利用氣象參數(shù)進行熱網(wǎng)動態(tài)調(diào)節(jié)研究方法綜述

摘 要

摘要：綜述了國內(nèi)外在氣象參數(shù)對供熱系統(tǒng)熱負荷預(yù)測及動態(tài)調(diào)節(jié)影響方面的研究成果，提出我國在該領(lǐng)域的研究宜借鑒國外的研究思路。關(guān)鍵詞：集中供熱系統(tǒng)；負荷預(yù)測；氣象參數(shù)；動態(tài)調(diào)節(jié)
摘要：綜述了國內(nèi)外在氣象參數(shù)對供熱系統(tǒng)熱負荷預(yù)測及動態(tài)調(diào)節(jié)影響方面的研究成果，提出我國在該領(lǐng)域的研究宜借鑒國外的研究思路。
關(guān)鍵詞：集中供熱系統(tǒng)；負荷預(yù)測；氣象參數(shù)；動態(tài)調(diào)節(jié)
Review on Research Method of Dynamic Regulation for Heat-supply Network with Meteorological Parameters
YUAN Shan-shan，TIAN Zhe，ZHU Neng，LI Zhen-fa，GU0 Jun，LI Ming-cai
Abstract：The research findings concerning influence of meteorological parameters on heat load prediction and dynamic regulation of heat-supply system are reviewed. It is put forward that the foreign research ideas should be used for reference in this research field in China.
Key words：centralized heat-supply system；load prediction；meteorological parameter；dynamic regulation
    我國70%以上的供暖建筑采用集中供熱方式，然而能源利用效率存在問題，其中供熱參數(shù)難以隨氣象參數(shù)的變化及時調(diào)節(jié)是重要原因之一[1]。由于供熱系統(tǒng)和建筑物有很大的熱惰性，氣象參數(shù)和供水溫度、流量等參數(shù)的變化對用戶室內(nèi)溫度的影響并不是立刻產(chǎn)生，而是滯后一段時間。熱源當日的供熱量不但與當日的室外溫度、太陽輻射、風速、供回水溫度、流量有關(guān)，而且與前幾Et的這些參數(shù)有關(guān)。鑒于以上供熱系統(tǒng)的熱特性，必須對集中供熱系統(tǒng)的運行進行動態(tài)調(diào)節(jié)。學者們對供熱系統(tǒng)熱特性的識別、預(yù)測進行了大量研究，而研究氣象參數(shù)對集中供熱系統(tǒng)熱特性的影響機理，成為我國建筑節(jié)能的關(guān)鍵技術(shù)之一。鑒于國內(nèi)外不同的研究方法，本文對國內(nèi)外學者在這方面的探索和研究進行綜述。
1 國內(nèi)研究進展
    ① 氣象參數(shù)在熱特性研究中的處理方法
    1994年，石兆玉[2]指出，由于供熱系統(tǒng)和建筑有很大的熱惰性，室外溫度、太陽輻射等參數(shù)的變化對用戶室內(nèi)溫度的影響并不是立刻發(fā)生，而是滯后一段時間。為了對供熱系統(tǒng)的熱特性加以識別，進而確定以往參數(shù)對當日供熱參數(shù)影響的具體時間，建立了當日供熱參數(shù)與前幾日供熱參數(shù)和室外綜合溫度的關(guān)系式，通過大量實測數(shù)據(jù)，用最小二乘法對關(guān)系式進行擬合，得出關(guān)系式中各個系數(shù)。室外綜合溫度是考慮室外溫度與太陽輻射的綜合影響，為室外溫度再加上太陽輻射熱折算成的室外溫度增量。折算方法為太陽輻射強度除以太陽輻射折算系數(shù)，太陽輻射折算系數(shù)與建筑物不同朝向的圍護結(jié)構(gòu)面積之比有關(guān)，取值范圍為160～210kJ/(m2·℃·d)，其波動值對室內(nèi)溫度影響幅度小于0.3℃。
   1999年，付林[3]指出，對于一個以質(zhì)調(diào)節(jié)方式運行的熱網(wǎng)，從系統(tǒng)辨識的角度看，其輸入?yún)?shù)為供水溫度、室外溫度，輸出參數(shù)為回水溫度、室內(nèi)溫度。以回歸-滑動評價混合模型ARMA表示輸出、輸入?yún)?shù)之間的關(guān)系，公式中各項系數(shù)及階次取決于供熱系統(tǒng)的熱特性，由實際熱網(wǎng)運行數(shù)據(jù)確定。采用廣義最小二乘法，對不同階次分別辨識公式的各項系數(shù)。
   ② 氣象參數(shù)在負荷預(yù)測中的處理方法
   朱學莉等人[4]認為，依據(jù)平均室外溫度確定供熱系統(tǒng)負荷的傳統(tǒng)預(yù)測方法不精確。由于建筑耗熱量除與室外溫度有關(guān)外，還與風向、風速、太陽輻射以及建筑物的結(jié)構(gòu)、形狀及使用情況有關(guān)，而且耗熱量相對室外溫度變化具有延遲性。他采用時序法對供熱系統(tǒng)負荷進行預(yù)報，預(yù)報過程由回歸-滑動評價混合模型ARMA描述。
   張德山等人[5]從氣象學角度，綜合考慮風、太陽輻射、城市熱島效應(yīng)對室外溫度的影響，提出了節(jié)能溫度概念。通過實測數(shù)據(jù)建立室外溫度與熱負荷指標的關(guān)系，利用多年室外溫度資料和自動站氣象信息建立了可預(yù)報的熱負荷指標，指導熱電廠供熱運行。
   畢海軍[6]采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對供熱系統(tǒng)的關(guān)鍵控制參數(shù)——鍋爐進出水溫度進行了預(yù)測。他建立的預(yù)測模型采用了多種氣象參數(shù)，認為與模型有關(guān)的輸入氣象參數(shù)有：當日的最高、最低室外溫度、風向、風力以及陰晴狀況。將氣象參數(shù)進行了模糊化預(yù)處理，對于室外溫度、風力，采用線性函數(shù)將其歸一化后，輸入模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。對于用東南風、晴轉(zhuǎn)多云等模糊術(shù)語表示的風向和陰晴狀況，按照一定的等級設(shè)定其對應(yīng)值。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由4個輸入變量和2個輸出變量組成，輸入變量為白天的最高室外溫度、風向、風力、陰晴狀況，輸出量為白天鍋爐進、出水的最低溫度。他認為引入多種氣象參數(shù)作為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入量，使得預(yù)測的精度較高、效果較好，與熱網(wǎng)靜態(tài)模型相比，有著很大的改善。
   ③ 氣象參數(shù)在動態(tài)調(diào)節(jié)中的處理方法
   國內(nèi)在集中供熱系統(tǒng)動態(tài)調(diào)節(jié)的研究中，最初只關(guān)注了室外溫度這一個氣象參數(shù)的影響，如文獻[7]中研究的基于全局控制的考慮計量供熱系統(tǒng)負荷動態(tài)變化的優(yōu)化方法，文獻[8]中研究的基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計量供熱系統(tǒng)負荷短期預(yù)測控制方法。
    黃曉飛等人[9]認為，集中供熱系統(tǒng)合理的運行溫度應(yīng)隨室外溫度變化，應(yīng)與氣象部門聯(lián)合利用氣象預(yù)報指導供熱系統(tǒng)的運行。通過對歷史室外溫度日變化規(guī)律的分析，基于最高最低室外溫度，構(gòu)建室外溫度日變化曲線。構(gòu)建方法為：將一日24h劃分為4個時段，根據(jù)歷史室外溫度變化規(guī)律建立不同時段室外溫度與日最高最低室外溫度的統(tǒng)計關(guān)系，然后基于氣象預(yù)報確定未來4個時段室外溫度的量化值。根據(jù)量化值及供熱系統(tǒng)熱特性確定出供水溫度的量化值，以此指導供熱系統(tǒng)的運行。
    林艷[10]建立了專家模糊控制系統(tǒng)來動態(tài)調(diào)節(jié)供熱參數(shù)，在專家模糊控制系統(tǒng)中選擇供水溫度按周期變化，在每個周期內(nèi)與室外溫度的平均值對應(yīng)。并充分考慮了可能出現(xiàn)極端天氣變化的情形，在專家模糊控制系統(tǒng)設(shè)計中定義一個數(shù)據(jù)為1h內(nèi)的室外溫度平均值的變量，該變量是當前時間之前1h(分12次采集，每5min采集一次)的平均值；并定義了一個變量保存當前進行控制的室外溫度。在調(diào)節(jié)過程中，每次定時器時間到，讀取當前的室外溫度的平均值，并和進行調(diào)節(jié)的室外溫度比較，如果兩者的差值大于2.5℃，就重新計算供水溫度的設(shè)定值，并按該值進行調(diào)節(jié)。
    ④ 氣象參數(shù)在相關(guān)領(lǐng)域研究中的處理方法
    氣象部門運用自身專業(yè)氣象知識的優(yōu)勢，也進行了氣象預(yù)報指導供熱節(jié)能和預(yù)測供熱系統(tǒng)負荷的相關(guān)研究。龐文保等人[11]對西安1951年7月到2003年6月的逐日氣象資料進行了詳盡的分析，計算了700多個氣象要素之間的相關(guān)，選出了相關(guān)顯著的相關(guān)系數(shù)，建立了28個回歸方程。由此建議供熱預(yù)報發(fā)布的內(nèi)容及時間：a.發(fā)布供暖起止日。在每年10月30日和次年2月27日分別發(fā)布供暖起止日的趨勢預(yù)報，具體日期根據(jù)常規(guī)的旬、周預(yù)報、4～7d滾動預(yù)報逐步修正，提前一周報出。b.下周供暖天氣預(yù)報，供暖期內(nèi)的下周逐日平均室外溫度、逐日最低室外溫度、逐日天氣現(xiàn)象以及供暖建議和有關(guān)氣象分析。每周四發(fā)布下周日至周六的供暖天氣預(yù)報。c.次日供暖天氣預(yù)報，預(yù)報次日2:00、8:00、14:00、20:00最低、最高室外溫度、風力、風向。每日17:00發(fā)布次日供暖天氣預(yù)報。根據(jù)預(yù)報值逐步修正供暖起止日，并采用回歸方程計算逐日平均室外溫度、逐日最低室外溫度、逐日定點室外溫
度，以此來指導熱源供熱量和燃料的儲備量。
2 國外研究進展
    ① 研究方法基礎(chǔ)
    國外學者在研究氣象參數(shù)對供熱系統(tǒng)動態(tài)調(diào)節(jié)時也采用了多種方法，但是所有的方法都是基于：回歸分析法、能耗模擬法、智能計算機分析法。
    回歸分析法是在掌握大量的建筑耗熱量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用數(shù)理統(tǒng)計方法建立氣象參數(shù)與建筑耗熱量之間的回歸關(guān)系函數(shù)表達式。這是一種從事物因果關(guān)系出發(fā)進行預(yù)測的方法。根據(jù)統(tǒng)計資料，求得因果關(guān)系的相關(guān)系數(shù)。一般，相關(guān)系數(shù)越大，因果關(guān)系越密切。通過相關(guān)系數(shù)確定氣象參數(shù)和建筑耗熱量、供熱系統(tǒng)負荷之間的回歸方程，以便預(yù)測今后的發(fā)展趨勢。
    能耗模擬法分為靜態(tài)模擬法、動態(tài)模擬法。靜態(tài)模擬法是一種簡化的能耗計算方法。該方法雖然在理論上進行了很大簡化，結(jié)果也很粗略，但計算速度快，可用于研究能耗趨勢，進行供熱系統(tǒng)比較。動態(tài)模擬法是一種比較精確的能耗計算方法。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，采用計算機模擬，可以得到全年逐時能耗變化，并考慮建筑結(jié)構(gòu)蓄熱的影響，但比較耗時，主要用于建筑耗熱量系統(tǒng)及子系統(tǒng)的分析及評估、經(jīng)濟性分析和優(yōu)化等[12]。
    在智能計算機分析法中，智能計算機系統(tǒng)由一種特殊系統(tǒng)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組成。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是在現(xiàn)代神經(jīng)科學研究成果基礎(chǔ)上提出的一種抽象數(shù)學模型。它舍棄了線性系統(tǒng)和傳遞函數(shù)的概念，通過對人腦或自然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)若干基本特性的抽象和模擬，在無需了解輸入和輸出之間真正關(guān)系的情況下即可得到正確的結(jié)果[13]。
    這3種方法的輸入數(shù)據(jù)和應(yīng)用目的有所區(qū)別：a.回歸分析法主要需要耗熱量數(shù)據(jù)、氣象參數(shù)、建筑的一些特征參數(shù)。b.能耗模擬法不僅需要耗熱量數(shù)據(jù)，對氣象參數(shù)和建筑本體特征的細節(jié)信息要求也很高，而且還需要知道用戶的行為調(diào)節(jié)習慣以及一些家庭收入水平情況。c.智能計算機分析法需要耗熱量數(shù)據(jù)、氣象參數(shù)、家庭收入水平和建筑的一些特征參數(shù)，輸入的信息越準確，預(yù)測的精確度就會越高。這3種方法都可用于短期和長期的建筑耗熱量、供熱系統(tǒng)負荷的預(yù)測?；貧w分析法更多的是用于一定數(shù)量用戶的建筑耗熱量和供熱系統(tǒng)負荷的預(yù)測和大范圍的能源供應(yīng)計劃的制定；能耗模擬法主要是用于既有建筑的節(jié)能改造；智能計算機分析法的應(yīng)用多是介于兩者之間[14]。
    ② 國外研究方法及成果
    國外學者更關(guān)注氣象參數(shù)對建筑耗熱量的影響，并進行了大量研究工作，以期通過精確預(yù)測和控制建筑耗熱量實現(xiàn)供熱系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。
    WERNER[15]對瑞典多個區(qū)域供熱系統(tǒng)進行了測試，分析了影響負荷的主要因素：室外溫度、自然風、太陽輻射。研究結(jié)果表明，負荷的60%可認為是受室外溫度的影響，自然風的影響使負荷增加1%～4%，太陽輻射可使負荷減少1%～5%。生活熱水的耗熱量會因工作日、休息日而不同，平均生活熱水負荷占總負荷的30%，管網(wǎng)熱損失占總負荷的5%～8%。
    WESTPHAL等人[16]采用不同的氣象周期和不同標準的氣象年數(shù)據(jù)，研究氣象參數(shù)對建筑耗熱量和供熱系統(tǒng)負荷的影響。分別采用21、14、7d為時間周期的氣象參數(shù)進行計算，發(fā)現(xiàn)采用不同時間周期計算的建筑耗熱量的差值甚至能夠達到50%。他們還對比采用不同標準的氣象年數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)建筑耗熱量的差值可以達到18%。由此認為氣象數(shù)據(jù)的選取方法會對結(jié)果產(chǎn)生很大影響。
    NIELSEN等人[17]提出了采用灰盒法進行區(qū)域供熱系統(tǒng)負荷的模擬研究，并在實際工程中實現(xiàn)了基于氣象預(yù)報數(shù)據(jù)和SCADA系統(tǒng)的負荷在線預(yù)測。首先根據(jù)物理意義建立初始模型結(jié)構(gòu)，得到建筑耗熱量與室外溫度、風速、太陽輻射等變量的關(guān)系框架；然后采用實測數(shù)據(jù)通過局部回歸和最小二乘準則逐步完成結(jié)構(gòu)模型的系數(shù)擬合；最后引入高斯白噪聲干預(yù)項，對殘余值序列進行ARMA擬合，并用相關(guān)性及似然比對模擬結(jié)果進行了分析。
    KRZYSZTOF[18]采用氣象參數(shù)對室外溫度修正的做法，研究了波蘭華沙地區(qū)太陽輻射和風速對建筑耗熱量和供熱系統(tǒng)負荷的影響。他不僅分析了太陽輻射、風對建筑耗熱量和供熱系統(tǒng)負荷產(chǎn)生影響的原理，而且通過太陽輻射和風速對室外溫度的修正分析得出：太陽輻射的影響比風的影響要大。太陽輻射的影響在一日內(nèi)會有很大變化，一般，太陽輻射使建筑耗熱量減少5%～8%。風速在2m/s以下時，基本不對建筑耗熱量產(chǎn)生影響；當風速范圍為5～10m/s時，風速每增加1m/s，相當于室外溫度降低了3～4℃。
   0MER等人[19]針對土耳其阿菲永地區(qū)的氣候特點，選取室外溫度、風速、相對濕度、太陽輻射4個氣象參數(shù)進行研究，得到了建筑耗熱量和這些氣象參數(shù)的回歸方程。他們認為，相對濕度對建筑耗熱量的影響很不明顯，其他3個參數(shù)有較明顯的影響。采用回歸方法建立了當日、前一日建筑耗熱量與室外溫度、風速、太陽輻射的方程關(guān)系式。并提出，對于長期的能耗預(yù)測，應(yīng)考慮季風環(huán)流的影響。
3 建議
   ① 在研究方法的選擇上，國外注重從理論上研究內(nèi)在因果關(guān)系，而國內(nèi)學者則是把重點放在了在對歷史數(shù)據(jù)的經(jīng)驗分析上。只有從理論上掌握了因果關(guān)系，才能準確利用氣象參數(shù)計算建筑耗熱量，使供熱系統(tǒng)負荷的預(yù)測結(jié)果更可信。
   ② 很多氣象參數(shù)都會對供熱系統(tǒng)負荷產(chǎn)生影響，國外學者把重點放在了最重要的幾個參數(shù)上。而國內(nèi)學者幾乎都是在室外溫度這一個參數(shù)上進行研究，應(yīng)注重其他主要氣象參數(shù)的研究工作。我國幅員遼闊，在研究中，應(yīng)該考慮我國不同地區(qū)的氣候特征。
    ③ 我國的計量供熱研究開展時間不是很長，并且我國的供熱系統(tǒng)也有自己的特點。對于利用氣象參數(shù)進行供熱系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)，需要針對我國的供熱系統(tǒng)現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢，做進一步有價值的研究。
參考文獻：
[1] 江億，楊秀.我國建筑能耗狀況及建筑節(jié)能工作中的問題[J].中華建設(shè)，2006，(2)：11-18.
[2] 石兆玉.供熱系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)與控制[M].北京：清華大學出版社，1994.
[3] 付林.熱電(冷)聯(lián)供系統(tǒng)電力調(diào)峰運行模式的研究(博士學位論文)[D].北京：清華大學，1999.
[4] 朱學莉，齊維貴，陸亞俊.建筑供熱負荷預(yù)報與預(yù)測控制策略研究[J].控制與決策，2002，(11)：703-706.
[5] 張德山，王保民，陳正洪，等.北京市城市集中供熱節(jié)能氣象預(yù)報系統(tǒng)的應(yīng)用[J].煤氣與熱力，2008，28(11)：A23-A25.
[6] 畢海軍.基于模糊技術(shù)的小區(qū)供熱站運行參數(shù)預(yù)測及燃燒控制研究(碩士學位論文)[D].青島：中國海洋大學，2004.
[7] 李德英，郝有志，郝斌.計量供熱系統(tǒng)動態(tài)控制理論初探[J].北京建筑工程學院學報，2001，(4)：10-15.
[8] 郝有志，李德英，郝斌.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的供熱計量系統(tǒng)熱負荷短期預(yù)測[J].暖通空調(diào)，2003，(6)：105-107.
[9] 黃曉飛，張愛平，朱向東.冬季采暖室外氣溫與運行溫度量化值的確定及實際運用[J].區(qū)域供熱，2003，(2)：15-16.
[10] 林艷.集中供熱網(wǎng)智能控制方法的研究(碩士學位論文)[D].大連：大連理工大學，2003.
[11] 龐文保，羅慧，李建科，等.西安市冬季采暖氣象條件分析和預(yù)報方法初探[J].氣象科技，2005，(6)：505-508.
[12] 陳華，涂光備，陳紅兵.建筑能耗模擬的研究進展[J].潔凈與空調(diào)技術(shù)，2003，(3)：5-9.
[13] 屈睿瑰.暖通設(shè)計用室外氣象參數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成[J].計算機應(yīng)用與信息技術(shù)，2003，(4)：24-27.
[14] PEDERSEN L. Use of different methodologies for thermal load and energy estimations in buildings including meteorological and sociological input parameters[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews，2007，(11)：998-1000.
[15] WERNER S.The heat load in district heating systems (PhD Dissertation)[D].Stockholm：Chalmers University of Technology，1984.
[16] WESTPHAL F S，LAMBERTS R. The use of weather data to estimate thermal loads of non-residential buildings[J].Energy and Builds，2004，(36)：47-54.
[17] NIELSEN H A，MADSEN H. Modelling the heat consumption in district heating systems using a grey-box approach[J].Energy and Buildings，2006，(1)：63-71.
[18] KRZYSZTOF W. An influence of weather conditions on heat demand in district heating systems[J].Energy and Buildings，2008，(40)：2009-2014.
[19] OMER Y，TOLGA Y. Climatic parameters and evaluation of energy consumption of the Afyon geothermal district heating system，Afyon，Turkey[J].Renewable Energy，2009，(34)：706-710.
 
(本文作者：袁閃閃1 田喆1 朱能1 黎貞發(fā)2 郭軍2 李明才2 1.天津大學環(huán)境科學與工程學院 天津 300072；2.天津市氣候服務(wù)中心 天津 300074)