引言工程设计确定参数时，通常以设备所承担的最大负荷为依据，但设备经常在经济负荷下实际运行。实际运行负荷与设备满负荷运行特性不匹配，处于低效率运行，存在能源浪费、加大成本等问题。袁明辉[1]提出一种自动根据当前末端负荷情况，在并联泵组中选取能耗最低的泵组合控制技术，提高中央空调系统的运行效率，达到节能效果。黄艺新[2]等通过Trnsys建立集中式空调系统能耗仿真模型，提出机组负荷率优化群控策略，相比平均负荷分配策略节能效果显著。闫军威[3]等根据某商场空调系统全年冷负荷分布特性，基于遗传算法对多台冷水机组负荷优化分配策略，与原有运行方式相比，夏季节能25.75%、过渡季节能5.35%。Abou-ziyan[4]等通过控制压缩机开启台数，比较不同负荷启动不同压缩机台数后系统的能效，得到负荷不均匀分配策略。与负荷均匀分配策略相比，综合性能提高22%~33%。Yu[5]等在不同室外温度和部分负荷率下，对冷水机组的运行能效进行模拟，提出冷水机组负荷率不均等的负荷分配方式。陈丹丹[6-7]等利用带遗忘因子的最小二乘递推法，建立基于自适应在线辨识方法的冷水机组能效模型，采用序贯加权因子对多台冷水机组的负荷分配进行优化。施志钢[8]等建立负荷分配优化模型，提出采用动态规划算法求解冷水机组负荷的最佳分配率。与传统系统的运行方式相比，冷水机组系统能耗降低13.80%。Quintana[9]等基于Trnsys建立太阳能区域供热系统，通过对天气和负荷的预测进行优化控制，最终一次能耗降低5%。Xiao[10]等通过Trnsys模拟太阳能辅助热泵结合地板辐射采暖系统，针对随机模型预测控制器(SMPC)，提出一种新的近似动态规划方法，结果表明，SMPC在冬季每月取暖用电可节约44%。Potocnik[11]等基于住宅建筑Trnsys仿真模拟，通过空气-水热泵的智能控制和优化改善住宅建筑的热舒适性，提出一种基于天气的加热曲线离线优化的新方法。结果表明，除室外温度，其他影响热泵运行的因素显著提高热舒适度，太阳辐射是最大的影响因素。以往的研究结果均为优化模型得到的模拟数据。实际系统运行中，管网布置、保温措施、运行时间以及设备保养情况均不相同，实际运行数据与模拟数据存在差异。目前，供暖系统的研究集中于优化算法，实际工程需要简便、可行的控制策略。因此，文中以北京某展览馆电锅炉供暖系统为例，采用Trnsys软件建立仿真模型，使用历史运行数据验证模型的可靠性，根据实际情况提出优化运行策略。以Trnsys软件优化系统验证运行控制方案的可行性，对新方案的节能和经济进行分析。1Trnsys模型建立1.1建筑概况北京市某展览馆，供暖面积约6 000 m2，一层为展厅，二层为办公室，主体为老旧建筑。该建筑供暖系统为电锅炉蓄热供暖，蓄热时间21：00~次日7：00，供暖时间8：00~17：00，冬季采暖室外计算温度-7 ℃，室内设计温度20 ℃，末端采用辐射供暖+部分风机盘管+新风系统。1.2建筑热负荷模型采用Trnsys的TRNBuild模块，建立建筑热负荷模型。建筑模型与大气耦合图如图1所示，采暖季建筑逐日热负荷如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.008.F001图1建筑模型与大气耦合图10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.008.F002图2采暖季建筑逐日热负荷通过热负荷计算，得到建筑热负荷490 kW。模型结果显示，建筑最大负荷日为1月15日，为507.99 kW，模型结果与计算结果偏差3.67%，低于允许最大误差的5%，认为该模型具有一定的准确性，可进行下一步研究分析。2电锅炉蓄热供暖系统模拟及分析2.1电锅炉蓄热供暖系统模拟在Trnsys-Studio中建立电锅炉蓄热供暖系统，该系统由1台电锅炉在锅炉运行时间模块的控制下，在夜间完成蓄热槽的蓄热过程。蓄热槽则在蓄热槽运行时间模块的控制下，通过板式换热器向建筑模型供热；室内的新风通过新风机组向室内提供必要的新风量；模型中设有控制流量的分流阀组件以及控制室内温度及空调使用时间的控制模块。供暖系统计算模型如图3所示，供暖系统计算模型使用的主要模块如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.008.F003图3供暖系统计算模型10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.008.T001表1供暖系统计算模型使用的主要模块模块名称型号模块名称型号电锅炉Type700新风机组Type753e一次网循环水泵Type3b新风机Type112b二次网循环水泵Type114积分器Type24蓄热槽Type4输出部件Type65a逆流板式换热器Type5b三通Type11h地温Type501电锅炉蓄热供暖系统采暖季室内与室外温度对比如图4所示。由图4可知，采暖季期间，室内温度可以维持在设计值20 ℃要求。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.008.F004图4电锅炉蓄热供暖系统采暖季室内与室外温度对比2.2模型精度验证根据展览馆供暖系统记录的运行参数，采暖季室内温度模型数据与系统记录数据对比如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.008.F005图5采暖季室内温度模型数据与系统记录数据对比由图5可知，模型数据与系统记录数据存在误差。原因在于：（1）采集系统记录数据的仪表精度偏低；（2）模型数据的气象参数为典型日气象参数，与实际气象参数存在差异；（3）模型中未考虑管道保温及温度耗散等情况。但模型结果与系统记录数据基本趋势保持一致，且温度范围（除去第1天的数据）均在设计温度±2 ℃内。可见，建立的模型精度良好，可应用于控制方法的研究。3优化控制流程及方法结合模型分析发现：（1）原系统锅炉运行时间满足最不利负荷需求。采暖初期（11月15日~12月1日）与采暖末期（3月1日~3月15日）的日间采暖负荷需求远小于最大负荷日需求。此期间蓄热模块放热后剩余热量较多，锅炉蓄热阶段到满蓄阶段时间减少；（2）当热负荷需求远小于最不利热负荷需求时，蓄热模块当日放热后剩余热量随时间流逝造成耗散现象。针对满蓄满供，提出3种优化控制方法：（1）根据蓄热模块的蓄热状态，控制锅炉蓄启停；（2）根据蓄热模块放热结束时蓄热率和回水温度，控制电锅炉蓄热。蓄热模块放热后剩余热量超过50%时，当晚不蓄热，剩余热量用于次日的日间供热；（3）基于室内热负荷需求，进行系统流量控制。具体3种优化控制方法的对比如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.008.T002表2具体3种优化控制方法的对比方案号控制方法方案1根据蓄热模块的蓄热状态，控制锅炉的蓄热时间。方案2方案2-1根据蓄热模块放热结束后回水温度，控制锅炉是否进行蓄热（控制温度Tk=50 ℃）。方案2-2根据蓄热模块放热结束后回水温度，控制锅炉是否进行蓄热（控制温度Tk=56 ℃）。方案2-3根据蓄热模块放热结束后回水温度，控制锅炉是否进行蓄热（控制温度Tk=60 ℃）。方案3方案3-1基于室内热负荷需求，进行系统流量的控制（控制温度Tk=50 ℃）。方案3-2基于室内热负荷需求，进行系统流量的控制（控制温度Tk=56 ℃）。方案3-3基于室内热负荷需求，进行系统流量的控制（控制温度Tk=60 ℃）。3.1蓄热槽蓄热情况控制锅炉蓄热时间法的计算结果蓄热模块控制锅炉停止加热时，将1个控制信号传送给锅炉，即蓄热回水温度达到设定温度时，蓄热模块传送给锅炉1个停止信号。蓄热模块实际控制中，因环境温度、管路保温状态和正常耗散情况等因素，蓄热回水温度逐渐下降，锅炉频繁启停，费电的同时易引起机组设备的更大损坏。因此，引入死区温度参数，模拟真实的启停控制。蓄热+温度反馈模式下室内温度与室外温度对比如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.008.F006图6蓄热+温度反馈模式下室内温度与室外温度对比在某个温度范围内，控制信号执行上一时刻指令，振荡参数参与辅助。死区温度设为±1 ℃，允许振荡次数为15次。优化控制锅炉蓄热时间，室内温度能够达到设计要求。室内与室外温度蓄热时间对比曲线如图7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.008.F007图7室内与室外温度蓄热时间对比曲线由图7可知，每天蓄热时间与室外温度具有一定的相关性。当天的控制锅炉蓄热时间与当天的室外温度呈负相关，蓄热时间与蓄热天数关系如表3所示。采暖季蓄热时间维持在7 h左右，比设计蓄热时间节省3 h。模拟结果显示，系统总耗电量比优化前节约4.37%，但降低能耗和节约运行成本效果不显著。利用蓄热回水温度判断锅炉满蓄情况并控制锅炉启停次数的方法，节约的仅为锅炉保证蓄热模块回水温度恒定的能量。若管路及蓄热模块保温效果良好，就可以减少此部分的耗损，从而减少耗电量。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.008.T003表3蓄热时间与蓄热天数关系蓄热时间/h23456789蓄热天数/d744121468653.2蓄热模块回水温度对锅炉蓄热的控制当蓄热模块剩余热量超过50%时当晚不蓄热。控制温度Tk为判断蓄热模块剩余热量的温度点。控制温度Tk=50 ℃时，蓄热模块剩余热量为满蓄的25%；控制温度Tk=56 ℃时，蓄热模块剩余热量为满蓄的40%；控制温度Tk=60 ℃时，蓄热模块剩余热量为满蓄的50%，剩余热量用于完成第二天的日间供热。3.2.1控制流程模型控制锅炉启停条件为：采暖季的采暖时间、每日锅炉的启动时间、蓄热模块剩余热量达到的设定值、蓄热模块放热结束后回水温度。控制流程如图8所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.008.F008图8控制流程3.2.2模拟结果当控制温度Tk=50 ℃时，蓄热模块的剩余热量超过25%，蓄热模块放热结束后，室内与室外空气温度如图9所示。由图9可知，控制温度Tk=50 ℃时，采暖季节期间存在14 d不能够满足室内温度的负荷需求，不符合设计标准。控制温度Tk=56 ℃和控制温度Tk=60 ℃时，室内温度不满足设计值要求的天数，小于5 d，符合设计标准。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.008.F009图9蓄热模块放热结束后的室内与室外空气温度（Tk=50 ℃）不同的控制温度下，蓄热槽平均水温如图10所示。由图10可知，蓄热模块平均水温下降时，蓄热槽正值日间放热阶段。当天放热后，若蓄热模块内水温满足控制温度要求，则夜间不蓄热，次日蓄热模块继续放热，蓄热模块平均水温继续下降；次日放热结束后，蓄热模块平均水温达不到控制温度要求，则启动锅炉进行夜间蓄热，蓄热模块平均水温重新加热。当控制温度Tk=50 ℃时，蓄热模块未采取蓄热的天数为63 d；控制温度Tk=56 ℃时，蓄热模块未采取蓄热的天数为39 d；控制温度Tk=60 ℃时，蓄热模块未采取蓄热的天数为16 d。图10蓄热槽平均水温10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.008.F10a1（a）Tk=50 ℃10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.008.F10a2（b）Tk=56 ℃10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.008.F10a3（c）Tk=60 ℃方案1和方案2的综合对比情况如表4所示。由表4可知，方案2-1的室内温度不满足设计要求天数，方案2-2和方案2-3的控制温度Tk分别为56 ℃、60 ℃时，室内温度满足设计要求天数，均小于5 d。模拟结果显示，方案2-2的蓄热模块放热结束后，回水温度控制锅炉蓄热的室内与室外温度节能效果相对最好，节省电量16.6%。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.008.T004表4方案1和方案2综合对比指标方案1方案2-1方案2-2方案2-3室内温度不满足设计要求天数/d01442蓄热模块未采取蓄热天数/d0633916相比原系统消耗电量节省量/%4.6724.8916.6010.18相比原系统总电费节省量/%3.6930.7519.6010.293.2.3典型日模拟采暖季建筑逐日热负荷结果表明，采暖季的最大负荷日在1月15日，最大热负荷为508 kW。选择1月14日~1月16日共3 d作为典型日进行模拟。1月14日~1月16日蓄热率如图11所示，1月14日~1月16日室内温度如图12所示。蓄热槽蓄热情况与室内温度关系如表5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.008.F011图111月14日~1月16日蓄热率10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.008.F012图121月14日~1月16日室内温度10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.008.T005表5蓄热槽蓄热情况与室内温度关系方案号1月13日1月14日1月15日1月16日方案1是否蓄热否是是否室内温度是否负荷设计要求—否是是方案2-2是否蓄热是否是否室内温度是否负荷设计要求—是否是方案2-3蓄热槽是否蓄热是是是是室内温度是否负荷设计要求—是是是注：“—”表示无此项检测。由表5可知，在遇到极寒天气即1月15日情况时，若1月14日蓄热槽不蓄热，则即使蓄热槽剩余热量超出50%，1月16日室内温度也可能存在达不到设计温度的情况，因此，方案2-2的控制方法存在不足，尤其遇到突然降温的天气，存在不能保证室内温度在设计值范围内的情况。3.3基于室内实际热负荷的需求进行系统流量的控制采用Trnsys软件进行热负荷计算。根据设计标准对室内人员数量、照明功率、设备功率、室内温度、供暖运行时间进行准确设定。某展览馆负荷计算室内人员在室率如表6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.008.T006表6某展览馆负荷计算室内人员在室率逐时时间段工作日室内人员在室率0：00~7：0007：00~8：00508：00~12：009512：00~14：008014：00~17：009517：00~19：003019：00~23：000%调查发现，某展览馆办公室午休时间，室内平均人员的在室率约为10%~20%，最多不超过30%。大多数人员不在室内停留，则相应的新风负荷远低于设计值负荷。在12：00~13：00时间段，室内二次端供热流量变为原来的50%，预留20%热量富余和30 min预热时间，可以达到室内舒适度的要求。以典型日1月15日方案3-3与方案2-3蓄热率的关系进行模拟，1月15日方案3-3与方案2-3蓄热率的关系如图13所示。由图13可知，经过午休时间，蓄热模块供热流量的系数进行修正，相比未修正的蓄热系统，节省热量约10%，从而提高蓄热模块的剩余蓄热量。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.008.F013图131月15日方案2-3与方案3-3蓄热率关系基于室内实际热负荷的需求，采用Trnsys软件进行热负荷计算，将方案3与原系统总的耗电量进行对比分析，将方案3与原系统总的电费量进行对比分析。方案3与原系统总耗电量关系如图14所示，方案3与原系统总电费关系如图15所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.008.F014图14方案3与原系统总耗电量关系10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.008.F015图15方案3与原系统总电费关系基于室内实际负荷需求对流量调节的方案3对比如表7所示。由表7可知，结合表4分析，方案3-1即控制温度Tk=50 ℃时，室内温度不满足设计温度的天数要求，由14 d减少至6 d，用电量减少20.6 MWh，节省电费0.96 万元；方案3-2即控制温度Tk=56 ℃时，室内温度不满足设计温度的天数要求，由4 d减少至2 d，用电量减少7.43 MWh，节省电费0.5 万元；方案3-3即控制温度Tk=60 ℃时，室内温度不满足设计温度的天数要求，由2 d减少至0 d，用电量减少5.9 MWh，节省电费0.4 万元。由于控制二次端供水流量对锅炉的蓄热量影响较小，因此整个系统的耗电量减少有限，但可以提高蓄热槽对热量的利用，减少室内温度不满足设计值的天数，提高室内环境品质。这种控制方法对于室内人员具有特定作息规律的建筑较为适用，对其他建筑具有一定的参考意义，具体情况视实际为准。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.008.T007表7基于室内负荷需求对流量调节的方案3对比指标方案3-1方案3-2方案3-3室内温度不满足设计要求天数/d620相比原系统耗电量减少量/%29.3918.2011.32相比原系统电费节省量/%34.2921.4511.444结语以北京某展览馆的电锅炉蓄热供暖系统的蓄热控制优化为例，通过动态模拟软件Trnsys对系统建模，提出3种蓄热控制策略方式，具体计算分析结果为：（1）通过蓄热槽回水温度判断剩余热量是否需要蓄热控制，相对原来的控制方法，改造后的方法可以取得10.18%~24.89%节能效果。随着控制温度的降低，夜间锅炉蓄热次数减少，节能率提高。但室内空气不满足天数呈现增加趋势。综合对比分析，方案2-2即控制温度Tk=56 ℃，为此控制方法的最优设定值。（2）根据室内人员作息规律，控制供暖流量的控制方法，与原系统相比，能够取得11.36%~24.89%节能率。同时，此种控制方法可以提高蓄热槽的热量利用效率，减少室内温度不满足设计值天数。在控制温度下限值设定的基础上，提出蓄热控制方法，具有很好的节能效果，能够提高蓄热利用效率和减少室内温度不保证天数；具有较强的实际应用价值。为获得更高的节能和实际应用效果，在现有研究基础上，增加相对最适合的控制温度上限与下限、优化蓄热率等联合控制方式，且在实际工程中不断验证研究成果。