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摘 要：集中供热系统是城乡基础建设必不可少的一个重要环节，是城市现代化建设的一个重要标准。然而，当前城市集中供热系统却存在着热源效率低下、缺乏长久的室温调控机制、缺乏高效的热计量方法、系统控制策略不够完善和自动化水平较低等问题。本文在充分的分析集中供热系统原理和不足的基础上，以换热站和用户端温度调控为目的，以整个二次网供热设备调控为核心，分别对用户端、换热站和供热管理指挥中心进行软硬件平台搭建。通过提高集中供热系统控制策略和自动化水平，实现节约能源，降低能耗的目的。
关键词：集中供热；二次网；节能
一、 发展现状
我国集中供热技术是由上世纪八十年代开始真正意义上的发展，主要经历了利用、管理、建设和发展四个阶段。经过多年的发展，我国的集中供热技术虽然取得了长足的进步，但是与国外相比还是较为落后。主要表现为供热质量差、供热效率低、自动化水平低、运营成本高，以及稳定性和安全性等没有保障。目前，取暖费用的收取主要还是停留在按面积收费。因此，无法提高普通用户的节约、环保意识，从而造成了室温过低投诉、室温过高开窗通风等非正常现象的发生，导致热能利用率低，资源浪费严重。
在供热质量上，发达国家的室内供热温度为22℃以上，而我国达到16℃便满足要求，且经常发生冷热不均等现象。其主要原因是：建筑物设计落后、老化，保温、隔热性较差；用户端采暖设备自动化水平较低，未能为用户提供一种调节用热、节约用热成本的有效方法。本文便开发了一种用户端智能控制设备，用以提高用热品质、节约能源。在控制手段上，我国早前的部分换热站仍然处于运营状态，需要工作人员现场进行参数采集和日常控制、维护。这种控制方式不仅需要耗费大量的人力，且控制精度较低，资源浪费严重。随着技术的发展，国家开始对供热系统的硬件设备进行改造升级，开始配备先进的仪器仪表、传感器等。并新建了一批能够实现无人值守的换热站和供热监控中心，基本迈入了信息化、智能化建设阶段。但是，其控制水平良莠不齐，多数换热站只能不停的向监控中心上传数据，却不能接收来自于监控中心的远程控制指令。
二、二次网供、回水温度控制方案
1控制要求
集中供热系统的供、回水温度控制是通过调节一次网二次网流量实现的。量调节方法与质调节相比对用户用热量变化的响应速度更快，对于质调节来说，由于其调节的是供水温度，因此其速度为水流速度。水流在管道中速度约为1到2米/秒，传送到1至10公里的用户需要的时间约为10分钟至3小时不等；若水流速度不高，传递时间会更长。而对于量调节来说，其调节是以声速进行传递的，其对热用户用热量变化的响应几乎是同步的，因此，采用量调节将成为发展趋势。量调节采用阀门节流运行时浪费电量较多，因此应采用变速循环泵实现量调节。实现量调节控制有温度可调以及高效运行两个目标，所以，对其有以下控制要求：
（1）一定室外温度条件下二次网供水温度维持稳定
为了保证热用户的用热量，首先要确保一定室外温度条件下二次网供水温度维持稳定。热用户对流量进行调节这一定会导致二次网供水温度的变化，为了维持热用户室内温度恒定，可通过自动控制对热源进行调节，对其供热量进行相应调节，进而确保二次网供水温度能够维持稳定。
（2）一定室外温度条件下二次网回水温度维持稳定
为了保证供热系统二次网的高效运行，首先要确保一定室外温度条件下二次网回水温度维持稳定。为了提高换热器的传热效率，在供热系统运行过程中不出现“大流量小温差”的情况，就一定要确保二次网回水温度维持稳定，换热器的传热量与供、回水温差成正比例关系，也就是说要确保供、回水温差达到系统的设计要求。
（3）二次网恒压点的压力值维持稳定
为了控制二次网供、回水温度，首先要确保二次网恒压点的压力值维持稳定。无论供热系统处于何种状态（运行或停止），压力一直不变的点称为恒压点。热用户资用压头充足并且恒压点的压力稳定是集中供热系统正常运行的必要条件。如果发生不稳定的情况，一定会导致供热系统不能正常运行，也同样不能达到供、回水温度稳定的目的。
2.传统二次网供、回水温度控制方案
集中供热系统二次网供、回水温度控制方案应将以下因素考虑在内：①由于供水温度控制与回水温度控制之间有强耦合关系，因此要对其进行解耦确定解耦控制方案②供水温度的稳定通过控制一次网电动阀的开度来保证，回水温度的稳定通过控制变频水泵进而调节二次网流量来保证③由于供热系统具有时变性、非线性、滞后性等特性，应采用先进控制方法进行控制。一般传统供热系统二次网供、回水温度控制方案由于控制系统相对复杂，一般情况下先将系统先进行分解，之后对其分别进行控制。因此传统二次网供、回水温度控制方案可分解为二次网供水温度控制方案、二次网回水温度控制方案以及解耦控制方案。
3.改进二次网供、回水温度控制方案
目前传统的控制方法都是设计解耦补偿器来抵消耦合对象产生的不利影响，最后使系统输出变成单回路控制，也就是先进行解耦，解耦后在分别进行控制。不同的是，本文设计的解耦控制器是将解耦补偿器和控制器综合在一个控制器中，同时实现解耦和控制。
三、解耦控制方案
1. 解耦控制方案
对角阵解耦控制：对角阵解耦控制是针对多变量解耦控制中相对很早的一种解耦方法，对角阵解耦的条件是被控对象特性矩阵乘以解耦控制矩阵与对角阵相等，多变量系统在对角阵解耦之后耦合系统变成了独立了单变量控制系统；前馈补偿解耦控制：前馈补偿解耦控制为了达到消除系统内相互关联的目的，依据不变性原理进行解耦控制器的设计。耦合回路在前馈解耦后变为了独立的单变量控制系统；反馈解耦控制：对于前两个解耦系统，解耦控制器一般配置在前向通道上，而对于反馈解耦控制器来说，其解耦控制器被配置于反馈通道上。
2.解耦控制方案缺点
针对高阶的耦合系统，以上几种方法的缺点是其庞大且繁琐的计算量，并且适用的控制对象模型精度不能过高。而对于集中供热系统，在受到外界温度或者其他因素影响时，其模型参数会发生微小的变化，以上解耦系统很难稳定完成对集中供热系统的解耦控制，因此就要寻找一种能够解耦较高精度的，可以接受模型参数微变的解耦控制方法。
结束语：本文分析了换热站各个变量之间的关系，针对二次网供、回水温度之间存在的耦合性，介绍了现有的解耦方法方法，提出了常规解耦控制方法以及本文想要采取的解耦控制方法。并且介绍了内模解耦控制的原理以及性質，为后续设计二次网供、回水温度解耦控制系统提供了条件，从而达到节能的要求。
参考文献：
[1] 张文彬.智能供暖系统研究[D].兰州：兰州理工大学，2011.
[2] 王萌.中欧集中供热节能机制对比与研究[D].北京：清华大学，2014.
[3] 董磊.集中供热庭院管网能耗现状与节能措施研究[D].北京：清华大学，2014.
[4] 张立启.城市集中供热系统节能技术及热力站控制系统的研究[D].太原：太原理工大学，2014.
[5] 杨斌.南昌市经开区集中供热（冷）可行性研究[D].石家庄：华北电力大学， 2013.
关键词：集中供热；二次网；节能
一、 发展现状
我国集中供热技术是由上世纪八十年代开始真正意义上的发展，主要经历了利用、管理、建设和发展四个阶段。经过多年的发展，我国的集中供热技术虽然取得了长足的进步，但是与国外相比还是较为落后。主要表现为供热质量差、供热效率低、自动化水平低、运营成本高，以及稳定性和安全性等没有保障。目前，取暖费用的收取主要还是停留在按面积收费。因此，无法提高普通用户的节约、环保意识，从而造成了室温过低投诉、室温过高开窗通风等非正常现象的发生，导致热能利用率低，资源浪费严重。
在供热质量上，发达国家的室内供热温度为22℃以上，而我国达到16℃便满足要求，且经常发生冷热不均等现象。其主要原因是：建筑物设计落后、老化，保温、隔热性较差；用户端采暖设备自动化水平较低，未能为用户提供一种调节用热、节约用热成本的有效方法。本文便开发了一种用户端智能控制设备，用以提高用热品质、节约能源。在控制手段上，我国早前的部分换热站仍然处于运营状态，需要工作人员现场进行参数采集和日常控制、维护。这种控制方式不仅需要耗费大量的人力，且控制精度较低，资源浪费严重。随着技术的发展，国家开始对供热系统的硬件设备进行改造升级，开始配备先进的仪器仪表、传感器等。并新建了一批能够实现无人值守的换热站和供热监控中心，基本迈入了信息化、智能化建设阶段。但是，其控制水平良莠不齐，多数换热站只能不停的向监控中心上传数据，却不能接收来自于监控中心的远程控制指令。
二、二次网供、回水温度控制方案
1控制要求
集中供热系统的供、回水温度控制是通过调节一次网二次网流量实现的。量调节方法与质调节相比对用户用热量变化的响应速度更快，对于质调节来说，由于其调节的是供水温度，因此其速度为水流速度。水流在管道中速度约为1到2米/秒，传送到1至10公里的用户需要的时间约为10分钟至3小时不等；若水流速度不高，传递时间会更长。而对于量调节来说，其调节是以声速进行传递的，其对热用户用热量变化的响应几乎是同步的，因此，采用量调节将成为发展趋势。量调节采用阀门节流运行时浪费电量较多，因此应采用变速循环泵实现量调节。实现量调节控制有温度可调以及高效运行两个目标，所以，对其有以下控制要求：
（1）一定室外温度条件下二次网供水温度维持稳定
为了保证热用户的用热量，首先要确保一定室外温度条件下二次网供水温度维持稳定。热用户对流量进行调节这一定会导致二次网供水温度的变化，为了维持热用户室内温度恒定，可通过自动控制对热源进行调节，对其供热量进行相应调节，进而确保二次网供水温度能够维持稳定。
（2）一定室外温度条件下二次网回水温度维持稳定
为了保证供热系统二次网的高效运行，首先要确保一定室外温度条件下二次网回水温度维持稳定。为了提高换热器的传热效率，在供热系统运行过程中不出现“大流量小温差”的情况，就一定要确保二次网回水温度维持稳定，换热器的传热量与供、回水温差成正比例关系，也就是说要确保供、回水温差达到系统的设计要求。
（3）二次网恒压点的压力值维持稳定
为了控制二次网供、回水温度，首先要确保二次网恒压点的压力值维持稳定。无论供热系统处于何种状态（运行或停止），压力一直不变的点称为恒压点。热用户资用压头充足并且恒压点的压力稳定是集中供热系统正常运行的必要条件。如果发生不稳定的情况，一定会导致供热系统不能正常运行，也同样不能达到供、回水温度稳定的目的。
2.传统二次网供、回水温度控制方案
集中供热系统二次网供、回水温度控制方案应将以下因素考虑在内：①由于供水温度控制与回水温度控制之间有强耦合关系，因此要对其进行解耦确定解耦控制方案②供水温度的稳定通过控制一次网电动阀的开度来保证，回水温度的稳定通过控制变频水泵进而调节二次网流量来保证③由于供热系统具有时变性、非线性、滞后性等特性，应采用先进控制方法进行控制。一般传统供热系统二次网供、回水温度控制方案由于控制系统相对复杂，一般情况下先将系统先进行分解，之后对其分别进行控制。因此传统二次网供、回水温度控制方案可分解为二次网供水温度控制方案、二次网回水温度控制方案以及解耦控制方案。
3.改进二次网供、回水温度控制方案
目前传统的控制方法都是设计解耦补偿器来抵消耦合对象产生的不利影响，最后使系统输出变成单回路控制，也就是先进行解耦，解耦后在分别进行控制。不同的是，本文设计的解耦控制器是将解耦补偿器和控制器综合在一个控制器中，同时实现解耦和控制。
三、解耦控制方案
1. 解耦控制方案
对角阵解耦控制：对角阵解耦控制是针对多变量解耦控制中相对很早的一种解耦方法，对角阵解耦的条件是被控对象特性矩阵乘以解耦控制矩阵与对角阵相等，多变量系统在对角阵解耦之后耦合系统变成了独立了单变量控制系统；前馈补偿解耦控制：前馈补偿解耦控制为了达到消除系统内相互关联的目的，依据不变性原理进行解耦控制器的设计。耦合回路在前馈解耦后变为了独立的单变量控制系统；反馈解耦控制：对于前两个解耦系统，解耦控制器一般配置在前向通道上，而对于反馈解耦控制器来说，其解耦控制器被配置于反馈通道上。
2.解耦控制方案缺点
针对高阶的耦合系统，以上几种方法的缺点是其庞大且繁琐的计算量，并且适用的控制对象模型精度不能过高。而对于集中供热系统，在受到外界温度或者其他因素影响时，其模型参数会发生微小的变化，以上解耦系统很难稳定完成对集中供热系统的解耦控制，因此就要寻找一种能够解耦较高精度的，可以接受模型参数微变的解耦控制方法。
结束语：本文分析了换热站各个变量之间的关系，针对二次网供、回水温度之间存在的耦合性，介绍了现有的解耦方法方法，提出了常规解耦控制方法以及本文想要采取的解耦控制方法。并且介绍了内模解耦控制的原理以及性質，为后续设计二次网供、回水温度解耦控制系统提供了条件，从而达到节能的要求。
参考文献：
[1] 张文彬.智能供暖系统研究[D].兰州：兰州理工大学，2011.
[2] 王萌.中欧集中供热节能机制对比与研究[D].北京：清华大学，2014.
[3] 董磊.集中供热庭院管网能耗现状与节能措施研究[D].北京：清华大学，2014.
[4] 张立启.城市集中供热系统节能技术及热力站控制系统的研究[D].太原：太原理工大学，2014.
[5] 杨斌.南昌市经开区集中供热（冷）可行性研究[D].石家庄：华北电力大学， 2013.