基于精細化控制的供熱系統節能分析

李 瀛

濟寧市恒誠熱力設計工程有限公司 山東 濟寧 272000

1 前言

供熱網絡管理的過程中因為供熱系統自身存在時間滯后以及建筑具有熱惰性，導致以實際控制的過程中可能會存在控制效果延后等問題，導致水熱不平衡等問題，文章使用分布式變頻技術和無線數據傳輸技術來實現供熱站和換熱站之間的高效控制。

2 供熱系統控制現狀

我國北方城鎮地處寒冷和嚴寒地區，由于采暖期長、供熱面積基數大，采暖能耗占中國建筑用能的很大一部分，是我國目前建筑節能的主要對象。隨著鍋爐效率的提高及建筑圍護結構保溫性能的加強，我國單位面積采暖能耗逐漸降低，但是隨著集中供熱市場的逐年擴大，總體采暖能耗仍持續增長。北方地區為了應對冬季的寒冷氣候，供熱系統大都采用連續運行的方式，運行時間基本上都在100天以上。北方城鎮建筑供暖典型的“全時間、全空間”特征，是導致采暖能耗大的主要原因。為減少建筑能耗，我國對北方地區既有和新建采暖建筑提出了一系列的節能要求，使得建筑單位面積能耗有明顯的下降。然而，在實際運行過程中，由于運行調節不到位，建筑室溫偏高的現象普遍存在，能源浪費嚴重。當維持室溫為18℃時，北方城鎮建筑采暖需熱量在0.23～0.42GJ/(m2-a)之間。實際上，由于大部分建筑的室內溫度高于18℃，甚至有的用戶高達25℃以上，導致北方城鎮建筑采暖實際用熱量在0.4～0.55GJ/(m2-a)之間，平均約為0.47GJ/(m2-a)。究其原因，一方面是供熱按面積收費的方式，用戶沒有節能的積極性；另一方面是換熱站及末端設備調節手段不到位，無法適應負荷變化的要求。山東省臨沂市區內現有不同體制不同規模的供熱企業共9家、鍋爐總臺數達到179臺，集中供熱面積達到1.78億m2。目前，山東省某市區建筑總面積約為3.70億m2，集中供熱普及率僅為48.1%，供熱市場廣闊。若所有建筑采暖用熱量控制為0.31GJ/(m2-a)，3.70億m2供熱面積的節能量為0.592億GJ。按山東省臨沂市集中供熱收費標準的44元/GJ計算，年節能集中供熱費用約26.048億元，節能潛力巨大。本文分析了山東省臨沂市新建建筑的理論耗熱量，然后給出了實際負荷的預測方法；結合山東省某熱力公司的管網和用戶分布設計了分布式變頻供熱系統，并編制了精細化控制軟件；通過一個采暖期的運行，對系統的節能效果進行了評價。

3 分布式變頻設計

山東省臨沂市冬季采暖室外計算溫度為-3.4℃，實際采暖期為120天，接近日平均溫度≤+8℃的天數，因此，采暖期室外平均溫度按2.6℃計算。熱負荷指標按規范[3]推薦的節能建筑數值選取。考慮到住宅建筑、辦公建筑、賓館建筑、工業建筑的用熱時段及室溫設定值不同，對這幾類建筑的理論耗熱量分別進行推算。目前，我國北方城市的供熱系統仍以枝狀管網為主。在熱能輸送方式上，多采用傳統的設計及運行方式，即在熱源廠統一設置循環水泵，由其承擔熱源內部阻力、輸送及輸配管網阻力、換熱站或其他末端系統阻力，用戶處不需在城市熱網側設置水泵。熱源循環水泵揚程依據最不利環路的阻力進行配置，以滿足遠端用戶的用熱需求；近端用戶資用壓差過大，采用閥門進行強制節流，以達到近端與遠端的水力平衡要求。實際運行中，對于規模較大的供熱管網，由于近端用戶調節閥處的壓差遠大于閥門的調節范圍，導致近端用戶超流量現象大量存在，成了北方地區城鎮供暖每年都要面臨的困擾。為了解決末端不熱的問題，熱力公司往往采取加大流量的措施，從而進一步擴大了超流量用戶的范圍。相比于調節閥，基于變頻技術的水泵調節流量的方式更為方便、可靠。在實際應用中，降低熱源廠主循環水泵的揚程，讓其僅克服熱源廠內部的阻力，這樣使得熱源廠設備承受的壓力大為降低，水泵的運行能耗也大幅度降低。由于熱源水泵揚程不能克服熱源廠外的阻力，因此，所有熱用戶都必須在城市熱網側設置水泵，用以克服熱源廠至熱用戶之間的阻力。在熱用戶處設置的這一水泵稱為分布式變頻水泵。這樣一來，將在熱源處形成大流量、小揚程水泵，在用戶處形成小流量、揚程隨距離熱源距離逐漸增大的水泵。熱源大流量水泵與各用戶的小流量水泵串聯運行，各用戶的小流量水泵并聯運行。所有水泵均通過頻率控制實現各供暖用戶的水力平衡。這一系統即為分布式變頻供熱系統。自動化程度較好的分布式變頻系統可省去調節閥門，同時可降低供熱系統供水管道的壓力水平，系統更加安全。

4 精細化控制

檢測參數作為神經網絡系統的輸入參數，主要包括室外氣象參數(溫度、濕度、風速、太陽輻射等)，城市熱網供、回水溫度，用戶熱網供、回水壓力，城市熱網流量，用戶熱網供、回水溫度，用戶熱網供、回水壓力，分布式水泵運行反饋。根據檢測參數進行神經網絡運算，得到各用戶的熱負荷預測結果。通過調節用戶分布式變頻水泵的轉速，改變城市熱網在用戶處的回水溫度，從而保證城市熱網的供、回水平均溫度在所需的數值上，保證換熱器的傳熱溫差，進而保證熱用戶的供熱量。用戶管網側的流量，按照壓差調節的方法進行用戶處水泵轉速的調整。城市熱網為典型的量調節。

結束語

考慮到實際管理過程中環境的擾動情況以及溫度變化等問題都會對建筑的熱負荷產生十分直觀的影響，實際進行供熱系統管理的過程中必須要結合各種環境因素，進行精細化管理。