供熱管網智能管控平臺在高校供熱系統中的節能應用

文_張雯 青島大學

隨著我國“碳達峰、碳中和”目標的提出，綠色低碳發展成為國家戰略的重要一環。對于各類用能單位而言，進一步推動節能減排工作，著力降低自身碳排放水平是對國家戰略的積極響應。建筑節能是我國節能減排工作的重要任務，而隨著各類高校的擴建擴招發展，高校建筑能耗占建筑總能耗的比重日益增長，成為節能減排工作的重點關注方向。由于高校建筑類型多，人流量大等特點，其能耗管理復雜，尤其是占比達總能耗50%以上的北方高校供暖能耗成為高校后勤部門節能工作的重點區域。

對于高校的供熱系統而言，在熱源處基本實現了調控運行，但供熱管網的運行經常處于失控狀態，造成熱源供給側與建筑內使用側的不匹配，導致系統能耗偏高。本文以青島某大學應用供熱管網智能管控平臺為例，提出高校供熱管網水力平衡調控、分時分區控制應用方法，以促進供熱系統節能優化運行。

1 供熱管網運行存在的問題

該大學東校區東院校區總供熱面積為76900m2，其中公共建筑供熱面積為47300m2，學生公寓供熱面積為29600m2；共包含16棟建筑。學校雖注重供熱節能管理，但由于設施陳舊，缺少調控設備，未能實現節能運行。供熱管網投入使用已達20年以上，期間雖有局部區域維護翻新，但總體上管網老化銹蝕、跑冒滴漏、保溫脫落等情況較為普遍。供熱管網敷設跨度較廣，地勢落差較大，各建筑熱力入口管井內供回水管道處僅安裝有關斷蝶閥，其不適宜進行流量調節且部分已銹死，導致管網普遍存在水力失調的現象，造成各建筑物之間的室內溫度偏差較大，冷熱不均。高校內各類建筑由于自身使用功能的不同，每一個時間段內所需的供熱量不同，供熱系統仍按照連續采暖運行，將造成熱能的大量浪費。如，辦公樓只需白天供熱，夜間無人使用時低溫防凍運行即可，不需連續供熱。

2 供熱管網節能改造措施

針對供熱管網存在的問題，在巡查檢修的基礎上，配置供熱管網智能管控平臺，通過自動水力平衡與分時分區控制，使供熱系統自動化節能運行，進一步實現按需供熱。

2.1 改造內容

在每棟建筑單元熱力入口的供回水管路上安裝溫度、壓力傳感器，用來監測管路運行數據；為供暖調控提供依據。在每棟建筑單元熱力入口的回水管路上安裝超聲波熱量表，用來監測管路水流量變化，實時顯示樓棟供熱實際負荷情況；安裝電動調節閥，通過開度設置，對管路流量進行調節。在每棟建筑單元熱力入口的供水管路上加裝過濾裝置，對進入單元的熱媒水進行過濾，保護終端采暖系統的電動調節閥和熱量表的正常使用，延長設備使用壽命。單元節能控制箱就近安裝在各樓棟熱力入口附近，通過校內網將相關數據上傳至供熱管網智能管控平臺，并接受來自平臺的調控指令。在物業中心搭建供熱管網智能管控平臺系統及顯示大屏，并接入熱源側設備的運行數據，對供熱系統的運行集中監視，并根據運行數據分析，優化設置運行策略，以實現節能運行。

2.2 平臺功能

2.2.1 水力平衡調控

節能控制器把二次管網上每一個用熱單元的供回水溫度、壓力、熱量、流量等參數和電動調節閥當前狀態都定時上傳到管控平臺，管控平臺根據運行數據進行分析，對每個單元的運行負荷進行判定和診斷，并考慮室外溫度補償因素，通過加權平均算法，計算每個單元的回水溫度與電動調節閥開度的期望值，然后下發指令至節能控制器進行調節，可將各樓棟回水溫度調節成一致，偏差控制在1℃以內，以實現二次管網水力平衡，減少冷熱不均引起的熱量浪費。

2.2.2 分時分區調控

該校區建筑主要由三大區域組成：教學辦公區、生活區和綜合服務區。各區域之間相對獨立，松散布置，同時又密切關聯；區域內的建筑功能基本一致。根據校園各建筑的區域分布以及用熱特點，通過平臺設定各建筑的供熱運行時間段、防凍運行時間段及相關參數，進行分時分區供熱調控，實現按需供熱，減少持續高負荷供熱所帶來的熱量浪費。分區分區設置情況見表1。

分時分區控制系統可依據熱量需求時間和建筑物熱量需求量的差異，進行分時分區控制。平臺分時分區控制子系統根據各個熱量表采集到的供回水溫度，及各個分支的流量參數，通過無線網絡將這些計算值設定成指令傳送電動調節閥控制箱，電動調節閥會改變閥門開度調節供水流量?？刂葡鋬裙芫W流量，供回水溫度，閥門開度等參數也同時會傳回云平臺，通過這樣的自控調節，達到了節能的目的。

2.2.3 數據管理

能源智能管控平臺是基于物聯網、云計算、大數據等技術的應用，依托互聯網實現各環節信息共享，實現供熱系統全面透徹的信息化管理；采用B/S架構、WEB發布系統、數據庫安裝在云服務器上，客戶端電腦上不需要安裝任何程序，在任何地點、任意時間、通過任何一部可以上網的電腦，打開瀏覽器以自己的身份登錄系統即可訪問；操作簡單，功能多樣；采集現場設備的實時數據，并將數據上傳至平臺，其功能滿足當下智慧精準供熱的需求，本系統本身架構可滿足未來功能的二次擴展開發及預留其他系統接口的功能。

通過與換熱站控制器實時通訊，換熱站控制柜或視頻設備將檢測到的數據和信號實時傳輸到平臺。系統可以存儲長期運行數據，用于供熱生產管理、控制、分析和考核。

智慧供熱管理平臺具有很強的擴展性，能快速實現使用者的個性化定制需求，隨著使用者業務需求的不斷變化，可以增加相應業務的數據庫，增加實現實際業務要求的服務模塊，從而實現新的訪問系統。

該平臺除對供熱管網運行調控外，還具備數據統計分析、異常報警、能耗定額、能耗報表、信息管理等功能，方便進行統一管理，保障熱網安全穩定節能運行。

3 能耗模擬分析與應用

本文采用eQUSET能耗模擬軟件建立該大學節能改造能耗模型，并進行供暖季逐時動態模擬分析。相較于其他能耗模擬軟件，eQUEST計算速度快、能對各種不同的方案進行快速對比，尤其適用于實際工程中的節能技術策略的選擇。

3.1 建筑能耗模型設置

分別建立改造前和改造后的兩個建筑能耗模型，兩個模型除了節能改造方案中的優化措施，其余氣象參數、建筑設置等完全一致。由于水力平衡因素對供熱能耗的影響較難用數據進行反映，本次能耗模擬重點分析分時分區控制對供熱運行的節能效果。改造前能耗模型方案：模擬校區內所有建筑在采暖期采用24h連續供暖的能耗情況；改造后能耗模型方案：按建筑功能分區的運行時間設置進行模擬。

校區內建筑按使用功能分為4個區，每個區內有多棟建筑，功能相近。為避免全部建筑建模所導致的能耗模擬3D模型文件較大，進而導致模擬計算緩慢，本次在建模過程中，將同功能區內的相近建筑簡化為一個或兩個建筑模型。簡化并不是減少建筑的面積，而是把建筑的面積累加到所建模型中，這樣既避免了模型無法反應真實的情況，又不影響分區內建筑能耗的模擬計算。

根據校方提供的建筑基本信息資料及建筑圖紙，并輸入當地室外氣象參數、各建筑運行時間參數等信息，采用eQUEST模擬軟件建立建筑能耗模型，并經相應的簡化處理，共分為4個建筑能耗模型即教學區、辦公區、宿舍區和食堂，建筑能耗模型外觀見圖1。

圖1 建筑能耗模型

3.2 模型驗證

利用所建立的能耗模型以及相應的運行參數設置，模擬計算2019～2020年度供暖季耗燃氣量，并以相同時間范圍內的實際數據進行驗證。學校采暖期為11月15日～1月10日和2月19日～4月5日（1月11日～2月18日為寒假，期間不供熱）。

通過模型計算，供暖季天然氣耗熱量為37820MBTu，換算成天然氣耗量為1070306m3（1MBTu≈28.3m3天然氣），模擬計算結果截圖見圖2。該結果與實際天然氣耗量1073143m3相比，相對誤差為0.3%，表明模擬軟件的輸出數據可信，可用于運行情況的分析。

圖2 改造前能耗模擬計算結果截圖

3.3 節能模擬計算

通過采取供熱管網智能管控平臺的分時分區節能運行優化措施后，對應節能改造后的優化模型參數，經模擬計算，可得供暖季天然氣耗熱量為28020MBTU，換算成天然氣耗量為792966m3，模擬計算結果截圖見圖3。

圖3 改造后能耗模擬計算結果截圖

模擬計算節約天然氣耗量為277340m3，節能率為25.9%，節能量折標準煤為360.5t。通過模擬分析，該供熱管網智能管控平臺在供熱系統節能改造應用中節能效果明顯，既可降低運行能耗，又能節省運維管理的人力物力。

3.4 實際節能量審計

根據校方提供的2020～2021年度供熱季天然氣貿易結算量為812589m3，與上一年度供熱季天然氣耗量1073143m3相比，節約天然氣耗量為260554m3，節能率為24.2%，節能量折標準煤為338.6t，平臺實際運行節能效果明顯。模擬計算結果與實際數據相比，相對誤差為2.4%，模擬計算結果具有較高的可信度。

4 結語

高校供熱系統的運行應綜合考慮熱源、二次管網及建筑內末端的使用情況，尤其是供熱管網一般處于地下敷設，敷設面積廣，難以調控，使熱能的供應與使用不匹配而造成能源的浪費。通過應用供熱管網智能管控平臺，采取水力平衡調控基礎上的分時分區控制，可明顯降低供熱運行能耗，達到20%以上的節能效果，并有利于統一管理，節約人力資源，適合在北方高校推廣應用。