供热管网分时分区运行调节及控制技术研究

申 思 赵婧竹 李美莹 张 媛

（西安思源学院理工学院,陕西 西安 710038）

随着我国城市化进程的加快，能源资源严重紧缺，但能源需求量在逐年增加，节约能源、提高能源的利用率是缓解能源紧缺的根本途径。有关数据表明，长久以来供热采暖耗能在建筑能耗中占比最高，因此，在众多节能措施中，目前普遍认为实施供热节能改造将有效缓解能源紧缺问题。

查阅相关文献得知，关于供热节能的研究，国外学者多从热源角度出发，以开发利用新能源及可再生能源为主，重点关注供热系统带来的生态环境影响。如丹麦、挪威等国家积极发展垃圾燃烧及生物能的利用，采用先进的新技术、新设备、新材料[1]；日本十分注重工业余热、垃圾焚烧热、生活污水废热、空气能等能源的利用[2]；韩国基本不使用煤炭，而是利用天然气和各种油品作为供热的能源，也在积极发展垃圾能源化[3]。另外，较大型的城市集中供热系统，普遍采用了自动控制，实现了热网运行的自动监测与控制，管理运行水平较高。

在我国，目前针对供热能耗大的问题，住房和城乡建设部提议建设节能建筑，并积极推进城镇供热体制的改革。2012—2013年期间，北京市政府全面关停四大燃煤热电厂，并启动四大燃气热电中心建设，使中心城区热网清洁供热占比达到90%以上[4]。天津市在2012年全面启动了“煤改燃”工程，“十三五”规划中也明确了热电厂为主的环状管网供热模式[5]。随着人们节能意识的提高，我国集中供热的热源由锅炉房逐渐转向了热电联产形式，但由于管理经验不足、配套设备老旧，供热效率依旧很低。对于供热节能方面的研究，我国学者也基于热源、热网、热用户三方面进行了相关探讨，节能策略侧重于降低建筑需热量和实现分户热计量，但热计量收费机制目前在我国推行困难。因此，本文对供热节能方面进行研究，以期获得更大的经济及生态效益。

由于我国某些建筑的使用具有普遍规律性，可在供热期实施分时分区控制，即根据建筑物的使用规律及用热特点，采取分时段分区域供热，满足按需供热的原则，实现节能要求。其中，比较典型的建筑群体即为高等院校校舍及办公楼等。我国某些高校已经采取了相应的节能改造措施，成效显著，但就目前国内外的研究及实施情况来看，对于供热管网分时分区的运行及控制有所研究，但不够全面，技术有待提高。基于此，本文将对分时分区运行调节及相关控制技术进行深入探讨。

1 供热运行调节方式

供热运行常用的调节方式有质调节、量调节、分阶段变流量质调节、质量——流量调节以及间歇调节。

1.1 质调节

质调节是在运行时保证供热管网中的循环流量不变，只改变供水温度。该方式操作便利，节约燃料，水利稳定性好，但为了满足供热需求，需将水温维持在70 ℃以上，电能消耗较大，而且由于管网输送的延迟及热惰性的影响，使其热负荷变化响应速度慢。另外，在北方采用燃煤锅炉进行供热的区域，高水温的需求会加剧空气污染。

1.2 量调节

量调节是在运行时保证供水温度不变，只改变供热管网中的循环流量，常根据室外温度的变化而判断，室外温度较高时使用小流量的循环泵，严寒期则使用较大的循环泵维持大流量运转。该方式能够较快响应，且可节约水泵的耗电量，但水利稳定性较差，当流量减少过多时容易出现垂直失调现象，一般限定管网循环流量不低于设计流量的60%[6]。

1.3 分阶段变流量质调节

分阶段变流量质调节是根据室外温度将供热期分成几个不同的阶段，如初寒期、严寒期、末寒期，每个阶段供热管网的循环流量不变，在不同阶段进行相应的质调节。该方式结合了质调节与量调节的优点，既降低了耗电量，又保证了管网的水利稳定性，但由于水泵只能在分段的恒定频率下运行，节电方面仍有较大的改进空间[7]。

1.4 质量——流量调节

质量—流量调节则是可以改变管网系统的循环流量和工作温度两个参数，以此达到供热需求。该方式调节简便，可保证水利稳定性，又能更大程度地降低耗电量，但对供热管网的自动化控制系统提出了较高的要求。不过鉴于节能效果显著，目前正在逐步推广。

1.5 间歇调节

间歇调节是一种辅助调节方式，不改变系统的流量和供回水温度，通过暂停供热设备的运行来调整每天的供热时长。该方式由于暂停设备运行，可较多地降低耗电量，但反复启停的状态会形成热量损失，也会造成室内供热温度变化较大的情况，无法满足远端热用户的用热需求。

2 分时分区供热运行调节方式

以陕西省某高校为例，可把校内供热建筑物分成三类，供热期正常工作时间内的供热时间及温度如表1所示。寒假期间，除接待中心公寓楼外，其余建筑可根据实际情况大部分或全部保持值班温度。

表1 陕西省某高校建筑物分类及供热时间与温度

因此，结合上述调节方式，基于分时分区系统，本文提出供热系统的运行可采用分阶段质量——流量调节。不同于传统的单一的调节方式，该方式根据采暖热负荷的变化将供热期分成三个时期：初寒期、严寒期、末寒期。初寒期及末寒期可作为一个阶段，严寒期作为另一阶段运行，在每个运行阶段中再将一类和二类建筑分为正常供热与值班供热两阶段。对于热负荷较小的初寒期和末寒期，系统采用质调节方式运行，流量分别为相应工况下的最小设计流量；对于热负荷较大的严寒期，最小设计流量下的质调节已不能满足供热需求，因此将增大管网的循环流量，保持供水温度不变，系统转变为量调节。如此，既能满足供热需求，又能最大程度地节省电量。

3 分时分区供热运行监控系统

分时分区供热运行监控系统主要由楼栋热力入口自动控制系统、热源运行控制系统、热力站自动控制系统、分时分区远程监控平台以及通信系统等组成。

楼栋热力入口自动控制系统由分时分区控制器、流量计、温度传感器、压力传感器、自力式压差控制阀、电动调节阀等组成。控制器监测楼栋入口的多种数据，包括房间室内温度、供回水温度、供回水压力、楼栋入口流量、阀门开度等，可将数据传输给监控平台，并接受监控平台的控制与调整。热源运行控制系统及热力站自动控制系统主要进行一次网及二次网的监测与控制，同楼栋热力入口自动控制系统类似，可通过相应设备监测各种数据并传输给监控平台，并被平台控制。分时分区远程监控平台由中央控制器、数据采集服务器、液晶显示屏等组成，可实时采集不同系统的数据，并对所有参数的设定值进行修改，另外，能显示各种数据并进行存储。

初寒期及末寒期采用质调节方式，保持循环流量为最小设计流量，根据采集到的数据可得出室外温度—回水温度（楼栋热力入口处）设置曲线，其中室外温度通过监控平台的采集器获得，比较实测出的回水温度与设定值，二者有差异时由传输系统反馈给监控平台的中央控制器，中央控制器自动调整热源侧电动调节阀的开度，通过改变一次网经过换热站的水流量达到楼栋热力入口处回水温度的要求。根据划分好的不同阶段，在楼栋热力入口自动控制系统分时分区控制器上预设好供热时间段，每时段设置室内温度设计值，实现分时段控制。由于温度的滞后性，为了避免运行时电动阀的频繁动作，系统应增加相应的温度变化范围，当温度实测值与设定值偏差大于±2 ℃时，系统再进行动作。

在温度较低的严寒期，热负荷较大，热力站二级网系统则由变频循环泵实现变流量控制，根据室外温度的不断变化，变频循环泵自动调节频率，以此调整流量。另外，楼栋热力入口自动控制系统分时分区控制器可根据运行状况自动控制楼栋热力入口电动调节阀的开度，实现用户端局部调节。夜间当室内温度低于值班温度5 ℃时，可开启电动调节阀，防止管道冻裂。

4 分时分区供热控制策略

4.1 建筑物预热控制

由表1可知，对于一类、二类建筑为非连续供热，若在用热时间开始后再进行供热，既不能及时满足热用户的用热需求，也会对能源造成浪费。因此，对于这类建筑，需要在用热时间开始前进行调节，参照相应工程实况应用[8]，可在建筑物用热时间前两小时调整供水温度及循环流量，完成预热工作。

4.2 水泵变频控制

水泵变频的实现可采用温差控制与压差控制相结合的方式[9]。正常供热时采用温差控制，当供水温度达到要求后，通过检测回水温度获得供回水温度差，当温差小于9 ℃时，频率降低至最低运行频率（一般限定管网循环流量为设计流量的60%）；当温差大于等于9 ℃时，频率降低直至温度满足设定值。值班供热时采用压差控制，将系统设计流量下供回水干管间的压差值设定为恒定值，将实测值与设定值进行比较，控制水泵频率稳定在设定值。

5 节能优化技术

5.1 锅炉烟气冷凝回收

采用冷凝热回收装置将排烟温度降到露点温度之下，可回收烟气的显热及大量气化潜热，以此提高锅炉热效率。

5.2 解决水力平衡失调

在近端用户处安装自动调节装置，如平衡阀、温控阀等，以此消除剩余压头；在远端用户处安装匹配的增压泵，以此弥补欠缺压头。

5.3 分时分区系统设置

考虑到意外情况的发生，分时分区控制系统除了具备自动控制功能外，还应具备手动控制功能，应保证在任何情况下都能从自控模式切换至手动控制，避免特殊情况下供热中断。

6 结语

为有效缓解能源紧缺问题，可对使用具有规律性的建筑采用分时分区供热节能方案。对于管网的运行调节，可根据供热要求分成不同的阶段，采用分阶段质量—流量调节，结合两种调节方式运行，能够在满足供热需求的基础上最大程度地节省电量。该方案自动控制的实现依靠分时分区供热运行监控系统，该系统可监测与控制一次网及二次网相应参数，并进行数据显示与存储。另外，本文提出了建筑物预热控制、水泵变频控制等策略，并对供热节能技术进行了部分优化。