城鎮集中供熱系統控制構架分析

袁銀生

（太原熱力設計院（有限公司），山西 太原030006）

1 城鎮集中供熱發展概況

城鎮集中供熱從20世紀50年代起就開始發展，經歷了從無到有、從小到大、從粗獷到精細的發展。時至今日，中國北方城鎮已經基本實現了集中供熱，城鎮集中供熱覆蓋面積逐年增加完善，集中供熱在惠及民生、采暖便利的同時，也在為我們賴以生存的這片藍天而努力。

集中供熱的發展經歷了這么多年，真正的普及、全面發展是最近的20多年，各地的熱力公司都如雨后春筍般地出現，城鎮供熱的管網延伸也如夏天的藤蔓爬向高處、伸向遠方、觸到城鎮的邊緣。一些經濟條件好的城鎮集中供熱的范圍已經覆蓋到了城鎮周邊的村鎮。為響應國家環保政策，各地都在為積極發展和倡導集中供熱，減少污染物煙氣排放、減少熱能損耗努力著。當前集中供熱的發展已經趨于成熟，發展到豐富完善階段，一些綠色供熱、智慧供熱等供熱調節方式發展迅速。而城鎮集中供熱發展初始，供熱方式、供熱思路，以及供熱管網等的設置、供熱控制調節等各方面都比較滯后。在后期運行管理和熱效管理上許多的熱力公司都沒有跟上。供熱調節控制方面還屬于管網調節靠人工，供熱效果靠感覺，用戶室內溫度調控靠窗戶的供熱模式。現如今，這樣高能耗的供熱方式仍有大批量存在，尤其在一些發展滯后的偏遠鄉鎮。

2 城鎮集中供熱運行現狀概況

根據國家建設部2005年第76次部常務會議討論通過，自2006-01-01起施行的《民用建筑節能管理規定》第八條鼓勵發展建筑節能技術和產品的第四項：供熱采暖系統溫度調控和分戶計量技術與裝置。自2008-04-01起施行的《中華人民共和國節能能源法》第三十八條：國家采取措施，對實行集中供熱的建筑分步驟實行供熱分戶計量、按照用熱量收費的制度。新建建筑或者對既有建筑進行節能改造，應當按照規定安裝用熱計量裝置、室內溫度調控裝置和供熱系統調控裝置。

國家的鼓勵政策已經實施了10多年，但是用戶的分戶計量和收費卻一直沒有推行開來，其原因如下：①經濟成本高。經濟回收期不確定。集中供熱屬于國家藍天環保策略指導下的惠民政策，供熱范圍盡量擴大，以減少居民自己采暖的煙氣排放。目前的供熱收費是在按府指導價收費，基本上所有的熱力公司都依靠政府補貼生存，供熱距離越長，建設成本和運行成本都越高，自我生存能力差。②供熱控制系統不支持。集中供熱控制系統已經發展了很多年，按照分類，目前的控制系統一級調節都能實現，二級調節少部分能實現，三級調節基本沒有實施。完善的集中供熱控制系統包含一級調節系統、二級調節系統和三級調節系統。系統容量和復雜程度成倍增加，但沒有一個優化的管理運行理念無法形成一套可行的控制系統。③居民用熱理念不科學、供熱管理不成熟。不同人群對于居住供熱溫度需求不同，對于健康的認識不同。據國內外有關衛生部門的研究結果，當人體衣著適宜、保暖量充分且處于安靜狀態時，室內溫度18℃時無冷感，15℃是產生明顯冷感的溫度界限，本著提高生活質量，滿足室溫可調的要求，并按照國家現行標準GB/T 18883—2002《室內空氣質量標準》要求，把民用建筑主要房間的室內溫度定在16℃以上作為合格溫度，18℃為標準室溫。

而根據國家標準GB 50736—2012《民用建筑采暖通風與空氣調節設計規范》中規定設計集中采暖時，對民用建筑主要房間的室內計算溫度宜采用16～24℃之間，具有一定的波動量。這就否定了一大部分人群以往的認知，不是室內溫度越高越好，室外穿棉襖、室內穿背心的供熱是不健康的環境溫度和高能耗的供熱方式。也不是以往文件規定的18℃就是標準，國家推行分戶供熱的目標就是用戶可以根據不同的需要，確定不同的室內溫度。用戶可以根據自己的需要將室內溫度設定在一個健康的范圍，18～24℃才是健康合理的范圍。調節的杠桿就是按熱量收費。一次量調節控制系統如圖1所示。

圖1 一次量調節控制系統

3 城鎮集中供熱系統控制構架搭建

根據對集中供熱系統運行的需要和控制系統運行情況的調查分析，將集中供熱控制系統搭建總結如下。可以把集中供熱系統控制調節分為三級：一級調節為熱力公司一次管網的流量和溫度調節，二級調節為熱力站二次管網流量和溫度的調節，三級調節為熱用戶端的熱量（流量）調節。

3.1 一級調節

一級調節系統為一次管網流量和溫度的調節，包括熱力站一次流量調節。在供熱系統質與量的調節理論中，流量調節為量調節，溫度調節為質調節。熱力站一次系統根據熱力站的供熱面積和供熱指標計算一次流量值，一次管網根據總的供熱面積和網管外徑、管網長度，管網阻力等因素確定一次管網最小流量和運行流量值。由于熱力系統調節的滯后性，一次系統量調節一般采用分時段間端調節，間斷時間根據一次系統管線的長度決定，一次系統管線的長度越長，間斷時間越長，調節效果的表現越慢。所以，越大的供熱系統調節越慢，也會越復雜，那么調節間斷時間就會越長。而理論上講調節間斷時間越短，節能節耗的效果才能越好。供熱應先保障供熱效果，所以，供熱系統保障供熱效果、減少能耗將是一個長久的過程。

一次量調節根據需要模擬計算循環泵的運行頻率。原則上循環泵出水量大于熱網需要流量，循環泵揚程一定要大于熱網供熱最不利端阻力值，目前各類的控制系統均能做到一級調節。

3.2 二級調節

二級調節系統在北方一線城市的熱力系統中有局部應用，應用效果顯著。理論上二級調節和一級調節相似，調節的主要內容也是流量與溫度的調節（質與量的調節），區別是二次系統面對更多的用戶，二次控制系統比一次系統要小，但是更復雜。一次系統面對幾十、幾百個熱力站用戶，幾十千米管線長度，一個二次系統面對幾百米長的管線，卻有幾千個熱用戶。二次系統更需要注重水流量的平衡。

目前二級調節使用調節范圍能做到建筑樓宇單元之間的調節，根據單元用戶的數量和供熱面積、建筑保溫等情況綜合評估建筑能耗，進行供熱分析系后確定單元流量。這樣已經極大滿足了調節功能，樓宇單元處設置的流量計和調節閥，調節屬于穩定流量類型。基本上是根據用戶數量一個采暖季調節一次，基本能滿足供熱調節要求。

3.3 三級調節

三級調節主要的調節范圍是用戶根據需要的室內溫度進行自我調節。隨著社會經濟發展，居民對于生活舒適度的要求會越來越高，集中供熱采暖時間占比全年40%～55%，屬于提高居住環境舒適的第一項改進內容。根據不同年齡段人群和不同的健康理念，對居住室內的溫度要求區別很大。將社會人群大致分為四類：青少年人群、中年人群、老年人群和身患疾病人群。基本上是老年人群和一些身患疾病的人群對于居住環境要求溫度高，青少年人群和中年人群對居住環境要求溫度往往偏低。

所以，三級調節系統就是解決不同用戶對于供熱需求不同的控制系統。

4 城鎮集中供熱系統控制構架功能總結

要解決三級調節的問題，集中供熱運行的幾個特性必須考慮：①供熱調節延遲性。供熱管網溫度調節到達用戶室內溫度變化均具有一個延遲的時間段，具體和管網延伸長度、室外溫度變化等因素相關。②調節一致性。根據室外溫度變化，所有的用戶調節是一致的，都提高溫度或者都降低溫度。③管網水利平衡的重要性。用戶根據需要的溫度變化，隨意地調節管網流量，會打破已建立的管網水利平衡，會造成局部水利失衡不熱的情況，如果再有部分用戶因不熱而私自放水，那將造成整個管網的輸熱能力降低，供熱效果下降。所以管網水利平衡是一項非常重要的供熱控制指標。

根據以上分析建立一個可行的三級調節系統，其運行可實現的功能如下：①在一級調節系統和二級調節系統的前提下建立三級調節系統，實現完整的控制節能模式。②實現分戶計量和分戶調節，在新建建筑或者改造建筑供熱二次管網中增加入戶熱計量表、室內溫度采集儀表和用戶流量調節閥。用戶在采暖季前申請室內溫度標準，并按預留熱量預存熱費。③在單元流量調節的基礎上建立單元用戶內的流量調節控制模式，負責對單元內用戶的流量控制。用戶采暖數據、采暖面積、室內溫度統一上傳集中供熱的調度中心，調度中心根據用戶申請的熱量標準下發單元流量指令。單元流量控制模塊負責對單元內的用戶流量進行分派、監督和控制。在供熱初期確定用戶居住室內溫度，熱力公司根據不同的建筑能耗電能因素配比給定供熱水流量，并以此確定供熱二級調節系統的流量配比和一級調節系統的流量配比，使整個系統實現水流量的平衡。④在供熱質與量的調節中，量調節基本能達到一個穩定動態平衡，各級調節閥門開度確定不變。這時調節的主要方式就是質調節（溫度調節）。熱力管網根據各自的供熱半徑確定超前調節的時間節點，實現根據室外溫度變化進行熱力預調節。⑤三級調節是在供熱運行初期進行量調節，運行穩定后主要是進行質調節。⑥三級調節系統的運行特性中，一級調節系統小、控制點數少、調節頻繁度高；二級調節系統中、控制系統中、調節頻繁度中；三級調節系統大、控制點多、調節頻繁度小。

5 總結

本文分析了現有集中供熱的控制現狀，提出和分析了三級控制思路，并進行控制條理分析。基于三級控制思路，補充完善了一套可行的控制理論，為更進一步降低熱能損失提供可行的路線。