集中供热系统换热站节能优化分析

张喜明，李 钊，刘俊锋，张 帆

吉林建筑大学 市政与环境工程学院,长春 130118

0 引言

对于东北而言,集中供热是生活生产中一项必不可少的组成部分.由于供热需求的不断增加,能源的消耗量也越发增多,如何既能有效增加供热系统中各环节的效率，又能减少不必要的浪费，则是急需解决的问题.改革开放以来,随着经济的显著提升,我国对能源的需求大幅增长,10年间能源消费总量已上涨12.5亿t标准煤[1].另一方面,能源消耗对环境也产生了负面影响，诸如污染物排放、温室效应等.近年来,为控制全球气温，各国也都积极制定相关的法律法规去限制能源消耗与排放.2030年我国在建筑生产方面拟将能耗控制在8.35亿t标准煤[2],但随着居民生活供暖的需求不断提高,如何在限制能源消耗的基础上实现该目标则有一定难度.

在集中供热节能方面,国内外的学者做了大量研究.George R[3]使用分布式循环系统解决了供热系统不能满足远程用户流量设计要求的问题,其运行之后的节能率高达25 %.Somchai Paarporn[4]对采暖系统能耗进行了分析，用分布变频泵代替原系统的节流阀,实现加热管网的变流量调节,有效降低了系统的能耗.Zaheeruddin等[5]人设计出史密斯预测器使供热系统能源节能提高到19 %～23 %.王国伟[6]采取更换高效循环泵和二网平衡节能措施,解决了用户冷热不均的问题,有效地降低了能耗.热力站及热力二次网节能改造后节电率57 %,节热率12 %,节能效果显著.冯伟杰[7]通过整理若干节能技术开发出了供热建筑的热负荷计算模型.本文选取长春市内某供热公司下的换热站及二级管网,该供热系统的供热面积为300.86万m2,共有33个换热站，供暖时间共计169 d.通过确定换热站节能指标,即安全指标、工艺指标和能效指标,从而对该工程进行节能性分析并加以改进,从而使该工程达到降低能耗的目的.

1 换热站节能指标的选取

通过对国家规范要求的研究,将安全指标、工艺指标和能效指标选为换热站节能评价指标.

1.1 安全指标

对于换热站来说,不管系统如何优化,最基础的是要保证供热质量不受影响,控制供热品质,满足热用户的热舒适度.选取室温合格率和系统可靠性两大指标作为换热站的基础指标.

1.2 工艺指标

换热站工作时,为保证其安全运行前提下可以有更高的效率,需使其运行过程中的性能指标尽量达到或接近设计最大值.换热站的工艺指标主要包括:耗电输热比EHR、管网输送效率、循环流量控制指标、二次网供回水温度指标、系统补水率指标、循环水泵电效率及循环水泵比转数.

耗电输热比EHR的值大小与节能指标密切相关,且与节能指标成反比[8].

对于循环流量设计而言,温度小于95 ℃的低温热水循环流量应控制在2 kg/(m3·h)～3 kg/(m3·h)范围内;70 ℃～150 ℃的高温热水循环流量应控制在1.1 kg/(m3·h)～1.7 kg/(m3·h)范围内[9].

1.3 能效指标

能效指标是节能评价指标体系的重要组成部分,热站内的能耗主要包括热耗、电耗、水耗.能效指标包含:单位面积电耗、换热有效利用率、单位面积水耗、单位面积热耗、单位面积综合耗能.

2 基于层次分析法建立节能指标模型

2.1 层次分析法

层次分析法是将与决策目标相关联的要素分解成目标层、准则层、方案层,应用网络系统理论和多目标综合评价方法,对权重进行定性和定量分析.

2.2 层次分析法计算方法

2.2.1 建模

选择需要决策的目标、决策准则和决策对象,将其分为三个层级并按照层次结构绘图.三级分别为高、中、低三层.

2.2.2 构造判断矩阵

一致矩阵法可以解决量化各层级各要素之间的定型和权重的问题.如对某一目标,需要对比方案,并根据不同的程度评级.要素X与要素Y分别为该目标的两个方案,两者进行对比并赋值可得,X与Y同等重要赋值为1,X比Y稍微重要赋值为3,X比Y较强重要赋值为5,X比Y强烈重要赋值7,X比Y极端重要赋值9,上述判断中间值赋值2,4,6,8.通过这些重要性等级及其赋值构成判断矩阵.在矩阵A中,bx,by(x,y=1,2,3……,n)表示因素,bxy表示bx对by的比较结果,byx表示by对bx的比较结果,由bxy构成的矩阵A如下:

(1)

对于矩阵A有:bxy>0,bxy=byx-1,bxx或byy=1.

2.2.3 指标权重计算

此处对权重通过特征向量法进行计算,计算公式如下:

λmaxw=AW

(2)

式中,λmax为矩阵A的最大特征值;W为权重特征向量,W>0.

2.2.4 一致性检验

矩阵A通过一致性检验可得到非一致的允许范围,其指标可通过CI计算得出.CI的计算公式如下:

(3)

CI=0说明矩阵A一致性达到最高;随着CI的减小,矩阵A越趋近于一致.随机一致性指标RI可准确衡量CI的大小:

(4)

大部分情况说明降低的矩阵阶数与一致性随机偏离的可能性成正相关,其对应关系见表1.

表1 判断矩阵阶数n与随机一致性指标RI的关系Table 1 The relationship between the judgment matrix order n and the random consistency index RI

由于随机因素可导致一致性的偏离,加入检验系数CR以避免该状况.当CR≥0.1时，可认为该判断矩阵不符合一致性的标准；当CR≤0.1时，则可认为该判断矩阵符合标准.其计算公式如下:

(5)

2.2.5 权重的计算及确定

根据选定的一级和二级指标,设计各项指标的权重确定表,对各个指标进行两两对比,根据因素赋值方法对构建矩阵中的各指标进行赋值,最后将反馈的重要程度比较结果加权平均后列出,见表2～表5.

表2 一级指标评分Table 2 First grade index score

表3 安全指标权重判断矩阵Table 3 Safety index weight judgment matrix

表4 工艺指标权重判断矩阵Table 4 Process index weight judgment matrix

表5 能效指标权重判断矩阵Table 5 Energy efficiency index weight judgment matrix

各指标权重为:安全指标为1,室温合格率为0.667,系统可靠性为0.333;工艺指标为0.226, 耗电输热比EHR为0.247,管网输送效率为0.202,循环流量控制指标为0.077,二次网回水温度指标为0.095,系统补水率指标为0.277,循环泵电效率为0.07,循环泵比转数为0.03;能效指标为0.674,单位面积电耗为0.182,换热有效利用率为0.372,单位面积水耗为0.182,单位面积热耗为0.168,单位面积综合耗能为0.096.

2.3 评价指标量化

对上述数据进行指标量化,建立评价等级,将分数为0～60归入“不合格”等级;60～70归入“合格”等级;70～80归入“中等”等级；80～90归入“良好”等级；90～100归入“优秀”等级.计算各评价等级的隶属度X=(x1,x2,x3,x4,x5),确定指标的评价值,公式如下:

S(Xi)=WT×X=(95 85 75 65 30)T×(x1,x2,x3,x4,x5)

(6)

3 换热站节能优化分析

通过对2018年至2019年采暖季的实测数据分析,可知热网存在三方面的问题:“大流量、小温差”的运行现状、换热站供水温度不会随外部温度而改变、循环水泵“大扬程、小流量”.因此,制定了换热站的调节运行方案，即在二次网处安装气候补偿器，并在热网处安装泵阀联动系统.

3.1 气候补偿器

气候补偿器的工作原理为:通过测量供暖期内的室外温度并在程序内得出适当的供回水温度范围,将程序得出的适当的供回水温度与二次网温度进行对比,最终通过调节一级网的流量来调节二次网的供回水温度,实现按需供热,达到节约能源的目的[10-11].

根据室外气象温度将供暖分成3个阶段,分别为初寒期、严寒期、末寒期,并对系统制定供回水温度曲线并输入气候补偿器.气候补偿器能够根据测定的随着室外温度变化,气候补偿器将调节一次网调节阀的开度大小,从而达成二次网供水温度随室外气温变化的实时智能调节.

3.2 泵阀联动系统

在供热系统中,泵阀联动系统的主要设备包括:循环泵、电动调节阀和加压泵.联动系统分为同侧泵阀联动和异侧泵阀联动,通过电气控制回路进行互锁、互联,并结合PLC相关的逻辑程序,建立设备启停条件,实现相互牵制，最终使得该换热站达到供热的需求,进而起到平稳运行,节能降耗的目的.

3.3 改造后节能效果评价

改造后,在2019年至2020年采暖期对33个换热站进行了第二次测量,测量结果见表6.

表6 改造后总换热站最冷月份能耗Table 6 Energy consumption of total heat exchange station in the coldest month after reform

图1 换热站供暖季综合评价对比Fig.1 Contrast of comprehensive evaluation of heat exchange station in heating season

通过层次分析法评价模型可得出2018年至2019年供暖季与2019年至2020年供暖季33台换热站综合评价对比(如图1所示).

从整体上看,改造前与改造后的换热站基于层次分析法评价模型的综合评价得分有显著提升,提升区间为0.6分～8.2分,其中14号换热站提升最大.从能耗角度分析,在经过改造后.该工程每天约减少热量约2 301.6 GJ,以最冷月31 d计算,可减少热量约71 349.6 GJ.

4 结论

本文主要对位于长春市某供热公司的换热站及二级管网作为研究对象,并对该工程改造前和改造后的运行数据进行归纳分析.结果表明，在安装气候补偿器和泵阀联动装置后,每天减少热量约2 301.6 GJ,以最冷月31天计算,可减少热量约71 349.6 GJ.可见,改造后的供热系统比改造前综合评价有显著提升,证明该模型有一定的可推广性.