建造环境(BERL)课题组李志伟博士在中科院二区期刊《Energy & Buildings 》（JCR Q1， IF=6.7）发表论文基于时间温度需求的区域热力站混合控制方法的研究，为区域热力站不同供暖需求的住户提供高质量服务。

1. 题目

基于时间室温需求的区域热力站混合控制方法研究

2. 作者

Zhiwei Li(李志伟，一作), Junjie Liu（刘俊杰）,Jian Zhang (张健) , Yanmin Wang（王延敏），Lizhi Jia（贾利芝，通讯作者）

 3. 研究亮点

l 提出了一种区域热力站整体控制与分布式控制相结合的混合控制方法。

l 该控制方法实现了基于时间的室内温度需求。

4. 研究背景

在中国，集中供热系统随着城市化进程而迅速发展，低建筑供暖能耗是实现“双碳”可持续发展的一个重要策略。

区域供热站服务一个较大的供热区域，区域中的建筑具有非常强的多样性，实现办公、居住、商业、娱乐等不同的功能。但是，区域热力站的控制方法还是根据现有的室外气象参数来调节供水温度。由于水力不平衡，难以根据建筑功能实现灵活控制，导致不同功能建筑之间采暖不均匀，能耗高，不能实现“时间空间按需供热”。

本研究旨在基于室内温度的动态需求，通过混合控制方法(HCM)实现按需供暖。HCM集成了集中式和分布式控制。首先，根据流量和压力平衡方程对管网进行阻力识别和水力平衡计算，使管网辨识接近实际工况的状态，并通过水力平衡计算，水泵遵照最小压力控制实现水泵最低能耗运行；二是根据最不利回路室温，对二次供水温度进行校正，保证热力站供热满足要求；最后，利用各建筑的室温反馈对分布式阀门开度进行校正，实现对室温的精确控制。本研究以同时服务于住宅和办公楼的区域热力站为例，通过动态仿真模型进行分析。与传统控制方法(CCM)相比，HCM能有效克服供热不均匀现象，显著降低室温波动，增强热舒适性。

5. 主要成果

 （1）提出了混合控制策略

Fig. 6 The HCM strategy of DH substation

图6.区域热力站混合控制策略

图6(a)显示了总体控制策略。区域热力站的气候补偿曲线由气象参数确定，以最不利回路的室内温度反馈作为供热曲线的修正值，保证供热满足需求。图6(b)为分布式控制。首先，根据管网历史运行数据，根据流量和压力平衡方程确定管网阻力数，以确保管网阻力特性能更好地反映实际情况。其次，通过在室温下设定值计算用户流量，并基于图论的水力平衡计算出泵的最小压力和用户阀开度。最后根据设室温定值与运行值的差值对阀门开度进行校正，达到室温稳定。由于分布式阀控制是基于室温反馈的，PI控制容易引起控制器振荡。因此，采用稳定性好的P控制，静态增益设为0.9。P控制有一定的静态误差，但静态误差较小。当静态误差过大时，可通过调节目标温度设定值来提高控制精度。

（2）房间降阶模型的建立

Fig. 7. The dynamic simulation control model of HCM

图7. 混合控制动态仿真控制模型

图7中U1、U2、U6为住宅建筑，全天温度维持在19℃。U6作为最不利回路，通过反馈修正气候补偿曲线，保证系统整体供热满足需求。U1和U2通过p控制器实现室温稳定性控制。U3、U4、U5为办公楼，9:00 - 19:00工作时间室内温度为19℃，19:00 - 9:00休息时间室内温度为10℃左右。为保证系统的快速升温，控制方法如下:

If T_in≤T_in^set-2,电动阀开度100%;

If T_in^set-2<T_in<T_in^set+2，电动阀的开度由P控制器控制;

If T_in≥T_in^set+2，电动阀关闭.

（3）水力平衡及水泵最优控制

由于阀门开度在20%-100%范围内精度高。如果用户压力过大，则容易造成电动阀小启闭频繁跳动的现象，从而产生控制不了的现象。因此，对图8所示的手动调节阀进行初步调整，电动调节阀的调整效果更准确。根据Eq.(18)至Eq.(20)所对应的最佳泵工作频率，其中V6为100%开度，其他电动阀为60%开度，初步调整手动阀的位置。工况下，泵的最佳扬程为127 kPa。对应的阀门开度如表5所示:

当系统流量发生变化时，水力工况发生变化，即当工作状态变为休息状态时，根据式(22)重新评估泵压力和阀开度。由式(18)至式(20)可知，泵的最优压力为116 kPa，电动阀根据室温反馈自动平衡热流关系。

（4）室温控制时间列表

由于建筑热惯性的影响，室温从10℃上升到16℃大约需要2h，从18℃上升到16℃大约需要3h。当室温接近热平衡时，变化率逐渐减小。考虑到节能和人体热舒适，建筑在工作状态前2 h开始升温，人体在工作时间内无明显的冷感觉。近1 h后，室温可升至18℃，满足热舒适要求。因此，循环泵和热用户的调节时间计划为:正常工况下7:00-19:00，低温加热工况下19:00-7:00。

Fig. 13. Room temperature change curve under different room temperature settings

图13 不同室温设置下的室温变化曲线

（5）不同工况下室温波动对比

Fig. 14. Fluctuation diagram of indoor and outdoor temperatures under CCM. 

图14传统工况室内外温度波动

Fig. 15. Room temperature distribution under CCM.

图15. 传统工况室温分布

Fig.16 Indoor and outdoor temperature fluctuations under HCM. (a) Indoor temperature fluctuation curve of residential buildings. (b) Indoor temperature fluctuation curve of office buildings. (c) Local magnification of Fig. (b). (d) Outdoor temperature fluctuation curve.

图16. 混合控制室温波动图。（a）住宅建筑室温波动；（b）办公建筑室温波动；（c）图b局部放大；（d）室外温度波动。

Fig. 17. Room temperature distribution of residential buildings

图17.住宅建筑室温空间分布

在传统控制中室温波动较大，且室温受初始水力平衡的影响。混合控制住宅建筑室温波动明显降低，且室温在19℃附近波动。办公建筑可根据办公时间进行室温调控，达到按需供暖的目的。

（6）热舒适和能耗多目标优化

Fig. 18. Comparison of heating energy use under different control strategies.

图18. 不同工况下能耗对比

Fig. 19. Comparison of heating energy use of different buildings under different control strategies.

图19. 不同控制策略下不同建筑采暖能耗比较。

混合控制能耗明显降低，主要原因为办公建筑可根据工作时间进行室温调节达到节能的目的，同时住宅建筑解决了冷热不均的现象。混合控制热负荷波动会变大，可能会给一次网波动带来震荡，需进一步研究。

（7）泵耗对比

Fig. 20. Power use of the pump under different control strategies. 

图20. 不同控制策略下泵耗对比

传统工况下泵的耗电量为38.2 kW，总耗电量为139 MWh。HCM工况下，泵功率在27.8 ~ 38.3 kW之间，总能耗为119 MWh。与传统工况相比，混合控制节电约20 MWh，节电率为16.8%。

文章引用格式：

Z. Li, J. Liu, J. Zhang, Y. Wang, L. Jia, A hybrid control method for district heating substations based on time-based room temperature demand, Energy & Buildings 297 (2023) 113467, https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2023.113467. 

稿件编辑：李志伟

稿件审核：刘俊杰、田媛、何明桐