试论太阳辐射补偿在二次供暖系统循环泵控制中的节能应用

2020-11-26张友先

建材发展导向 2020年7期

张友先

（山西省商业设计院，山西太原 030000）

在集中供热中，循环泵的耗能在整个供暖系统能耗中占很大比例。循环泵的节能也是供热系统节能工作的重点。供暖换热站常规的质量综合调节是根据室外温度，计算出二次采暖水温和循环流量，控制一次侧电动调节阀保证二次侧的出水温度，同时通过变频改变循环泵的流量。集中供热一次、二次水温度是由热力控制中心统一根据天气情况调节的。二次系统流量则根据室外温度和供热水温自动或人工调节。

1 变频流量控制

二次循环泵变频流量控制均由室外温度来调节循环泵输出流量，国内采用以下几种方式完成：1）用室外温度以及所在地区的供热水温曲线与实际供回温度进行对比，进行修正压差设定值的控制方式；2）用室外温度以及所在地区的供热水温曲线与实际供回温度进行对比，进行流量调节的控制方式；3）用室外温度计算出所在地区系统标准供热温度下的流量或二网系统压差，以此控制循环泵流量。在实际生活中，我们注意到阳光对用户室温有非常大的影响。冬季用户室内温度在室外温度相同时，晴天会比阴天高出1～4℃。所有这些循环泵变频的控制方式中的室外温度采集均为室外温度的实时采集，和天气阴晴无关。我们试图采用一种方法通过循环泵用最少的电达到把热水送到每一个用户的目的，使用户保持室内温度18℃±2℃，不得低于16℃。此方法必须把太阳辐射能考虑进去。

2 利用太阳辐射补偿的供暖循环泵控制方法

利用太阳辐射补偿的供暖循环泵控制方法，该方法是采用如下步骤实现的：

a.建筑物室外温度的采集：根据二次供暖管网供暖范围内的建筑物的窗墙面积比制作带有小窗的模拟保温小室，并保证模拟保温小室的窗墙面积比等于供暖建筑物的窗墙面积比；将模拟保温小室置于建筑物的阳面，并在模拟保温小室内放置室外温度传感器；通过室外温度传感器采集模拟保温小室内的温度，并将模拟保温小室内的温度确定为建筑物的室外温度；在采集过程中，模拟保温小室内的温度与建筑物的室内温度同步变化，模拟保温小室内的温度高于模拟保温小室外的温度，模拟保温小室的内、外温度之差即为建筑物室外温度的太阳辐射补偿量；

b.供暖循环泵的最大转数的确定：根据二次供暖管网的供暖热负荷计算得出二次供暖管网的最大循环流量；分别测量二次供暖管网在两个工况点的运行阻力和循环流量，并根据测得的运行阻力和循环流量制定二次供暖管网的阻力特性曲线；当供暖循环泵在工频运行时，测量二次供暖管网的实际运行阻力；根据测得的实际运行阻力和阻力特性曲线计算得出当供暖循环泵在工频运行时二次供暖管网的实际循环流量；根据二次供暖管网的实际循环流量和最大循环流量确定供暖循环泵的最大转数；

c.供暖循环泵的最小转数的确定：测量二次供暖管网在最不利用户处的运行阻力；待二次供暖管网的供暖循环泵降低转数至运行阻力不能满足循环时，将此时供暖循环泵的转数确定为供暖循环泵的最小转数；

d.二次供暖管网的供暖循环泵运行转数的确定：根据建筑物的设计室外温度和二次供暖管网的设计供回水温度制定二次供暖管网的供回水温度曲线；根据室外温度传感器采集得到的建筑物室外温度和供回水温度曲线计算得出二次供暖管网的目标供回水温度；根据目标供回水温度和供热公式计算出二次供暖管网的目标循环流量；测量二次供暖管网的实际供回水温度，并将测得的实际供回水温度与目标供回水温度进行比较；当实际供回水温度大于或等于目标供回水温度时，供暖循环泵运行转数应相应减小，供暖热量减少量与供暖循环泵运行转数减少量之比应为正值；当实际供回水温度小于目标供回水温度时，供暖循环泵运行转数应相应增大，供暖热量增加量与供暖循环泵运行转数增加量之比应为正值；根据比较结果控制供暖循环泵的转数，并将转数控制在最大转数与最小转数之间；通过控制供暖循环泵的转数控制供暖循环泵的输出流量，进而控制二次供暖管网的实际循环流量。

所述步骤b-c 中，二次供暖管网的运行阻力是通过安装在二次供暖管网上的供回水压力传感器进行测量的；所述步骤d 中，二次供暖管网的供回水温度是通过安装在二次供暖管网上的供回水温度传感器进行测量的；供暖循环泵的转数是通过PLC 和安装在供暖循环泵上的变频器进行控制的；所述步骤a-d 中，室外温度传感器、供回水压力传感器、供回水温度传感器、变频器均与PLC 连接。

3 实际节能效果验证

具体实施时，通过下述实验，可进一步验证本方法所述的利用太阳辐射补偿的供暖循环泵控制方法的节能效果。

某换热站，供暖面积为130000m2，建筑物热指标为60w/m2。建筑物的设计室内温度为18℃，设计室外温度为-12℃。换热站服务范围（即二次供暖管网供暖范围）内建筑物的平均窗墙面积比为0.35，即模拟保温小室的窗墙面积比为0.35。模拟保温小室材料为厚0.4mm 的无花镀锌铁皮，外加厚30mm 的石棉板。测量二次供暖管网在两个工况点的运行阻力和循环流量分别为（405.84 m3/h，41.2m）、（486m3/h，34m）。二次供暖管网的阻力特性曲线为：h=-1.007×10-4q2+57.786。根据阻力特性曲线计算得出：当供暖循环泵在工频运行时，二次供暖管网的实际运行阻力为41.2m，二次供暖管网的实际循环流量为405.84m3/h。建筑物的设计室外温度为12℃时，二次供暖管网的设计回水温度为40℃，设计供回水温差为10℃；建筑物的设计室外温度为-12℃时，二次供暖管网的设计回水温度为50℃，设计供回水温差为20℃；二次供暖管网的供回水温度曲线为：th=-0.4167tw+45；tg=-0.833tw+60。供热公式为：Q=130000×60× (18-tw) /（18+12），供暖热负荷与二次供暖管网的循环流量之间关系式为：Q=1000/0.86×qΔt。由此得出二次供暖管网的供暖热负荷为7800000w，二次供暖管网的最大循环流量为335.4m3/h。供暖循环泵的最大频率（等效于最大转数）为41.32HZ。供暖循环泵的最小频率（等效于最小转数）为28HZ。当建筑物室外温度为-7℃时，目标回水温度为47.1℃，当实测回水温度低于此值时，供暖循环泵转数将增加，供暖热量增加量与转数增加量满足（δΔQ/δt）：（δn/δt） ≧0 时，供暖循环泵转数将继续增加（流量增加加强了换热器换热）；当供暖热量增加量与转数增加量不满足（δΔQ/δt）：（δn/δt） ≧0 时，供暖循环泵转数将不再增加；反之同理。若采用现有供暖循环泵变频控制方法，供暖循环泵的输出频率（等效于转数）为38.44HZ。若采用本方法所述的利用太阳辐射补偿的供暖循环泵控制方法，则供暖循环泵的输出频率（等效于转数）为36.69±1.1HZ，由于循环泵耗电与运行频率的三次方成正比，可得此时本方法所述的利用太阳辐射补偿的供暖循环泵控制方法比现有供暖循环泵变频控制方法节电13%，由此验证了本方法的节能效果。