基于某校區(qū)燃煤鍋爐替代項目分時分區(qū)供熱能耗的研究

楊猛，王英杰

（濟南能源建設發(fā)展集團有限公司，濟南250000）

1 引言

集中供暖服務技術在我國北方地區(qū)已比較成熟，即使在嚴寒期也能夠滿足人們對供熱的需求。分布式集中供熱的對象包括居住建筑，同時還包括實驗室、辦公樓活動中心、教學樓等公共建筑。居住建筑基本每天都會有人員的流動，所以對室內溫度要求比較高，要求一天24h的室內溫度保持大致不變。但辦公建筑并不是每天都會有人員的流動，所以室內溫度要求不是很高，只需要當人們在工作的時候能夠滿足人員的舒適要求就行，在不是辦公的時間內，僅僅保持防凍溫度，不需要溫度很高，特別是學校和辦公樓，周末與節(jié)假日基本沒人，如果此時還持續(xù)供暖的話，就會造成熱能大量浪費。因此，供熱企業(yè)和相關部門應該大力發(fā)展和完善集中供熱技術，制定最經濟、最節(jié)能的方案。如何更好地發(fā)展與完善集中供熱技術已經成為供熱企業(yè)和相關部門的一項重要工作。

2 分時分區(qū)溫度自動控制系統(tǒng)

2.1 分時分區(qū)系統(tǒng)簡介

通過增設分時控制器和電動調節(jié)閥來實現(xiàn)供熱系統(tǒng)分時分區(qū)控制，根據(jù)供熱需求不同的區(qū)域設置分時分區(qū)，使用調節(jié)電動閥來進行供熱系統(tǒng)的自動調控。在需要分時分區(qū)控制的區(qū)域，分別選取典型房間放置室內溫度傳感器，尤其是在夜間或節(jié)假日，應采取分時控制段關閥，為了保護樓內采暖管道，控制電動調節(jié)閥可以通過采集典型房間室內溫度或者回水溫度來實現(xiàn)控制，這樣就實現(xiàn)了辦公區(qū)域的“按需供熱”和“安全供熱”，最終降低供熱的能源消耗【1】。

2.2 分時分區(qū)的控制原理

在安裝分時分溫控制系統(tǒng)前，按照傳統(tǒng)的供熱方式，若不加人工干預，一天24h之內的室內溫度基本不變，并且室內平均溫度處于比較高的水平，在夜間沒有人的時段或者睡眠時段，會導致很大一部分熱能被浪費，如圖1中的①顯示；若加以人工干預，則室內平均溫度呈現(xiàn)比較大的波動變化，如圖1中②顯示。不僅使用戶的舒適度降低了，而且夜間能源浪費問題也沒有很好地解決。安裝分時分溫控制系統(tǒng)后，③為建筑恒溫控制情況下室內溫度變化曲線，④為公共建筑夜間防凍降溫曲線，圖1中④與③包圍的范圍為節(jié)能空間，可見其節(jié)能空間是比較可觀的【2】。

圖1 24h室內溫度變化曲線圖

本系統(tǒng)的控制原理：在節(jié)假日、周末或者晚上10點以后，當辦公的區(qū)域無人時，控制指令被監(jiān)控中心預先設定，經過電臺的無線網絡，下載到電動調節(jié)閥的控制器內，確保室內的管網不凍的前提下，降低電動調節(jié)閥的閥門開度，從而使熱水介質的流量降低，并且使該建筑物的熱量輸入得以降低；管網的溫度、閥門開啟度等參數(shù)將由控制箱上傳至監(jiān)控中心，利用這些監(jiān)控參數(shù)，適當調節(jié)換熱站的換熱量和循環(huán)泵的運行頻率，適當調節(jié)其他設備的工作狀態(tài)，從而使得供應熱量與熱負荷需求相匹配，這樣不僅保證了供熱的質量，又節(jié)約了熱能以及電能，控制原理示意圖如圖2所示。

3 實際案例分析

圖2控制原理示意圖

對熱網實行監(jiān)控的區(qū)域化管理和集中控制是分時分區(qū)控制系統(tǒng)的重要過程，這樣不僅使資源得到了合理的配置，而且把采暖初始階段和最終階段能耗過大的問題解決了，使電能的消耗和供暖所需的運行成本得以降低，使供暖環(huán)境更加節(jié)能、更加有效率。以下以實際項目為例分析分時分區(qū)的優(yōu)勢【3】。

3.1 項目簡介

某校區(qū)供暖建筑面積為399 359.4m2，主要熱源形式為燃氣鍋爐+空氣源熱泵，具體建筑類型如表1所示。根據(jù)教職員工的工作時間以及學生學習時間的冬季作息時間的規(guī)律，本文將所有的供暖建筑物分為3大類。即：I類為教職工的住宅、學生的宿舍、學校的醫(yī)院，像這種建筑，室內的供暖溫度必須全天保證；Ⅱ類為教學樓、圖書館，像這種建筑在不是教學的時間內，在夜間只需要保持室內值班供暖溫度就行；第Ⅲ類為辦公樓、實驗室、食堂，像這種建筑只需要保持設計溫度在工作時間內即可，而在夜間不是工作的時間內僅僅維持值班的供暖溫度就行。I類建筑供暖時間與其他類建筑相比供暖時間最長，需要全天供暖，Ⅲ類建筑相比其他2類建筑供暖時間是最短的。因為Ⅱ類、Ⅲ類建筑在晚上人員比較少，只需要在所用的房間內局部采暖，保證舒適的房間溫度即可，不需要全部房間都供暖，這樣可以很好地降低能耗，節(jié)約能源。表1給出了上述各類建筑物的分類、建筑面積以及每天所需的正常供暖時間。

由表1可以看出，Ⅱ類和Ⅲ類建筑在供暖期正常工作日，全天對用戶供暖系統(tǒng)實施分兩個階段改變流向的量調節(jié)，在實現(xiàn)供暖要求的同時，還能有效地節(jié)能，最重要的是節(jié)能效果非常大。

3.2 假期熱負荷的分析

在寒冷的冬季，每一所高校在供暖的季節(jié)都有一個共同的特點，他們在供暖季都會有寒假，時間差不多為30～40d。在寒假期間，上述3類建筑只需要保證室內的值班所需溫度即可，不僅上述3類建筑甚至可以把所有的建筑都僅僅保持在值班溫度就行【4】。

表1建筑物分類建筑面積及正常供暖時間

3.3 節(jié)能量預估

節(jié)能預估可以采用建筑物供暖面積指標法，通過對上述3類建筑進行能耗計算，包括按現(xiàn)行的供暖方法計算全年能耗和采用分時分區(qū)供暖時的能耗計算，從而得出這一年的節(jié)約能源的總量。

3.3.1 現(xiàn)行傳統(tǒng)供暖方法全年采暖期能耗計算

現(xiàn)行供暖方法年度能耗計算可用公式（1）計算【5】，即：

式中，Q′n為建筑物全年供暖總能耗，GJ；qf為建筑物供暖面積熱指標，W/m2，取60W/m2；F為供暖建筑物的建筑面積，m2；N為供暖期天數(shù)，濟南地區(qū)120d；24為工作時間，h；3 600為1h時間，s。

3.3.2 采用分時供暖建筑物能耗計算

1）建筑物采用分時供暖能耗計算公式

假期Ⅱ類、Ⅲ類建筑值班供暖年能耗計算公式為【6】：

式中，Qnf為建筑物非寒假值班供暖年能耗，GJ；φ為溫差修正系數(shù)，濟南地區(qū)為0.7124；h為非工作日每日工作小時數(shù)，h；30為寒假時間，d；其他符號意義同式（1）。

2）建筑采用分時供暖建筑物能耗計算

寒假期間Ⅰ類學生宿舍及Ⅱ類、Ⅲ類的全部建筑可采用全天值班采暖，其計算公式為：

式中，Qnh為寒假期間建筑物值班供暖能耗，GJ；其他符號意義同前。

3）分時供暖各建筑物年能耗計算結果

將表1中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)分別代入相應的式（1）、式（2）、式（3）進行計算，最終可以得到學校教學樓分時供暖的年能耗量（見表2）。

通過上述計算可以得到，采用現(xiàn)行供暖方法時，該校區(qū)全年供暖總能耗達到2.48×105GJ，而采用分時分區(qū)供暖方法時，該校區(qū)全年供暖總能耗達到1.19×105GJ，可以節(jié)省的能耗高達1.29×105GJ，約等于年節(jié)約標準煤4 401.5t，然而標準煤應用基低位發(fā)熱量可達到29 308kJ/kg。最終我們可以看出，如果采用分時分區(qū)供暖，可以很好地節(jié)約能源，因此，采用分時分區(qū)供暖是非常有發(fā)展前景的【7】。

表2分時供暖各類建筑年能耗量對比分析表

4 分時分區(qū)供暖的調節(jié)方法

在寒假期間，Ⅰ類建筑中的學生宿舍，Ⅱ類、Ⅲ類所有的建筑都采用全天供暖，從而可以減少所需的供熱量，采用分時分區(qū)供暖的建筑物并且采用質調節(jié)方式改變流量能減少熱媒流量，因為水泵的電功率與流量的立方成正比，所以該方式節(jié)約電能的效果非常顯著，能夠降低所需能耗。通過以上所述，對本項目的熱源以及熱用戶提出了改造措施，改造的措施如下【8】。

4.1 熱源改造

該校區(qū)一共3個換熱站，循環(huán)水泵一共有9臺，其總容量可達到1 033m3/h。每個換熱站有2臺或者3臺循環(huán)水泵。通過研究，針對該供熱系統(tǒng)的實際情況，應該在換熱站上再加入1套小流量的循環(huán)水泵，通過加入小流量的循環(huán)水泵，不僅可以降低水泵的耗電量，而且此改造可以節(jié)約能耗。

4.2 熱用戶改造

分區(qū)分時供暖建筑物中，在熱用戶入口處設置調節(jié)閥，此調節(jié)閥必須設有時間繼電功能，流量的大小需要根據(jù)熱用戶的需求來調節(jié)，這樣可以降低能耗，最終可以達到節(jié)約能源的目的。

5 結論

通過對供熱分時分區(qū)控制系統(tǒng)的研究以及連續(xù)對3個供暖季的跟蹤監(jiān)測，得到了一些監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此，應對分時分區(qū)供暖控制系統(tǒng)在辦公建筑物以及整個供熱系統(tǒng)中節(jié)約能耗的潛力進行了深入的分析，得到了以下幾個結論：

1）在保證供熱質量的基礎上，分時分區(qū)供暖的建筑物比全天運行供暖的建筑物更加節(jié)能，甚至可以達到節(jié)能13.6%～23.5%，提高了鍋爐房總節(jié)能率4.5%～8.8%。

2）建筑物耗熱量受到很多因素的影響，建筑物的圍護結構和室內外溫度等因素都會影響到建筑物的耗熱量，因此，應該根據(jù)供熱系統(tǒng)自身特點并且結合實際運行工況來確定分時分區(qū)供暖建筑物的控制時間段。

3）在分時分區(qū)供暖控制系統(tǒng)中，為了能夠有效地調控辦公樓室內溫度并確保在辦公時間前達到室內溫度的要求，應該采用質調節(jié)和量調節(jié)相結合的方式。因此，提倡使用分時分區(qū)供暖監(jiān)控系統(tǒng)，尤其在供熱系統(tǒng)中的推廣應用，不僅可以大大提高供熱單位的用能管理水平，還可以實現(xiàn)供熱系統(tǒng)安全可靠穩(wěn)定的運行，最終可以實現(xiàn)供熱系統(tǒng)多方面的節(jié)能，這是一種比較好的供熱方式。

總之，采用分時分區(qū)供暖控制方式時，設備的利用率大大提高，能源的消耗得到降低，節(jié)約電能，可以保證室內所需的溫度，提高了社會效益、經濟效益、環(huán)境效益，是一種科學合理、前途光明的有效供暖方式。