一种集中供热动态气候补偿方法

摘要

本发明公开了一种集中供热动态气候补偿方法，首先是室外温度的预测，根据室外温度预测值，提前一定时间超前调节供回水温度，克服了即采即调的管网调节的滞后性。根据当地历史气象数据及气象部门的天气预报对次日的室外温度进行预测，并将该值作为热负荷预测的基本数据；其次是热负荷的预测，即根据室外温度计算出次日的热负荷曲线。本发明为实现气候补偿器的超前动态调节，对室外温度进行了合理的预测，该方法根据提前设定的热负荷值依据调节模型调节供热系统的热媒参数，将热源由原来宽泛的被动供热变为主动供热，在保证用户室内温度稳定的前提下，提前给出供热系统在规定时间内的运行调节指标，提高供热效率，减少供热能耗。

说明书

技术领域

本发明涉及一种集中供热动态气候补偿方法。

背景技术

供热系统对采暖建筑进行供热的目的是为了满足用户热舒适度需求，并保证其室内温度在一定范围之内，随着室外温度的改变，防止用户出现室内温度过低或过高的现象，而系统在运行过程中，由于室外气象条件等因素的变化，建筑物的热负荷会发生相应的改变。因此，为了使热源供热量与用户热负荷的变化相适应，需要对热源的供热量应进行相应的调节，即供热系统应根据建筑物的热负荷变化情况来进行供热量调节，以实现按需供热，从而保证用户的室内温度满足热舒适度需求，达到供热节能之目的。

气候补偿器正是一种供热调节的自动控制节能装置，其调节的目的是使供热系统可以随着室外温度的变化调节供热量，以实现按需供热。目前使用的气候补偿器设有温度补偿曲线，根据即时采集的室外温度调节热源的热媒输出参数，使系统的供热量与用户热负荷相匹配，实现系统供热量的动态调节。

目前的系统运行调节是建立在稳态计算的基础上，根据调节模型模拟出的室外温度变化的调节曲线，调节热网的供回水温度。在调节控制过程中，由于室外温度的即采即调，由于供热管网是一个较庞大的系统，管网调节存在着用户端的滞后性，造成调节的失真。不能超前预测24h的室外温度变化规律，造成了热源处的被动供热，既增大了供热成本，也无法反映建筑物热负荷的动态特性，不能很好地满足用户的用热需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种集中供热动态气候补偿方法。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种集中供热动态气候补偿方法，首先是室外温度的预测，即根据当地历史气象数据及气象部门的天气预报对次日的室外温度进行预测，并将该值作为热负荷预测的基本数据；其次是热负荷的预测，即根据室外温度计算出次日的热负荷曲线。

进一步的，在室内温度一定的前提下，采暖热负荷主要取决于室外温度的大小，而实际上，在进行负荷预测时，第二天的室外温度是难以直接获得的，要提前24h预测采暖负荷，首先要对第二天的室外温度值进行预测；地球白天接受太阳辐射热并在夜晚放出热量，室外温度在一昼夜内随时间连续变化，表现出明显的24h周期性波动；一日之中室外温度的最低值一般出现在日出前后，而在午后14-15时达到最高值，因此，对室外温度进行24h的周期性预测；采用形状因子法预测室外温度，形状因子法是根据历史室外温度数据值得出的历史形状因子和从当地气象台预报的最高、最低温度对未来室外温度进行预测，并在一个预测周期结束后，由室外温度实测值对形状因子进行不断更新修正。

进一步的，所述形状因子法为一段法；一段法室外温度预测公式为：

t′_i＝a_i(t′_h-t′_l)+t′_l(3-1)；

式中，a_i——第i小时的预测形状因子；

t′_i——第i小时的室外温度预测值(℃)；

t′_l——预测室外温度最低值(℃)；

t′_h——预测室外温度最高值(℃)；

一个预测周期结束后，比较当天的室外温度实测值与预测值，对预测形状因子a_i进行修正，修正后的新形状因子用于次日的室外温度预测，到获知第i小时的温度实测值t_i时，结合实测形状因子对此时刻的形状因子进行修正；由第i小时的实测数据得到的实测形状因子为：

式中，a_i1——第i小时的实测形状因子；

t_i——第i小时的实测室外温度值(℃)；

t_l——实测室外温度最低值(℃)；

t_h——实测室外温度最高值(℃)；

修正后的新形状因子为：

a′_i＝a_i(1-b)+a_i1b(3-3)；

式中，a′_i——第i小时的修正后的新形状因子；

b——遗忘因子。

进一步的，形状因子法在确定最高、最低的温度的时刻上是按照日气温变化规律确定的；由于室外温度变化的随机性，对于异常天气，室外温度逐渐降低的情况，会出现一定的偏差，对室外温度预测值进行在线修正，提高预测的准确性，在线修正采用简单滑动平均法。

进一步的，所述简单滑动平均法是通过对过去某一时段的数据求加权平均，并将平均值作为将来某一时期的预测值；采用简单滑动平均法计算室外温度如下所示：

t_τ+1＝f₀×t_τ+f₁×t_τ-1+f₂×t_τ2+…+f_n×t_τ-n(3-7)；

式中，t_τ+1——τ+1时刻的温度预测值(℃)；

f_i——前i个采样周期的温度值对下一时刻温度的影响度；

n——预测时间段的长度，其取值的大小反映预测值对数据变化的反应速度；

简单滑动平均法采用相邻时刻的数据对下一时刻的数据进行预测，预测数据采样间隔越短，预测准确度越高，采用预测数据采样间隔为1h，预测时间段长度n为2，即利用当前温度值、前一小时的温度值、前两小时的温度值预测此后一小时的温度值；各阶段温度历史数据的权重系数分别为：f₀＝1/2，f₁＝1/3，f₂＝f₀×f₁＝1/6，……f_n＝f_n-2×f_n-1。

进一步的，依据气候补偿的调节时段，将对应时段内的室外温度取加权平均值，

作为该时段内的室外温度量化值，量化公式为：

式中，——相应时段的室外温度量化值(℃)；

t_wi——各时段第i时刻对应的室外温度值(℃)；

n——相应时段内包含的时刻个数。

进一步的，所述热负荷预测值的计算方法为：当建筑物围护结构确定后，建筑物采暖热负荷与室内外温差成正比，当室内温度保持设定值时，热负荷取决于室外温度的大小；在气候补偿器的各调节时段内，室外温度的波动对热负荷的大小造成影响不大，此时，依据各时段室外温度量化值对热负荷按稳态传热进行计算，是满足精度要求的，负荷计算公式为

Q＝Q_s(t_n-t_w)/(t_n-t_wj)(3-12a)；

Q_s＝q_AA(3-12b)；

式中，Q——采暖实际热负荷(W)；

Q_s——采暖设计热负荷(W)；

q_A——采暖设计热指标(W/m²)；

A——建筑面积(m²)；

t_n——室内设计温度(℃)；

t_w——采暖室外温度(℃)；

t_wj——采暖室外计算温度(℃)。

进一步的，建立气候补偿动态调节模型：通过预测全天24小时的室外温度，动态调节热负荷；气候补偿器通过对间接式供热系统中一次网热水网路侧和二次网供暖用户侧的供热参数的调控，实现系统供热量的补偿调节；在热力站中，一次网热水网路侧的供热量为：

Q₁＝1.163G₁(τ_g-τ_h)(3-13)；

二次网供暖用户侧的供热量为：

Q₂＝1.163G₂(t_g-t_h)(3-14)；

换热器的换热量为：

Q′＝KFΔt(3-15)；

式中，τ_g、τ_h——一次网的供、回水温度(℃)；

t_g、t_h——二次网的供、回水温度(℃)；

G₁、G₂——一、二次网的流量(m³/h)；

K——换热器的换热系数(W·m^-2·℃^-1)；

F——换热器换热面积(m²)；

Δt——换热器对数平均温差(℃)；

在忽略换热设备热损失的前提下，一次网热水网路侧、二次网供暖用户侧的供热量等于一、二次网间换热器的换热量，即Q₁、Q₂、Q′三者对应相等，建立气候补偿器在一、二次网中对供热参数的调节模型。

进一步的，建立二次网供暖用户侧的调节模型：供暖用户侧供热调节采用质调节模型，以保持用户系统的水力工况稳定；在质调节中，通过改变进入用户侧的供水温度调节系统供热量，循环水量保持不变；

供热运行调节基本公式：

将的补充条件代入热水供暖系统供热运行调节基本公式(3-16)，导出质调节的供、回水温度的计算公式：

式中，——相对供暖热负荷之比；

t_n——用户室内计算温度(℃)；

t_g、t_h——某一室外温度t_w下，供暖用户的供、回水温度(℃)；

t′_g、t′_h——采暖室外计算温度t′_w下，供暖用户设计供、回水温度(℃)；

b——散热器的传热指数，一般对于常用散热器b＝0.14～0.37；

在热用户设定某一室内温度的情况下，供暖用户侧的供、回水温度取决于相对供暖热负荷；质调节随由室外温度变化而引起的热负荷的改变值对供回水温度进行适度的超前调节，以至于根据室外温度的变化进行的质调节更接近实际而不失真，从而保证用户室内温度的稳定。

本发明所取得的有益效果如下：

本发明为实现气候补偿器的动态调节，对室外温度进行了合理的预测，该方法根据超前设定的热负荷值依据调节模型调节系统的热媒参数，将热源由原来宽泛的被动供热变为主动供热，在保证用户室内温度稳定的前提下，提前给出供热系统在规定时间内的运行调节指标，在保证供热质量的前提下，提高供热效率，减少供热能耗。

附图说明

附图1为气候补偿器的工作流程的示意图；

附图2为本发明室外温度预测方法进行对比的示意图；

附图3为本发明室外温度预测值的在线修正的示意图；

附图4为本发明供暖用户侧供水温度与相对供暖热负荷的示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

供热系统对建筑物进行供热的目的是为了满足用户热舒适度需求，并保证其室内温度在一定范围之内，防止用户出现室内温度过低或过高的现象，而系统在运行过程中，由于室外气象条件等因素的变化，建筑物的热负荷会发生相应的改变。因此，为了使热源供热量与用户热负荷的变化相适应，需要对热源的供热量应进行相应的调节，即供热系统应根据建筑物的热负荷变化情况来进行供热量调节，以实现按需供热，从而保证用户的室内温度满足热舒适度需求。气候补偿器正是一种供热调节的自动控制节能装置，其调节的目的是使供热系统可以随着室外温度的变化实现按需供热。气候补偿器内部设有温度补偿曲线，使其根据室外温度的变化情况调节热源的热媒输出参数，使系统的供热量与用户热负荷相匹配，实现系统供热量的动态调节。

如附图1所示，气候补偿器设置在集中供热系统的热力站中，主要由控制器、室外温度传感器与供、回水温度传感器组成。

气候补偿器是根据不同时段不同的室外温度根据采暖系统的用热需求对供热系统进行供热量的调节。具体讲，在某个时间段即时测得某个室外温度，随即改变供热量。存在的问题是：一是调节时段划分较宽泛，如一天24小时之划分成4个调节时段，相当于6个小时为一个时段，在6个小时段里室外温度变化比较大，若仍按某个实测室外温度调节供回水温度，与实际变化的室外温度偏差较大。保持供水温度不变会造成能耗偏高或用户不热的现象，这实际存在着较大误差。

二是由于供热管网调节的滞后性，根据即时采集的室外温度即时调节供热管网的供热量有失真现象。鉴于上述两点，台理预测室外温度，超提前调节供热管网供回水温度，是气候补偿的台理调节前提，对气候补偿器的动态室外温度的确定是动态负荷调节的关键方法。

目前的供热系统运行调节是建立在稳态计算的基础上，根据调节模型模拟出的室外温度变化的调节曲线，调节热网的供回水温度。在调节控制过程中，由于不能准确掌握次日24h的室外温度变化规律，生产调度人员只能根据经验来调节热源的供水温度，此种调节方式造成了热源处的被动供热，既增大了供热成本，也无法反映建筑物热负荷的动态特性，不能很好地满足用户的用热需求。实际供热系统的运行调节与控制是随着用户需求不断变化的，应该根据热负荷的变化规律从动态的角度进行调控。

热负荷动态调节方法以不同的气候补偿时段所对应的热负荷预测值为依据，通过热负荷与供回水温度关系曲线，超前给出每天供热运行调节控制参数，供管理人员按需调节，实现热源处的主动供热。

气候补偿器进行动态调节的前提是对次日的热负荷进行预测，以便于根据负荷值各时段分布规律对供热参数进行调节。动态负荷预测主要包括两部分，首先是室外温度的预测，即根据当地历史气象数据及气象部门的天气预报对次日的室外温度进行预测，并将该值作为热负荷预测的基本数据；其次是热负荷的预测，即根据室外温度计算出次日的热负荷曲线。

室外温度预测：在室内温度一定的前提下，采暖热负荷主要取决于室外温度的大小，而实际上，在进行负荷预测时，第二天的室外温度是难以直接获得的，要提前24h预测采暖负荷，首先要对第二天的室外温度值进行预测。

地球白天接受太阳辐射热并在夜晚放出热量，室外温度在一昼夜内随时间连续变化，表现出明显的24h周期性波动。一日之中室外温度的最低值一般出现在日出前后，而在午后14-15时达到最高值。因此，可以对室外温度进行24h的周期性预测。

室外温度预测方法。室外温度的预测方法主要包括形状因子法、ASHRAE系数法、简单滑动平均法。

①形状因子法是根据历史室外温度数据值得出的历史形状因子和从当地气象台预报的最高、最低温度对未来室外温度进行预测，并在一个预测周期结束后，由室外温度实测值对形状因子进行不断更新修正。形状因子法可分为一段法与MacArthur法。

一段法室外温度预测公式为：

t′_i＝a_i(t′_h-t′_l)+t′_l(3-1)；

式中，a_i——第i小时的预测形状因子；

t′_i——第i小时的室外温度预测值(℃)；

t′_l——预测室外温度最低值(℃)；

t′_h——预测室外温度最高值(℃)；

一个预测周期结束后，比较当天的室外温度实测值与预测值，对预测形状因子a_i进行修正，修正后的新形状因子用于次日的室外温度预测，到获知第i小时的温度实测值t_i时，结合实测形状因子对此时刻的形状因子进行修正；由第i小时的实测数据得到的实测形状因子为：

式中，a_i1——第i小时的实测形状因子；

t_i——第i小时的实测室外温度值(℃)；

t_l——实测室外温度最低值(℃)；

t_h——实测室外温度最高值(℃)；

修正后的新形状因子为：

a′_i＝a_i(1-b)+a_i1b(3-3)；

式中，a_i——第i小时的修正后的新形状因子；

b——遗忘因子。

MacArthur等其预测算法将一天24小时作为一个预测周期并将其分为下降和上升两个阶段，形状因子的修正步骤与一段法相同。

从周期开始到温度最低时刻，定义第i小时的形状因子为：

式中，a_i——第i小时的形状因子；

t′_i——第i小时的温度预测值(℃)；

t₀——预报周期开始时刻的温度测量值(℃)；

t_l——气象预报的最低温度(℃)；

从温度最低时刻到周期结束，定义第i小时的形状因子为：

式中，a_i——第i小时的形状因子；

t′_i——第i小时的温度预测值(℃)；

t_l——气象预报的最低温度(℃)；

t_h——气象预报的最高温度(℃)。

②ASHRAE系数法^[25]根据气象部门预报的次日最高和最低室外温度，用温度预测系数对逐时室外温度进行预测。逐时室外温度按式(3-6)计算得出。

t_τ＝t_h-α_τ(t_h-t_l)；

式中，t_τ——τ时刻室外温度预测值(℃)；

α_τ——τ时刻的温度预测系数；

t_h——气象预报的最高温度(℃)；

t_h——气象预报的最低温度(℃)。

表3-2 ASHRAE法温度预测系数

时刻α_τ时刻α_τ时刻α_τ时刻α_τ0：000.826：000.9812：000.2318：000.211：000.877：000.9313：000.1119：000.342：000.928：000.8414：000.0320：000.473：000.969：000.7115：000.0021：000.584：000.9910：000.5616：000.0322：000.685：00111：000.3917：000.1023：000.76

从表3-2中的温度预测系数可知：每日逐时室外温度的变化规律近似满足正弦分布。室外温度预测的ASHRAE系数法，是根据室外温度的长期观察形成的普遍适用经验值，其中a是固定不变的，与预测当地的实际情况可能会出现不相符的情况。

③简单滑动平均是通过对过去某一时段的数据求加权平均，并将平均值作为将来某一时期的预测值。采用简单滑动平均法计算室外温度如式所示：

t_τ+1＝f₀×t_τ+f₁×t_τ-1+f₂×t_τ2+…+f_n×t_τ-n；

式中，t_τ+1——τ+1时刻的温度预测值(℃)；

f_i——前i个采样周期的温度值对下一时刻温度的影响度；

n——预测时间段的长度，其取值的大小反映预测值对数据变化的反应速度。

简单滑动平均法采用相邻时刻的数据对下一时刻的数据进行预测，预测数据采样间隔越短，预测准确度越高，但由于需要当前和前若干时刻的温度实测数据，只能对相邻时刻进行预测，存在一定的局限性。如果采用简单滑动平均法在前一天晚上对次日24小时的室外逐时温度进行预测，只能是对预测结果进行层层推进，预测准确度将会大大降低。

(2)各种温度预测方法对比分析。选取DeST软件生成的石家庄标准年1月份室外温度作为预测温度的参考数据，进行各种预测方法的分析对比。对比计算中，假设气象预报的最高、最低温度值与实际测量值无偏差或偏差很小。选用最大误差、均方差和误差算数平均值作为预测方法优劣的评价指标，这三个指标表示预测值偏离实际值的程度。

最大误差

M＝max(|t′_i-t_i|)(3-8)

均方差

误差算数平均值

表3-3预测方法误差统计表

预测方法最大误差均方差误差算数平均值一段法3.371.020.00MacArthur法5.201.400.06ASHRAE系数法5.971.41-0.043小时简单滑动平均法4.451.450.00

如附图2所示，对各种室外逐时温度预测方法进行对比分析可知，在短期温度预测中，一段法准确度最高。温度移动平均利用在线温度测量数据来预测下一时刻的温度，其准确度更高。

从图2中可知，在各种预测方法之中，采用一段法预测的室外温度与实际值最接近，简单滑动平均法预测值相对实际值存在延迟滞后现象。

对比以上室外温度预测方法可知，ASHRAE系数法中的预测系数是在对室外温度进行长期观测后形成的经验值，其值是固定的不变的，考虑到室外温度的随机变化性，此种方法存在一定的局限性。形状因子法采用室外温度实测值对预测系数进行每日更新，能更好的反应温度的变化规律，从而对室外温度准确进行预测。

简单滑动平均法采用相邻时刻的室外温度对下一时刻温度值进行递推预测，充分考虑室外温度的相互关联性，能很好地反应室外温度的变化规律，但由于是对相邻几小时前的温度的加权平均，预测值相对实际值会出现延迟滞后现象。综上所述，选用形状因子法中的一段法作为室外温度的预测方法。

如附图3所示，室外温度预测值的在线修正。形状因子法在确定最高、最低的温度的时刻上是按照一般日气温变化规律确定的。由于室外温度变化的随机性，对于异常天气，如图中1月14日室外温度逐渐降低的情况，会出现一定的偏差，采用温度的在线修正将提高预测的准确性。在线修正采用简单移动平均法，采用预测数据采样间隔为1h，预测时间段长度n为2，即利用当前温度值、前一小时的温度值、前两小时的温度值预测此后一小时的温度值。各阶段温度历史数据的权重系数分别为：f₀＝1/2，f₁＝1/3，f₂＝f₀×f₁＝1/6，……f_n＝f_n-2×f_n-1。

室外温度值分段量化。依据气候补偿的调节时段，将对应时段内的室外温度取加权平均值，作为该时段内的室外温度量化值，量化公式为：

式中，——相应时段的室外温度量化值(℃)；

t_wi——各时段第i时刻对应的室外温度值(℃)；

n——相应时段内包含的时刻个数。

当建筑物围护结构确定后，建筑物采暖热负荷与室内外温差成正比(忽略日照及风力的影响)，当室内温度保持设定值时，热负荷取决于室外温度的大小。在气候补偿器的各调节时段内，室外温度的波动对热负荷的大小不造成影响，此时，依据各时段室外温度量化值对热负荷按稳态传热进行计算，是满足精度要求的，负荷计算公式为

Q＝Q_s(t_n-t_w)/(t_n-t_wj)；

Q_s＝q_AA；

式中，Q——采暖实际热负荷(W)；

Q_s——采暖设计热负荷(W)；

q_A——采暖设计热指标(W/m²)；

A——建筑面积(m²)。

t_n——室内设计温度(℃)；

t_w，——采暖室外温度(℃)；

t_wj——采暖室外计算温度(℃)。

通过预测全天24小时的室外温度，动态调节热负荷。气候补偿器通过对间接式供热系统中一次网热水网路侧和二次网供暖用户侧的供热参数的调控，实现系统供热量的补偿调节。在热力站中，一次网热水网路侧的供热量为：

Q₁＝1.163G₁(τ_g-τ_h)；

二次网供暖用户侧的供热量为：

Q₂＝1.163G₂(t_g-t_h)；

换热器的换热量为：

Q＝KFΔt：

式中，τ_g、τ_h——一次网的供、回水温度(℃)；

t_g、t_h——二次网的供、回水温度(℃)；

G₁、G₂——一、二次网的流量(m³/h)；

K——换热器的换热系数(W·m^-2·℃^-1)；

F——换热器换热面积(m²)；

Δt——换热器对数平均温差(℃)。

在忽略换热设备热损失的前提下，一次网热水网路侧、二次网供暖用户侧的供热量等于一、二次网间换热器的换热量，即Q₁、Q₂、Q三者对应相等，建立气候补偿器在一、二次网中对供热参数的调节模型。

供暖用户(二次网)侧的调节模型：供暖用户侧供热调节采用质调节模型，以保持用户系统的水力工况稳定。在质调节中，通过改变进入用户侧的供水温度调节系统供热量，循环水量保持不变。

供热运行调节基本公式^[28]：

将的补充条件代入热水供暖系统供热运行调节基本公式(3-16)，可以导出质调节的供、回水温度的计算公式：

式中，——相对供暖热负荷之比；

t_n——用户室内计算温度(℃)；

t_g、t_h——某一室外温度t_w下，供暖用户的供、回水温度(℃)；

t′_g、t′_h——采暖室外计算温度t′_w下，供暖用户设计供、回水温度(℃)；

b——散热器的传热指数，一般对于常用散热器b＝0.14～0.37。

如附图4所示，在热用户设定某一室内温度的情况下，供暖用户侧的供、回水温度取决于相对供暖热负荷。质调节随由室外温度变化而引起的热负荷的改变值对供回水温度进行调节，从而保证用户室内温度稳定，不受室外温度变化产生大幅度的干扰。

为实现气候补偿器的动态调节，对室外温度进行了合理的预测，该方法根据超前设定的热负荷值依据调节模型调节系统的热媒参数，将热源由原来宽泛的被动供热变为主动供热，在保证用户室内温度稳定的前提下，提前给出供热系统在规定时间内的运行调节指标，在保证供热质量的前提下，提高供热效率，减少供热能耗。

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。