清  华  大  学      石兆玉

四川绵阳海源科技    杨德敏

西南自动化研究所    杨同球

摘  要：

国家十一五规划中明确指出：五年内节能20%。根据供热系统耗能比重和现状，集中供热的节能潜力非常大。安装优化节能集中供热控制系统，并依此提高运行管理水平，可取得事半功倍的节能效果。基于多年持久的调查、研究、试验、产品开发和实际应用，我们体会到：只有从集中供热的特点出发，才能使集中供热控制系统既可靠又简单、价低，达到既确保人体舒适又真正节能的目标！

本文将对优化节能集中供热控制系统的热力学模型、计算机控制方案、节能效果、可靠性和软硬件选择原则等进行介绍。

关键词：供热系统  节能  优化控制  计算机控制  单片机控制  智能控制

一、集中供热控制系统的特点和目标概述

据统计[1]：我国建筑能耗约占总能耗的1/3，供热空调能耗约占建筑能耗的1/3。而我国目前的供热系统能效只有30%，若供热系统的理想能效为70%（其中热源效率80%，热网热损失8%，基本消除冷热不均），尚有40%的节能空间，潜力是很大的。

但节能的前提，必须满足居民的舒适性要求。供暖室温过低，违背“以人为本”的基本原则；室温过高，不符合节约型社会的建设。为此，今年《关于加强节能工作的决定》（国发[2006]28号）对公共建筑的室温给于明确规定：冬天不高于20℃；夏天不低于26℃。供热系统设计、运行的最终目标，应该是在满足人们舒适性要求的同时最大限度地节能。

多年来，我们将供热、自动控制、计算机（软硬件）等多专业结合在一起，根据上述目标，对国内集中供热的现状、集中供热控制的热力学模型、优化节能控制方案、节能效果、控制系统的软件和硬件进行了持久的调查研究，并通过产品开发、试验和实际应用，我们逐渐认识到，只有深入了解集中供热系统的特点，才能开发出适用、可靠、简单、价廉的供热监控系统。

首先，必须根据集中供热系统的多变量、大迟后、非线性的系统特性，研制开发多输入、多输出的多环随动计算机监控系统。因为对于具有上述特性的供热系统，既要保证人体的舒适性又要达到节能目标，单靠采用多个常规控制器的组合，是很难实现的。由于多输入、多输出的多环随动计算机监控系统，具有：及时检测参数，了解系统工况；均匀调节流量，消除冷热不均；合理匹配工况，保证按需供热；及时诊断故障，确保安全运行；健全运行档案，实现量化管理的功能，它可以使各种先进的技术措施得以落实。从某种意义上说，供热系统只有达到了这种高水平的运行，它的供热效果、节能目的才能最终实现。

其次，要根据供热系统参数的渐变性和允许室温有一定的波动性的特点，计算机监控系统的设计不必像电厂等工业生产过程那样，要求快速、高精度的检测、控制。供热绝大多数为居民服务，室内温度只要达标，上下波动1℃左右，反而对健康有利。基于这些特点，供热监控系统，可以在较低的速度下检测，在较低的精度下控制，本着“直接、简单、低速”的原则，进行软硬件设计，尽量减少中间环节，追求的质量标准是可靠、便于操作和“物美价廉”[2]。

二、供热控制的热力学模型特点和节能效果分析

根据热平衡方程：围护结构的传热量=散热器的散热量=系统热水的放热量，可以求得供热系统静态热力学基本模型，在参考文献[3]中以（3.42）式表示：

Q/Qs=fQ（tn，tsn，L，Ls，tw，tsw，tg，tsg，th，tsh，Sys）    （1）

式中：fQ为供热系统热力学基本函数，表示相对热量Q/Qs与tn，tsn，L，Ls，tw，tsw，tg，tsg，th，tsh，Sys等参数之间的关系。

    Q，Qs—系统供热量，设计供热量；

L，Ls--供水流量，设计供水流量；

        tn，tsn—室内温度，设计室内温度；

        tw，tsw--室外温度，设计室外温度；

        tg，tsg—供水温度，设计供水温度；

th，tsh—回水温度，设计回水温度；

Sys—系统分类，主要与散热器种类有关：0—热风供暖，1—钢串片供暖，

2—铸铁散热器供暖，3--地板辐射供暖。

从（1）式可知，供热系统基本热力学模型属于多参数、非线性的大滞后系统，采用属于并行算法的遗传算法可以求得优化数值解[4]，从而可以制定供热系统的优化运行方案。在工程实践中，为了简化模型的求解，常常固定某些约束条件，得出一些简单实用的调节方式。

1．根据供热量调节供水流量--通常称为量调节。该调节方法，是把恒定供水温度作为约束条件，此时（1）式变为参数相关性函数（2）式：

L/Ls=fL（tn，tsn，tw，tsw，tg，tsg，th，tsh，Sys）      （2）

式中：fL—量调节函数。表示相对流量L/Ls与tn，tsn，tw，tsw，tg，tsg，th，tsh，Sys等参数有关。具体函数见[3]（3.57）式）。

由于水泵的理率N和流量的三次方成正比，因此，量调节的水泵节电效果非常显著。但是：采用纯量调的方法，在外温等于5℃时，系统相对循环流量只有7-15%（随不同地区而变化），除了系统回水温度过低外，还会引起室内系统的垂直失调和降低循环水泵的运行效率（当采用变频调速时）。因此，必须对最小流量进行，所以纯量调节不可能实现全程供热量控制，还必须和质调节配合，于是公式（2）可以简化为：

L/Ls= fL（tn，tsn，tw，tsw）≥ [L/Ls]                （3）

式中：[L/Ls]—保证系统正常运行的最小相对流量。

2．根据供热量改变供水温度—通常称为质调节

把系统循环流量等于设计流量（或其他固定值）作为约束条件，此时称为质调节，其静态方程（[3]（3.48）,(3.49)式）, 简化表示为参数相关性函数：

tg=fg（tn，tsn，tw，tsw，tsh，tsg，Sys）           （4）

th=fh（tn，tsn，tw，tsw，tsh，tsg，Sys）           （5）

式中：    fg—供水温度调节函数； 

fh—回水温度调节函数； 

全年供热量Q由0到Qs，节能效果为Qs-Q，根据供暖季节的室外温度分布积分可求得全年节能量。如果认为室外温度分布为直线，则和不进行调节相比，平均节省供热量为Qs/2，可见节能潜力很大。

3．根据供热量同时改变供水流量与供水温度----通称质量并调，基本模型变为（6）、（7）、（8）式：

L/Ls=fL（tn，tsn，tw，tsw）≥ [L/Ls]                      （6）

tg=fg（L/Ls，tn，tsn，tw，tsw，tsh，tsg，Sys）            （7）

th=fh（L/Ls，tn，tsn，tw，tsw，tsh，tsg，Sys）            （8）

（7）、（8）式中：L/Ls为输入量，为按（6）式确定并控制实现的实际值。

质量并调，是比较理想的调节方式，易于实现室内系统无垂直失调的理想控制。对于不同地区，无论双管系统，还是单管系统，最佳流量调节应在50-100%，范围内变化，因此，对于供热系统的二次网，应在相对流量50-100%范围进行，[L/Ls]=50%；对于一次网，为提高节电潜力，宜在30-100%的范围内进行变流量调节，[L/Ls]=30%。流量过小，变频器能量损失大，并不相宜。

4.分时变室温控制[（1）--（8）式中室内温度tn为变数]

*室内温度随时间变化--例如公用建筑、办公室、教室、学生宿舍等可以在无人停留的时间内降低室内供暖温度，只进行值班供暖；住宅也可以在深夜适当降低室内温度，以更有利于睡眠。

*室内温度随空间和室外温度变化--公用建筑的过渡区的室内设计温度可以根据室外温度改变，以减小室内外温差，达到改善人体的过渡要求等。

节能比例为（tsn-tn）/（tsn-tw），对时间积分就可以求得节能总效果。

5.热设备的优化调度

由于不同设备的效率不同，同一设备不同负荷下的运行效率不同，多台设备并联运行有相互影响，因此有一个优化调度的问题。例如：烧煤锅炉是满负荷运行效率最高；烧气炉较低负荷运行效率高。设备的调节范围都有。锅炉停/开频繁不但对设备寿命有影响，而且对节能也不利。水泵并联台数超过3台，增加水泵对流量的增加已无明显影响。锅炉组态对流量的影响等等。都必须靠优化调度才能取得最好的节能效果。

6．供热控制的动态模型

供热系统计算节能效果可以用静态方程进行分析，但是进行自动控制就必须考虑围护结构的传热、热交换器传热、热水输送等的滞后：围护结构传热滞后为小时级,水输送滞后为10分钟级，热交换器的传热滞后为10秒钟级，供水温度控制周期是秒级，阀位定位控制周期是分秒级！因此必须建立动态模型。但是，动态模型十分复杂！多年来，我们在实际工程中的作法是在静态方程的基础上进行修正：例如公用建筑、办公室、教室分时变室温调节，可以在下班前提前降低供水流量和温度，在上班前提前提高供水流量和温度；对不同的控制对象（不同的供热系统）采用不同的控制周期和延时修正，等。。

7.设计误差的修正

由于种种原因，供暖、空调负荷和设备选择的误差是很大的，如果每个房间用一个控制器，一般能够自动补偿设计误差。在集中供热控制中考虑设计误差修正的方案有：一个是采集代表室温进行闭环修正，一个是在控制算法中引入修正系数，修正系数的数值在运行调试中确定。经过多年实践，后一种方法能够取得良好效果。

三．集中供热的控制方案及输入输出参数

根据控制对象的数学模型，将集中供热控制方案及其组合和选择列于表1，同时在表中列出了必须采样的参数（可以按用户要求增加）和调节机构。由于篇幅所限，本文不介绍多台锅炉的优化调度控制；虽然我们应用了预测、非线形控制等现代控制算法，但在这里只介绍经典控制方案。

表1                      集中供热的控制方案表

* [  ]内参数为任选，为降低造价减少维修可不选。( )内参数为一次网的选项。

集中供热质调节控制系统如图1所示（其他调节系统图相似），当使用计算机时，图中的设定值计算、比较、控制算法都在计算机中完成，图中把它们分开是为了和常规控制相比较；为简化作图，图1中采用了广义控制对象，它包括：调节阀、热交换器、管网、房间和散热器等。图中的两个内环可以采用经典PID控制算法，或者现代控制算法；而控制设定值优化计算则是集中供热控制系统的特殊的静态—动态算法。

图1。集中供热质调节控制系统（[ ]内参数为任选）

四、优化节能集中供热控制系统的主机(控制器)选择

如前所述，优化节能集中供热控制系统是多输入、多输出随动（设定值随时改变）非标准控制系统，必须使用计算机控制系统，国内外基本上在下面两种方案中选择：①采用超高集成高可靠单片机（多功能微处理器MCU）的热力站智能控制器，②标准工业控制微型计算机（工控机），其比较见表2：

表2。 集中供热控制系统控制器/主机的比较表

我们经过多年的实践认识到：由于计算机核心部分已经越来越简单、可靠、价低，因此在选择计算机或者控制器时，重要的是考虑其扩展和外围设备（包括计算机的存储器，AD、DA、I/O扩展、软件，以及传感器、调节机构、软件等）的可靠性和价格；另外，供热系统有一个重要特点：检测和控制精度要求不高、采样和控制速度可以很低。所以，我们一直遵守以下原则：在满足目标的前提下，必须尽量减少中间环节，以“直接、简单、低速”提高系统的可靠性并降低造价！而不去盲目追求高速、高价、洋气、漂亮等“高级”指标。

现在有一些值得注意的倾向：不管有没有必要，也不管操作人员的水平，要就要“最高级”的：而且以为进口的就一定比国产的“高级”；高价、高速、复杂的就一定比低价、低速、简单的“高级”；微机就一定比单片机高级；使用WIDOWS就一定比DOS高级。却不知：有的进口产品是过期的产品，虽然外观和工艺也好看，但是元件和控制原理可能是20多年前甚至30多年前的；虽然微机的计算/显示/管理等功能比单片机控制器强得多,虽然使用WINDOWS比DOS的显示形象漂亮得多，但是要知道，这都是以增加系统的复杂性、降低系统可靠性、提高系统造价、增加电耗等为代价的。虽然工控微机的主机已经不贵，但是DA/AD/I/O等扩展板和控制软件的价格却很高。所以选择时一定看有没有必要，以简单、可靠、节能、适用为首要的选择目标！还有，就是往往只重视硬件而不重视控制软件，要知道，没有真正适合系统特点和现场组态、调试、维护、操作水平的控制软件，再高级的硬件也没用。

图2. LED显示和按键（96*96*100标准仪表盒）

图3. LCD图形汉字显示器和键盘（200*160*60）

另外，也有人主张采用具有多输入、多输出功能的通用工业控制器，我们的看法是：它内部没有热力站优化节能控制算法，通常只能实现通用控制算法；而且现场组态编程也相当复杂；由于其生产批量小，价格往往和工业控制微机控制系统差不多或者更高；而显示、操作介面和管理功能却和热力站智能控制器差不多，比工业微机差得远。所以，热力站优化节能控制系统不宜采用通用工业控制器。

五、集中供热控制系统的外围设备选择

优化节能集中供热控制（质量并调或变室温质量并调）的最小系统如图3所示。输入参数还可以按用户要求增加。其他调节系统与此类似。

图3。 优化节能集中供热控制的最小系统

如前所述，计算机核心部分已经越来越简单、可靠、价低，重要的是如何选择扩展和外围设备；在选择外围设备时，同样应该根据系统的特点，尽量减少中间环节，以“直接、简单、低速”的原则，提高系统的可靠性并降低造价：

1．温度传感器的选择

多年实用表明，对于节能控制，PN节半导体温度计稳定、可靠、灵敏度高（8mv/℃），可以不经过放大就直接输入，可降低成本和简化系统、提高可靠性。使用范围小于125 ℃。

如果室外温度计安装距离大，必须采用温度变送器（例如采用PN节半导体温度变送器，只需要增加一个电阻，就可以取代原有的PN节半导体温度计）。

如果室外温度计无法布线安装，可以采用无线通讯温度计或者电力线载波通讯的温度计。

2．流量传感器的选择

在控制环节中，可用简便方法测量流量：

（1）如果需要计量，则采用差压传感器，可比较准确的测量流量。

（2）二次网可用水泵出/进口压力传感器取得差压，可以近似测量流量。

（3）不用流量传感器。当循环水泵变频，按频率换算得到流量百分比（二次网无调节阀，循环水泵的流量与转速成正比）；当无变频器时，流量不变或者分档，流量百分比由人工输入。

3．调节阀的选择

（1）阀门的固有调节特性，应该选择等百分比型的；

（2）在确保工作压力、允许压差、流量、允许温度等的前提下，阀门孔径应该尽可能小些（一般阀门公称直径比管道公称直径至少小1-2号），以保证实际流量特性接近线型和尽可能小的关闭泄漏量。

（3）调节阀组成：阀体、执行器（单相可逆电机和减速器，全行程大约1分钟）、阀位发讯电位器（1K-2K）、限位开关。

（4）本系统不需要DA转换和外部伺服放大器（或者阀位定位器），而由计算机直接给调节阀定位，所以输出简单可靠、成本低！

    4．压力传感器的选择

经过多年的实际应用，表明可以选择电远传压力表，这不但比压力传感器价格低，而且灵敏度高（直接输出0-5V），可以不经过放大直接输入，所以可降低成本和简化系统、提高系统可靠性。

六、集中供热控制系统的可靠性及辅助功能

    由于可靠性十分重要，在前面介绍控制目标、控制主机（控制器）和外围设备的选择等的时候都介绍了可靠性和测量精度问题。下面介绍串联系统的可靠性和精度的计算公式：

                K=K1 * K2 * K3 * 。。                        （9）

                J =J1 * J2 * J3 * 。。                            （10）

式中： K，J----串联系统的总可靠性，总精度。<100%。

       Ki，Ji（I=1，2，3。。）----各串联环节的可靠性和精度。<100%。

    由于多个小于1的数相乘，其积越来越小，因此可见，串联环节越多，串联系统的总可靠性和总精度越低，如果再考虑到串联环节增加，操作、维修和调试的难度和误差增加，实际的总可靠性和总精度还可能比（9）、（10）式的计算值更低。因此，在满足使用目标和精度要求的前提下，系统越简单、中间环节越少，连接越直接，可靠性和（或者）精度就越高----例如：如果不要求数据库管理，则采用多功能MCU的单片机热力站智能控制器比微机更可靠（表2）；如果要求一般数据库管理，则使用DOS的低速、低价微机比使用WINDOWS的高速、高价微机更可靠；温度和压力传感器不经过放大而直接输入，不经过DA转换和外部伺服放大器（或者阀位定位器）而由计算机直接给调节阀定位，如果不要求流量计量就不用流量传感器等，都将提高系统的可靠性和（或者）测量精度。因此，可以看到：简单、低价和提高可靠性、保证一定的精度是能够统一的。

另外，系统的控制精度不但取决测量精度，更加取决于控制策略和系统调试。

    为了进一步提高系统的可靠性，还采用了一些确保系统可靠运行的辅助功能。例如：

（1）系统状态显示、报警和故障处理功能：

传感器故障/数值超高/超低报警。

如果被控参数传感器故障则停止自控并且报警。例如供水温度传感器故障，则无法进行质调节自动控制，必须手动运行。

如果外温TW传感器故障，则取设计外温作为计算外温并且报警。

变频器故障：报警并停止变频器—--变频泵，如果有备用泵，则开备用泵。

当流量小于40%，按40%进行控制，并且在显示流量过低故障。。

（2）控制不灵敏区管理功能

为了尽可能减少设备启动（或者增加输出）/停止（或者减少输出）的频率，以提高系统稳定性和延长设备寿命，控制系统有不灵敏区管理（可以设定）。

（3）参数设定、和掉电保护功能

为了确保安全，各个参数的设定范围都由计算机自动。设定参数保存在

EEPROM中，实现掉电保护。日历钟有备用电池。

*系统参数设定：由调试人员和管理人员设定各种系统设计参数、传感器标度、各种参数、动态方程修正、设计误差修正、日历钟设定，等等。为了确保安全，操作人员不能改变系统参数。

*运行参数设定：由管理人员或者操作人员设定各种运行参数。

（4）必要的手动操作功能和手动/自动双向无扰转换功能。

（5）有能够使系统受干扰后自动复位的“看门狗”。

（6）可选打印运行数据和故障记录。

（7）数据显示、报警、操作都有带汉字标注的LED指示，或LCD/CRT全屏幕汉字提示，以确保操作方便。

（8）其他必要的安全保护功能，就不在此一一介绍了。

主要参考资料

[1] 石兆玉  “提高供热系统能效是建筑节能的重要途径”，《供热与制冷》2005.12

[2] 杨同球  “工业锅炉自动控制的特点与策略简介”。赵振元、杨同球主编：《工业锅炉用户须知—安全节能与环保技术》，P241-P248。中国建筑工业出版社，1997。10

[3]石兆玉  《供热系统运行调节与控制》，清华大学出版社，1994.1

[4]石兆玉、蒋文忠“遗传算法在供热系统运行优化中的应用”《电子科学报》增刊，1996  下载本文