分时分区控制系统在供热中的应用

张志正，刘艳涛

（长春工程学院，吉林 长春 130012）

分时分区控制系统在供热中的应用

张志正，刘艳涛

（长春工程学院，吉林 长春 130012）

我国北方目前主要以集中供热为主、区域锅炉房为辅的模式进行冬季供热。集中供热可以实现能源和资源的有效管理与利用，但其运行与管理所需费用相对较高。分时分区控制系统可以有效减少供热过程中不必要的能源消耗，降低运行管理费用，很好地实现节能降耗的目的。

分时分区；节能降耗；控制；管理

集中供热技术水平在我国北方已相对成熟，能够基本满足冬季人们对供热的要求。但就目前技术而言，仍然存在能源浪费的问题，因此如何更好的发展与完善集中供热技术已经成为供热企业和相关部门的一项重要工作。

1 集中供热现状

1.1 集中供热的优势

我国东北地区冬季寒冷，供热管网系统发达，形成了热电联产和区域锅炉房共同运行的供热模式，相比于其他地区，集中供热技术水平较高。热电联产能够充分利用能源，取得最大的能源利用效益，减少资源浪费和环境污染。区域锅炉房的热网自动运行控制系统，实现了供热系统的稳定、节能运行，这样一来既没有热源损失，又可根据区内企业对新能源的需求进行能源匹配，以达到新能源利用的最大集约化。集中供热实现了供热的安全、环保和节能，同时也提高了生活品质。

1.2 集中供热的不足

集中供热系统虽然实现了能源的合理化利用，但仍存在一定的问题，主要包括以下几个方面：（1）冷热不均匀；（2）运行方式不合理，出现能源资源的浪费；（3）设计规划水平较低。

这几个方面均导致了供热成本与能耗的增加。目前困扰供热行业的仍是过高的能耗问题。例如供热的初末期输配能耗过高。供热的初期与末期，室外温度相对较高，温差较小，用户所需热量较少，即供暖水泵所输送的热质本身所携带的热量也相对较少，在这种情况下，水泵长时间甚至全天候的进行供热，消耗了大量的电能。供热中期，即供热稳定期，由于室外温度寒冷，供暖水泵基本需要全天候的运行，以此来满足人们的用热需求。供热的初末期与中期相比，用户用热相对较少，供暖水泵仍以全天候运行，与中期消耗的电能基本相同，但其所输送的热量却相差甚多，这便出现了我们经常说的“大马拉小车”的现象。

2 分时分区控制系统

能源的高效率利用，一直是我们所追求和提倡的，也是响应我国节能降耗政策的体现。供暖水泵在室外温度较高的供暖初末期以全天候的运行模式工作，这显然是不合理的。针对这种不合理的能源消耗，采用分时分区控制系统来间歇式控制水泵的运行，减少能源的浪费。分时分区控制系统的提出，可以有效减少输配所需的能耗，达到资源的合理利用。

分时分区控制系统，即在供热的初末期提高二次网的供水温度，保证二次网回水温度流量不变和人们供暖需求的同时，减少供暖水泵的运行时间，以此达到降耗的目的。具体分为以下几个部分。

2.1 确定换热站的最佳运行时间

根据管网实际的情况，增加一次网阀门开度，增强换热站内一次网与二次网的换热，以此提高二次网的供水温度。由于换热器性能与管网所承受温度的限制，二次网提高的供水温度应以实际管网为主。与此同时保证回水温度与流量不变，即提高供热参数，在消耗同等电能的条件下，输送了更多的热量。

式中，m1——一次网的质量流量；

t1——一次网供水温度；

t2——一次网回水温度；

m2——二次网的质量流量；

t3——二次网供水温度；

t4——二次网回水温度。

由于二次网受到换热器的性能和管道温度的限制，所以以一次网的换热量计算二次网的热量。再根据实际情况，求出与实际的偏差系数。

式中，Q1——稳定期平均每小时的供热量；

t1——一天的工作时间（一般均为24小时）；

Q2——提高供水温度后每小时的供热量；

t2——提高供水温度后的运行时间。

然后根据公式（1）适当提高二次网的供水温度，能够确定换热站水泵的最佳运行时间，即确定了分时间歇运行的停泵时间。

2.2 启泵与分析

室内温度的下降，具有一定的滞后性和延续性，这与建筑物本身的保温性能是密切相关的。供暖水泵一旦停止，室内温度不会立即下降，而是持续一段时间缓慢地下滑。因此，对于大多数建筑物而言，停泵的时间不可能一次性完成，而是需要间歇式的停泵—启泵过程。

选取最好的启泵方法不仅是当下的需求，同时也是未来供热质量的有力体现。

目前热力行业有三种启泵的方法。第一，热力公司人为经验法，即一次停泵时间不超过1～2小时。这种方法本身存在着一定误差，人为经验不能做到实时的控制。第二，压力起泵的方法。当压力低于规定的压力值时，循环泵启动开始工作。管段的不同，管段所需压力也不尽相同，采用压力控制也存在一定的不准确性。第三，室温控制法。当温度低于给定时，循环泵启动开始工作。

供热本身需要满足人们的用热需求，即以人为本的要求。室温控制启泵法能够更好地检测到居民的家庭情况，以达到供热所需。对于换热站而言，所供建筑物众多，无法实现每户的室温监测，只需在每个建筑物的几个重要位置用户安装温度传感器，最后计算所有建筑物的平均温度。当平均温度低于20℃（国标规定18℃，结合实际选定20℃），循环泵开始启动工作。这种方法可以更好了解用户家庭供暖情况，方便调节，满足供热所需，具体见图1。

图1 温控流程图

对于换热站水泵的间歇运行，不同系统的供暖方式停泵的多少也有不同。停泵时，换热站内二次网水泵均可停止。但对于分布式变频供暖，换热站内一次网水泵也需停止。对于不是分布式变频供暖的系统，一次网只有主泵，此时主泵无需停止，仍需继续工作以满足正常运行换热站的供热需求。

分析不同的二次网供水温度下，最佳停泵时间的变化。并根据实际数据观察其变化规律，模拟数据曲线。同时观察停泵后，室内平均温度的变化。根据公式

式中，h——对流换热系数；

A——换热面积；

t1——室内温度；

t2——室外温度。

对于一个换热站来说，hA为一个定值。假设室外温度不变或在短时间内保持稳定，则对流换热的热量只与室内平均温度有关。模拟室内温度变化的实际图像，并拟合数学关系。理论上认为短时间内室内平均温度变化应为线性关系，其斜率应为hA的值。

2.3 供热区的确立

最佳运行时间和启泵方案的确立，可以实现对单个换热站的智能化间歇控制，能够有效减少电能的消耗。供热管线错综复杂，所带换热站众多。将单个换热站的分时间歇控制用于整个供热管网中，不仅能实现节约能源，同时使热网资源合理化利用与管理。

供热管线冗长，加之供热站彼此相互分散且数目众多。同时保证换热主管道内的热量不被浪费，整个热网无法实现统一的分时间歇控制。为了能够很好利用间歇控制的方法以实现节能，需建立不同的供热分区。不同分区可以单个运行，也可以多个共同运行。

对于整个管网的换热站中，停泵时间相同的可以划分为一个供热分区。相同的停泵时间，可以实现泵的同步启停，方便控制与调整。这样的分区方法，只是粗略地进行划分，可能不一定合理。停泵时间相同的换热站可能存在着数目相对较多或者较少的问题。

分时分区控制的目的主要是以节约能源为主。在换热站分区运行的同时，所运行的换热站必须能够消耗一次网内本应有的热量。假设一次网所供热量为Q总，一个热力分区所带的换热站数目为n，则有Q1、Q2、Q3、……Qn

Q总为一个小时热网所提供的热量，当n较小时，在一个小时内无法消耗本应使用的热量，此时，应两个或者多个供热分区共同运行。当n较大时，由于能量消耗过快，此时需将现有的供热分区进行拆分，分为多个新的供热分区。建立供热分区可以实现整个热网的分时分区控制，对热网的管理与控制更加便捷（图2）。

2.4 分时分区控制系统的建立

水泵的最佳运行时间、启泵方案和供热分区的确立，疏通了相应的数学关系模型，为分时分区控制系统的建立了理论基础。结合相应的数学关系式，采用JAVA编程语言将分时分区的想法将其变成真正的操作程序，为供热企业和单位做出自己应有的贡献。

3 结语

分时分区控制系统可以有效解决供热初末期输配能耗过高的问题。从长远角度看，分时分区控制技术不断完善与发展，在以后的供热稳定期，也可以实现分时分区控制。只是较之初末期，所停泵时间较短一些。

图2 供热流程图

随着技术的发展，科技的进步，新的供热技术的不断出现与发展，未来新型环保低耗的供热模式将很快会出现。

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TP273;TU995

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1671-0711（2017）06（下）-0109-03