低温地板辐射采暖系统的新型控制策略

低温地板辐射采暖系统的新型控制策略

李勇

河北绿源地热能开发有限公司   河北省保定市   071800

摘要：近年来，社会进步迅速，低温地板辐射采暖相比于空调、暖气等常规采暖方式，具有均匀散热、对流加热、节约能源、节省空间等一系列优势。在地板辐射采暖系统推广使用的过程中，如何提高该系统的温度调控精度成为一项亟待解决的关键问题。文章提出一种基于模糊PI控制策略的地板辐射采暖系统，在概述模糊PI控制系统结构、模糊规则设计的基础上，进行PI控制器的仿真实验，结果表明该系统仿真模型的制热速度较快，性能较为稳定。随后搭建地板辐射采暖系统的模拟水箱控制实验台，验证不同环境温度下地板辐射采暖系统的加热效果。

关键词：低温地板辐射采暖系统；新型控制；策略

引言

我国目前建筑消耗的能源占全国商品能源的21%～24%，其中，民用建筑供暖能耗约占建筑总能耗的56%～58%。在众多供暖方式中，辐射采暖系统利用辐射换热和对流换热相结合的形式与周围环境进行热交换。我国自2000年以来逐渐将辐射采暖系统普及到了全国各地，近年很多学者对地板采暖系统进行了传热分析与实验研究。数值模拟了地板辐射采暖房内的热环境，得出室内温度分布随室内高度的变化关系，围护结构表面温度及热流的分布特点。在同等舒适度下，地板辐射采暖系统与对流型采暖系统相比，室内温度可降低2～3℃，节能效果达到10%左右。辐射地板采暖的优势包括有效利用空间和无需清洁，而且不会产生噪音，也不会引起气流。在地板辐射采暖系统中，能在较低的室内空气温度下达到基本运行温度，具有均匀温度分布的低温加热系统，与对流采暖系统相比，减少了通风的热损失。此外，地板辐射采暖具有舒适性强，热稳定性好，便于区域控制以及可实现分户计量等优点。

1重要性

室内湿度影响着日常生活生产的各个方面，如博物馆，画廊等场所以及纺织等生产工艺都对湿度有着很高的要求。目前应用比较广泛的控制湿度的手段为使用空调系统与通风系统等。然而，这会消耗大量的能源，且很不方便。在建筑围护结构内表面应用调湿材料是一种调控室内湿度的被动式手段。调湿材料具有多孔特质，可以吸附水分子，也可以使水分子脱附。依靠自身的吸放湿能力，调湿材料可使室内湿度等级维持在一定范围内。辐射采暖系统通过对流和辐射两种方式来消除室内热负荷，因此其围护结构内表面温度会有所升高，在内表面敷设调湿材料时其性能也会受其影响。国内外很多学者都在温度对调湿材料性能的影响上进行了研究，不同温度下材料吸附等温线的变化，结果表明温度对其有显著的影响。但是，很少有研究关于辐射采暖系统中使用调湿材料调节室内湿度的可能性。因此本文对辐射采暖房间进行模拟，探究不同影响因素对调湿材料性能的影响。

2低温地板辐射采暖系统的仿真实验

2.1实验环境

模糊PI控制是现阶段低温地板辐射采暖系统中常用的一种控制策略，为了更加直观地验证该控制策略的有效性，搭建了地板辐射采暖系统的模拟水箱控制实验台，结构组成如图1所示。图1中左侧的加热水箱模拟温控室，右侧的采暖水箱模拟需要加热的房间。两者通过由循环泵、电热阀、流量计、控制台组成的控制系统进行连接。在实验中，左侧水箱的水温设置为50℃，并且由水箱内的温度传感器实时采集温度数据，当温度低于该设定值后，自动进行加热。当温度超过50℃后，自动停止加热，维持水温的稳定。然后利用循环泵，使左侧水箱中的热水流入右侧水箱的地暖盘管中，利用热交换将右侧水箱中的凉水加热。调节电热阀的开度和流量计的数值，相当于更改加热效率；调节右侧水箱的水位，相当于调节房间的大小。左右两个水箱内的温度传感器，将温度信号反馈给控制台，由计算机进行温度对比，并根据对比结果发送指令控制循环泵的启停，使加热房间的温度达到特定值。为消除无关因素干扰，使用空调将实验室内温度维持在恒定的25℃。

图1模拟装置组成结构图

2.2实验装置

本次实验中用到的装置主要有：（1）恒温加热器，温度控制进度为±0.1℃，加热功率10kW，管道水泵转速3000转/min；（2）旋翼式热水表，流量在0.1~5.0m3/h之间可调，公称压力2.0MPa；（3）热电偶，材质为铜-康铜，使用范围20℃~100℃；（4）温度计，有表面温度计和铂电阻温度计两种类型，前者精度可达到±0.05℃，后者精度可达到±0.1℃；（5）其他仪器，包括温度控制器、仿真器、无纸记录仪等。

2.3实验方法

模拟低温地板辐射采暖系统的加热水箱实验操作为：通电之后，电加热器会对左侧水箱加热，使水温上升并维持在50℃~60℃之间。由铜-康铜热电偶组成的温度传感器会分别收集两台水箱内的水温信号，并利用通信系统将该信号上传至温度控制器。基于模糊PI控制算法的温控器，会根据前端反馈的温度参数，自动判断是否对采暖水箱加热。如果判断结果为需要加热，则调用加热程序、发送加热指令。继电器接收该指令后通电，循环泵运行，使采暖水箱的热水流向右侧水箱。这一过程中可手动调节流量计，调整单位时间内的供水量。使用无纸记录仪将供水温度、盘管水箱内的水温以及流量等进行如实记录。

2.4实验结果

地板辐射采暖系统在实际运行过程中，会受到诸多因素的影响，例如环境温度、管道水泵流速、温度控制器的精度等。在本次实验中，通过科学挑选仪器设备，降低实验数据误差；利用空调保持环境温度相对恒定，提高了实验结果的可靠性。在保证进水流速相同、温度相同的情况下，更改空调温度，使实验室的环境温度分别为22℃和32℃，观察水箱温度变化情况。

结语

地板辐射采暖相比传统散热器更加节能与安全。辐射采暖表面温度30℃即可将房间加热到设计温度，而散热器采暖则需要表面温度44℃才能将房间加热到设计温度。地暖的表面温度远低于散热器的表面温度，更加节能且没有烫伤的风险。采用地板辐射采暖的房间内近地面处的温度最高，顶部区域为低温区域，辅以机械通风时，房间总体温度分布较为均匀。散热器采暖则相反，近地面处温度最低，在房间中部温度最高，具有明显的分层现象。机械通风可以灵活调节室内的温度。当地暖或散热器调节响应过慢时，能为居住者提供更舒适的气流与更合适的温度。

参考文献

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