河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院  楊華  王晉達(dá)  趙福松 

       【摘  要】提高供熱系統(tǒng)的運(yùn)行管理水平、改善系統(tǒng)水力、熱力失調(diào)，是實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)供需平衡、降低運(yùn)行能耗的有效手段。樓宇換熱站由于其安裝配置靈活、調(diào)節(jié)響應(yīng)快速的特點(diǎn)，在我國(guó)許多地區(qū)開展了示范應(yīng)用。然而，由于運(yùn)行管理水平與經(jīng)驗(yàn)的不足，大量樓宇站供熱系統(tǒng)并未實(shí)現(xiàn)“按需供熱、節(jié)能降耗”的設(shè)計(jì)初衷。本文基于承德某樓宇站供熱系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，提出一種“新型分時(shí)段變溫調(diào)控方法”，該方法根據(jù)室外氣溫的波動(dòng)幅度對(duì)一天內(nèi)的供熱調(diào)節(jié)時(shí)段進(jìn)行劃分，并分別計(jì)算某時(shí)段內(nèi)的二次網(wǎng)供水溫度及循環(huán)流量。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，新型調(diào)控方法能夠有效降低室溫波動(dòng)范圍，同時(shí)獲得可觀的節(jié)能效果（系統(tǒng)總運(yùn)行能耗減少11.42 %，二次網(wǎng)循環(huán)泵電耗減少20.83 %）。

       【關(guān)鍵詞】供需平衡；樓宇換熱站；分時(shí)段變溫調(diào)控；運(yùn)行節(jié)能

1 樓宇換熱站的基本特點(diǎn)與組成結(jié)構(gòu)

       改變供熱系統(tǒng)的“大流量、小溫差”運(yùn)行模式、實(shí)現(xiàn)熱量供需的精準(zhǔn)匹配是改善系統(tǒng)熱力失調(diào)、降低循環(huán)泵電耗及供熱運(yùn)行能耗的重要措施。表1對(duì)比分析了當(dāng)前供熱領(lǐng)域的兩類主流間接連接系統(tǒng)。

       由于組成結(jié)構(gòu)方面的差異，樓宇站供熱系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)熱量實(shí)時(shí)供需匹配、精細(xì)化智能運(yùn)行管理等方面具備先天優(yōu)勢(shì)^[1]。我國(guó)部分新建供熱項(xiàng)目即采用了樓宇換熱站的系統(tǒng)形式，以期實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)的運(yùn)行節(jié)能。

表1 不同類型的間連供熱系統(tǒng)

       樓宇站供熱系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)如圖1所示（與區(qū)域換熱站的組成結(jié)構(gòu)基本相同，只是換熱能力與設(shè)備體積大幅減小），常規(guī)的“氣候補(bǔ)償調(diào)節(jié)^[2]”由兩部分組成：1）PLC控制器根據(jù)室外溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到二級(jí)網(wǎng)供水溫度的設(shè)定值，通過(guò)調(diào)節(jié)板式換熱器一次側(cè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，使二級(jí)網(wǎng)實(shí)際供水溫度跟隨設(shè)定值實(shí)時(shí)變化；2）溫控閥對(duì)進(jìn)入室內(nèi)散熱末端的循環(huán)水流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，完成室溫自主調(diào)控。

圖1 樓宇站供熱系統(tǒng)的主要組成結(jié)構(gòu)與氣候補(bǔ)償調(diào)節(jié)

2 承德某樓宇站供熱系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)狀

       圖2所示為承德嘉和廣場(chǎng)某樓宇換熱站系統(tǒng)2018~2019供暖季某典型日（12/10）全天的運(yùn)行觀測(cè)數(shù)據(jù)，該樓宇換熱站一天內(nèi)的二級(jí)網(wǎng)供、回水溫度和循環(huán)流量基本維持恒定（分別穩(wěn)定在44 ℃、36 ℃、25 t/h附近），總供熱功率的波動(dòng)范圍同樣較小（大約210 kW），并未根據(jù)室外溫度的逐時(shí)變化調(diào)整總供熱量，氣候補(bǔ)償調(diào)節(jié)的節(jié)能潛力未得到有效發(fā)揮。本文將這種運(yùn)行調(diào)節(jié)模式稱為“恒定供熱”

(a) 供、回水溫度    (b) 循環(huán)流量與總供熱功率
圖2 樓宇站系統(tǒng)二級(jí)網(wǎng)的實(shí)時(shí)供回水溫度、循環(huán)流量與總供熱功率

       在12月10號(hào)當(dāng)天對(duì)該樓宇站系統(tǒng)內(nèi)的3個(gè)典型房間（平面位置相同，但分別處于低、中、高不同樓層）進(jìn)行同步觀測(cè)，室溫變化曲線如圖3所示。顯然，在恒定供熱模式下房間的室溫日變化幅度較大：I）102/802號(hào)房間的室溫在夜間時(shí)段甚至可能小于16 ℃的設(shè)計(jì)下限；II）1502號(hào)房間的室溫在15至21時(shí)的大部分時(shí)間超過(guò)22 ℃。

圖3 樓宇站系統(tǒng)典型建筑用戶的室溫變化曲線（2018/12/10全天）

3 分時(shí)段變溫調(diào)控的基本理論

       理想化的樓宇站氣候補(bǔ)償調(diào)節(jié)要求換熱器一次側(cè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥與二次側(cè)變頻循環(huán)泵跟隨室外溫度的波動(dòng)變化實(shí)時(shí)調(diào)整，然而經(jīng)典的反饋控制方法并不適用于熱慣性較大的供熱系統(tǒng)，可能出現(xiàn)難以預(yù)料的系統(tǒng)震蕩；另一方面高頻的調(diào)節(jié)指令必然影響執(zhí)行器的運(yùn)行可靠性與使用壽命。

       文本提出一種新型的“分時(shí)段變溫調(diào)控”方案，具體實(shí)施方法為：1）通過(guò)調(diào)整換熱器一次側(cè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度與二級(jí)網(wǎng)循環(huán)泵流量，維持某調(diào)節(jié)時(shí)段內(nèi)二級(jí)網(wǎng)供水溫度與供回水溫差的恒定；2）不同時(shí)段二級(jí)網(wǎng)的供水溫度由該時(shí)段的室外平均氣溫計(jì)算得到。日內(nèi)不同調(diào)節(jié)時(shí)段的劃分原則包含以下2條：1）應(yīng)盡可能減少一天當(dāng)中的時(shí)段劃分?jǐn)?shù)量；2）每一劃分時(shí)段內(nèi)，室外溫度的變化幅度小于“基準(zhǔn)溫差?T”。假設(shè)某典型日的室外氣溫變化曲線如圖4所示，可見當(dāng)?T取2 ℃時(shí)，則能夠劃分出6個(gè)不同的調(diào)節(jié)時(shí)段。

圖4 典型日的室外溫度變化曲線與分時(shí)段劃分方法

       在不同調(diào)節(jié)時(shí)段內(nèi)，二級(jí)網(wǎng)的設(shè)計(jì)供、回水溫度（ts,ref tr,ref）可由基本供熱調(diào)節(jié)公式計(jì)算得到，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為（建筑用戶的散熱末端為散熱器）：

                     (1)

       式中：tn為室內(nèi)設(shè)計(jì)采暖溫度，℃；?ts’為散熱器的設(shè)計(jì)平均散熱溫差，℃；b為散熱器的對(duì)流散熱系統(tǒng)，取0.3；β為供熱系統(tǒng)的相對(duì)熱負(fù)荷比；?t’為二級(jí)網(wǎng)的設(shè)計(jì)供回水溫差，℃；Tout,av為某調(diào)節(jié)時(shí)段內(nèi)的室外平均溫度，Tout’為供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)室外計(jì)算溫度。

4 實(shí)際案例的測(cè)試與分析

       承德嘉和廣場(chǎng)某樓宇站供熱系統(tǒng)的二級(jí)網(wǎng)設(shè)計(jì)供、回水溫度為45/37 ℃，選取相同月份另一個(gè)典型日（12/15，室外平均溫度與變化趨勢(shì)基本相同）實(shí)施案例系統(tǒng)的分時(shí)段變溫調(diào)控（?T取2 ℃），相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)見表2。

表2 分時(shí)段變溫調(diào)控的相關(guān)參數(shù)

       當(dāng)樓宇站供熱系統(tǒng)采用分時(shí)段變溫調(diào)控，二級(jí)網(wǎng)的設(shè)計(jì)供、回水溫度及循環(huán)流量在一天當(dāng)中階梯式變化，將系統(tǒng)的供熱參數(shù)在一天內(nèi)進(jìn)行積分，則可得到不同運(yùn)行調(diào)節(jié)模式樓宇站供熱系統(tǒng)的日內(nèi)總供熱量與循環(huán)泵電耗。

       表3的數(shù)據(jù)顯示，分時(shí)段變溫調(diào)控的運(yùn)行節(jié)能效果十分可觀，循環(huán)泵電耗甚至可降低20.83 %。圖5所示為不同建筑用戶室內(nèi)溫度的實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，相比“恒定供熱”，分時(shí)段變溫調(diào)控能夠保障用戶的基本供熱需求（大于16℃）、且有效避免室內(nèi)過(guò)熱（小于22℃）。

表3 分時(shí)段變溫運(yùn)行調(diào)控的節(jié)能效果


圖5 分時(shí)段變溫調(diào)控作用下典型建筑用戶的室溫變化曲線（2018/12/15全天）

5 結(jié)論

       （1）樓宇換熱站運(yùn)行調(diào)節(jié)靈活、響應(yīng)快速，是實(shí)現(xiàn)熱能供需匹配的理想供熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；

       （2）相比樓宇站供熱系統(tǒng)的恒定供熱模式，分時(shí)段變溫調(diào)控具有可觀的節(jié)能效果，案例系統(tǒng)的總供熱量和循環(huán)泵電耗分別可降低11.42 %和20.83 %；

       （3）分時(shí)段變溫調(diào)控的調(diào)節(jié)周期較長(zhǎng)（與基準(zhǔn)溫差?T和室外溫度變化情況有關(guān)），相比常規(guī)的氣候補(bǔ)償調(diào)節(jié)，分時(shí)段變溫調(diào)控模式下執(zhí)行器的可靠性和使用壽命更高。

參考文獻(xiàn)

       [1] 王力杰, 龐印成, 辛奇云等. 樓宇換熱站技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用分析[J]. 區(qū)域供熱, 2014, 6: 59-63.
       [2] 陳亮. 氣候補(bǔ)償器在供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 建筑科學(xué), 2010, 26(10): 42-46.

       備注：本文收錄于《建筑環(huán)境與能源》2020年10月刊總第37期（第22屆全國(guó)暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會(huì)文集）。版權(quán)歸論文作者所有，任何形式轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者。