利用氣象參數(shù)進(jìn)行熱網(wǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)研究方法綜述

摘 要

摘要：綜述了國(guó)內(nèi)外在氣象參數(shù)對(duì)供熱系統(tǒng)熱負(fù)荷預(yù)測(cè)及動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)影響方面的研究成果，提出我國(guó)在該領(lǐng)域的研究宜借鑒國(guó)外的研究思路。關(guān)鍵詞：集中供熱系統(tǒng)；負(fù)荷預(yù)測(cè)；氣象參數(shù)；動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)
摘要：綜述了國(guó)內(nèi)外在氣象參數(shù)對(duì)供熱系統(tǒng)熱負(fù)荷預(yù)測(cè)及動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)影響方面的研究成果，提出我國(guó)在該領(lǐng)域的研究宜借鑒國(guó)外的研究思路。
關(guān)鍵詞：集中供熱系統(tǒng)；負(fù)荷預(yù)測(cè)；氣象參數(shù)；動(dòng)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(guó)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(wèn)題，其中供熱參數(shù)難以隨氣象參數(shù)的變化及時(shí)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(duì)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(shí)間。熱源當(dāng)日的供熱量不但與當(dāng)日的室外溫度、太陽(yáng)輻射、風(fēng)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(duì)集中供熱系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。學(xué)者們對(duì)供熱系統(tǒng)熱特性的識(shí)別、預(yù)測(cè)進(jìn)行了大量研究，而研究氣象參數(shù)對(duì)集中供熱系統(tǒng)熱特性的影響機(jī)理，成為我國(guó)建筑節(jié)能的關(guān)鍵技術(shù)之一。鑒于國(guó)內(nèi)外不同的研究方法，本文對(duì)國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面的探索和研究進(jìn)行綜述。
1 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)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(yáng)輻射等參數(shù)的變化對(duì)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(shí)間。為了對(duì)供熱系統(tǒng)的熱特性加以識(shí)別，進(jìn)而確定以往參數(shù)對(duì)當(dāng)日供熱參數(shù)影響的具體時(shí)間，建立了當(dāng)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(guò)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，用最小二乘法對(duì)關(guān)系式進(jìn)行擬合，得出關(guān)系式中各個(gè)系數(shù)。室外綜合溫度是考慮室外溫度與太陽(yáng)輻射的綜合影響，為室外溫度再加上太陽(yáng)輻射熱折算成的室外溫度增量。折算方法為太陽(yáng)輻射強(qiáng)度除以太陽(yáng)輻射折算系數(shù)，太陽(yáng)輻射折算系數(shù)與建筑物不同朝向的圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積之比有關(guān)，取值范圍為160～210kJ/(m2·℃·d)，其波動(dòng)值對(duì)室內(nèi)溫度影響幅度小于0.3℃。
   1999年，付林[3]指出，對(duì)于一個(gè)以質(zhì)調(diào)節(jié)方式運(yùn)行的熱網(wǎng)，從系統(tǒng)辨識(shí)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(dòng)評(píng)價(jià)混合模型ARMA表示輸出、輸入?yún)?shù)之間的關(guān)系，公式中各項(xiàng)系數(shù)及階次取決于供熱系統(tǒng)的熱特性，由實(shí)際熱網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)確定。采用廣義最小二乘法，對(duì)不同階次分別辨識(shí)公式的各項(xiàng)系數(shù)。
   ② 氣象參數(shù)在負(fù)荷預(yù)測(cè)中的處理方法
   朱學(xué)莉等人[4]認(rèn)為，依據(jù)平均室外溫度確定供熱系統(tǒng)負(fù)荷的傳統(tǒng)預(yù)測(cè)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(fēng)向、風(fēng)速、太陽(yáng)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(duì)室外溫度變化具有延遲性。他采用時(shí)序法對(duì)供熱系統(tǒng)負(fù)荷進(jìn)行預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)過(guò)程由回歸-滑動(dòng)評(píng)價(jià)混合模型ARMA描述。
   張德山等人[5]從氣象學(xué)角度，綜合考慮風(fēng)、太陽(yáng)輻射、城市熱島效應(yīng)對(duì)室外溫度的影響，提出了節(jié)能溫度概念。通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立室外溫度與熱負(fù)荷指標(biāo)的關(guān)系，利用多年室外溫度資料和自動(dòng)站氣象信息建立了可預(yù)報(bào)的熱負(fù)荷指標(biāo)，指導(dǎo)熱電廠供熱運(yùn)行。
   畢海軍[6]采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)供熱系統(tǒng)的關(guān)鍵控制參數(shù)——鍋爐進(jìn)出水溫度進(jìn)行了預(yù)測(cè)。他建立的預(yù)測(cè)模型采用了多種氣象參數(shù)，認(rèn)為與模型有關(guān)的輸入氣象參數(shù)有：當(dāng)日的最高、最低室外溫度、風(fēng)向、風(fēng)力以及陰晴狀況。將氣象參數(shù)進(jìn)行了模糊化預(yù)處理，對(duì)于室外溫度、風(fēng)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(duì)于用東南風(fēng)、晴轉(zhuǎn)多云等模糊術(shù)語(yǔ)表示的風(fēng)向和陰晴狀況，按照一定的等級(jí)設(shè)定其對(duì)應(yīng)值。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由4個(gè)輸入變量和2個(gè)輸出變量組成，輸入變量為白天的最高室外溫度、風(fēng)向、風(fēng)力、陰晴狀況，輸出量為白天鍋爐進(jìn)、出水的最低溫度。他認(rèn)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(cè)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(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)中的處理方法
   國(guó)內(nèi)在集中供熱系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的研究中，最初只關(guān)注了室外溫度這一個(gè)氣象參數(shù)的影響，如文獻(xiàn)[7]中研究的基于全局控制的考慮計(jì)量供熱系統(tǒng)負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化的優(yōu)化方法，文獻(xiàn)[8]中研究的基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)量供熱系統(tǒng)負(fù)荷短期預(yù)測(cè)控制方法。
    黃曉飛等人[9]認(rèn)為，集中供熱系統(tǒng)合理的運(yùn)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(bào)指導(dǎo)供熱系統(tǒng)的運(yùn)行。通過(guò)對(duì)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(gè)時(shí)段，根據(jù)歷史室外溫度變化規(guī)律建立不同時(shí)段室外溫度與日最高最低室外溫度的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，然后基于氣象預(yù)報(bào)確定未來(lái)4個(gè)時(shí)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(dǎo)供熱系統(tǒng)的運(yùn)行。
    林艷[10]建立了專家模糊控制系統(tǒng)來(lái)動(dòng)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(gè)周期內(nèi)與室外溫度的平均值對(duì)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(jì)中定義一個(gè)數(shù)據(jù)為1h內(nèi)的室外溫度平均值的變量，該變量是當(dāng)前時(shí)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(gè)變量保存當(dāng)前進(jìn)行控制的室外溫度。在調(diào)節(jié)過(guò)程中，每次定時(shí)器時(shí)間到，讀取當(dāng)前的室外溫度的平均值，并和進(jìn)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(jì)算供水溫度的設(shè)定值，并按該值進(jìn)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(yùn)用自身專業(yè)氣象知識(shí)的優(yōu)勢(shì)，也進(jìn)行了氣象預(yù)報(bào)指導(dǎo)供熱節(jié)能和預(yù)測(cè)供熱系統(tǒng)負(fù)荷的相關(guān)研究。龐文保等人[11]對(duì)西安1951年7月到2003年6月的逐日氣象資料進(jìn)行了詳盡的分析，計(jì)算了700多個(gè)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(gè)回歸方程。由此建議供熱預(yù)報(bào)發(fā)布的內(nèi)容及時(shí)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(shì)預(yù)報(bào)，具體日期根據(jù)常規(guī)的旬、周預(yù)報(bào)、4～7d滾動(dòng)預(yù)報(bào)逐步修正，提前一周報(bào)出。b.下周供暖天氣預(yù)報(bào)，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(bào)。c.次日供暖天氣預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)次日2:00、8:00、14:00、20:00最低、最高室外溫度、風(fēng)力、風(fēng)向。每日17:00發(fā)布次日供暖天氣預(yù)報(bào)。根據(jù)預(yù)報(bào)值逐步修正供暖起止日，并采用回歸方程計(jì)算逐日平均室外溫度、逐日最低室外溫度、逐日定點(diǎn)室外溫
度，以此來(lái)指導(dǎo)熱源供熱量和燃料的儲(chǔ)備量。
2 國(guó)外研究進(jìn)展
    ① 研究方法基礎(chǔ)
    國(guó)外學(xué)者在研究氣象參數(shù)對(duì)供熱系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)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(jì)算機(jī)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(jì)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(dá)式。這是一種從事物因果關(guān)系出發(fā)進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法。根據(jù)統(tǒng)計(jì)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(guò)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(fù)荷之間的回歸方程，以便預(yù)測(cè)今后的發(fā)展趨勢(shì)。
    能耗模擬法分為靜態(tài)模擬法、動(dòng)態(tài)模擬法。靜態(tài)模擬法是一種簡(jiǎn)化的能耗計(jì)算方法。該方法雖然在理論上進(jìn)行了很大簡(jiǎn)化，結(jié)果也很粗略，但計(jì)算速度快，可用于研究能耗趨勢(shì)，進(jìn)行供熱系統(tǒng)比較。動(dòng)態(tài)模擬法是一種比較精確的能耗計(jì)算方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用計(jì)算機(jī)模擬，可以得到全年逐時(shí)能耗變化，并考慮建筑結(jié)構(gòu)蓄熱的影響，但比較耗時(shí)，主要用于建筑耗熱量系統(tǒng)及子系統(tǒng)的分析及評(píng)估、經(jīng)濟(jì)性分析和優(yōu)化等[12]。
    在智能計(jì)算機(jī)分析法中，智能計(jì)算機(jī)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(xué)研究成果基礎(chǔ)上提出的一種抽象數(shù)學(xué)模型。它舍棄了線性系統(tǒng)和傳遞函數(shù)的概念，通過(guò)對(duì)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(wú)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(duì)氣象參數(shù)和建筑本體特征的細(xì)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(xí)慣以及一些家庭收入水平情況。c.智能計(jì)算機(jī)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(zhǔn)確，預(yù)測(cè)的精確度就會(huì)越高。這3種方法都可用于短期和長(zhǎng)期的建筑耗熱量、供熱系統(tǒng)負(fù)荷的預(yù)測(cè)?；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(fù)荷的預(yù)測(cè)和大范圍的能源供應(yīng)計(jì)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(jì)算機(jī)分析法的應(yīng)用多是介于兩者之間[14]。
    ② 國(guó)外研究方法及成果
    國(guó)外學(xué)者更關(guān)注氣象參數(shù)對(duì)建筑耗熱量的影響，并進(jìn)行了大量研究工作，以期通過(guò)精確預(yù)測(cè)和控制建筑耗熱量實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。
    WERNER[15]對(duì)瑞典多個(gè)區(qū)域供熱系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，分析了影響負(fù)荷的主要因素：室外溫度、自然風(fēng)、太陽(yáng)輻射。研究結(jié)果表明，負(fù)荷的60%可認(rèn)為是受室外溫度的影響，自然風(fēng)的影響使負(fù)荷增加1%～4%，太陽(yáng)輻射可使負(fù)荷減少1%～5%。生活熱水的耗熱量會(huì)因工作日、休息日而不同，平均生活熱水負(fù)荷占總負(fù)荷的30%，管網(wǎng)熱損失占總負(fù)荷的5%～8%。
    WESTPHAL等人[16]采用不同的氣象周期和不同標(biāo)準(zhǔn)的氣象年數(shù)據(jù)，研究氣象參數(shù)對(duì)建筑耗熱量和供熱系統(tǒng)負(fù)荷的影響。分別采用21、14、7d為時(shí)間周期的氣象參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)采用不同時(shí)間周期計(jì)算的建筑耗熱量的差值甚至能夠達(dá)到50%。他們還對(duì)比采用不同標(biāo)準(zhǔn)的氣象年數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)建筑耗熱量的差值可以達(dá)到18%。由此認(rèn)為氣象數(shù)據(jù)的選取方法會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生很大影響。
    NIELSEN等人[17]提出了采用灰盒法進(jìn)行區(qū)域供熱系統(tǒng)負(fù)荷的模擬研究，并在實(shí)際工程中實(shí)現(xiàn)了基于氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)和SCADA系統(tǒng)的負(fù)荷在線預(yù)測(cè)。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(fēng)速、太陽(yáng)輻射等變量的關(guān)系框架；然后采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)局部回歸和最小二乘準(zhǔn)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(xiàng)，對(duì)殘余值序列進(jìn)行ARMA擬合，并用相關(guān)性及似然比對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了分析。
    KRZYSZTOF[18]采用氣象參數(shù)對(duì)室外溫度修正的做法，研究了波蘭華沙地區(qū)太陽(yáng)輻射和風(fēng)速對(duì)建筑耗熱量和供熱系統(tǒng)負(fù)荷的影響。他不僅分析了太陽(yáng)輻射、風(fēng)對(duì)建筑耗熱量和供熱系統(tǒng)負(fù)荷產(chǎn)生影響的原理，而且通過(guò)太陽(yáng)輻射和風(fēng)速對(duì)室外溫度的修正分析得出：太陽(yáng)輻射的影響比風(fēng)的影響要大。太陽(yáng)輻射的影響在一日內(nèi)會(huì)有很大變化，一般，太陽(yáng)輻射使建筑耗熱量減少5%～8%。風(fēng)速在2m/s以下時(shí)，基本不對(duì)建筑耗熱量產(chǎn)生影響；當(dāng)風(fēng)速范圍為5～10m/s時(shí)，風(fēng)速每增加1m/s，相當(dāng)于室外溫度降低了3～4℃。
   0MER等人[19]針對(duì)土耳其阿菲永地區(qū)的氣候特點(diǎn)，選取室外溫度、風(fēng)速、相對(duì)濕度、太陽(yáng)輻射4個(gè)氣象參數(shù)進(jìn)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(rèn)為，相對(duì)濕度對(duì)建筑耗熱量的影響很不明顯，其他3個(gè)參數(shù)有較明顯的影響。采用回歸方法建立了當(dāng)日、前一日建筑耗熱量與室外溫度、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射的方程關(guān)系式。并提出，對(duì)于長(zhǎng)期的能耗預(yù)測(cè)，應(yīng)考慮季風(fēng)環(huán)流的影響。
3 建議
   ① 在研究方法的選擇上，國(guó)外注重從理論上研究?jī)?nèi)在因果關(guān)系，而國(guó)內(nèi)學(xué)者則是把重點(diǎn)放在了在對(duì)歷史數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)分析上。只有從理論上掌握了因果關(guān)系，才能準(zhǔn)確利用氣象參數(shù)計(jì)算建筑耗熱量，使供熱系統(tǒng)負(fù)荷的預(yù)測(cè)結(jié)果更可信。
   ② 很多氣象參數(shù)都會(huì)對(duì)供熱系統(tǒng)負(fù)荷產(chǎn)生影響，國(guó)外學(xué)者把重點(diǎn)放在了最重要的幾個(gè)參數(shù)上。而國(guó)內(nèi)學(xué)者幾乎都是在室外溫度這一個(gè)參數(shù)上進(jìn)行研究，應(yīng)注重其他主要?dú)庀髤?shù)的研究工作。我國(guó)幅員遼闊，在研究中，應(yīng)該考慮我國(guó)不同地區(qū)的氣候特征。
    ③ 我國(guó)的計(jì)量供熱研究開(kāi)展時(shí)間不是很長(zhǎng)，并且我國(guó)的供熱系統(tǒng)也有自己的特點(diǎn)。對(duì)于利用氣象參數(shù)進(jìn)行供熱系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，需要針對(duì)我國(guó)的供熱系統(tǒng)現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)，做進(jìn)一步有價(jià)值的研究。
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(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(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 天津 300072；2.天津市氣候服務(wù)中心 天津 300074)