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摘 要：为了实现热负荷波动时室内温度恒定的目的，从而达到节能宜居的要求。本文结合具体房屋围护结构参数与现行规范确定了室内热负荷计算方法，根据暖气片散热量建立室内动态热平衡方程，搭建室内温度PID控制系统。仿真结果显示，通过每小时调节供暖系统水流量，所研究的房间温度将在11小时左右达到期望值20℃并稳定维持，降低了供暖能耗。
关键词：热负荷，动态热平衡方程，PID控制
Abstract： In order to achieve a constant indoor temperature when the thermal load fluctuates， so as to achieve the purpose of energy saving and livability. In this paper， the calculation method of indoor heat load is determined based on the parameters of the specific house enclosure structure and the current specifications， the indoor dynamic heat balance equation is established according to the heat dissipation of the radiator， and the indoor temperature PID control system is built. The simulation results show that by adjusting the water flow rate of the heating system every hour， the temperature of the room studied will reach the desired value of 20°C in about 11 hours and be maintained stably， reducing heating energy consumption.
Key words： heat load， dynamic heat balance equation， PID control
0 引言
建筑的节能减排是“十三五”期间城镇能耗强度双控的重要组成部分[1]，我国冬季北方地区集中供热能耗已占建筑能耗的50%～60%[2]，降低供热能耗是实现绿色建筑的重要途径。
那威[3]等使用朴素贝叶斯模型对北方城镇集中供暖能耗的实证分析表明城市供热能耗强度正相关于城市供暖区域室外平均温暖。张亚红[4]等人根据室外温度确定最大热负荷以及曹钧亮[5]等人室外气候分布下对建筑冷热负荷影响的研究结果显示冬季热负荷随室外温度的降低而增加。新洁[6]通过RBF神经网络对实测数据的研究表明中低层建筑室外温度对房屋热负荷影响程度最大。此外刘曦[7]对室内温度“历年平均不满意天数”的研究在降低能耗的同时，也考虑了冬季室内稳定热环境的需求。而北方地区大量采用的集中供暖虽然具有平均成本较低，资源利用率高的优点，但由于冬季昼夜温差导致室内热负荷波动，集中供暖用户无法调节温度，存在以下问题：一是室外温度较高时室内所需热负荷较低，集中供暖水流量恒定導致供热量过高，资源浪费严重且容易产生暖气病。二是室外温度较低时室内所需热负荷较高，恒定流量下暖气片可能无法提供足够的热量保证室内温度维持在理想水平。对此，张丽[8]通过FLUENT数值软件优化室内散热器供回水温度以满足人居热环境需求，李田凯[9]指出热力站智能调控供水温度可以较好的降低能耗。
在此背景下，笔者以沈阳市某高校一寝室为研究对象，在围护结构热负荷及室内动态热平衡方程建立的基础上，搭建PID控制系统调节散热器供水口流量，在维持室内温度处于期望值左右的同时使得每日总流量降低，从而减少供热能耗。
1 室内热负荷计算
所研究的房间大小为40平方米，房间高为3米。东西内墙不与室外接触，长为8米;房间南北外墙与室外接触，长为5米，南墙有一扇规格为1.8*1.6米的窗。房间采用暖气片供热方式，位于南墙，暖气片长1.8米，高1.2米。将三维问题简化为二维问题，南北外墙作为围护结构，南北外墙的耗热量作为边界条件。
根据《民用建筑供暖通风与空调设计规范》GB 50736-2012总结可知一个房间的热负荷计算公式如下：
研究动态热负荷下室内温度的调控问题，是为了说明当前集中供暖系统中存在的不足，即集中供暖固定流量会导致资源浪费与用户舒适度下降。本文具体的研究案例显示离散型PID控制系统可以较好的减少能源利用并提升舒适度，供暖公司仅需根据当地气候特点进行集中式每小时改变流量即可提高用户满意度并降低供暖成本，具有一定的实际参考价值。
参考文献
[1]郝宇，张宗勇，廖华. 中国能源“新常态”：“十三五”及2030年能源经济展望[J]. 北京理工大学学报（社会科学版），2016，18（2）：1-7. DOI：10.15918/j.jbitss1009-3370.2016.0201.
[2]那威，张宇璇，吴景山，等. 北方城镇集中供热能耗宏观数据统计现状及改进分析方法研究[J]. 区域供热，2019（3）：22-27. DOI：10.16641/j.cnki.cn11-3241/tk.2019.03.004.
[3]那威，张宇璇，郭一平，等. 北方城镇集中供热能耗及其朴素贝叶斯模型分析与实证[J]. 暖通空调，2020，50（4）：69-74.
[4]张亚红，张亚卫，陈端生，等. 中国连栋温室室外设计温度确定及最大热负荷分布[J]. 农业现代化研究，2007，28（2）：241-243，253. DOI：10.3969/j.issn.1000-0275.2007.02.030.
[5]曹钧亮，刘京，满孝新，等. 千米建筑室外气候分布及对建筑冷热负荷的影响研究[J]. 暖通空调，2014（12）：93-98.
[6]陈双. 建筑室内温度影响因素分析及热负荷预测研究[D]. 辽宁：大连海事大学，2015.
[7]刘曦. 冬季空调室外计算温度与室内温度“历年平均不满意天数”研究[D]. 重庆：重庆大学，2018.
[8]张丽. 散热器位置与供回水温度对建筑室内热环境影响研究[D]. 山东：山东科技大学，2018.
[9]李田凯. 基于室内温度的热力站智能调控方式探究[J]. 区域供热，2020（1）：34-37. DOI：10.16641/j.cnki.cn11-3241/tk.2020.01.007.
[10]袁伟，张雪玲，司鹏飞. 北方地区居住建筑封闭阳台温差修正系数研究[J]. 暖通空调，2014（6）：71-76.
[11]刘刚，赵林. 建筑物围护结构的耗热量计算与热工节能[J]. 企业科技与发展，2009（14）：131-133. DOI：10.3969/j.issn.1674-0688.2009.14.050.
[12]陈梅，王健. 基于MATLAB GUI的Ziegler-Nichols PID参数整定仿真系统[J]. 实验室研究与探索，2020，39（6）：98-101，122.
关键词：热负荷，动态热平衡方程，PID控制
Abstract： In order to achieve a constant indoor temperature when the thermal load fluctuates， so as to achieve the purpose of energy saving and livability. In this paper， the calculation method of indoor heat load is determined based on the parameters of the specific house enclosure structure and the current specifications， the indoor dynamic heat balance equation is established according to the heat dissipation of the radiator， and the indoor temperature PID control system is built. The simulation results show that by adjusting the water flow rate of the heating system every hour， the temperature of the room studied will reach the desired value of 20°C in about 11 hours and be maintained stably， reducing heating energy consumption.
Key words： heat load， dynamic heat balance equation， PID control
0 引言
建筑的节能减排是“十三五”期间城镇能耗强度双控的重要组成部分[1]，我国冬季北方地区集中供热能耗已占建筑能耗的50%～60%[2]，降低供热能耗是实现绿色建筑的重要途径。
那威[3]等使用朴素贝叶斯模型对北方城镇集中供暖能耗的实证分析表明城市供热能耗强度正相关于城市供暖区域室外平均温暖。张亚红[4]等人根据室外温度确定最大热负荷以及曹钧亮[5]等人室外气候分布下对建筑冷热负荷影响的研究结果显示冬季热负荷随室外温度的降低而增加。新洁[6]通过RBF神经网络对实测数据的研究表明中低层建筑室外温度对房屋热负荷影响程度最大。此外刘曦[7]对室内温度“历年平均不满意天数”的研究在降低能耗的同时，也考虑了冬季室内稳定热环境的需求。而北方地区大量采用的集中供暖虽然具有平均成本较低，资源利用率高的优点，但由于冬季昼夜温差导致室内热负荷波动，集中供暖用户无法调节温度，存在以下问题：一是室外温度较高时室内所需热负荷较低，集中供暖水流量恒定導致供热量过高，资源浪费严重且容易产生暖气病。二是室外温度较低时室内所需热负荷较高，恒定流量下暖气片可能无法提供足够的热量保证室内温度维持在理想水平。对此，张丽[8]通过FLUENT数值软件优化室内散热器供回水温度以满足人居热环境需求，李田凯[9]指出热力站智能调控供水温度可以较好的降低能耗。
在此背景下，笔者以沈阳市某高校一寝室为研究对象，在围护结构热负荷及室内动态热平衡方程建立的基础上，搭建PID控制系统调节散热器供水口流量，在维持室内温度处于期望值左右的同时使得每日总流量降低，从而减少供热能耗。
1 室内热负荷计算
所研究的房间大小为40平方米，房间高为3米。东西内墙不与室外接触，长为8米;房间南北外墙与室外接触，长为5米，南墙有一扇规格为1.8*1.6米的窗。房间采用暖气片供热方式，位于南墙，暖气片长1.8米，高1.2米。将三维问题简化为二维问题，南北外墙作为围护结构，南北外墙的耗热量作为边界条件。
根据《民用建筑供暖通风与空调设计规范》GB 50736-2012总结可知一个房间的热负荷计算公式如下：
研究动态热负荷下室内温度的调控问题，是为了说明当前集中供暖系统中存在的不足，即集中供暖固定流量会导致资源浪费与用户舒适度下降。本文具体的研究案例显示离散型PID控制系统可以较好的减少能源利用并提升舒适度，供暖公司仅需根据当地气候特点进行集中式每小时改变流量即可提高用户满意度并降低供暖成本，具有一定的实际参考价值。
参考文献
[1]郝宇，张宗勇，廖华. 中国能源“新常态”：“十三五”及2030年能源经济展望[J]. 北京理工大学学报（社会科学版），2016，18（2）：1-7. DOI：10.15918/j.jbitss1009-3370.2016.0201.
[2]那威，张宇璇，吴景山，等. 北方城镇集中供热能耗宏观数据统计现状及改进分析方法研究[J]. 区域供热，2019（3）：22-27. DOI：10.16641/j.cnki.cn11-3241/tk.2019.03.004.
[3]那威，张宇璇，郭一平，等. 北方城镇集中供热能耗及其朴素贝叶斯模型分析与实证[J]. 暖通空调，2020，50（4）：69-74.
[4]张亚红，张亚卫，陈端生，等. 中国连栋温室室外设计温度确定及最大热负荷分布[J]. 农业现代化研究，2007，28（2）：241-243，253. DOI：10.3969/j.issn.1000-0275.2007.02.030.
[5]曹钧亮，刘京，满孝新，等. 千米建筑室外气候分布及对建筑冷热负荷的影响研究[J]. 暖通空调，2014（12）：93-98.
[6]陈双. 建筑室内温度影响因素分析及热负荷预测研究[D]. 辽宁：大连海事大学，2015.
[7]刘曦. 冬季空调室外计算温度与室内温度“历年平均不满意天数”研究[D]. 重庆：重庆大学，2018.
[8]张丽. 散热器位置与供回水温度对建筑室内热环境影响研究[D]. 山东：山东科技大学，2018.
[9]李田凯. 基于室内温度的热力站智能调控方式探究[J]. 区域供热，2020（1）：34-37. DOI：10.16641/j.cnki.cn11-3241/tk.2020.01.007.
[10]袁伟，张雪玲，司鹏飞. 北方地区居住建筑封闭阳台温差修正系数研究[J]. 暖通空调，2014（6）：71-76.
[11]刘刚，赵林. 建筑物围护结构的耗热量计算与热工节能[J]. 企业科技与发展，2009（14）：131-133. DOI：10.3969/j.issn.1674-0688.2009.14.050.
[12]陈梅，王健. 基于MATLAB GUI的Ziegler-Nichols PID参数整定仿真系统[J]. 实验室研究与探索，2020，39（6）：98-101，122.