地板辐射采暖房间温度控制的研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 6 4 1.54MB 65 页 15积分
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摘 要
早在 20 世纪初，地板辐射采暖技术就应用于实际工程中了。近年来，随着塑
料管材的研制以及施工工艺的改进，地板辐射采暖得到了更加广泛的推广应用，
其舒适、节能的特点也进一步体现出来。本文针对地板辐射采暖的控制方法的有
关内容来进行研究，以期更好的利用这种技术。在地板辐射采暖房间中，地板既
是一个热源又是一个蓄热体，与常规采暖的调节方式不同，简单的对供水温度和
流量的调节无法迅速在室温上得到很快的体现。地板辐射采暖房间的热延迟特性
使得对室温的控制变得复杂，因而需要深入地对地板辐射采暖系统的调节性能加
以研究。
通过理论建模，证明地板辐射采暖房间模型为一阶惯性加滞后模型。运用频
域分析的方法，针对常见的一阶惯性加滞后系统为被控对象，对比例积分控制参
数整定方法进行了研究。认为 Z-N 整定方法不能较好的保证幅值裕度和相位裕度，
而基于 ISE 标准的整定方法只有在很小的范围内合适。所以认为，由于房间的热
延迟特性，常规的比例积分控制不适合地板辐射采暖系统的流量调节。
通过分析，认为质调节与量调节的联合调节方法适用于地板辐射采暖系统,在
热源一侧使用质调节，在房间一侧使用量调节。实验研究中，通过改变地板结构
可以有效减小热损失。应用测试建模方法，得到了实验房间的模型。针对地板辐
射采暖房间模型，分别从室内空气干球温度、平均辐射温度和作用温度三个方面
来讨论控制系统的性能。比较了双位控制和比例积分控制两种控制方法。以室内
干球温度作为控制参数，基于双位控制的方法，研究了温度波动范围和波动周期。
通过 MATLAB 程序分析了两种整定方法下比例积分控制的动态性能。这些研究为
以后地板辐射采暖系统的运行调节提供了很好的参考。
关键词：地板辐射采暖 房间温度 控制方式
ABSTRACT
In the twenty century, the radiant floor heating system (RFH) has been applied in
many buildings. The RFH has the advantage of suitable feeling and saving. As the
development of plastic pipes and the improvement of building technology, the RFH has
more applications. The article focuses on one point of the problem how to use FRH
more efficiently. It is the regulation of the RFH. Because the floor is the best resource
and the thermal storage body in the RFH, the normal regulation methods have uncertain
effect on the indoor air temperature stability. So study on the regulation methods of
RFH is very necessary.
Through theoretical modeling, room control system accords with first-order
lingering system. Simple tuning method based on frequency domain for the design of PI
controllers was given. Using Z-N tuning method, we can not get satisfying gain margin
(GM) and phase margin (PM) both. Compared with Z-N tuning method, tuning method
under ISE (Integral Square Error) performance index validates to small extension to get
satisfying GM and PM both. Due to existing of heat inertia, routine PI controllers
disagree with the flux regulation of RFH.
It is considered that the joint way of temperature regulation and flow regulation is
suitable for radiant floor heating system, with temperature regulation in the heat source
side and flow regulation in the room side. Through test modeling method, we have
gotten the characteristic parameters of the experimental room and discussed the
performance of control system. Though analyzing the effect of dry-bulb temperature,
operation temperature and mean-radiation temperature that influence the performance of
the control system, it is regarded that dry-bulb temperature is fit for the on /off control
parameter. We also compared the two control strategies-on /off control and PI control.
Then, using indoor dry-bulb temperature as control parameter, based on the on /off
control method, we studied the scope and the cycle of the temperature fluctuations, and
this can be very helpful to the regulation of RFH systems in future.
Keywords: radiant floor heating systems, room temperature,
regulation methods
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .....................................................................................................................1
§1.1 课题的来源及意义 ...........................................................................................1
§1.2 地板辐射采暖技术的发展及优点 ...................................................................2
§1.2.1 地板辐射采暖在国内外的发展 .............................................................2
§1.2.2 地板辐射采暖的优点 .............................................................................3
§1.3 地板辐射采暖系统控制方式的发展 ...............................................................4
§1.3.1 国外地板辐射供暖系统房间温度控制的研究进展 .............................4
§1.3.2 国内地板辐射供暖系统房间温度控制的研究进展 .............................5
§1.4 本课题研究内容 ...............................................................................................6
第二章 地板辐射采暖系统简介 .....................................................................................7
§2.1 地板采暖的做法及特点 ...................................................................................7
§2.1.1 湿式做法 .................................................................................................7
§2.1.2 干式做法 .................................................................................................9
§2.2 地板辐射采暖效果及能耗的影响因素 .........................................................10
§2.2.1 供水温度 ...............................................................................................11
§2.2.2 供水流量 ...............................................................................................12
§2.3 地板采暖的特性参数 .....................................................................................12
§2.3.1 平均辐射温度 .......................................................................................13
§2.3.2 作用温度 ...............................................................................................13
§2.3.3 地板辐射采暖散热量 ...........................................................................14
§2.4 地板采暖系统运行调节的实现方法 .............................................................16
§2.4.1 供水温度控制方式 ...............................................................................16
§2.4.2 供水流量控制方式 ...............................................................................17
§2.4.3 供水温度与流量同时控制方式 ...........................................................17
§2.5 本章小结 .........................................................................................................18
第三章 地板辐射采暖室温调节的控制理论分析 .......................................................19
§3.1 地板辐射采暖房间控制系统 .........................................................................19
§3.1.1 控制系统的基本组成 ...........................................................................19
§3.1.2 地板采暖房间温度控制系统的基本组成 ...........................................19
§3.2 控制系统各环节的特性 .................................................................................20
§3.2.1 地板辐射采暖房间的理论数学模型 ...................................................20
§3.2.2 执行器与感温元件特性 .......................................................................24
§3.3 双位控制 .........................................................................................................24
§3.3.1 双位控制 ...............................................................................................24
§3.3.2 双位控制的波动范围和波动周期 .......................................................25
§3.4 比例积分控制 .................................................................................................27
§3.4.1 PID 控制 ................................................................................................ 27
§3.4.2 频域响应的描述 ...................................................................................28
§3.4.3 控制器参数的整定 ...............................................................................29
§3.5 本章小结 .........................................................................................................31
第四章 实验系统设计 ...................................................................................................33
§4.1 地板结构设计 .................................................................................................33
§4.2 采暖水系统设计 .............................................................................................35
§4.3 控制系统设计 .................................................................................................36
§4.4 测试系统设计 .................................................................................................37
§4.5 本章小结 .........................................................................................................38
第五章 实验研究与模拟分析 .......................................................................................39
§5.1 地板辐射采暖传热性能的研究 .....................................................................39
§5.1.1 围护结构温度研究 ...............................................................................39
§5.1.2 作用温度 ...............................................................................................39
§5.1.3 地面温度 ...............................................................................................40
§5.1.4 地板散热量 ...........................................................................................41
§5.2 房间模型的研究 .............................................................................................41
§5.2.1 房间模型的建立 ...................................................................................42
§5.2.3 阶跃响应曲线模拟 ...............................................................................43
§5.3 双位控制的研究 .............................................................................................44
§5.3.1 双位控制的控制参数选择 ...................................................................44
§5.3.2 地板辐射采暖的全天运行研究 ...........................................................45
§5.4 比例积分控制的研究 .....................................................................................47
§5.4.1 两种整定方法的模拟研究 ...................................................................47
§5.4.2 整定值的改进 .......................................................................................49
§5.5 地板采暖系统的节能控制措施 .....................................................................50
§5.5.1 分室温控 ...............................................................................................50
§5.5.2 预约控制 ...............................................................................................51
§5.5.3 双设定温度控制 ...................................................................................51
§5.5 本章小结 .........................................................................................................51
第六章 结论与展望 .......................................................................................................53
§6.1 结论 .................................................................................................................53
§6.2 今后的研究方向 .............................................................................................54
§6.3 展望 .................................................................................................................54
符号表 .............................................................................................................................56
参考文献 .........................................................................................................................58
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................61
致 谢 .............................................................................................................................62
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题的来源及意义
世界和我国的统计数字均表明[1]，建筑能耗在全社会总能耗中所占的比率为
30%左右，是能源消耗的一种主要形式。因此，建筑节能已形成了世界性的大潮流，
也是现代建筑技术发展的一个基本趋向。传统上，我们通过单纯地抑制需求、降
低热舒适性来达到建筑节能的目标。现代节能技术彻底改变了这种“建筑节能就
是降低建筑物服务标准”的错误观念，转而投向提高能量利用率的手段，提出了
能源需求侧管理技术(DSM)，即以日益增长的需求为目标，用最小的能源消费代价
来取得最大的经济和社会效益，使建筑节能技术步入了可持续发展的轨道。据建
设部的统计，既有建筑的能耗中，采暖的能耗占建筑使用能耗的 65%。经过长期
的探索与实践证明，使用低温热水地板辐射采暖系统后，不仅有效的降低了采暖
能耗，还较好的保证了室内的热舒适性。虽然我国幅员辽阔、能源储备量丰富，
人均水平却很低，这严重地制约了国家经济发展，低温热水地板辐射采暖系统以
其舒适性与节能性两者兼备的特点得到了广泛的关注。2006 年8月14 日建设部公
布的《居住建筑节能设计标准》（征求意见稿）规定：“户内建筑面积大于或等于
80m2时宜采用低温地板辐射供暖方式”。《公共建筑节能设计标准》(GB50189-2005)
规定：“公共设计内的高大空间，宜采用辐射供暖方式”。
低温热水地板辐射采暖（地板辐射采暖）是一种利用建筑物内部地面进行采
暖的系统。它以低温热水为热媒，通过埋设在地板内的塑料管（常用 PEX 管和 PERT
管）把地板加热，以整个地面作为散热面，均匀的向室内辐射热量，是一种对房
间微气候进行调节的节能采暖系统。较之传统的采暖方法，地板辐射采暖技术具
有明显的节能优势。
尽管地板辐射采暖系统较传统散热器采暖系统具有诸多优点，但其控制方式
还有待深入研究。对于辐射采暖系统来讲，由于地板层热容量较大，采用地板辐
射系统的房间热惰性较大，地板表面温度升温降温过程较长，对负荷变化的敏感
性低，房间温度变化有较大的滞后性。这就决定了它不可能像常规散热器一样通
过简单地对水温、流量等方面进行控制，就能使室温在很短一段时间内重新达到
设定值。因而不合理的调节会造成较大的能耗浪费。有关研究表明，如果地板辐
射供暖系统控制不当，将导致其能耗比传统供暖系统还要高，因此对于地板辐射
供暖系统运行控制的研究至关重要。
近年来，国内外对地板辐射供暖系统的研究主要致力于房间内部传热[2]和地板
地板辐射采暖房间温度控制的研究
2
内部传热的研究上[3]，在建立内部传热模型的基础上，对覆盖层厚度、盘管间距、
铺设类型等情况进行了大量研究，但对于地板辐射供暖系统的控制研究较少。国
外从20世纪80年代末开始进行了地板辐射采暖调节方法的相关研究，并取得了一
定成果，但其中有些控制方式存在不足之处，或由于控制方法的复杂而不能普遍
推广。
同时，无论是国内外对于采暖控制的研究，其出发点都是基于传统的采暖运
行调节规律，而没有将自动控制理论与运行调节规律相结合，以致无法更深一步
结合地板辐射采暖自身的特点分析各种控制方法的适用性。
§1.2 地板辐射采暖技术的发展及优点
§1.2.1 地板辐射采暖在国内外的发展
一九零七年，英国的巴克尔教授首先申请了辐射采暖的专利，自此人们对辐
射采暖的研究一直在进行。前苏联是现代辐射采暖应用和研究最早的国家之一，
早在二十世纪初期，
B.A 亚希莫维奇工程师就在俄国组织完成了十几个辐射采暖系
统[4]。
20 世纪 70 年代，随着人们对室内环境舒适性要求日益提高，对建筑节能问题
更加正视，这使得地板辐射采暖在许多经济发达国家得到了大范围的推广采用。
根据文献[5]，1975 年仅在西德就有三百多家公司生产地板辐射采暖系统管材与设
备，在德国、英国、奥地利和瑞士等国家有四百多家承包商经销地板辐射采暖系
统。至 1994 年为止，法国约为 20%，德国为 41%，奥地利为 25%，瑞士为 48%的
住宅建筑中装设了地板辐射采暖系统。
在我国，20 世纪 50 年代也已有地板辐射采暖的工程应用，但当时由于材料限
制，采暖埋管只能选用钢管或铜管。由于金属管路成本高，接口多，工艺复杂，
加之易泄露和产生电化学腐蚀，可靠性差，寿命短，又由于金属的膨胀系数高，
易引起地面龟裂，大大影响了地板采暖的推广。直到高分子塑料管的出现，这一
情况才得到根本改变。1987 年7月石家庄国际大厦从德国引进安装了第一套塑料
管地板采暖系统；机械部上海材料研究所成功地研制了全套塑料管地板采暖材料，
并于 1987 年底在北京市河南饭庄进行了第一个试点工程[6]。
从上个世纪90年代开始，在北方供暖地区地板辐射采暖作为节能舒适的采暖
形式，受到了普遍推广。地板辐射采暖技术1999年被建设部列为先进技术予以大
力推广。从2000年开始，在冬冷夏热的广大南方地区，地板辐射采暖技术更是以
摘要：

摘要早在20世纪初，地板辐射采暖技术就应用于实际工程中了。近年来，随着塑料管材的研制以及施工工艺的改进，地板辐射采暖得到了更加广泛的推广应用，其舒适、节能的特点也进一步体现出来。本文针对地板辐射采暖的控制方法的有关内容来进行研究，以期更好的利用这种技术。在地板辐射采暖房间中，地板既是一个热源又是一个蓄热体，与常规采暖的调节方式不同，简单的对供水温度和流量的调节无法迅速在室温上得到很快的体现。地板辐射采暖房间的热延迟特性使得对室温的控制变得复杂，因而需要深入地对地板辐射采暖系统的调节性能加以研究。通过理论建模，证明地板辐射采暖房间模型为一阶惯性加滞后模型。运用频域分析的方法，针对常见的一阶惯性加...

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