集中供热系统自动调节设备性能研究
集中供热系统自动调节设备性能研究
[摘 要]本文主要研究集中供热系统的自动调节设备气候补偿器和楼宇现场控制器的供热调节性能。
[关键词]气候补偿器 楼宇现场控制器 供热调节 工况调节
能源关系到整个社会的生存与发展，我国是一个能源匮乏的国家，节约能源显得尤为重要，我国政府一直倡导全社会共同节约能源，节约能源是我们每个公民的义务。热水集中供热系统中设置的气候补偿器、楼宇现场控制器是集中供热系统的自动控制产品，能够根据室外温度的变化对普通采暖热用户及不同使用性质的分时段采暖用户的运行参数及室外热水网路的流量时刻进行调整，实现供热量的分时分温控制，始终保持供热量与建筑物的耗热量相一致，保证室内温度在不同室外温度情况下的相对稳定，实现按需供热，这样可以确保供热机组最大限度地节能运行，降低能源消耗。
一、集中供热系统自动控制调节原理
（一）集中供热系统自动控制调节的任务和方法
集中供热的热效率高，供热、环保效果好，现代化城市采暖基本上都采用集中供热系统。为保证集中供热系统高效、安全可靠地运行，系统必须配置监控调节系统，而大型集中供热系统的监控调节，只有计算机控制系统才能胜任。
集中供热系统自动调节的任务就是热负荷发生变化时，及时控制调节系统的运行参数，改变房间内散热器的散热量，维持室温在要求的范围内。
通过散热器热平衡方程可以推导出室内温度的表达式:
从上式可以看出，控制调节室内温度的方法主要有:一个是改变供水温度tg的方法，叫做质调节控制法;另一个是控制热水流量G的方法，叫做量调节控制法。此外还有控制供热时间的方法，叫做间歇供热控制法。具体实施的方法是常以压差控制调节或温度控制调节为主，控制热源供水温度不变，调节流量来实现整个热网的监控。
压差控制调节的基本方法是控制热网最不利环路的供回水压差不小于规定值，当管网阻力特性不变时，压差控制调节的实质就是对流量的控制调节。热网供回水压差的控制是在实现了室内恒温控制、热入口流量控制、热源燃烧控制的基础上进行的，只有这样，对热网的整体控制才有效。这种控制方案所用的仪表多，投资多，运行效果好，北欧国家多采用该方法。
温度控制调节是在热源燃烧控制、热入口流量控制的基础上，以温度调节法实现流量的均匀调节，消除热网冷热不均的现象。此种控制方案所用的仪表、设备少，投资省，我国多采用该方法。
（二）集中供热自动控制调节系统的结构
自动控制调节系统是由被控对象、传感器(即变送器)、控制器和执行器等相互制约的各个部分，按一定要求组成的、能够完成自动控制调节目的的整体。图1.2是用框图表示的自动控制系统的控制过程，该自控调节系统是根据被控变量偏离给定值的程度，调节执行器，改变进入被控对象的物料量，从而克服干扰，使被控变量恢复(或接近)到给定值，是一种闭环控制系统，由负反馈构成闭环，利用误差信号进行控制，对于外界扰动和系统内参数的变化等引起的误差能够自动纠正，但系统元件参数配合不当时，容易产生振荡，使系统不能正常工作，因而存在稳定性问题。
图1.2自动控制系统的控制过程
（三）集中供热自动控制调节系统的执行器
在自控调节系统中，执行器是控制系统中的末端控制单元，供热系统自动调节设备中的执行器是电动三通调节阀。调节阀将来自控制器的信号，变成控制量作用在被控对象上，它是控制系统的重要组成部分。
二、气候补偿器
（一）气候补偿器的工作原理
气候补偿器是设置在热力站处的一种自动控制节能产品，它能根据室外温度的变化及用户设定的不同时间对室内温度的要求，求出恰当的供、回水温度并设定调节曲线自动控制热媒流量，实现供热系统供水温度随室外温度的自动气候补偿，避免产生室温过高而造成能源浪费[1]。
（二）气候补偿器的调节原理
图2.1为气候补偿器的供热调节工作原理图，当室外温度变化时，为了保持室内温度的相对稳定，采暖用户的供水温度也相应地发生变化。室外温度降低时，为了维持原有的室内温度，采暖用户的供水温度应适当提高，此时气候补偿器会自动加大电动三通阀的开度，使室外管网进入换热器(或混水器)的热水流量多一些，通过换热器(或混水器)后，采暖用户的供水温度会升高;室外温度上升时，应适当降低采暖用户的供水温度以免产生室内
过热现象，此时系统将适当减小电动三通阀的开度，使室外管网进入换热器(或混水器)的热水流量少一些，直接从电动三通阀分水管线回至锅炉的热水多一些，从而使锅炉的回水温度升高，降低锅炉机组的输出负荷，达到节能运行的目的。
在气候补偿器内，根据室外温度的变化情况及用户设定的不同时间对室内温度的要求，系统自动计算求出恰当的供、回水温度，绘制出不同时段、独立运行的室外温度补偿经验曲线(即室外温度一用户供、回水温度一室外管网流量关系曲线)，按照设定的曲线自动控制外网系统流量，使采暖用户系统的供热量满足采暖用户的要求。系统运行过程中用户还可根据实际运行情况进行实时修改，以更好地满足节能需要[2]。
（三）气候补偿器的自动控制原理
如图2.2，在自动控制系统的框图中，比较环节输入的控制信号是设定的室内温度tn，控制器是气候补偿器，执行器是电动三通调节阀，执行器的输出信号是流量，被控对象是采暖用户，被控制量是室内温度tn传感器可采用热电偶温度计输出主反馈信号。这里的干扰通道的扰动信号可以来自系统内部，也可以来自系统外部，如采暖系统的跑、冒、滴、漏现象以及人为因素的影响。
图2.2气候补偿器控制系统框图
控制器按实际要求向执行器以某种规律发出控制信号以达到控制要求。控制器一气候补偿器的输出量既与输入量成正比，又与输入量对时间的积分成正比，还与输入量的一阶导数成正比，是比例加积分加微分控制器，简称PID控制器。PID控制规律保持了PI控制规律提高系统稳定性的优点，同时又多提供一个负实数零点，在提高系统动态性能方面具有更大的优越性，PID控制器是控制系统中应用很普遍的一种控制器。
气候补偿器控制系统是连续控制系统，系统中的信号和变量随时间连续变化，所有的物理变量都是时间的连续函数，这种在时间和幅值上都连续的信号通常称为模拟信号或连续信号，由此构成的系统称为模拟控制系统或连续控制系统。
在工程实践中，控制系统的性能指标不能满足要求时就必须在原有结构的基础上引入新的附加环节，以作为同时改善系统稳态性能和动态性能的手段。这种用添加新的环节去改善系统性能的过程称为对控制系统的校正，把附加的环节称为校正装置，PID控制器就属于校正装置。校正装置接在系统误差测量点之后，串接在系统前向通道中，这种校正方式称为串联校正，串联校正简单且较易实现。为了减小功耗，校正装置通常接在前向通道中信号能量较低的部位，校正装置传递函数的负反馈作用除了使系统的性能得到改善之外，还能抑制系统参数的波动并减低非线性因数对系统性能的影响。
三、楼宇现场控制器
（一）楼宇现场控制器的供热调节原理
楼宇现场控制器是设置在热用户入口处的一种自动控制产品，楼宇现场控制器的主要功能是:对于不同使用性质的分时段采暖用户，在采暖的不同时段(白天满足采暖室内计算温度的要求，夜间维持防冻温度的要求)，实时采集室外温度、楼宇的供水温度、回水温度及基准房间的室内温度，通过在各栋楼宇前供回水管线上安装的电动三通调节阀，实现根据室外温度、室内温度、回水温度信号控制电动三通阀开度调节楼宇的供、回水流量。当楼宇现场控制器检测到室内温度高于设计要求或回水温度上升时，系统将自动减小楼宇的供回水流量，实现适当降低室内温度的目的，反之亦然[3]。这可以降低能源消耗，保证用户的供热量满足采暖需要.
（二）楼宇现场控制器的工况调节原理
供热管网是一个复杂的水力系统，系统中各环路间的水力工况变化是相互影响、相互制约的，一个热用户或一个散热设备的热媒流量发生变化，会引起其他热用户或散热设备的热媒流量发生变化，使各热用户或各散热设备之间的流量重新分配，管道系统中会出现水力失调现象。现阶段我国大力推广和应用分户采暖系统，在分户采暖系统中可能会出现用户自主选择是否需要供暖的情况，当某一用户停止供暖时，会引起系统压差或热用户总负荷的变化，使进入其他用户的流量增加从而引起室温升高，造成浪费。楼宇现场控制系统除了有自动调节流量的功能外，更重要的是具有消除系统剩余压头的功能，在系统压差或热用户负荷发生频繁变化时，楼宇现场控制器能够实时采集采暖用户的入口流量信号和用户的回水温度，自动控制用户入口电动三通阀的开度，按环路负荷、按热用户负荷或按散热设备的热媒温度始终进行水力调节，保持室内温度的相对稳定，从根本上解决管道系统中的水力失调现象，提高热水网路的水力稳定性。这既可以减少热能损失和电耗，又便于系统的初调节和运行调节。
（三）楼宇控制器的自动控制原理
如图3.1，在自动控制系统的框图中，比较环节输入的控制信号是设定的室内温度tn，控制器是楼宇控制器，执行器是电动三通调节阀，执行器的输出信号是流量，被控对象是采暖用户，被控制量是室内温度tn传感器可采用热电偶温度计输出主反馈信号[4]。这里干扰通道的扰动信号可以来自系统内部，也可以来自系统外部，如采暖系统的跑、冒、滴、漏现象以及人为因素的影响。
控制器按实际要求向执行器以某种规律发出控制信号，已达到控制要求。控制器一楼宇控制器的输出量既与输入量成正比，又与输入量对时间的积分成正比，还与输入量的一阶导数成正比，是比例加积分加微分控制器，简称PID控制器。PID控制规律保持了PI控制规律提高系统稳定性的优点，同时又多提供一个负实数零点，在提高系统动态性能方面具有更大的优越性，PID控制器是控制系统中应用很普遍的一种控制器.
图3.1楼宇控制器控制系统框图
楼宇控制器控制系统是连续控制系统，系统中的信号和变量随时间连续变化，所有的物理变量都是时间的连续函数，这种在时间和幅值上都连续的信号通常称为模拟信号或连续信号，由此构成的系统称为模拟控制系统或连续控制系统。
在工程实践中，控制系统的性能指标不能满足要求时就必须在原有结构的基础上引入新的附加环节，以作为同时改善系统稳态性能和动态性能的手段。这种用添加新的环节去改善系统性能的过程称为对控制系统的校正，把附加的环节称为校正装置，PID控制器就属于校正装置。校正装置接在系统误差测量点之后，串接在系统前向通道中，这种校正方式称为串联校正，串联校正简单且较易实现。为了减小功耗，校正装置通常接在前向通道中信号能量较低的部位，校正装置传递函数的负反馈作用除了使系统的性能得到改善之外，还能抑制系统参数的波动并减低非线性因数对系统性能的影响。
四、结论
气候补偿器和楼宇现场控制器是高效的节能产品，其安装施工简单，用户投资小，见效快，有广泛的社会和经济价值，值得向集中供热小区推广。
参考文献
[1]王宇清，供热工程，北京，机械工业出版社，2004，202-210页
[2]翟燕红，王程远，自控调节系统在热网管理中的应用，河南科技大学学报(自然科学版)，2003,
[3]佚名，智能楼宇技术设计与施工，北京，清华大学出版社，2003
[4]贺平、孙刚，供热工程，北京，中国建筑工业出版社，2000