試論太陽(yáng)輻射補(bǔ)償在二次供暖系統(tǒng)循環(huán)泵控制中的節(jié)能應(yīng)用

張友先

（山西省商業(yè)設(shè)計(jì)院，山西 太原 030000）

在集中供熱中，循環(huán)泵的耗能在整個(gè)供暖系統(tǒng)能耗中占很大比例。循環(huán)泵的節(jié)能也是供熱系統(tǒng)節(jié)能工作的重點(diǎn)。供暖換熱站常規(guī)的質(zhì)量綜合調(diào)節(jié)是根據(jù)室外溫度，計(jì)算出二次采暖水溫和循環(huán)流量，控制一次側(cè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥保證二次側(cè)的出水溫度，同時(shí)通過(guò)變頻改變循環(huán)泵的流量。集中供熱一次、二次水溫度是由熱力控制中心統(tǒng)一根據(jù)天氣情況調(diào)節(jié)的。二次系統(tǒng)流量則根據(jù)室外溫度和供熱水溫自動(dòng)或人工調(diào)節(jié)。

1 變頻流量控制

二次循環(huán)泵變頻流量控制均由室外溫度來(lái)調(diào)節(jié)循環(huán)泵輸出流量，國(guó)內(nèi)采用以下幾種方式完成：1） 用室外溫度以及所在地區(qū)的供熱水溫曲線與實(shí)際供回溫度進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行修正壓差設(shè)定值的控制方式；2） 用室外溫度以及所在地區(qū)的供熱水溫曲線與實(shí)際供回溫度進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行流量調(diào)節(jié)的控制方式；3） 用室外溫度計(jì)算出所在地區(qū)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)供熱溫度下的流量或二網(wǎng)系統(tǒng)壓差，以此控制循環(huán)泵流量。在實(shí)際生活中，我們注意到陽(yáng)光對(duì)用戶室溫有非常大的影響。冬季用戶室內(nèi)溫度在室外溫度相同時(shí)，晴天會(huì)比陰天高出1～4℃。所有這些循環(huán)泵變頻的控制方式中的室外溫度采集均為室外溫度的實(shí)時(shí)采集，和天氣陰晴無(wú)關(guān)。我們?cè)噲D采用一種方法通過(guò)循環(huán)泵用最少的電達(dá)到把熱水送到每一個(gè)用戶的目的，使用戶保持室內(nèi)溫度18℃±2℃，不得低于16℃。此方法必須把太陽(yáng)輻射能考慮進(jìn)去。

2 利用太陽(yáng)輻射補(bǔ)償?shù)墓┡h(huán)泵控制方法

利用太陽(yáng)輻射補(bǔ)償?shù)墓┡h(huán)泵控制方法，該方法是采用如下步驟實(shí)現(xiàn)的：

a.建筑物室外溫度的采集：根據(jù)二次供暖管網(wǎng)供暖范圍內(nèi)的建筑物的窗墻面積比制作帶有小窗的模擬保溫小室，并保證模擬保溫小室的窗墻面積比等于供暖建筑物的窗墻面積比；將模擬保溫小室置于建筑物的陽(yáng)面，并在模擬保溫小室內(nèi)放置室外溫度傳感器；通過(guò)室外溫度傳感器采集模擬保溫小室內(nèi)的溫度，并將模擬保溫小室內(nèi)的溫度確定為建筑物的室外溫度；在采集過(guò)程中，模擬保溫小室內(nèi)的溫度與建筑物的室內(nèi)溫度同步變化，模擬保溫小室內(nèi)的溫度高于模擬保溫小室外的溫度，模擬保溫小室的內(nèi)、外溫度之差即為建筑物室外溫度的太陽(yáng)輻射補(bǔ)償量；

b.供暖循環(huán)泵的最大轉(zhuǎn)數(shù)的確定：根據(jù)二次供暖管網(wǎng)的供暖熱負(fù)荷計(jì)算得出二次供暖管網(wǎng)的最大循環(huán)流量；分別測(cè)量二次供暖管網(wǎng)在兩個(gè)工況點(diǎn)的運(yùn)行阻力和循環(huán)流量，并根據(jù)測(cè)得的運(yùn)行阻力和循環(huán)流量制定二次供暖管網(wǎng)的阻力特性曲線；當(dāng)供暖循環(huán)泵在工頻運(yùn)行時(shí)，測(cè)量二次供暖管網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行阻力；根據(jù)測(cè)得的實(shí)際運(yùn)行阻力和阻力特性曲線計(jì)算得出當(dāng)供暖循環(huán)泵在工頻運(yùn)行時(shí)二次供暖管網(wǎng)的實(shí)際循環(huán)流量；根據(jù)二次供暖管網(wǎng)的實(shí)際循環(huán)流量和最大循環(huán)流量確定供暖循環(huán)泵的最大轉(zhuǎn)數(shù)；

c.供暖循環(huán)泵的最小轉(zhuǎn)數(shù)的確定：測(cè)量二次供暖管網(wǎng)在最不利用戶處的運(yùn)行阻力；待二次供暖管網(wǎng)的供暖循環(huán)泵降低轉(zhuǎn)數(shù)至運(yùn)行阻力不能滿足循環(huán)時(shí)，將此時(shí)供暖循環(huán)泵的轉(zhuǎn)數(shù)確定為供暖循環(huán)泵的最小轉(zhuǎn)數(shù)；

d.二次供暖管網(wǎng)的供暖循環(huán)泵運(yùn)行轉(zhuǎn)數(shù)的確定：根據(jù)建筑物的設(shè)計(jì)室外溫度和二次供暖管網(wǎng)的設(shè)計(jì)供回水溫度制定二次供暖管網(wǎng)的供回水溫度曲線；根據(jù)室外溫度傳感器采集得到的建筑物室外溫度和供回水溫度曲線計(jì)算得出二次供暖管網(wǎng)的目標(biāo)供回水溫度；根據(jù)目標(biāo)供回水溫度和供熱公式計(jì)算出二次供暖管網(wǎng)的目標(biāo)循環(huán)流量；測(cè)量二次供暖管網(wǎng)的實(shí)際供回水溫度，并將測(cè)得的實(shí)際供回水溫度與目標(biāo)供回水溫度進(jìn)行比較；當(dāng)實(shí)際供回水溫度大于或等于目標(biāo)供回水溫度時(shí)，供暖循環(huán)泵運(yùn)行轉(zhuǎn)數(shù)應(yīng)相應(yīng)減小，供暖熱量減少量與供暖循環(huán)泵運(yùn)行轉(zhuǎn)數(shù)減少量之比應(yīng)為正值；當(dāng)實(shí)際供回水溫度小于目標(biāo)供回水溫度時(shí)，供暖循環(huán)泵運(yùn)行轉(zhuǎn)數(shù)應(yīng)相應(yīng)增大，供暖熱量增加量與供暖循環(huán)泵運(yùn)行轉(zhuǎn)數(shù)增加量之比應(yīng)為正值；根據(jù)比較結(jié)果控制供暖循環(huán)泵的轉(zhuǎn)數(shù)，并將轉(zhuǎn)數(shù)控制在最大轉(zhuǎn)數(shù)與最小轉(zhuǎn)數(shù)之間；通過(guò)控制供暖循環(huán)泵的轉(zhuǎn)數(shù)控制供暖循環(huán)泵的輸出流量，進(jìn)而控制二次供暖管網(wǎng)的實(shí)際循環(huán)流量。

所述步驟b-c 中，二次供暖管網(wǎng)的運(yùn)行阻力是通過(guò)安裝在二次供暖管網(wǎng)上的供回水壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量的；所述步驟d 中，二次供暖管網(wǎng)的供回水溫度是通過(guò)安裝在二次供暖管網(wǎng)上的供回水溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量的；供暖循環(huán)泵的轉(zhuǎn)數(shù)是通過(guò)PLC 和安裝在供暖循環(huán)泵上的變頻器進(jìn)行控制的；所述步驟a-d 中，室外溫度傳感器、供回水壓力傳感器、供回水溫度傳感器、變頻器均與PLC 連接。

3 實(shí)際節(jié)能效果驗(yàn)證

具體實(shí)施時(shí)，通過(guò)下述實(shí)驗(yàn)，可進(jìn)一步驗(yàn)證本方法所述的利用太陽(yáng)輻射補(bǔ)償?shù)墓┡h(huán)泵控制方法的節(jié)能效果。

某換熱站，供暖面積為130000m2，建筑物熱指標(biāo)為60w/m2。建筑物的設(shè)計(jì)室內(nèi)溫度為18℃，設(shè)計(jì)室外溫度為-12℃。換熱站服務(wù)范圍（即二次供暖管網(wǎng)供暖范圍） 內(nèi)建筑物的平均窗墻面積比為0.35，即模擬保溫小室的窗墻面積比為0.35。模擬保溫小室材料為厚0.4mm 的無(wú)花鍍鋅鐵皮，外加厚30mm 的石棉板。測(cè)量二次供暖管網(wǎng)在兩個(gè)工況點(diǎn)的運(yùn)行阻力和循環(huán)流量分別為（405.84 m3/h，41.2m）、（486m3/h，34m）。二次供暖管網(wǎng)的阻力特性曲線為：h=-1.007×10-4q2+57.786。根據(jù)阻力特性曲線計(jì)算得出：當(dāng)供暖循環(huán)泵在工頻運(yùn)行時(shí)，二次供暖管網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行阻力為41.2m，二次供暖管網(wǎng)的實(shí)際循環(huán)流量為405.84m3/h。建筑物的設(shè)計(jì)室外溫度為12℃時(shí)，二次供暖管網(wǎng)的設(shè)計(jì)回水溫度為40℃，設(shè)計(jì)供回水溫差為10℃；建筑物的設(shè)計(jì)室外溫度為-12℃時(shí)，二次供暖管網(wǎng)的設(shè)計(jì)回水溫度為50℃，設(shè)計(jì)供回水溫差為20℃；二次供暖管網(wǎng)的供回水溫度曲線為：th=-0.4167tw+45；tg=-0.833tw+60。供熱公式為：Q=130000×60× (18-tw) /（18+12），供暖熱負(fù)荷與二次供暖管網(wǎng)的循環(huán)流量之間關(guān)系式為：Q=1000/0.86×qΔt。由此得出二次供暖管網(wǎng)的供暖熱負(fù)荷為7800000w，二次供暖管網(wǎng)的最大循環(huán)流量為335.4m3/h。供暖循環(huán)泵的最大頻率（等效于最大轉(zhuǎn)數(shù)） 為41.32HZ。供暖循環(huán)泵的最小頻率（等效于最小轉(zhuǎn)數(shù)） 為28HZ。當(dāng)建筑物室外溫度為-7℃時(shí)，目標(biāo)回水溫度為47.1℃，當(dāng)實(shí)測(cè)回水溫度低于此值時(shí)，供暖循環(huán)泵轉(zhuǎn)數(shù)將增加，供暖熱量增加量與轉(zhuǎn)數(shù)增加量滿足（δΔQ/δt）：（δn/δt） ≧0 時(shí)，供暖循環(huán)泵轉(zhuǎn)數(shù)將繼續(xù)增加（流量增加加強(qiáng)了換熱器換熱）；當(dāng)供暖熱量增加量與轉(zhuǎn)數(shù)增加量不滿足（δΔQ/δt）：（δn/δt） ≧0 時(shí)，供暖循環(huán)泵轉(zhuǎn)數(shù)將不再增加；反之同理。若采用現(xiàn)有供暖循環(huán)泵變頻控制方法，供暖循環(huán)泵的輸出頻率（等效于轉(zhuǎn)數(shù)） 為38.44HZ。若采用本方法所述的利用太陽(yáng)輻射補(bǔ)償?shù)墓┡h(huán)泵控制方法，則供暖循環(huán)泵的輸出頻率（等效于轉(zhuǎn)數(shù)） 為36.69±1.1HZ，由于循環(huán)泵耗電與運(yùn)行頻率的三次方成正比，可得此時(shí)本方法所述的利用太陽(yáng)輻射補(bǔ)償?shù)墓┡h(huán)泵控制方法比現(xiàn)有供暖循環(huán)泵變頻控制方法節(jié)電13%，由此驗(yàn)證了本方法的節(jié)能效果。

4 結(jié)語(yǔ)

利用太陽(yáng)輻射補(bǔ)償?shù)墓┡h(huán)泵控制方法比現(xiàn)有的供暖循環(huán)泵變頻控制方法更加節(jié)電，控制穩(wěn)定，得到驗(yàn)證，并在2012 年已申報(bào)國(guó)家發(fā)明專利，專利現(xiàn)處于實(shí)審階段。當(dāng)然利用太陽(yáng)輻射補(bǔ)償還可用于區(qū)域供熱熱源的控制等多方面，此文旨在拋磚引玉。