散热器和低温水辐射采暖系统不同连接方式及控制策略动态仿真

2010年 03月 Technique Front 摘 要 散热器和低温水辐射采暖系统最佳连接方式一直是业界探讨的重要课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 之一。本文以动态模型为手段，模拟和分析直 接、混水泵及间接连接方式系统动态响应和能耗。仿真结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，地板热惰性的提高延长了室内温度达到稳态时间；地暖系统直接连接 方式是不适宜的；混水泵和间接连接系统可节省燃料消耗约 17%。从控制角度看，间接连接系统具有更好的稳定性和控制精度。 关键词 地暖系统 连接方式 动态模型 控制策略 模拟 能耗 Dynamic simulations based on different connection approaches and control strategies between radiant floor and radiator heating systems By Li Lianzhong★ Abstract One of the important topics in heating field is what the best way of connection is between radiant floor heating and radiator heating systems. In this paper，based on developed dynamic system models，the dynamic responses and energy consumption in the systems by using direct，mixing water pump and indirect connection methods were simulated and analyzed. The results showed that larger thermal capacity of the floor construction resulted in more time to reach steady state value of indoor air temperature；the direct connection method is not suitable due to the problems resulted；both the mixing water pump and the indirect connection approaches could save about 17% of fuel consumption. From control point of view，the indirect connection system is more stable and accurate. Key words Radiant floor heating，Connection approaches，Dynamic models，Control strategies，Simulations，Energy comparison ★Concordia University，Montreal，Canada 散热器和低温水辐射采暖系统 不同连接方式及控制策略动态仿真 加拿大 蒙特利尔 康考迪亚大学 李连众☆ ☆李连众，1966年 4月出生，（博士）研究生，副研究员 地址：加拿大蒙特利尔市 0 前言 追溯低温水辐射采暖系统虽有千百年历史，但是仅在近十年 来才在国内迅速普及。地温水辐射采暖系统主要优势在于可用低 温水、从生理角度提高室内环境热舒适性、提高建筑平面利用率及 改善卫生条件等。部分技术人员认为与散热器采暖系统相比，因为 可以适当降低室温设定值，地温水辐射采暖系统更为节能。考虑热 力系统目前新增用户和室内系统改造地温水辐射采暖系统占有相 当大的比例，在满足室温要求和提高系统综合效率前提下如何合 理接入地温水辐射采暖系统，是 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 、运行和管理人员必须面对的 问题。鉴于此，本文以动态模型为基础，模拟和分析地暖系统常见 并网方式系统动态响应和能耗。下文中低温水辐射采暖系统及散 热器采暖系统分别简称为常规（区域 1）系统和地暖（区域 2）系统。 近十年来，很多学者从静态和动态角度对采暖系统模型进行 了大量研究[1~4]，同时在系统控制[5]和节能方面[6~9]也进行了深入探 讨。但是鲜见将动态系统模型、控制策略和连接方式结合起来的 文献。本文以此为契机，综合考虑上述因素，期望业界对此课题进 行更深入的研究。 根据国内已实施工程，地暖（区域 2）系统常见并网方式如下： 系统 1：直接连接，常规（区域 1）系统与地暖（区域 2）系统并 联，供水温度一致。 系统 2：混水泵连接，混水泵抽吸回水与常规（区域 1）系统供 水混合后供地暖（区域 2）系统。 系统 3：间接连接，常规（区域 1）系统与地暖（区域 2）系统管 网由换热器分离，高低温水只进行热量交换。 为方便研究问题，文中假设某 10 万 m2 民用建筑，其中 6 万m2为已有常规（区域 1）系统，其余为新建地暖（区域 2）系统。 技术前沿 54 2010年 03月 Technique Front 地暖（区域 2）系统分别采用上述 3种方式并网。为比较各系统运 行工况，本文以动态模型为基础，模拟分析系统响应及能耗。常规 （区域 1）系统设计供回水温度、室内外设计温度分别为 95、70、 18、- 20℃；地暖（区域 2）系统设计供回水温度分别为 50、40℃， 室内外设计温度与常规（区域 1）系统相同。 1 动态模型 采暖系统大热容纯滞后特性导致系统复杂的非线性特征。然 而，为避免繁琐的 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 推导过程，同时保留系统主要特性，有必要 简化建模过程。创建动态系统模型假设条件为：外网保温热损失不 计；系统失水仅考虑常规（区域 1）系统供回水主线而且各占 1/2； 系统补水率及水温分别为 1.2%和 3℃；采用集成热物理参数；太 阳辐射仅考虑建筑南向；地板向下传热不计；室内非加热表面积 加权平均温度低于室温 1.5℃。 地板结构是地暖（区域 2）系统的核心之一，文中采用的做法 从上至下分别为木地板、豆石和找平层、管道层、保温层及结构 层。地板散热量引用文献数据[10]。 依据能量和质量守恒定律，系统数学模型可简述如下： 1.1 系统 1：直接连接系统 系统 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 及节点见图 1。锅炉供水直接输送到常规（区域 1） 系统和地暖（区域 2）系统，回水混合后返回热源。 根据能量守恒定律，各单元模型（锅炉、建筑物室温、散热器 及辐射地板）见下式。式中表明存储于传热单元中净热量等于其 获得和散失热量之差。 Cb d（Tb）dt Cz1 d（Tzj）dt Chtr d（Tr1）dt Cp d（Tr2）dt Cflr d（Tflr）dt ! " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " # $ % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % & = ufGf maxHVηb-cw（uz1-Gd1+uz2Gd2+0.5Gmk）（Tb-Tr） cwuzjGdj（Tb-Trj）+Awinjqsol-Uzj（Tzj-To） cwuz1Gd1（Tb-Tr1）-Uhtr［0.5（Tb+Tr1）-Tz1］（1+n） cwuz2Gd2（Tb-Tr2）-qoutAflr qoutAflr-Uflrsf（Tflr-Tsf ! " " " " " " " " " " " " " " " # $ % % % % % % % % % % % % % % % &） 式中：C- 热容量，J /℃；下标 b- 锅炉；T- 温度，℃；t- 时间，s； 下标 z- 区域；下标 1、2- 常规（区域 1）系统和地暖（区域 2）系统；下 标 j- 1或 2；下标 htr- 散热器；下标 r- 回水；下标 p- 管道；下标 flr- 地板；u- 传热系数，W/℃；G- 热水循环流量，kg/s；下标 f- 燃料；下 标max- 最大值；HV- 热值，J /kg；η－效率；c－比热，J /（kg·℃）；下标 w- 水；下标 d- 设计工况；下标mk- 补水；A- 面积，m2；下标 win- 窗户；下标 o- 室外；q- 热量，W/m2；下标 sol- 太阳辐射；上标 n- 散 热器传热系数实验公式中系数；下标 out- 散热；下标 sf- 表面。 综上所述，系统 1简化数学模型可由 5 个动态方程组成。此 数学模型可用于系统特性分析及控制策略动态仿真。 1.2 系统 2：混水泵连接系统 系统流程及节点见图 2。因混水泵抽吸地暖（区域 2）系统回 水与锅炉供水混合，降低地暖（区域 2）系统供水温度，以适应低 温水系统对供水温度的限制。此系统动态模型建立与系统 1 相 似。限于篇幅，公式从略。 1.3 系统 3：间接连接系统 系统流程及节点见图 3。换热器的隔离使常规（区域 1）系统 和地暖（区域 2）系统管网自成一体，有利于系统水力和热力工况 调节。系统动态模型创建与以上系统相似，不予重复。注意逆流换 热器传热温差采用对数温差（LMTD）计算。 2 动态响应仿真 为比较各系统动态响应，模拟条件设定为：温度和流量控制 均采用典型 PI控制器；锅炉供水温度设定值相同；地暖系统供水 温度设定值在系统 2 和系统 3 中相同；初始值一致；室外温度和 Tb、Tbsp：锅炉供水温度及设定值，℃；uf：燃料控制变量；Gmk：补水流量，kg/s；Tmk：补 水温度，℃；Tr、Tr1、Tr2：系统总回水、常规（区域 1）及地暖（区域 2）系统回水温度，℃； Tz1、Tz2、Tzsp：常规（区域 1）系统和地暖（区域 2）系统温度及室内温度设定，℃；uz1、uz2： 常规（区域 1）系统及地暖（区域 2）系统流量控制变量；Trz：回水混合温度，℃；Cf、Cz1、 Cz2：燃料控制器、常规（区域 1）系统和地暖（区域 2）系统室温控制器。 图 1 直接连接系统流程及控制策略 um：混水流量控制变量；Ts、Tssp：地暖（区域 2）系统供水温度及设定值，℃；Cm：混水控制器。 图 2 混水泵连接系统流程及控制 uh：高温水流量控制变量；Tsh、Tshsp：地暖（区域 2）系统供水温度及设定值，℃；Ch：高 温水流量控制器；Trh：换热器高温水侧回水温度，℃。 图 3 间接连接系统流程及控制 55 2010年 03月 Technique Front 南向太阳辐射热量范围分别为 - 20.1~- 8.3℃和 0~108W/m2。 2.1 地板热惰性对室内温度影响 以现有地板结构为基础，为满足室温 18℃，地表面温度达到 稳态值需要 40h（见图 4）。由于地表面温度影响，室内温度达到稳 态值需要 44h。通过模拟得知，当提高和降低地板热容量 1倍时， 室内及地表面温度分别需要 87、84、25、22h以实现稳定状态。由 此可见，地板热惰性对室内和地表面温度均有影响，而且室内温 度变化更为滞后。 2.2 直接连接系统 由图 1可见，本系统仅对锅炉供水温度采用室外气候补偿器（uf） 实现闭环控制，即通过测定实际室外温度获得供水温度设定值调 节锅炉燃料量。常规（区域 1）系统循环流量为设计流量；考虑地暖 （区域 2）系统供水温度较高，运行循环流量为设计流量的 25%。 系统动态响应显示于图 5。由图 5- a可见，锅炉供水温度能够 跟踪室外温度变化：室外温度升高时，供水温度下降，反之亦然。 图 5- b中常规（区域 1）系统和地暖（区域 2）系统回水温度差别较 大，这是因地暖（区域 2）系统循环流量较低和散热量较大造成的。 图 5- c中地暖（区域 2）系统室内温度动态响应也暗示了较大散热 量（室内平均温度约29.2℃）。另外，太阳辐射导致 2个系统室内温度波 动约 2~4℃。图5- d显示地板表面温度超过 32℃，这是在地暖（区 域 2）系统运行中应该予以避免的。图 5- e 和图 5- f显示燃料控 制变量动态变化和系统循环流量。由此可见，地暖（区域 2）系统过 高的供水温度不但影响室内热舒适性，也会带来系统运行问题。对 此问题虽然在设计中可采用增加管间距和减少管径尺寸等措施， 但是仍会出现地表温度过高和均匀性差等难题，与规范相冲突。 2.3 混水泵系统 因系统 1 地暖（区域 2）系统供水温度过高及室温难以降低， 系统 2拟采用混水泵并网方式。本系统控制策略见图 2。为实现 室温控制，用室温控制器（uz）调节进入系统水流量。鉴于地暖（区 域 2）系统室温偏高，除采用流量控制外，对进入此系统供水的温 度也通过混水控制器（um）改变混水量控制。 系统动态响应如图 6所示。比较图 5- a 和图 6- a，因供水温 图 4 地板热惰性对地表面温度影响 56 2010年 03月 Technique Front 度设定值相同，锅炉供水温度响应相近。由图 6- b 可知，经过混 水控制器控制，地暖（区域 2）系统供水温度降为 34.7~40.1℃。观 察室温响应（图 6- c），对比系统 1地暖（区域 2）系统，本系统室温平 均值约降低 11℃。另外，本系统室温在 10~16h的突变主要是由于系 统初始值和太阳辐射综合作用造成的。地暖（区域 2）系统热惰性也影 响到系统室温控制精度。图 6- d 显示，地板表面温度维持在 21.5~22.9℃之间。图 6- e暗示混水泵流量变化幅度较小。系统对太 阳辐射得热补偿通过调节各系统循环流量实现并显示于图 6- f。 2.4 间接连接系统 虽然换热器连接使系统初投资增加，但系统调节性能相应提 高，并可通过仿真得以验证。此系统控制策略见图 3。本系统与系 统 2的区别在于地暖（区域 2）系统供水温度由流量控制器（uh）调 节进入换热器一次侧流量实现。 本系统温度和控制信号动态响应显示于图 7和图 8。对比图 6- a和图 7- b可知，2系统锅炉和地暖（区域 2）系统供水温度变化 是一致的。各系统室温响应显示于图 7- d，其波动范围小于 0.3℃。这 不但是贡献于室温控制器快速流量调节，而且流量控制器对地暖 （区域 2）系统供水温度调节具有更强的调节作用。此特性可通过 分析图 8- b，图 8- c和图 8- d中控制信号动态响应得以确认。 2.5 能耗与室温比较 各系统燃料消耗、平均循环流量及室温变化情况，分列于表 1和表 2。由表 1可知，对照系统 1，混水泵和间接连接系统分别可 节省燃料 17.4%及 16.3%。从平均循环流量数据可见，系统 3所需 要循环流量小于系统 2。对比室温波动及其平均值，在控制精度和 稳定性方面，间接连接均可达到最佳效果。另外，若降低地暖（区 域2）系统室温设定值从 18~16℃，系统可多节省燃料约 2.5%。 3 结论 3.1 地板热惰性使地表面温度变化缓慢，进而影响室内温度变化。 3.2 直接连接方式会导致室温过高、控制困难及影响地暖管寿 命等问题发生。设置室温控制器能明显降低室内温度波动，提高 系统控制精度。 3.3 混水泵系统可最大程度降低燃料消耗量。因为温度对负荷 调节性能优于流量调节，对系统控制精度和稳定性而言，间接连 接系统具有更大优势。 3.4 系统节能与否和节能量的大小与控制策略有关。合理的控制 策略可提高系统经济性、稳定性和控制精度。 （责编：罗增润） 参考文献 1 Felgner F，Agustina S，Cladera R，Merz R，Lothar L. Simulation of Thermal Building Behaviour in Modelica. Proceedings of the 2nd International Modelica Conference，Oberfpaffenhofen，2002 2 杨春英，王革，黄仕启.低温热水辐射采暖系统的模拟与分析.哈 尔滨理工大学学报，2006，11（03） 3 杨巍，张于峰，王荣光，潘金秀.低温地板辐射采暖的传热模拟.全 国暖通空调制冷 2000年学术年会，2000 4 杨巍，张于峰，王荣光.低温地板辐射供暖的传热模拟.暖通空调，2001，1 5 高健.热水地面供暖的分室温度控制.中国建筑学会 2005年全国 供暖节能技术交流会，2005 6 刘成林，杨昌智.基于计算机仿真的低温地板辐射采暖系统的节 能性分析.节能技术，2002，20（06） 7 刘成林，杨昌智.低温地板辐射采暖节能的仿真分析.煤气与热力， 2003，23（07） 8 邹平华，赵丽娜，刘孟军.地板辐射采暖的能耗及舒适性的仿真分 析.首届国际智能与绿色建筑技术研讨会，2005（1） 9 邱林.地板辐射式供暖的能耗分析.节能，2002（11） 10 DBT/T 01- 49- 2000低温热水地板辐射供暖应用技术规程 表 1 各系统流量控制信号和循环流量平均值 系 统 控制信号（平均值） 循环流量平均值 /（t/h） uf uz1 uz2 um uh 热源泵混水泵地暖泵 % 1 0.86 100 1 0.25 152.86 2 0.71 82.6 0.91 0.92 0.2 134.91 111.43 3 0.72 83.7 0.81 0.68 0.48 122.32 105.24 表 2 各系统室内温度变化 系统 常规（区域 1）系统（Tz1）/℃ 地暖（区域 2）系统（Tz2）/℃ 范围 平均值 范围 平均值 1 18.1~19.9 18.3 27.5~31.5 29.2 2 17.9~18.9 18.1 17.9~18.8 18.1 3 17.9~18.1 18 17.9~18.1 18 57