建造环境（BERL）课题组刘俊杰教授、王延敏博士等人在中国建筑科学类T2核心期刊《暖通空调》上发表论文，暖通空调领域改变室内环境管理方式，智能技术集成使用从控制方式上创新，新提出了一套应用于集中供热系统的以监测反馈室温作为按需供热抓手的“分时分区”按需供热精准调控技术，工程实践表明该技术能够提升用热质量，还能较大幅度降低热耗。

 

 

 

 

一． 题目

基于室温监测反馈的集中供热按需调控技术研究

二． 作者

王延敏（天大、大连海心），李志伟（天大、兰州交大），刘俊杰（天大，通讯作者），孟晗（天大），朱咏梅（天津热电），郎晋东（天津热电），王伟（天津热电）

三． 研究亮点

1. 深入分析区域内全部建筑室温运行规律，确定调控的优化方向。

2. 从换热站全网调节动态热力特性的角度出发，深入研究管网延时和建筑物热惰性延时对室温波动的影响，进而评估按需供热精准调控技术的可行性。

3. 在成本控制的前提下，以统计学的方法制定室温采集传感器数量的计算方法和空间分布原则，实现约束条件下的最优化。

4. 为了将室温数据有效地引入换热站调控参数中，并体现换热站室温的综合特性，开发一种换热站有效室温的计算方法。

5. 提出一种基于换热站有效室温的反馈值和设定值偏差的预测反馈控制方法，实现分时分区控制。

四． 研究背景

我国北方城市集中供热的热用户端缺乏调节设备，供热系统的调控只能在换热站进行。传统的换热站调控方法为气候补偿模式，以室外温度为依据建立供热调节曲线，根据用户的投诉情况获得一些模糊的反馈，并对调节参数进行粗略修正。这种调控方法只能通过人工经验去判断供热效果，并未考虑供热管网延时、建筑物热惰性及人类活动等复杂扰动因素的影响。因此，该调节方法是粗放的，供需匹配精度差，容易导致用户满意度低、能耗高。

北方供热本质上是一种公众福利，不是商品，各地供暖政策规定室温必须达到18~20℃。因此，按需供暖的目标是使室温达到目标值。供暖企业服务的目标是使用户的室温满足要求。按需供暖可以用体现热舒适性的室温作为抓手。集中供热收费的计量单位为供热面积，计量供热由于各种原因还没能实现。在这种计量模式下，供热合格与否的判断指标不是用热量，而是热用户的用热舒适性。因此，以用户的室温来评判用热舒适性，基于室温反馈通过宽幅调节实现热量精准输配是可行的研究方向。

本文以换热站内可调设备为基础，分析了室温的分布规律及与管网的延时差异，评估了以室温为需求点进行调控的可行性；进一步分析了为获取换热站调控需要的区域有效室温应该采取的室温采集传感器部署规律和分析计算规则；最后提出了以换热站有效室温的反馈值和设定值的偏差为依据、实现分时分区控制的调控策略。

五． 主要成果

1. 按需供热调控可行性

1.1 调控目标

提取室温在一天中每小时的测量值，定义一个24h的观测矢量，并使用测量值和设定值之间的偏差程度来放大每个值的信号强度。然后采用聚类方法将这些数据分为多个簇，分析每个簇的潜在规律。

结果表明，室温在一天内有不同程度的波动，且波动时间、波动幅度不同。由此可以推导出按需供热精准调控的目标是：1）降低室温波动幅度；2）使室温趋近设定值。

 

 

图2 室温日变化模式聚类示意图

 

1.2 调控可行性

按需供热精准调控的基本思路是通过用户室温的实时反馈值来调节以二次网供水温度为代表的换热站参数，进而改变用户室温。只有当控制参数（二次网供水温度）的变化速度快于目标参数（用户室温）时，才能达到实时反馈调节的目的。

模拟了3个与换热站距离不同的热用户的室温随二次网供水温度的变化过程。结果表明，建筑物热惰性引起的延时比管网传输引起的延时显著更长，约为管网延时的4倍，管网延时明显短于建筑物热惰性延时，以室温为反馈调节换热站或热用户的热负荷是可行的。

2. 室温反馈值的获取

2.1 室温采集传感器部署

室温采集的本质是从换热站全体热用户中抽取一部分安装室温采集传感器，通过这一部分用户的室温数据推断整个换热站的供热情况，因此，室温采集传感器的数量和分布需要有科学依据。

按需供热精准调控技术的关注点是整体用户的室温是否分布在合理的温度区间内，即室温合理率水平的高低。本文引入室温合理率概念来表示分布在18~24℃区间范围内的室温数据，并采用简单随机抽样的样本量估计方法计算室温采集传感器数量和覆盖率。

 

表2 案例项目室温采集传感器数量及覆盖率

 

 

室温采集传感器在部署时，需要在管网远端、中端及近端的楼栋均匀安装；需要在同一栋楼的不同楼层均匀分布；可选择户内的一个主要房间安装。

2.2 有效室温的计算

换热站有效室温是基于多个室温数据计算得到、能够体现室温综合特性的参数。常用计算方法有简单平均法、中位数和加权平均法，这些方法很难准确评价换热站室温的综合特性。

本文提出了一种基于熵值法的换热站有效室温计算方法，获取的加权系数能更精准地体现数据的内在特性。相较于其他方法，本方法有效剔除了主观偏好的干扰，从而确保了数据的客观性和准确性。

 

 

图3 换热站有效室温的计算结果

 

3. 分时分区调控策略

从建筑物功能的角度出发，换热站主要分为两类：一类用热需求较为统一；另一类用热需求多样，需要进行分区控制。针对这两类换热站，本文提出了两种调控策略。

3.1 单一调控策略

本策略针对用热需求单一的换热站，采用了一种基于换热站有效室温的预测反馈控制方法，优化了传统的气候补偿方法。首先，根据预测室外气象参数计算二次网供水温度；然后在获取室温数据后，计算换热站有效室温；并根据有效室温的反馈值和设定值之间的偏差，对二次网供水温度的计算值进行修正；最后，采用PI控制器调节一次网的电动调节阀开度，使二次网供水温度调节到修正值。

 

 

图4 单一调控策略逻辑图

 

3.2 混合调控策略

建筑物功能混合的换热站需要实现分区控制，通常具有多个管网环路，如果环路上没有可调节阀门，其调控策略为集中式调控，类似单一调控策略，有效室温取自最不利环路上建筑物的室温。如果每个环路上都有阀门，可采用分布式调控，原理是依据每个环路的有效室温来控制阀门开度。分布式调控策略通过为每个环路设置不同时间段的有效室温，实现分时分区控制。

 

 

图5 混合调控策略逻辑图

 

4. 应用效果

按需供热精准调控的核心目标是保证室温在舒适区间的同时，降低室温波动幅度，并且降低能源消耗，应用效果依据实际案例项目从室温分布和节热效果2个方面进行了分析。

4.1 室温分布

对案例项目一个换热站83个室温采集传感器2024年1月每小时的室温分布进行了分析，结果表明室温集中在19~21℃，少部分用户低于19℃或高于21℃，绝大部分满足了热用户的舒适性要求。

 

 

图6 室温分布

 

计算了案例项目一个换热站2024年1月每日的室温稳定度。在总计2573个数据中，有1855个值显示室温稳定度高达0.99，占比达到72.09%，充分展现了室温的优异稳定性；其余数据虽然略低，但也均保持在0.95以上，进一步印证了室温波动幅度较小，整体表现出良好的稳定性。

 

 

图7 室温稳定度分布

 

4.2 节热效果

采集了真实案例项目2023-2024年度供热期的单位面积耗热量，并与采用传统调控策略的历史同期值进行了比较。结果表明，本期热耗较同期值均有不同程度的降低。降幅最大达到8.01%，最小为5.16%，各换热站平均降幅为6.74%。

 

表3 案例项目节热效果

 

 

六． 结论

本研究提出了一种以监测分析用户室温为抓手的分时分区按需供热精准调控技术，它以换热站内的可调节设备为基础，不改变换热站内硬件设备组成和部署方式，仅通过增加反馈参数和改变调节逻辑算法，来提高用户端用热质量。主要结论为：

1）管网延时和建筑物热惰性延时的比较结果表明，管网延时远短于建筑物热惰性延时，以室温为反馈调节换热站或热用户的热负荷是可行的。

2）制定了室温采集传感器数量的计算方法和空间分布三原则，案例数据证明在有限的传感器数量下，所获取的室温数据具有足够的代表性。

3）开发了一种基于熵值法的换热站有效室温计算方法，规避了预先设置偏好的问题，更多地考虑了不确定性信息，能够体现换热站室温的综合特性。

4）提出了一种结合预测天气条件，基于换热站有效室温的反馈值和设定值偏差的预测反馈控制方法，根据供热区域内建筑物功能特点可分别采用单一调控策略和分区混合调控策略，能够精准控制室温，提升用户的舒适度和满意度。

5）案例项目表明室温稳定度都在0.95以上，节热幅度在5%~8%之间，在提升用户端用热质量的同时，还能较大幅度地降低热耗。

 

本文引用格式：

王延敏,李志伟,刘俊杰,等. 基于室温监测反馈的集中供热按需调控技术研究[J]. 暖通空调, 2024,54(10):44-51. DOI:10.19991/j.hvac1971.2024.10.07.

 

 

 

稿件编辑：王延敏

审核人：刘俊杰

田媛

于欣宇