摘要：随着气象预报的发展，使基于气象参数的供热调控成为可能，使供热行业从原先的“看天烧煤”转向精细化控制。为了对基于气象预报的供热调控技术有一个概括性了解，归纳了国内外气象预报技术的研究进展，指出了气象参数、建筑信息对供热调控技术的影响，讨论了三种气象参数（温度、太阳辐射、风速）对供热调控的影响。在此基础上，对未来供热技术的发展方向及发展前景进行了展望。

关键词：气象预报；供热调控；气候补偿；集中供热

引言

《2023中国建筑节能年度发展研究报告》显示2021年北方城镇供暖面积为162亿m2，燃料用量达到2.12亿t标准煤当量，占建筑运行总能耗的19.1%、全国能源消费总量的3.57%[1]，各种供暖系统中，集中供暖系统占主导地位，降低集中供热的运行能耗成为建筑节能工作的重点。而随着用户对供热质量的要求不断提高，实现按需供热逐渐成为民生问题。为解决用户侧按需供热的需求以及国家节能减排的需求，根据气象条件展开的精细化供热调控技术成为新时代的重点问题。

供热系统依照气象预报进行供热调控的技术被称作气候补偿技术，是实现按需供热的重要技术之一，其应用最多的产品是气候补偿器。其原理是气候补偿器根据气象信息通过内部的调节曲线计算，自动调节一次水网阀门开度来控制二次管道供水温度，从而使用户侧热负荷维持在一个合理的范围，实现供热系统的气候补偿，实现按需供热，达到节能的目的。

然而，众多学者的研究表明，基于气象预报的供热调控技术并没有真正实现按需供热，建立调节曲线时忽略了许多参数，如气象信息只考虑了室外温度，对太阳辐射、风速等条件没有考虑，对供热管道的延迟性围护结构的传热这些参数缺乏考虑[2]。

近年来，随着气象预报技术的快速发展，气象信息不断丰富，预报间隔持续降低，预报范围逐渐扩展，预报内容愈加准确。国内学者开始着手量化各个气象参数对供热系统的影响，以期建立一个更加准确的模型以实现基于气象预报的供热调控，实现不同天气下实现用户侧热负荷一致，既不会供热不足，也不会供热过量。

本文主要介绍近年来气象预报技术的发展情况，对基于气象参数的供热调控技术研究进展行讨论，并提出基于气象预报参数的供热调控今后的研究方向。

1 气象预报

1.1气象预报的发展

天气预报是最早的气象业务，至今仍是气象领域最主要的业务。从气象预报技术的发展来看，可以将其分为三个大的阶段，即古典的现象经验总结，技术发展后的定量天气监测和分析，以及使用计算机进行定量客观的数值计算。

1）《山海经》中记载：“夸父不量力，欲追日影，代之于禺谷，“禺谷”就是西方日入之山的总称，太阳具体落入哪座山，不同的季节是有变化的，有经验的人可以用这种办法 来推断什么时候播种，什么时候天气大热、大雨或寒冷，马王堆出土的额《天文气象杂占》记录了古人对天像的观察，亚里士多德的《气象通论》给西方世界研究气象提供了指引[3]。

2）近代气象学家通过更直观的测量，将气象数据不再局限于天文现象，对温度、湿度、风速、风向进行了系统性绘制。直到电报机的兴起，学者研究气象不再局限于某一地，他们在世界各地建立气象站，并通过电报机的交流将数据汇总标注在地图上，从而系统性分析。由于现代气象卫星、气象雷达的发明和应用，定量天气监测和分析技术迅速发展，对暴雨、台风等灾害性天气系统的监测和预报能力大幅提高，短期预报开始发展。

3）数值天气预报是基于数学物理方法定量客观的计算结果，其与经典的天气学方法不同，从依托统计与经验的传统天气预报方法转变为客观定量的科学，数值天气预报根据大气实际情况，在一定初值和边值条件下，通过数值计算，求解描写天气演变过程的流体力学和热力方程组，预报未来天气的方法，这样的计算需要建立一个反应中短期的数值预报模型，以及一个计算稳定快速，相对误差较小的计算方法[4]。初值条件的获取需要利用各种观测手段获取，包括气象卫星、气象雷达等，同时由于数值天气预报的计算量往往较大，因此需要大型计算机进行配合，需要一个简洁的计算逻辑。

1.2 数值天气预报

科学知识的一个检验标准是能否准确预测一个实验的结果。在气象学的领域，这就变成了天气预报的准确性问题。此外，如今的数值天气预报还让预报员能够定量评估任何特定预报的可信度。这是一个通过应用经典物理学定律获得科学领域重要而意义深远的成功的故事。很明显，这一成功既需要技术的敏锐性，又需要科学进步的前瞻性[5]。

数值天气预报的计算需要用到由连续方程、热力学方程、水汽方程、状态方程和3个运动方程（纳维-斯托克斯方程）所构成的方程组，所用的方程组和大气动力学中所用的方程组相同。方程组中含有7个未知数，即：速度沿x，y，z三个方向的分量、温度T、压力P、空气密度ρ以及比湿q，方程组中的粘性力F，非绝热加热量Q和水汽量S是时间、空间和这7个未知数的函数，未知数和方程的数目相等，从而可以解出这7个未知量[6]。大气中的风场、气压场、密度场合温度场的时空变化都可以用这组方程加以描述。早在1950年，就有学者在普林斯顿通过第一台电子计算机进行了天气预报，但首先于计算能力的不足，直到20世纪70年代超算能力增长后，求解整套方程组才成为可能，同时各种数值求解方法如雨后春笋般冒出，来解决数值稳定性、精度、计算速度和处理更多预报变量的多功能。

随着时代的发展，预报的精确化、精细化需求逐渐提升，同时天气预报需求从以产品为中心转变为以用户为中心，其服务属性不断提高。2018年中国国家气象局对上合青岛峰会的气象服务使其圆满完成，我国气象服务的多元化及精确化获得一致好评。新形势下，中国气象局于2016提出了完善从短时预报、中短期预报到延伸期预报的无缝隙业务体系。数值天气预报的发展为中短期天气预报精度的提升提供了基础，同时，为了不断提高气象预报的精确性，我国大力发展区域数值模式，在我国国家级和8个区域数值预报中心均建立了区域数值预报业务系统。

1.3 中国数值天气预报业务体系

全球数值天气系统是支撑中短期天气预报精度进一步提升的基础，中国数值天气预报业务体系- Global/Regional Assimilation Prediction System（GRAPES）在2008年初步建立，其在科学技术部支持下，有中国气象局联合多家单位完全自主建立，在十几年持续不懈的坚持下，以自主技术研发建成了从区域三至十公里到全球二十五至五十公里分辨率的完整数值天气预报业务技术体系，同时培养出一支从观测资料前处理和质量控制、资料同化、模式动力物理、模式并行计算到模式系统集成、数值天气预报产品后处理的全链条研发队伍，通过GRAPES的研发，中国在非静力全可压格点动力框架、四维变分同化、云降水物理、高精度大气模式数值算法、卫星资料偏差订正和卫星资料同化技术等方面取得了创新性的成果，为今后中国数值预报的全面深入发展奠定了重要科研和技术积累以及人才储备[7]。

GRAPES的建立提供了高精度、多元化的气象信息，在这些信息的支撑下，可以预见未来各行各业基于气象信息的精细化管理，这也为按需供热，实现精细化供暖调控提供了基础，让用户侧供热需求得到满足。

2 气候补偿器

精细化气象信息的出现使按需供热成为可能，供热用气候补偿技术是实现按需供热的主要手段，这是基于精细化气象信息的供热调控技术，基于外界气象信息变化，调整热源出力，使一次水网温度及水量随之改变，从而影响用户侧热负荷的变化。气候补偿器是气候补偿技术的代表，但研究表明，现今大多气候补偿器只考虑了温度的变化，对外界气象信息考虑不全，没有真正实现按需供热。

2.1气候补偿器的原理

气候补偿器由一个自动控制仪表、一个电动阀门以及传感器组成，其中传感器采集外界气象信息给水温度以及用户侧温度，提供给自动控制仪表，自动控制仪表内含不同条件下的供热调节曲线，根据给定的气象信息改变旁通管上的电动阀门开度，以满足用户侧热负荷需求。

直供式气候补偿器中锅炉作为热源加热给水，在循环水泵的压力下经过分水器提供给用户，再通过集水器返还锅炉，旁通管联通供水管路和回水管路不经过锅炉，通过气候补偿器控制电动阀门开度调节给水温度及水量。

间供式气候补偿器则分为一次管网和二次管网。在一次网侧，循环水经锅炉加热后通过一次管网到换热器进行换热，通过一次循环水泵返回锅炉；在二次网侧，循环水经换热器加热后通过二次管网到达分水器，再供给不同用户，用户回水通过集水器聚集后通过二次管网返回换热器换热。在一次管网处有一根旁通管，连接换热前后的循环水，通过电动阀门控制开度，气候补偿器监测二次管网给水水温、用户侧水温以及气象信息，以便按照信息计算并调节电动阀门。

气候补偿器的主要功能是通过观测外界气温变化和用户侧需热量变化，计算出供热水网所需温度和流量，通过旁通管调节，目前的气候补偿器基本只考虑了外界气温的变化，没有考虑太阳辐射、风速、湿度之类的其余气象参数，而这些参数对供热有着较大的影响，未来对气候补偿器的改造会着重于这些参数的量化和引进，以便更加精确的满足用户侧热负荷需求，实现按需供热。

2.2气候补偿器的发展

人们很早之前就注意到了气象因素对室内环境温度的影响。上世纪中叶，国外的研究者就已经注意到气象信息对建筑供暖的影响，Höhm研究了室外气象条件对客车供暖通风的影响，包括天气状况、室外气温、太阳辐射，但受限于当时的条件，实验结果并不理想。国外很早就意识到仅仅以温度作为室内供暖的参数并不合理，Roger Taesler[8]于1991年提出，气象信息对建筑供暖方面还有很多东西可以发掘，但受限于对能源利用的精度，难以展开进一步的研究。我国关于这方面的研究起步比较晚，在90年代才展开对气候补偿技术在供热行业的研究，当时我国绝大部分供热锅炉及换热设备都缺乏有效的监测和计量设备，供暖全凭工作人员的经验参照大致的天气情况，做出调节，这样的方式不仅会造成能源的浪费，还难以保障供暖效果。

1996年加拿大学者Chen Ting-Yao提出将太阳辐射引入建筑供热调节的同时，郎四维先生意识到气候补偿技术对于供热调节的重要作用，指出国外将其应用于供热调节的现状，为我国供热调控技术的发展指出了方向。我国学者涂逢祥的研究指出北方太阳辐射对建筑供暖的影响，提出北边太阳辐射较大，砖石结构有助于吸收太阳辐射蓄热，从另外的角度对太阳辐射在供暖方面的作用进行了阐述。

21世纪前的发展为我国气候补偿技术的大规模应用提供了理论和经验方面的基础，确定了气候补偿技术的使用准则，之前的小规模试点使用了许多不同的思路，直至2000年李忠对气候补偿器进行了一次系统行的综述，详细描述了其研究背景、应用价值、工作原理，让我过在这方面的技术有了一个系统性的总结，为后续研究提供了参考。

而这十年来，国外已经认识到供热管路及建筑对供热的滞后性，开始结合气候补偿与气象参数作用与建筑的预测模型来对其滞后性补偿，作为一种节能技术，其得到了广泛的应用，有大量学者对这种技术的节能效应展开了实验测定。2005年丹麦学者Wittchen K B对一栋楼进行测定，结果表明，这种技术能够节约5%的能量，2006年瑞典学者Sasic Kalagasidia A的研究表明相比于流行的供热方法，新方法能够每年节能10-20kWh/m2，2007年德国学者Crijins对政府大楼进行连续三年的测定，结果表明，新方法在提高舒适度的同时每年节能效果可以达到12%。到2011年Henze G研究表明，在对气象预测模型进一步优化的情况下，可以使节能效果提升至15%-28%。

在进入21世纪后，我国广泛应用气候补偿器来进行供暖节能，大量学者从实际工程方面逐渐完善了调节曲线的选择。在实际应用的过程中，气候补偿器的大量问题突出，并逐渐解决，2006年杨晋明指出，实际供热过程中散热器额外多装面积明显偏大，同时由于室外温度等的变化，实际的供热调节曲线往往不能直接确定，需要不断测试迭代以符合实际情况；2007年肖常磊通过对三个单位的供暖调节项目安装的气候补偿器跟踪测试，发现气候补偿器并不能真正实现按需供热，其末端过热情况很明显，这是由于气候补偿器控制的旁通水管可调节范围很小，在实际应用过程中，气候补偿器供热调节曲线所计算的给水温度并不能恰好等于末端热负荷需求量，为此肖常磊提出了三种解决方法，分别是降低旁通管阻力、改变气候补偿器控制方式，转为直接控制锅炉燃烧、建立供水目标温度和末端热负荷需求的热态响应曲线。

2010年之后国外学者认识到气候补偿技术不仅需要气象信息的帮助，还需要考虑到建筑本身参数，建筑模型提供了在考虑室内舒适度在一定范围时所需的供热热负荷，它的建立提高了精细化供热调节的节能效应，2011年捷克学者的研究表明，这种即考虑气象预报又考虑建筑热态模型的预测控制策略可以实现节能17%-24%。2012年瑞士学者Frauke Oldewurt基于建筑的热惰性和气候预测的分析，提出了一种随机预测控制法，结果表明，这种随即预测控制法能够有效降低建筑能耗，同时作者提出，这种控制方法的有效性是基于精准的气象预测，只有足够精准的气象预报条件才能使这种控制方法降低建筑能耗的作用得到最大的提升。

在国外学者认识到建筑参数作用的同时，我国部分学者意识到气候补偿器建筑供热调控依据的参数不只是温度，还包括了其他气象参数的影响。2012年李琳设计测试的气候补偿器设计了五种模式以应对五种不同的气象条件，即：晴天、雨天、雪天、大风以及阴天；同年，丁琦等也考虑到了不同天气对气候补偿器的影响，他们计算了在不同时间段、不同温度段、不同天气以及节假日情况下应对供热水温做出的修正。

目前，国外对于气候补偿技术的研究重点是气象预报模型的优化，以便于更加精细化的气象参数可以提高气候补偿技术对建筑热负荷需求的满足，同时也有一些学者的研究重点在于建筑热态模型的建立，但是气象预报模型的建立并没有结合建筑热惰性模型，缺乏一个较为统一的研究，并且关于气象参数的研究上也少有将太阳辐射、风速风向都考虑进去的。而国内的气候补偿技术一向只考虑了室外气温的影响，之后引进了晴天、阴天这样的大致考量，缺乏对于具体气象参数的精细化研究。气候补偿的调节曲线一向是我国研究的重点，但缺乏对建筑热惰性和围护结构的导热性研究，使得气候补偿的实际效果与理想效果有较大的偏差，实际应用中其计算温度和实际温度有所偏差。

3气象参数对供热调控的影响

随着人们认识到气候补偿不仅仅受单一气象因素——室外温度的影响，众多学者开始着手量化分析单一气象因素对建筑热负荷的影响程度，推进气候补偿技术的发展。1984年瑞典学者Werner对供热系统的研究表明，影响建筑热负荷的主要因素是室外温度、太阳辐射以及风速，其中室外温度因素占60%，太阳辐射因素占1%-5%，风速因素占1%-4%。

温度是影响建筑热负荷的最主要因素。首先室外温度是决定室内供热需求的关键因素。随着季节变化，室内外温差扩大或缩小会直接影响供热调控策略的选择和调整。在日常操作中，温度的变化也会引起供热需求的波动。温度较低时，供热系统需要提供更多的热量，而在温度较高时则需要相应减少供热。热泵等供热设备的工作效率受到温度的直接影响。温度越低，热泵工作效率可能降低，从而影响整个供热系统的能源利用效率。在暖气季节，温度对于供热系统中的散热器或空调散热器的散热效果也很重要。温度升高会导致室内过热，需要增加散热器的散热量来保持舒适的室内温度。温度的变化直接影响室内环境的舒适性。气候补偿器需要根据室内外温度差异进行智能调控，以确保室内温度稳定在设定的舒适范围内。供热系统的稳定性受到温度波动的影响，特别是在极端温度条件下。气候补偿器需要具备应对温度波动的能力，以保证系统的稳定运行。

温度对供热调控中气候补偿器的影响是多方面的，涉及到供热需求、系统效率、舒适性和稳定性等方面。在设计和运行气候补偿器时，需要充分考虑不同室外温度条件下的影响，通过智能调控和优化策略，实现供热系统的高效、稳定运行，提高能源利用效率，满足用户的舒适需求。风速的变化会影响空气的流动速度和热量传输情况，从而影响室内温度的均匀性。合理调节风速有助于实现室内温度的均衡分布。风向的改变会影响热量传输方向和路径，可能导致某些区域温度过高或过低。在气候补偿器的设计和调控中，需要考虑风向对热量传输的影响，以确保供热系统的稳定运行。

在一些供热系统中，利用风力进行热量传递是一种有效的方式。风向的选择会直接影响热量传递的效率和方向，影响供热系统的整体性能。风速和风向对供热调控中气候补偿器的影响是多方面的。通过合理监测和调节风速和风向，可以优化气候补偿器的性能，提高供热系统的效率和稳定性，从而有效应对气候变化带来的影响。在设计和操作气候补偿器时，必须充分考虑这两个因素的作用，以实现最佳的供热效果和能源利用效率。

太阳辐射是供热调控中气候补偿器的另外一个重要影响因素，其在影响室内温度、能源利用效率和系统稳定性等方面发挥关键作用。太阳辐射的日照强度直接影响室内温度的变化。在阳光充足的情况下，太阳辐射会通过窗户进入室内，增加室内温度。随着季节变化，太阳高度角和日照时间发生变化，导致太阳辐射对室内温度的影响也不同。太阳辐射的影响将改变室内外温差，从而影响供热系统的热负荷。在日光充足时，可能需要减少供热设备的工作以避免过热。通过在建筑设计中考虑太阳辐射的利用，采用passive太阳能利用技术，如合适的朝向、遮阳设施等，可以减少供热系统的能耗。利用太阳辐射提供热水的太阳能热水器也是一种有效的节能方式，在供热调控中起到补充和协调的作用。

太阳辐射的影响需要被纳入气候补偿器的调控策略中，以确保室内温度在舒适范围内波动，并且减少额外的能耗。太阳辐射的变化会影响供热系统的热平衡，对系统的稳定性提出了更高的要求，需要在设计气候补偿器时予以考虑。

太阳辐射对供热调控中气候补偿器的影响是多方面的，涉及到温度调节、能源利用效率、系统稳定性和舒适性等方面。通过合理利用太阳辐射资源，并结合气候补偿器的智能调控策略，可以优化供热系统的运行效率，降低能耗，提高舒适性，实现可持续的供热调控目标。

4应用中存在的问题

由于旁通管的最大通流量相对于供热水网的总循环水量来说太小，现有的气候补偿器通过控制旁通水管的电动阀门开度从而调节供水温度，这一过程难以有效完成，在实际应用中，当锅炉供热于末端热负荷之间差距过大时，供水温度可能不在气候补偿器调节曲线的计算范围。

气候补偿器根据外界综合气象参数调节供水温度，以保证建筑热负荷保持在一个合理的范围，这样的调节方法相较于过去有了质的提升，但并没有真正实现按需供热，调节曲线计算的给水温度与建筑热负荷实际需热量有一定的偏差，究其根本，这是由于三个方面的误差。第一，不同建筑的维护结构在各种气象参数的热惰性和迟滞性并没有实现量化；第二，供热管网在不同气象信息下的滞后性和衰减量没有量化；第三，调节系统本身的滞后性没有量化。当前调节曲线对除室外温度的气象信息处理不够具体，笼统的归类于某一类天气下应该选用什么样的调节曲线，同时缺乏量化的维护结构以及供热管网对不同气象信息的反馈，这样制定的调节曲线不够准确，难以实现按需供热。

供热调节系统所使用的反馈元件，即温度传感器的工作条件应是遮阳、通风、不受热源干扰的地方，然而实际上在应用时，温度传感器的工作条件往往不理想，会在太阳直射的地方工作，同时还可能处于可以被人们行动触碰的地方，这就导致了供热调节系统的反馈温度不够精确，使计算温度与实际需热量之间有较大的偏差，致使气候补偿技术的应用效果并不理想。

5思考与展望

大量研究和实际案例表明，气候补偿技术对于供热调控有着一定的作用，但是由于对建筑热负荷以及管网动态特性了解的缺乏，对基于综合气象下的供热调控技术研究不够深入，不明白建筑负荷以及管网对综合气象参数的滞后和衰减，致使实际应用中气候补偿技术计算出的供热温度与实际所需有着一定偏差，难以实现建筑的需热量、设备的损失热量以及供热设备的实际供热量之间的平衡，达到真正的按需供热。

目前前沿气候补偿技术是基于动态算法的，因为外界环境中风速的变向和大小往往是随机的，同时太阳辐射对建筑的影响也是基于大气透明度的影响，这些因素的忽略都会造成供热调节的误差。由于近年来不断进步的气象预报技术，已经可以实现精细化格点预报，气象预报在内容上，时间上，空间精度上已经能够满足气候补偿技术综合的、精细的、前馈的调控。目前的气候补偿技术除室外温度外，还将对室内温度起到较大作用的太阳辐射、大气透明度、风速风向等气象参数纳入了计算。同时考虑了不同建筑的热惰性和迟滞性，进行精细化控制。

为了实现按需供热，需要更高精度的气候补偿技术，为此需要深入研究不同气象参数下不同建筑维护结构和供热管网的热惰性和迟滞性以及调控系统本身的延迟。而为了大规模使用推广，对于这一系列复杂问题应该在操作上尽可能简化，以便于工作人员的运行与维护。

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