一种水系统供暖的室温协同控制方法
技术领域
本发明所述的一种水系统供暖的室温协同控制方法，涉及采用水系统供暖或供冷的室温控制领域，特别涉及区域集中供暖或供冷系统中，无法及时有效获取室内温度，但需要室内温度协同控制的应用领域。本发明可内嵌在平衡热量表、控制阀、平衡阀等水系统供热信息终端设备中，也可应用于和这些供热信息终端设备有数据连接的监控计算机、数据处理设备中。
背景技术
水系统供暖是一种采用水作为热能输送介质的供暖或供冷系统，是目前建筑物供暖或供冷的重要形式，在我国冬季城镇区域供暖中大多采用水系统供暖。城镇区域供暖是一种区域性的大规模供暖系统，一个中心热源可以为众多的热用户提供供暖服务，中心热源通过供水管将高温水不断送入每个热用户室内供暖装置，如暖气片、地暖管、风机盘管等，和室内的空气热交换后成为低温水，再由回水管返回至中心热源，这样不断的循环达到热能输送的目的。中心热源是某个区域内的供暖热源，典型的如分布于一个住宅小区的热力站，热力站的供热管道连接着小区热用户的供水管和回水管，使得热能不断送入到小区内的每个热用户。
为了监控每个热用户的供暖状态，在进入室内的供水管和回水管上通常安装有供热信息终端设备，如热量表、冷量表、平衡热量表、控制阀、通断阀、平衡阀等，用于测量每个热用户室内供暖装置的供水温度、回水温度、流速，以及流速的控制等。供热信息终端是一种具有远程通讯接口的供暖信息采集和控制的智能设备，一般具有供水管和回水管的水温采集、水的流速采集等功能，同时具有水的流速控制、供热能耗计算等功能。供水温度是指进入热用户室内供暖装置的高温水的温度，由安装在供水管的温度传感器测量。回水温度是指流经室内供暖装置后的低温水的温度，由安装在回水管的温度传感器测量。流速是指流经室内供暖装置的水的流速，由安装在供水管或回水管的流速传感器测量。这些传感器一般集成在供热信息终端设备内，测量到的供水温度、回水温度、流速等参数通常称为过程测量值。供热信息终端设备通常还包括有流量控制阀，如：平衡阀、通断阀、控制阀等，用于调节室内供暖装置的流速，从而控制室内供暖装置的热功率，达到调控室内温度的目的。供热信息终端设备通常安装在建筑物的专用井道内，不需要进入热用户的室内进行安装，因此安装和维护都比较方便。
水系统供暖的室内温度控制，是通过调节室内供暖装置的供水温度或流速，从而改变室内供暖装置和室内空气的热交换功率值来实现的。在城镇区域供暖中，采用统一的管道将热水输送到每栋楼，再分支到每个热用户，由于各个热用户之间管道和设备存在着差异性，使得进入每个热用户的流量是不均衡的，导致热用户间的室温差异较大，这种供暖方式既不舒适也不节能。因此，在城镇区域供暖系统中，需要采用流量均衡控制的方式，来解决各个住户之间的室温均衡问题。对于城镇区域供暖而言，热源提供给每个室内供暖装置的供水温度是基本统一的，因此就某个室内供暖装置而言，只能通过调整流速来调整室内的热功率值，实现室内温度的控制。通常情况下会采用控制阀、通断阀、回温控制阀、流速控制阀等控制装置来实现流速的调整，这些装置往往集成在供热信息终端设备中。控制装置是指按某个控制指令要求，如某个过程测量值或者过程测量值的组合值作为控制指令要求，执行阀门自动调节，能实现室内供暖装置流速控制的装置。控制装置一般采用恒定流速控制，也可以采用阀门通和断交替方式的流速控制，还可以采用混合控制方式。
为了实现各个热用户的室内温度均衡，控制装置一般需要设置一个和室内温度相关的参数作为控制参数，比如控制阀的阀位、通断阀的通断时间、供暖装置的回水温度、供暖装置的供回水温差、供暖装置的流速、供暖装置的功率、供暖装置的流量、供暖装置的热量等，通过调整控制参数使得各个热用户的室温达到均衡。另外，当室外温度或用热状态发生变化，导致室温变化时，控制装置也可通过调整控制参数，继续保持室温的均衡。由于控制参数和室温之间具有一定的对应关系，因此，在获取到室内温度后，修正和控制参数的对应关系，以便在室温缺失时，继续保持室温的正常控制。
在城镇区域供暖系统中，热用户的室温管理是由热能提供方按相关规范执行的，热用户一般不自行调控，因此，为了达到供暖节能和室内温度舒适，室内温度通常被要求控制在相关规范规定的室温值内，这不仅要求各个热用户的室温均衡，也要求对一个供热区域的室温进行总体调控，使得每户的室内温度保持在规范规定的范围内。由于室温和供水温度是线性关系，因此一个供热区域的总体调控通常采用调整供水温度的方式进行，而室温调控所选择的控制参数和室温之间的对应关系并非线性，当供水温度变化时，每个热用户的控制参数往往需要重新调整，使得控制装置频繁动作，不仅降低了装置的使用寿命，而且容易引起调控失败。
现有技术下，一般选择控制阀的阀位、通断阀的通断时间、供暖装置的回水温度、供暖装置的供回水温差、供暖装置的流速、供暖装置的功率、供暖装置的流量、供暖装置的热量等作为控制参数。这些控制参数中，有些对控制阀的性能要求较高，比如控制阀的阀位，在城镇区域供暖系统中，部分住户的供热功率较小，所需的流速很低，此时的阀位开度小，同等控温精度下，对控制阀的行程精度要求高，普通控制阀的精度无法满足要求；有些控制参数和室内温度的对应关系难以获取，比如通断阀的通断时间和取暖装置的散热系数、供水温度、室内温度等有关，且存在非线性关系，与室内温度之间关系难以确定；有些控制参数，比如供暖装置的回水温度、供暖装置的供回水温差，容易受供水温度的影响，当供热温度变化时，将引发阀门的频繁动作，导致供热系统失控；而将供暖装置的流速、供暖装置的功率、供暖装置的流量、供暖装置的热量等作为控制参数，需要额外增加流量传感器，且一个供热区域的中心热源，输送的水流速度一般是恒定的，对应的热量也是恒定的，当一个热用户的流速或功率发生变化时，必然影响其他热用户流速或功率，从而造成系统的不均衡，严重的可导致供热系统失控。
目前获取室内温度的方法通常是在热用户的室内安装室温传感器，并由通讯系统将室温值传输至热能提供方的控制系统，最终由控制装置来调整每个热用户的供热功率。室温传感器安装在每个热用户的室内，因此需要入户安装和维护，安装比例低、安装和维护成本高、容易受周围环境和人为因素的影响，存在室温数据获取比例低、数据不可靠的问题。
软测量技术是把自动控制理论与生产过程知识有机的结合起来，应用计算机技术对难以测量或者暂时不能测量的重要变量，选择另外一些容易测量的变量，通过构成某种数学关系来推断或者估计，以软件来替代硬件的功能。采用软测量技术获取室内温度，不需要在室内安装室温传感器，可内置在供热信息终端设备等计算机系统中，室温数据获取可靠性高、成本低，能解决上述安装室温传感器存在的问题。软测量技术主要由辅助变量的选择、数据采集与处理、软测量模型几部分组成。水系统供暖的室温软测量技术，是通过选择室内供暖装置的供水温度、回水温度、流速等过程测量值，并结合环境因素等辅助变量，由供暖信息终端等计算机系统采集和处理，根据室温软测量模型计算出室内温度的一项间接获取室内温度的技术。为了有别于室温传感器的所测得的室温值，室温软测量技术所获得的室温值通常被称为室温软测量值。
现有技术下，一般通过室内安装室温传感器或室温控制器，并由通讯网络将室温采样值传输至控制计算机或控制阀，调节室内供暖装置的流速，从而调节室内温度。对于住宅而言，室内和室外分属不同的管辖权，实际应用中，入户安装室温传感器或室温控制器，需要征得热用户的同意，存在安装成功率低的问题。另外，室温传感器或室温控制器需要安装在室内某个测温位置，而供热信息终端设备则安装在室外的入户供热管路上，因此，室温传感器或室温控制器必须通过通讯网络和供热信息终端设备进行数据通讯。由于建筑物结构的不确定性，这种方式容易导致通讯故障。另外，室内的室温传感器或室温控制器容易受到人为因素的影响，比如测温位置被移动、遗失或损坏等，导致室温数据不可靠。以上这些问题，导致现有技术中，室温传感器或室温控制器存在入户安装难、通讯可靠性低、测温数据不可靠等一系列问题。
综上所述，现有技术的水系统供暖的室温协同控制方法存在以下问题：
1) 当供水温度变化时，调整控制参数容易引发控制阀频繁动作现象，甚至会引发整个供热系统失控，导致现有技术难以实施；
2) 对于部分供热功率较小的住户，存在控制阀精度要求高，普通控制阀无法精确调控的问题，导致现有技术难以实施；
3) 对于采用流量、功率等流量相关参数作为控制参数，存在需要流量传感器，从而成本高、且协同性差，容易引发整个供热系统失控的问题，导致现有技术难以实施；
4) 控制参数和室温的对应关系非线性，使得控制参数的计算难度高，难以及时调整的问题，导致现有技术难以实施；
5) 室内安装室温传感器，存在入户安装难、通讯可靠性低、测温数据不可靠的问题，导致现有技术难以实施。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水系统供暖的室温协同控制方法，解决现有技术容易引发控制阀频繁动作、控制阀精度要求高、协同性差、控制参数难以计算、室内安装室温传感器难的问题，特别是解决控制参数和室温之间非线性、容易引发整个供热系统失控的问题。
一种水系统供暖的室温协同控制方法，获取供暖装置的回水温度，并计算回水温度和虚拟室温的差值，得到回温差值；获取供暖装置的供水温度，并计算供水温度和虚拟室温的差值，得到供温差值；计算回温差值和供温差值的比值，得到供回温比值；将供回温比值与设定比值比较，并根据控制算法，调节供暖装置的流速，所述虚拟室温为室内温度值，或为接近室内温度的温度值。
所述的方法，包括步骤一，获取供暖装置的回水温度，由第一减法器计算与虚拟室温的差值，得到回温差值；步骤二，获取供暖装置的供水温度，由第二减法器计算与虚拟室温的差值，得到供温差值；步骤三，由除法器计算回温差值和供温差值的比值，得到供回温比值；步骤四，由第三减法器计算供回温比值和比值设定值的差值，得到比值差值；步骤五，流速调节根据比值差值调节供暖装置的流速；还进一步包括比值设定值的修正方法，由第四减法器计算室温软测量值和室温设定值的差值，得到室温差值；比值修正算法根据供回温比值和室温差值修正比值设定值。
所述设定比值，依据获取的室内温度值，按修正算法进行修正；所述修正算法，当室内温度偏高时，降低设定比值；当室内温度偏低时，增大设定比值；当室内温度适当时，设定比值不变。
所述室内温度值采用室温软测量技术获取。
所述控制算法，当供回温比值大于设定比值时，降低供暖装置的流速；当供回温比值小于设定比值时，增大供暖装置的流速；当供回温比值等于设定比值时，供暖装置的流速不变。
所述的方法，所述接近室内温度的温度值，为室温测量值或室温设定值。
所述的方法，采用平衡热量表，平衡热量表通过回温传感器和供温传感器分别获取回水温度和供水温度；平衡热量表内置微处理器，计算回水差值、供水差值和供回温比值，实施控制算法；平衡热量表内置控制阀，调节供暖装置的流速。
一种平衡热量表，采用所述的方法进行水系统供暖的室温协同控制。
本发明提供了一种可方便实现供热区域内各热用户室温协同控制的方法。在城镇区域供暖系统中，当供暖装置内的流速保持基本恒定时，室内的供暖装置的供热功率，和供水温度和回水温度相对室温的差值有关，且呈线性关系。由于供热功率和室内温度呈线性关系，因此供水温度和回水温度相对室温的差值，和室温也呈线性关系。本发明将回水温度和供水温度相对室温的比值作为控制参数，通过调节供热装置的流速，保持该比值的恒定，即能保证室内温度和供水温度呈线性关系，通过调整供水温度，即可线性调整室内温度。对于一个供热区域而言，如每个热用户的控制参数均保持恒定，那么每个热用户的室内温度，和供水温度均呈线性关系，这样就可以用供水温度协同调节每个热用户的室温。由于一个供热区域的供水温度来自于中心热源，因此，中心热源调节供水温度即可线性调节供热区域内各个热用户的室内温度，可方便的实现供热区域内各热用户室温的协同控制。
本发明提供了一种降低控制装置的调整幅度、提高控制装置寿命的室温控制方法。在城镇区域供暖系统中，建筑物的热容较大使得室温变化不明显，在供暖装置流速保持不变的情况下，回水温度将随供水温度的变化而作线性变化，即：回水温度和室温的温差，与供水温度和室温的温差，呈正比关系。本发明采用回水温度和供水温度相对于室温的比值作为控制参数，符合这种线性变化的规律，在室温稳定的情况下，当供水温度变化时，控制参数几乎不变化，控制装置仅需对流速作小范围调整，甚至不作调整，即可满足控制参数的控制要求，这样降低了控制装置的调整幅度，提高了控制装置的使用寿命。
本发明提供了一种不依托室温传感器、实现水系统供暖系统的室温控制可靠方法。本发明一种水系统供暖的室温协同控制方法，依托室温软测量技术，实现控制参数，即设定比值的修正。本发明的方法可内置在每个热用户的供热信息终端中，也可分置在供热信息终端和与之联网通讯的计算机中，通过供热信息终端采集室内供暖装置的过程测量值，可以包括供水温度、回水温度、流速、功率等，并结合环境因素，由室温软测量模型计算出室温软测量值。本办法不直接测量室内温度，避免了采用现有技术依托室温传感器实现室温控制存在的问题，从而实现了室温的可靠控制。
综上所述，与现有方法相比，本发明具有以下优点：
1）可方便实现供热区域内各热用户室温协同控制的方法；
2）降低控制装置的调整幅度、提高控制装置寿命的室温控制方法；
3不依托室温传感器、实现水系统供暖系统的室温控制可靠方法。
附图说明
图1是本发明的一种实施例框图；
图中，回水温度1、供水温度2、虚拟室温3、第一减法器4、第二减法器5、回温差值6、供温差值7、除法器8、供回温比值9、比值设定值10、第三减法器11、流量调节12、室温软测量值13、室温设定值14、第四减法器15、比值修正算法16、室温差值17、比值差值18。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的阐述。
实施例
参见图1，为本发明一种水系统供暖的室温协同控制方法的一种实施方案。包括步骤一，获取室内供暖装置的回水温度1，由第一减法器4计算与虚拟室温3的差值，得到回温差值6；步骤二，获取室内供暖装置的供水温度2，由第二减法器5计算与虚拟室温3的差值，得到供温差值7；步骤三，由除法器8计算回温差值6和供温差值7的比值，得到供回温比值9；步骤四，由第三减法器11计算供回温比值9和比值设定值10的差值，得到比值差值18；步骤五，流量调节12根据比值差值18调节控制阀。还进一步包括比值设定值10的修正方法，由第四减法器15计算室温软测量值13和室温设定值14的差值，得到室温差值17；比值修正算法16根据供回温比值9和室温差值17修正设定值10。
在城镇区域供暖中，热源的供水管和回水管连接着室内供暖装置的供水管和回水管，在热用户室外一般设有专用管道井，用于安装供暖数据的采集和控制设备。该设备位于每个热用户入户端的供水管和回水管上，并在供水管和回水管上放置有温度传感器、流速传感器和控制阀，用于采集供水温度、回水温度和流速等过程测量值，并进行流速的控制。
本实施例采用平衡热量表作为供暖数据的采集和控制设备，安装在室内供暖装置的供水管和回水管上。平衡热量表是一种内置微处理器、流量传感器、供温传感器、回温传感器和控制阀，并具备远程通讯能力的智能仪表。平衡热量表内置供热功率计算公式，能根据测量的流速、供水温度、回水温度，计算出供热的功率。同时，本实施例平衡热量表内置有室温软测量算法和流量控制算法。
平衡热量表通过回温传感器和供温传感器分别获取回水温度1和供水温度2，并计算和虚拟室温3的温差，得到回温差值6和供温差值7，其中，第一减法器4和第二减法器5由平衡热量表内置的微处理器实现。为实施方便，本实施例的虚拟室温3为接近室温的固定值，如设置为摄氏20度，其他方式，可以将室温软测量值13作为虚拟室温3、或者将室温设定值14作为虚拟室温3。除法器8计算回温差值6和供温差值7的比值，获得供回温比值9，其中除法器8由平衡热量表内置的微处理器实现。第三减法器11计算供回温比值9和比值设定值10的差值，得到比值差值18，第三减法器11由平衡热量表内置的微处理器实现。本实施例中比值设定值10作为控制参数，由上位计算机通过网络下发给平衡热量表的微处理器。流量调节12是能将供回温比值9和比值设定值10的差值转化为阀位行程、并执行阀位调整的控制模块。当供回温比值9大于比值设定值10时，流量调节12驱动控制阀，使得流经取暖装置的流量降低；当供回温比值9小于比值设定值10时，流量调节12驱动控制阀，使得流经取暖装置的流量增大；当供回温比值9等于比值设定值10时，流量调节12保持控制阀不变，使得流经取暖装置的流量不变。由于比值差值18和流经取暖装置的流量存在一定的比例关系，而平衡热量表内置流量传感器，因此，本实施例采用流量和比值差值18的对应关系，调整控制阀的阀位。其他情况下，由于比值差值18和控制阀阀位的行程也存在一定的比例关系，可以采用阀位调节来实现比值差值18的调整。
本实施例室温软测量值13通过室温软测量算法取得，并由第四减法器15获取和室温设定值14的差值，得到室温差值17，其中，室温软测量算法、第四减法器15由平衡热量表的微处理器实现。室温设定值14由热用户、上位计算机等设定。除了采用室温软测量算法获取室温软测量值13外，也可以采用室温测量值替代室温软测量值13，参与供回温比值的修正。比值修正算法16根据室温差值17，以及当前的供回温比值9，修正比值设定10。由于室温差值17和供回温比值9存在一定的比例关系，因此可以根据室温差值17修正比值设定值10。
本实施例将供回温比值9作为控制参数，根据供热装置的基本原理，当供水温度2变化时，回水温度1也会相应的变化，供回温比值9几乎无变化，或变化极小，使得供温变化时，流量调节12几乎不需要做阀位调整，或阀位调整极小，有利于提高控制阀的可靠性。
本实施例将供回温比值9作为控制参数，根据供热装置的基本原理，由于供水温度2的变化和供热装置的热功率呈线性关系，也和室温呈线性关系。在一个供暖区域内，供水温度2变化时，所有热用户的供热装置的热功率均按相应的比例变化，且每个热用户的供回温比值9几乎不变，这就使得在一个供热区域内的热用户，达到了热功率的协同变化，即达到了室温的协同变化。
本实施例一种水系统供暖的室温协同控制方法，内置在平衡热量表中。本发明也可以内置在任何具有微处理器等运算能力的供热装置过程数据采集和控制设备中，如热量表、冷量表、控制阀、平衡阀、积算仪、控制器、热力信息终端等，以及各种计算机中，既可以分布式内置也可以统一内置。本发明所内置的载体类型和形式，并不影响本发明所具备的特征和益处，因此将本发明内置在一个或多个载体中，以及载体的不同类型，此类情况均应落在本发明的保护范围内。
本实施例一种水系统供暖的室温协同控制方法，将本实施例的虚拟室温3为接近室温的固定值，如设置为摄氏20度。本发明也可以将室温软测量值13作为虚拟室温3、或者将室温设定值14作为虚拟室温3，或者采用其他方式获取的室温值、室温估值作为虚拟室温3，如室温传感器、室温控制器直接测得的室温值等。本发明采用各种接近或实测室温值的数据，作为虚拟室温3，仅仅是方式的区别，并不影响本发明所具备的特征和益处，因此可采用各种类型的室温值作为虚拟室温3，此类情况均应落在本发明的保护范围内。
本实施例一种水系统供暖的室温协同控制方法，其中比值修正算法16根据室温差值17，以及当前的供回温比值9，修正比值设定10。本发明也可以进一步将供暖装置的流速、流量、功率、热量等作为比值修正算法16的附加变量，以更精确的修正比值设定10。本发明采用更多的附加变量，修正比值设定10，并不影响本发明所具备的特征和益处，因此采用各种附加变量修正比值设定10，此类情况均应落在本发明的保护范围内。
以上公开的仅为本发明的具体实施例，但本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本发明的保护范围。
