高校樓宇集中供暖節能系統的設計

李 飛 李明明 咸夫正

(山東科技大學 理學院，山東 青島 266590)

我國于20世紀50年代初開始實施的集中供暖，是北方城市供暖的主要手段。據統計建筑能耗占社會總能耗的27.8%，而在冬季北方居民采暖能耗約占建筑能耗的65%[1]。隨著我國教育事業的飛速發展，北方地區校園供暖面積不斷增加，因此校園供熱節能是建筑節能中不可或缺的重要組成部分。研究表明，現階段我國校園供熱系統存在著如下兩個問題：一方面,因為大學生學習與生活的特點，高校建筑物在不同的時段對熱能的需求有很大差異。另一方面，校園的供暖主干線一般按照最初的整體規劃一次性建成，而校園建筑卻多為幾個工期分批建成，供暖主干線的規劃往往不能符合校園建筑的功能需要，導致供暖水力失調問題普遍存在，出現嚴重的“近熱遠冷”現象，以及供暖系統“大流量，小溫差”的運行特征[2]。

為了解決高校供暖系統存在的上述問題，研制了高校樓宇集中節能系統，它根據不同建筑物不同時段的供暖需求與氣候特征，調節安裝在建筑物供暖主管道上的電動調節閥，降低處于無人狀態的建筑物對熱能的消耗。系統以進回水溫差和進回水壓力差為參照調節電動調節閥開度，解決了供暖管網熱力失調問題。本系統已經在山東科技大學J7實際運行，實踐結果表明，其節能效果顯著，達到了預期目標。

1 高校樓宇集中供暖節能系統

高校樓宇供暖節能控制系統原理：該供暖節能控制系統主要由現場控制器、電動調節閥、溫度傳感器和壓力傳感器組成。該節能系統根據各樓宇內人員流動的不同情況，將樓宇分節能防凍模式和正常供暖模式。例如：教學樓的晚上和人員流動較少逗留可將其設定為節能防凍模式，假期宿舍和教學樓都設為節能防凍模式；教學樓白天要進行教學活動，人員流動和逗留時間較長，將其設為正常供暖模式。在此模式，由控制器對采集到的溫度和壓力信號進行分析和處理，在此基礎上自動調節各電動閥門的開度，從而改變進入對應樓宇的供水流量，使得近端用戶與遠端用戶供暖需求難以協調的問題得到有效解決。不僅保證了室內溫度能夠控制在一個合適的范圍內，而且避免了熱能的不必要浪費，克服了近熱遠冷的供暖現狀。

2 高校樓宇供暖節能控制系統設計

2.1 系統組成及工作原理

圖1 高校樓宇供暖節能現場控制系統示意圖

高校樓宇集中供暖節能系統由現場控制器、電動調節閥、溫度傳感器和壓力傳感器4部分組成，系統結構見圖1。每套控制單元包括1個控制器、1個電動調節閥、4個溫度傳感器和2個壓力傳感器。溫度傳感器主要采集供水溫度、回水溫度和采暖房間溫度。電動調節閥安裝在樓內供暖主管道上，由現場控制器直接控制。控制器根據溫度傳感器采集的溫度參數和壓力傳感器采集的壓力參數，按照編定程序向電動調節閥下達控制指令。

在每座供暖樓宇中依據供暖面積設置若干電動調節閥，以實現對每座樓宇不同區域供水流量的單獨控制，從而克服水平失調和能源浪費現象。在每個調節閥前增設壓力傳感器，以實現對所控制區域供水壓力的調節，進而克服暖氣管道“近熱遠冷”的缺點。

2.2 控制器的硬件組成及設計

圖2為高校樓宇集中供暖節能系統中現場控制器的結構框圖。控制器中單片機選用AT89C55[3]，以該芯片為核心的單片機擴展系統，可以完成供暖節能系統的壓力采集、溫度采集、數據計算、智能調溫、數據存儲和信息顯示等功能。在控制器中設置有時鐘電路，采用PCF8563芯片以保證系統日期和時間的精確顯示。為增強系統運行的可靠性和安全性，保證系統運行數據不會因斷電而丟失，設置以X5045為記憶存儲元件的外部存儲器。為方便現場參數設定和查看，還設置了鍵盤和液晶顯示電路[4]，循環顯示供水溫度、回水溫度、閥門開度、設定參數、時間和歷史數據等。系統還設計有報警電路與通訊電路，其中報警電路是用來對系統進行超低溫檢測和故障檢測,系統一旦出現故障就發出警報，出現室溫超低情況,就發出全開閥指令,防止閥門開度較小或關閉時凍壞暖氣管道。通訊電路是為了控制器并入學校網上管理系統，實現網絡傳輸和系統巡回抄取現場運行數據及控制信息，幫助管理人員全面掌握全校供暖運行情況并實現遠程控制[5]，在第一時間發現問題并解決問題。在本控制器中，最主要的部分是壓力采集電路、溫度采集電路、閥門控制電路和單片機編程這四部分。

圖2 現場控制器框圖

3 基于PI算法的溫度壓力協調控制

采用溫差壓力協調控制方式，即在控制系統中設定一個供回水溫差和供回水壓力的協調系數，與供暖系統實際供回水溫差和供回水壓力系數進行比較，當實際系數大于設定系數，表明供暖系統循環流量偏小，則增加電動閥開度，當實際系數小于設定系數，則減小電動閥開度，最終達到實際溫差與設定溫差一致。基于建筑物的蓄熱特點，供暖系統閥門調節非線性、滯后性等特點，本系統采用了基于PI算法的間歇式多步距調節閥門的方法，間歇時長一般設定為10-15min。具體調節過程如下：首先，取出前一天同一時段的閥門開度作為當前閥門開度，作為閥門粗調。然后，根據設定溫差和壓力系數與實際溫差和壓力系數的差值調整閥門開度，差值小于零，則增大閥門開度；差值大于零，則減小閥門開度。在本系統中供回水溫差和供回水壓力的協調系數是利用PI算法計算的這就有效的解決了系統中不穩定的問題。該調節方法簡便易行，不僅不受供熱站調控供水溫度變化的影響，并且有效解決了閥門調節室內溫度變化滯后所造成的閥門頻繁開關的問題。

4 節能實驗

為了驗證本系統的節能效果，我們于2012年冬季在山東科技大學教學樓J7進行了供暖節能的對比實驗。J7教學樓安裝了4對供暖進、回水口，為了對整個J7實現全面的節能供暖,在每對進、回水口都安裝了控制系統。在J7東南進水口安裝了熱量表，用于測量不同情況下的熱量消耗。如下圖表所示是在2013年進行供暖實驗所得的原始數據所繪制的直方圖和曲線圖。

圖3 J7教學樓熱量消耗直方圖

圖4 J7教學樓熱量消耗曲線圖

5 結論

針對當前供暖系統中存在的問題及高校供暖的特點，研究開發的校園供暖節能調節與遠程監控系統。根據不同建筑物的采暖需求、具體天氣特征、進回水溫差，進水壓力等條件，自動調節供暖流量，合理分配供暖熱力，達到節能的目的。經實測，該系統在開學期間節能在20%-25%之間，寒假節能在75%以上。并且，該系統不僅沒有犧牲用戶的供暖需求，反而保證了供暖建筑溫度的穩定性，提高了用戶的供暖質量，保證了用戶的舒適度，具有極大的實用價值。因此，該系統經濟實用，節能效果顯著，適合在高校和其他集體供暖的建筑推廣使用。

［1］http://baike.baidu.eom/view/981515.htm[OL].

［2］石久勝，王浩，潘洪偉.院校供暖與節能[J].節能技術，2005(5):28-31.

［3］魏立峰，王寶興.單片機原理與應用技術[M].北京：北京大學出版社，2006.

［4］沙占友.單片機外圍電路設計[M].北京：電子工業出版社，2003.

［5］孫清典，安琳，劉玉峰.校園樓宇供暖節能控制系統的研究與應用[J].建筑節能，2009，37(220):27-29.