定条件；

B：记录调节后的流量并将接受的流量值进行加和运算，写入传递信息并发送给与其相邻的室温控制器。

所述发起调节任务的循环水泵控制器执行如下步骤：

1)参考循环水泵当前工作点，以获得的楼宇所有房间的总需水量与最高效率点为调节预期，计算得到新的循环水泵流量和流量调节余量；

2)将流量调节余量写入传递信息，发送给相邻的循环水泵控制器；相邻的循环水泵控制器收到传递信息后执行以下步骤：

A：比较收到的流量调节余量和水泵当前的运行流量，计算得到两者的差值；

B：根据差值调节循环水泵的频率，并计算新的流量调节余量；

若新的流量调节余量绝对值高于预设调节余量阈值，则需要将新的效率调节预期和新的调节余量传递给邻居循环水泵控制器；

若新的流量调节余量绝对值低于预设调节余量阈值，则不再发送传递信息。

所述室温控制器的流量加和运算按照以下步骤进行：

整个高层建筑的室温控制器形成一个树形群智能网络，由某个室温控制器节点发起，以发起点为根节点形成生成树，由生成树的所有顶部端点开始计算，同级节点并行计算；每个节点从所有非计算来源节点的邻居节点收集数据，收齐后进行加法运算；整个高层建筑室温达到预设定条件，则室温控制器不再发送传递信息，此时系统收敛。

所述树形群智能网络的顶部和根部在信息交互过程中可变。

所述整个高层建筑室温达到预设定条件后，所有的室温控制器将根据散热器流量值将对应的散热器变更为新的运行参数。

所述循环水泵控制器的总流量为整个高层建筑供暖所需流量，具体流量按照以下步骤进行：

群智能网络系统的循环水泵控制器形成一条链路，由链首向链尾发送信息。由链首获得楼宇所有房间的总需求量，将总需求量转化为水泵频率，根据水泵目前运行状态调节水泵频率至满足需求量。若水泵调节至最大频率或最高效率点，还未达到总需求量要求，则计算满载流量与总需求量差值，将流量余量信息传送给邻居循环水泵，依次传递信息至链尾，直至水泵运行流量满足楼宇所有房间的需求量，在达到系统收敛条件时，所有循环水泵控制器根据散热器流量值计算水泵启停与水泵转速，并将水泵变更为新的运行参数。

如图2所示，室温控制器对相应房间进行控制的过程中，散热器流量是最重要的控制量之一。室温控制器可以通过与散热器相连的流量阀实现对散热器的流量控制从而对房间进行温度控制。

室温控制器进行信号采集过程中，室内温度是最重要的采集信号之一，室温控制器可以通过设置在房间内的温度传感器实现实时监测房间温度。

循环水泵控制器可以通过控制与水泵相连的变频器以实现对应水泵变速，循环水泵控制器对相应水泵进行信号采集时，水泵频率值是最重要的采集信号之一。

循环水泵控制器可以通过设在水泵出口处的频率传感器实现实时监测对应水泵的频率值。

换热控制器对换热器的控制当中，一次网的供水量是最重要的控制量之一。换热控制器可以通过设在一次网回水处的流量传感器对一次网回水阀门控制对一次网流量进行实时监测。

1、室温控制器

室温控制器采用模型预测控制算法。根据状态空间法以及房间温度影响因素建立房间总热平衡方程组，计算表征房间的物理热特性系数，根据特性系数以及相邻房间温度，散热器供热量对房间的温度进行理论计算。

式中，t_bz(τ)—房间在τ时刻的物理温度(℃)

—相邻房间温度以及散热器热量对本房间温度的影响因数

t_j(τ)—相邻房间τ时刻的室温(℃)

q_ra—散热器τ时刻的散热量(W)

G_out(τ)—τ时刻室外风速(m/s)

t_out(τ)—τ时刻室外温度(℃)

根据公式2计算出在保持此刻散热器热量的情况下，下一时刻根据外界温度及邻室温度变化的房间温度。根据计算出的下时刻房间温度值(预测室温)，将室温预测值与设定室温的差值，以及差值的变化率作为给定值，散热器阀门开度作为输出值。根据温差计算散热器所需热量从而控制散热器阀门开度，改变散热器入口流量，使房间温度达到预先的设定温度。

2、换热控制器

换热器控制器采用模糊PID控制算法，其控制原件为换热器一次侧的电动调节阀，该阀门控制换热器的一次供热量。将预设定温度作为给定值，测量温度值作为反馈值，阀门的开度作为输出值，保证二次供水温度的恒定。当换热器的二次供水温度偏离设定值时，控制调节系统调整执行器的动作，即改变电动调节阀的开度，从而改变进入换热器的一次热媒流量，改变传送到换热器的热能，使二次供水温度稳定在设定值附近。

3、循环水泵控制器

循环水泵控制器采用闭环调速控制，先将循环水泵调至效率最高点，将总流量作为约束条件，即给定输入值，根据最高点流量与总流量偏差，其偏差值由调节器按照预先规定的调节规律进行运算得出调节信号，该信号直接送到变频调速器，从而使变频器输出为续可调电压与频率的交流电，直接供给水泵电机。

本实施例给出的基于群智能的高层集中供暖控制优化方法，基于群智能网络，使各控制器平等的自主协调完成控制目标，分布式计算出优化控制方案。使得换热站可以根据用户的需求量调整供水量，极大的降低了传统控制的能耗量与人工配置调试的工作量，实现了控制设备的即插即用，提高了控制效率，以及可扩展性。

本领域技术人员还可以参考图3，以更好地理解本发明实施例的集中供暖系统控制算法的具体运行流程。

该实施例的基于群智能的高层集中供暖控制优化方法，利用各房间与水泵换热器带通信功能的控制器组件的群智能网络，根据实时测量室内温度数据与水泵频率，各室温控制器通过自主协商改变供暖流量使得室温达到设定追，各循环水泵控制器通过自主协商根据楼宇总需求量改变水泵频率达到需求量，同时使得并联水泵总体能效最优。

本实施例的基于群智能的高层集中供暖控制优化方法，至少具有以下优点：

1、换热站中的换热量可以根据楼宇总房间热量需求量的改变而改变，降低换热站的能耗量，提高室内的热舒适性。

2、现场中仅需将拓扑上相邻的房间或水泵对应的控制器进行通信连接，即可通过自主协同，高效的完成控制目标，避免了传统集中式控制方式中自控厂商介入的繁琐的人工配置，调试环节，也能做到设备的即插即用，增强了系统的灵活性，可扩展性。

3、在理论上保证了对实际目标的控制，算法收敛的结果是个房间温度值达到设定状态并且循环水泵的循环水量满足整个楼宇所有房间的用热量。