基于精细化控制的供热系统节能分析

李 瀛

济宁市恒诚热力设计工程有限公司 山东 济宁 272000

1 前言

供热网络管理的过程中因为供热系统自身存在时间滞后以及建筑具有热惰性，导致以实际控制的过程中可能会存在控制效果延后等问题，导致水热不平衡等问题，文章使用分布式变频技术和无线数据传输技术来实现供热站和换热站之间的高效控制。

2 供热系统控制现状

我国北方城镇地处寒冷和严寒地区，由于采暖期长、供热面积基数大，采暖能耗占中国建筑用能的很大一部分，是我国目前建筑节能的主要对象。随着锅炉效率的提高及建筑围护结构保温性能的加强，我国单位面积采暖能耗逐渐降低，但是随着集中供热市场的逐年扩大，总体采暖能耗仍持续增长。北方地区为了应对冬季的寒冷气候，供热系统大都采用连续运行的方式，运行时间基本上都在100天以上。北方城镇建筑供暖典型的“全时间、全空间”特征，是导致采暖能耗大的主要原因。为减少建筑能耗，我国对北方地区既有和新建采暖建筑提出了一系列的节能要求，使得建筑单位面积能耗有明显的下降。然而，在实际运行过程中，由于运行调节不到位，建筑室温偏高的现象普遍存在，能源浪费严重。当维持室温为18℃时，北方城镇建筑采暖需热量在0.23～0.42GJ/(m2-a)之间。实际上，由于大部分建筑的室内温度高于18℃，甚至有的用户高达25℃以上，导致北方城镇建筑采暖实际用热量在0.4～0.55GJ/(m2-a)之间，平均约为0.47GJ/(m2-a)。究其原因，一方面是供热按面积收费的方式，用户没有节能的积极性；另一方面是换热站及末端设备调节手段不到位，无法适应负荷变化的要求。山东省临沂市区内现有不同体制不同规模的供热企业共9家、锅炉总台数达到179台，集中供热面积达到1.78亿m2。目前，山东省某市区建筑总面积约为3.70亿m2，集中供热普及率仅为48.1%，供热市场广阔。若所有建筑采暖用热量控制为0.31GJ/(m2-a)，3.70亿m2供热面积的节能量为0.592亿GJ。按山东省临沂市集中供热收费标准的44元/GJ计算，年节能集中供热费用约26.048亿元，节能潜力巨大。本文分析了山东省临沂市新建建筑的理论耗热量，然后给出了实际负荷的预测方法；结合山东省某热力公司的管网和用户分布设计了分布式变频供热系统，并编制了精细化控制软件；通过一个采暖期的运行，对系统的节能效果进行了评价。

3 分布式变频设计

山东省临沂市冬季采暖室外计算温度为-3.4℃，实际采暖期为120天，接近日平均温度≤+8℃的天数，因此，采暖期室外平均温度按2.6℃计算。热负荷指标按规范[3]推荐的节能建筑数值选取。考虑到住宅建筑、办公建筑、宾馆建筑、工业建筑的用热时段及室温设定值不同，对这几类建筑的理论耗热量分别进行推算。目前，我国北方城市的供热系统仍以枝状管网为主。在热能输送方式上，多采用传统的设计及运行方式，即在热源厂统一设置循环水泵，由其承担热源内部阻力、输送及输配管网阻力、换热站或其他末端系统阻力，用户处不需在城市热网侧设置水泵。热源循环水泵扬程依据最不利环路的阻力进行配置，以满足远端用户的用热需求；近端用户资用压差过大，采用阀门进行强制节流，以达到近端与远端的水力平衡要求。实际运行中，对于规模较大的供热管网，由于近端用户调节阀处的压差远大于阀门的调节范围，导致近端用户超流量现象大量存在，成了北方地区城镇供暖每年都要面临的困扰。为了解决末端不热的问题，热力公司往往采取加大流量的措施，从而进一步扩大了超流量用户的范围。相比于调节阀，基于变频技术的水泵调节流量的方式更为方便、可靠。在实际应用中，降低热源厂主循环水泵的扬程，让其仅克服热源厂内部的阻力，这样使得热源厂设备承受的压力大为降低，水泵的运行能耗也大幅度降低。由于热源水泵扬程不能克服热源厂外的阻力，因此，所有热用户都必须在城市热网侧设置水泵，用以克服热源厂至热用户之间的阻力。在热用户处设置的这一水泵称为分布式变频水泵。这样一来，将在热源处形成大流量、小扬程水泵，在用户处形成小流量、扬程随距离热源距离逐渐增大的水泵。热源大流量水泵与各用户的小流量水泵串联运行，各用户的小流量水泵并联运行。所有水泵均通过频率控制实现各供暖用户的水力平衡。这一系统即为分布式变频供热系统。自动化程度较好的分布式变频系统可省去调节阀门，同时可降低供热系统供水管道的压力水平，系统更加安全。

4 精细化控制

检测参数作为神经网络系统的输入参数，主要包括室外气象参数(温度、湿度、风速、太阳辐射等)，城市热网供、回水温度，用户热网供、回水压力，城市热网流量，用户热网供、回水温度，用户热网供、回水压力，分布式水泵运行反馈。根据检测参数进行神经网络运算，得到各用户的热负荷预测结果。通过调节用户分布式变频水泵的转速，改变城市热网在用户处的回水温度，从而保证城市热网的供、回水平均温度在所需的数值上，保证换热器的传热温差，进而保证热用户的供热量。用户管网侧的流量，按照压差调节的方法进行用户处水泵转速的调整。城市热网为典型的量调节。

结束语

考虑到实际管理过程中环境的扰动情况以及温度变化等问题都会对建筑的热负荷产生十分直观的影响，实际进行供热系统管理的过程中必须要结合各种环境因素，进行精细化管理。