供暖系统水温度预测模型的建模方法及水温控制策略技术方案

本发明专利技术开了供暖系统水温度预测模型的建模方法及水温控制策略，包括如下步骤：S1：建立房间热负荷预测模型。考虑房间热负荷主要受室外环境参数(室外温度T

【技术实现步骤摘要】
供暖系统水温度预测模型的建模方法及水温控制策略
本专利技术属于空气源热泵供热系统节能优化领域，具体涉及供暖系统水温度预测模型的建模方法及水温控制策略。
技术介绍
空气源热泵以电力作为驱动，从大气中吸取热量，提升至可用的高品位热能，是一项节能、环保的可再生能源技术；低温地板辐射是空气源热泵供暖最适宜的末端形式，具有舒适、节能等优势。近年来，在北方清洁能源推动下，空气源热泵-地板辐射供暖系统在我国区域集中供暖中应用越来越广泛。由于空气源热泵机组的制热运行效率(COP)随供水温度变化，降低供水温度可有效提高机组COP，降低供暖能耗；地板辐射的换热量受水温影响，当负荷降低时，如果水温不随之减低，会造成房间过热、能耗浪费。因此，空气源热泵集中供暖系统在运行中应根据热负荷需求，采用变水温运行，才能更好达到节能和舒适目标。现有研究对变水温控制方法进行了较广泛研究，主要分为两类：1)基于气候补偿的变水温控制方法：根据室外环境变化，按照所设定的温度补偿曲线，调节供水温度设定值。如专利技术专利CN111473408A公开了一种基于气候补偿的供热控制系统的控制方法，包括：建立气候补偿数学模型、热交换动态模型；根据供回水平均温度的设定值与实际值，自动调整下一次运行状况。2)基于最优化算法的变水温控制方法：以供热系统运行成本最低为目标，首先收集系统热源、管网及用户的相关数据，并考虑当地电网费用标准，之后建立特定数学模型，再通过相应算法分析、运算，最终确定最低运行成本时的热泵机组水温设定值。然而，气候补偿器的调节曲线需要花费大量时间调试获取，且室外气象参数中仅考虑了室外温度影响，导致供水温度设定值并不准确，造成过热或欠热问题；基于最优化算法的变水温方法，需要对供暖系统进行全局优化，所建模型复杂、通用性差，不易于工程应用。在实际工程中，目前空气源热泵集中供暖系统通常采用“定水温”运行策略，或者阶段性手动调整水温设定值，严重影响了空气源热泵集中供暖系统的节能效益。因此，为促进空气源热泵集中供暖系统的节能减排，开发适用于工程应用的地板辐射-空气源热泵供暖系统智能水温控制方法是非常必要的，应重点解决两个问题：(1)开发具有通用性、自适应性的最佳供暖水温预测模型，根据建筑负荷需求，自动预测地板辐射末端的最低需求水温。(2)开发高效、稳定的适用于空气源热泵集中供暖的变水温策略，在控制器层面实现优化控制，便于工程推广应用。
技术实现思路
本专利技术提供了供暖系统水温度预测模型的建模方法及水温控制策略。首先，根据典型房间的热负荷需求和地板辐射换热能力，建立了地板辐射最佳供水温度预测模型，采用最小二乘法及二分法自适应修正模型参数，自动预测不同运行工况下的供暖水温需求；然后，基于最佳水温预测，考虑集中供热系统远距离输送引起水温衰减及滞后，并结合室内温度反馈，开发变水温优化控制策略，实时重设空气源热泵机组回水温度设定值，提高空气源热泵集中供暖系统运行效率。具体技术方案如下：一方面，本专利技术提供了供暖系统水温度预测模型的建模方法及水温控制策略，包括如下步骤：S1：建立房间热负荷预测模型。考虑房间热负荷主要受室外环境参数(室外温度Tao、太阳辐射I)、室内设定温度(Tai,set)和外围护结构影响，并且考虑易于工程应用，建立房间热负荷预测模型如下：其中，Qbuild,p为房间热负荷预测值，W；n为不同朝向外围护结构(包括墙体、玻璃窗及屋顶)数量；Ki为第i个围护结构的传热系数，W/(m2·℃)；Ai为第i个围护结构面积，m2；Tai,set为室内设定温度值，℃；Tao为室外温度，℃；ρs,i为第i个围护上的太阳辐射强度吸收率；Ii为第i个围护上的太阳辐射强度，W/m2。S2：建立地板辐射换热能力预测模型。根据对流传热和辐射传热过程，地板辐射换热量主要与盘管内水流量、温度，以及辐射地板设计参数相关，建立地板辐射换热能力预测模型如下：其中，Qfr,p为地板辐射换热能力预测值，W；Tws,fr,p为辐射盘管供水温度预测值，℃；m为辐射盘管内水流量，kg/s；R为地板辐射换热热阻，m2·℃/W；Afr为地板辐射计算面积，m2。S3：当地板辐射换热量刚好满足热负荷需求，即Qbuild,p＝Qfr,p时，此时的水温为地板辐射最佳供水温度Tws,fr,p。联立公式(1)和(2)，得到地板辐射最佳供水温度预测模型，如公式(3)所示。Tws,fr,p＝f(Tao,I,Tai,set,Afr,m,A,ρs,K,R)式中，Tws,fr,p为地板辐射最佳供水温度；Tai,set根据用户实际需求设定；Afr、m、R根据辐射地板设计确定；根据房间外围护结构设计确定。S4：为提高地板辐射最佳供水温度的预测精度，采用最小二乘法及二分法，利用实际运行数据，对预测模型中的关键建筑设计参数(传热系数K值、地板辐射热阻R值)进行参数自适应修正，得到修正后参数值为：K'及R'。S5：基于公式(3)和传热系数、地板辐射热阻修正值，确定自适应地板辐射最佳供水温度预测模型。在实际运行中，根据Tao、I，以及Tai,set，可以实时预测地板辐射最佳供水温度Tws,fr,p。Tws,fr,p＝f(Tao,I,Tai,set,Afr,m,A,ρs,K′,R′)进一步的，步骤S4通过实际运行数据对地板辐射最佳供水温度预测模型进行参数自适应修正。考虑各围护结构传热系数K值、地板辐射热阻R受实际施工、时间老化等影响，会使实际值与设计值有较大差距，且这两个参数对模型准确性影响较大，因此采用最小二乘法，对模型中的K值进行自适应修正；采用二分法，对模型中的R值进行自适应修正，以提高地板辐射最佳供水温度预测模型的预测精度，具体步骤如下：S41：楼宇自控系统采集并逐时记录供暖系统实际运行数据，获得k组运行数据，具体包括室外温度Tao、太阳辐射强度I、地板辐射水流量m、地板辐射供水温度Tws,fr及地板辐射回水温度Twr,fr，并按照公式(5)计算房间实际供热量Q。Q＝4200×m(Tws,fr-Twr,fr)S42：采用最小二乘法，对地板辐射最佳供水温度预测模型的K值进行自适应修正，具体过程如下：(4)令则公式(1)表达为：(5)将步骤S41得到的k组运行数据代入公式(5)可得k组等式，并令Qbuild,p＝Q，可得到矩阵表达式如下：其中，(6)采用最小二乘法，以各组数据的房间热负荷预测值Qbuild,p与实际供热量Q的误差平方和J最小为目标，可求解确定自适应修正后传热系数值K'。K′＝(φTφ)-1φTQ其中，ΦT为Φ的转置矩阵。S43：采用二分法，对地板辐射最佳供水温度预测模型的R值进行自适应修正。具体过程如下：(1)根据实际运行数据，计算地板辐射换热能力预测值Qfr与实际供热量Q的偏差率η，其中Qfr按照公式(2)计算，R值取工程经验值。(2)根据地板辐射换热能力预测偏差率η本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.供暖系统水温度预测模型的建模方法及水温控制策略，其特征在于，包括如下步骤：/nS1：建立房间热负荷预测模型。考虑房间热负荷主要受室外环境参数(室外温度T

【技术特征摘要】
1.供暖系统水温度预测模型的建模方法及水温控制策略，其特征在于，包括如下步骤：
S1：建立房间热负荷预测模型。考虑房间热负荷主要受室外环境参数(室外温度Tao、太阳辐射I)、室内设定温度(Tai,set)和外围护结构影响，并且考虑易于工程应用，建立房间热负荷预测模型如下：



其中，Qbuild,p为房间热负荷预测值，W；n为不同朝向外围护结构(包括墙体、玻璃窗及屋顶)数量；Ki为第i个围护结构的传热系数，W/(m2·℃)；Ai为第i个围护结构面积，m2；Tai,set为室内设定温度值，℃；Tao为室外温度，℃；ρs,i为第i个围护上的太阳辐射强度吸收率；Ii为第i个围护上的太阳辐射强度，W/m2。
S2：建立地板辐射换热能力预测模型。根据对流传热和辐射传热过程，地板辐射换热量主要与盘管内水流量、温度，以及辐射地板设计参数相关，建立地板辐射换热能力预测模型如下：



其中，Qfr,p为地板辐射换热能力预测值，W；Tws,fr,p为辐射盘管供水温度预测值，℃；m为辐射盘管内水流量，kg/s；R为地板辐射换热热阻，m2·℃/W；Afr为地板辐射计算面积，m2。
S3：当地板辐射换热量刚好满足热负荷需求，即Qbuild,p＝Qfr,p时，此时的水温为地板辐射最佳供水温度Tws,fr,p。联立公式(1)和(2)，得到地板辐射最佳供水温度预测模型，如公式(3)所示。
Tws,fr,p＝f(Tao,I,Tai,set,Afr,m,A,ρs,K,R)
式中，Tws,fr,p为地板辐射最佳供水温度；Tai,set根据用户实际需求设定；Afr、m、R根据辐射地板设计确定；

根据房间外围护结构设计确定。
S4：为提高地板辐射最佳供水温度的预测精度，采用最小二乘法及二分法，利用实际运行数据，对预测模型中的关键建筑设计参数(传热系数K值、地板辐射热阻R值)进行参数自适应修正，得到修正后参数值为：K'及R'。
S5：基于公式(3)和传热系数、地板辐射热阻修正值，确定自适应地板辐射最佳供水温度预测模型。在实际运行中，根据Tao、I，以及Tai,set，可以实时预测地板辐射最佳供水温度Tws,fr,p。
Tws,fr,p＝f(Tao,I,Tai,set,Afr,m,A,ρs,K′,R′)


2.根据权利要求1所述的供暖系统水温度预测模型的建模方法及水温控制策略，其特征在于：所述步骤S4通过实际运行数据对地板辐射最佳供水温度预测模型进行参数自适应修正。考虑各围护结构传热系数K值、地板辐射热阻R受实际施工、时间老化等影响，会使实际值与设计值有较大差距，且这两个参数对模型准确性影响较大，因此采用最小二乘法，对模型中的K值进行自适应修正；采用二分法，对模型中的R值进行自适应修正，以提高地板辐射最佳供水温度预测模型的预测精度，具体步骤如下：
S41：楼宇自控系统采集并逐时记录供暖系统实际运行数据，获得k组运行数据，具体包括室外温度Tao、太阳辐射强度I、地板辐射水流量m、地板辐射供水温度Tws,fr及地板辐射回水温度Twr,fr，并按照公式(5)计算房间实际供热量Q。
Q＝4200×m(Tws,fr-Twr,fr)
S42：采用最小二乘法，对地板辐射最佳供水温度预测模型的K值进行自适应修正，具体过程如下：
(1)则公式(1)表达为：



(2)将步骤S41得到的k组运行数据代入公式(5)可得k组等式，并令Qbuild,p＝Q，可得到矩阵表达式如下：



其中，
(3)采用最小二乘法，以各组数据的房间热负荷预测值Qbuild,p与实际供热量Q的误差平方和J最小为目标，可求解确定自适应修正后传热系数值K'。



K′＝(φTφ)-1φTQ
其中，ΦT为Φ的转置矩阵。
S43：采用二分法，对地板辐射最佳供水温度预测模型的R值进行自适应修正。具体过程如下：
(1)根据实际运行数据，计算地板辐射换热能力预测值Qfr与实际供热量Q的偏差率η，其中Qfr按照公式(2)计算，R值取工程经验值。



(2)根据地板辐射换热能力预测偏差率η值，确定真实热阻值R所在区间(a，b)，具体如下：
①若η＞10％，则b＝R；
②若η＜-10％，则a＝R，b＝2R；
③若-10％≤η≤10％，则进入步骤(4)，此热阻值为该组运行数据的热阻修正值Rj'。
(3)令按照公式(2)及公式(10)得到此热阻对应的偏差率并进行判断：
①若η＞10％，b＝R，a值不变；
②若η＜-10％，a＝R，b值不变；
③若-10％≤η≤10％，则进入步骤(4)，此热阻值为该组运行数据的热阻修正值Rj'。
不断重复此步骤，直至满足③。
(4)以步骤S41得到的k组运行数据，分别计算热阻修正值...

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟，武尚将，孙育英，李欣田，王洪伟，刘高文，
申请(专利权)人：北京工业大学，山东佐耀智能装备股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11