课题组李志伟博士在中科院二区期刊《Applied Thermal Engineering》（JCR Q1， IF=6.465）发表了对于大型热力站基于有效室温预测反馈控制方法的研究

题目：

 Novel effective room temperature-based predictive feedback control method for large-scale district heating substation

对于大型热力站基于有效室温预测反馈控制方法的研究

作者：

Zhiwei Li(李志伟，一作), Junjie Liu（刘俊杰）, Xiaochen Yang（杨晓晨）, Xiuqi Huang（黄修齐）, Lizhi Jia（贾利芝，通讯作者）, Min Li（李民）

研究亮点：

l 提出了基于有效室温的预测反馈控制方法，该方法在热力站调控中有很高的灵活性和较强的鲁棒性。

l 该方法有效提高了热力站整体的室温稳定性，相对传统调节方案具有较大的节能空间。

研究背景：

随着中国城市化的快速进展，中国集中供热系统快速增长。在2001～2016年，中国北方城镇供暖建筑面积从50亿㎡增长到了130亿㎡，增加了约1.6倍，并且每年以接近10%的速度在增长。建筑能耗作为社会的三大主要能耗之一，截至2016年建筑运行能耗占社会总能耗的20.6%，而北方城镇供热能耗占建筑总能耗的21%，碳排放占22%。中国北方空间空暖主要依靠化石燃料为主，其中以煤炭作为燃料的比例占到92%，造成严重的环境问题。因此，节能减排降低环境污染是区域供热研究的主要方向。

供热系统分为三个控制级别，一级控制是对热源的集中控制，主要控制热源的供水温度和循环泵的运行频率。二级控制是换热站的控制，主要控制二次网供水温度和循环泵的运行频率。三级控制是热用户通过用户流量调节装置对室温进行调节。目前，中国几乎不可能实现三级精确控制。要实现三级控制，需要安装一系列的可调装置，如恒温阀、温度控制器等，这需要比较大的投资。因此，供热企业要实现三级控制几乎是不可能的。而且，即使安装了这些的设备，由于中国的采暖费用是根据采暖面积而非实际采暖消耗来确定的，用户减少室内温度设置的动机也很少。针对中国热力站现有特点，在尽可能少的投资且方便施工的背景下实现节能是各供热企业积极探索的路径。随着物联网技术的发展，无线室温传感器已在住户中开始实施安装。室内温度作为评价供热质量的直接目标，为供热企业的有效监督和实时调整供热策略带来了方便。然而更有效的挖掘室温与控制的关系无疑会增加供热效果提高供热质量。在传统的控制中反馈控制是以目标为指导的经典控制理论，其具有时效性和稳健性。然而供热系统中管网延时和室温因热惰性延及复杂的扰动的影响，给供热系统集中控制带来了非常大的挑战。在传统控制中，根据室外温度调节供热调节曲线，具有一定的预测性和较强的鲁棒性，结合现有热力站在部分住户安装的室温传感器，提取反应热力站整体热特性的有效室温，通过有效室温设定值作为评价热力站运行效果的目标值，最后通过反馈控制实现热力站整体室温稳定的效果。为了分析热力站的运行状况，借助动态仿真工具Modelica，通过实测数据进行验证，搭建了反应热力站整体特性的动态仿真模型。在模型基础上实现的控制分析。通过仿真与实测数据分析评价了模型的准确性。通过仿真分析得到，1）建筑热惰性的延时一般大于管网延时，给反馈控制提供了保障；2）通过预测反馈控制室温波动从原来的±1.1℃降低到±0.3℃；3）在考虑室外太阳辐射的干扰的情况下，工况会造成接近2℃的偏差，而新的控制方法室温波动只会增加0.5℃左右，有非常强的抗干扰能力；4）当有效室温需要调控时，只需调节目标室温的设定值即可，在一定范围内，室温能稳定在设定值附近，说明控制系统有很高的灵活性。

主要成果：

1.提出了基于有效室温反馈控制的控制逻辑

Fig.1. Schematic of the DH-substation system.

图1.区域热力站示意图

Fig.2. Control logic of the ERT-based PFC method.

图2.基于有效室温反馈控制控制逻辑

在基于有效室温的预测反馈方法中，利用预测的天气条件确定二次侧加热系统的供应温度和质量流量。提取有效室温作为反馈信号，修正供水温度。通过计算测试有效室温与设定有效室温的差值，结合调节曲线对供热温度进行校正。然后用PI控制器调节初级侧的质量流量。

 2.房间降阶模型的建立

Fig.3. Reduced-order model of the simulated room

图3.房间降阶仿真仿真模型原理图

将复杂的房间模型简化为电阻和电容（RC）图是保证系统仿真的准确性和快速性的关键，其中RC模型是大型系统动态仿真非常实用的模型，其中模型电路图简化是关键。且模型参数辨识方法也是保证模型准确的重要因素之一。

3.管网延时和建筑热惰性对比

Fig.4. Pipeline transportation and building thermal inertia time delay. 

图4.管网延时和建筑热惰性对比

系统中500m范围的热力站管网延时要明显小于建筑热惰性延时，室温反馈系统可以实现。

4.不同工况下室温波动对比

Fig.5. Indoor temperature fluctuations under different control strategies throughout the heating season: (a) Con1, (b) Con2, 

and (c) Con3.

图5.不同控制策略下室温波动对比

Fig.6. Temperature variations of the different rooms under different control strategies.

图6. 不同控制策略下不同房间的温度分布

在传统控制中通过细化供热调节时间曲线由于建筑热惰性影响不同提高室温波动的稳定性，而预测反馈控制提高稳定性性能明显。

5.预测反馈控制灵活性

Fig.7. ERT fluctuation controlled by PFC of different room-temperature targets.

图7. 不同目标温度下基于有效室温反馈控制室温波动图

在预测曲线不变的情况下，改变目标温度，室温接近设定值，且室温波动小，稳定性高，说明控制系统灵活性高。

6.控制系统抗干扰分析

Fig.8. Effects of weather disturbances on the room-temperature fluctuation under different control strategies.

图8.不同控制策略下天气扰动对室温波动的影响

当太阳辐射作为室外扰动时，在传统控制方法中由于热惰性的存在，室内温度会累计加温，造成较大的室温偏差，与原始值接近2℃的差值，因此室内容易造成，过热现象降低热舒适性。而预测反馈控制方法具有较强的抗干扰能力，室温基本在设定值附近波动，不会出现室温累积上升的现象。

文章引用格式：

Z. Li, J. Liu, X. Yang, X. Huang, L. Jia, M. Li, Novel effective room temperature-based predictive feedback control method for large-scale district heating substation, Appl. Therm. Eng., (2022) 119241. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.119241.