“三供一業”供熱分離移交改造中二次網自控系統的設計及應用

張圓圓

（太原市熱力集團有限責任公司，山西 太原030000）

“三供一業”分離移交，有利于國有企業減輕負擔，保障國企輕裝前行，集中精力發展主營業務，也有利于整合資源，改造提升城市基礎設施，實現城市公共事業的專業化和集約化管理，進一步改善職工居住環境[1]。在“三供一業”供熱分離移交改造的過程中，實現了住戶的分戶采暖。為了更好地達到流量平衡和熱量平衡，對改造后的二次管網安裝自控系統。本文以太原市某小區為例，詳細介紹了二次網自控系統的設計原理及方案。

1 熱力站及小區基本情況

1.1 熱力站基本情況

該小區所在熱力站建于2014年，為散熱器供熱系統，設計供熱面積1萬m2，實際供熱面積0.73萬m2，高程791.22m。

1.2 小區基本情況

該小區建于1990年，未節能保溫，且未分戶控制。該小區建筑面積4088m2，設計熱負荷261.63kW，1棟樓4個單元，層高6層，共計78戶。

2 二次網自控系統設計

2.1 二次網平衡控制的基礎理論

由穩態下的熱平衡方程可知，散熱器向房間的傳熱量應與房間向室外傳熱量相等，即：

式（1）中：Qs為建筑物吸收太陽輻射熱；Qr為建筑物內部人員設備散熱；Qg為供熱系統供熱量；Qq為來自相鄰建筑物傳導吸熱；Qs′為建筑物對室外散熱；Qf′為空氣對流通風散熱；Qq′為向其他相鄰建筑物傳導散熱。

其中最主要的是：Qg（供熱系統供熱量）≈Qs′（建筑物對室外散熱）。

式（2）中：KrFr為散熱器的傳熱系數與傳熱面積的乘積，W/℃；KbFb為建筑物的傳熱系數與傳熱面積的乘積（包括冷風滲入的影響），W/℃；tg、th、ts、to分別為供水溫度、回水溫度、室內溫度、室外溫度，℃。

同一時刻，一定區域范圍內的供水溫度大致相同、室外溫度也大致相同。因此，對于二次網平衡及負荷調控時，可以利用供熱的回水溫度來判斷該用戶室內的供熱情況。

2.2 二次網自控系統設計原理

2.2.1 系統介紹

二次網自控系統如圖1所示。

圖1 二次網自控系統示意圖

二次網自控系統由戶用智能調節閥、溫度采集面板、單元水力平衡閥、數據采集箱、平臺軟件組成。在采暖用戶入戶進水管上加裝戶用智能調節閥，樓棟單元回水立管上加裝單元水力平衡閥，樓棟代表性用戶家中加裝室溫面板，設備通過線纜接入數據采集箱，數據采集箱通過4G網絡上傳至總調中心，再通過平臺軟件實現遠程對二次網的管理和調節。

2.2.2 設備說明

2.2.2.1 線材規格

單元干線、單元跨線MBUS信號線：RVVP2×1.0。單元干線DC24V電源線：RVV2×1.5。單元跨線DC24V電源線：RVV2×2.5。采集箱電源AC220V電源線：RVV3×2.5。

2.2.2.2 采集箱

無線電方式采集箱具有無線通訊模塊，與運營商協議后的無線通訊方式需具有運營商認可的無線通訊模塊，可直接傳輸數據至監控中心。采集箱用電由樓棟公共用電提供AC220V電壓，同時需給相關遠傳閥門等供電。

采集箱上行數據傳輸LoRa/無線電/3G/4G/5G/以太網等，根據現場情況選擇傳輸模式；下行數據傳輸采用M-bus。采集箱可對相關監控閥門進行控制并采集狀態信息。

2.2.2.3 室溫采集面板

室溫采集面板具有溫度數據采集和記錄存儲的功能，并且可以通過低功耗網絡上報數據到服務器。室溫采集面板由采集箱供電，可設置數據采集周期和上報周期。室溫采集器具有防止移動報警功能，在用戶私自拆卸移動時，平臺會自動預警，保證室溫采集數據的有效性、合理性[2]。

2.2.2.4 戶控閥

戶控閥是有線遠傳調節閥，可實現調節閥門開度，調節范圍0～100%，可為每戶單獨調節不一樣的開度。戶控閥配有一個LED指示燈，不同顏色代表閥開、閥關、故障狀態。戶控閥通過現場總線傳輸信號至采集箱，由數據采集集中裝置為其提供DC24V電源。

2.2.2.5 系統調節

二次網平衡監控系統基本功能：可以實時在線的監控與管理、診斷與報警、采集與報表、用戶管理、歷史數據存儲與查詢、趨勢曲線、故障診斷分析、Web遠程瀏覽等。系統提供實時的二次網平衡工況情況及評價，根據單元回水溫度，對單元總管的調節閥進行動態調整，可有效地消除二次網的水力失調，實現回水溫度趨于一致，保證各單元供熱效果基本一致[3]。對于單元內垂直失調嚴重的，出現個別住戶室溫異常時，可對入戶閥進行微調。配合二次網平衡情況，可以優化二次網運行工況。二次網平衡度改善后，可以以最低回水溫度為限制值，降低二網循環量，拉大溫差，從而降低換熱站電耗。用戶室溫的統計結果，可以作為熱負荷調度的優化修正指標。

3 小區二次網系統設計方案

小區二次網系統設計方案如圖2所示。

圖2 小區二次網系統設計方案

該小區共計1棟樓宇參與改造，共計78戶。每戶配備智能鎖閉閥一塊，部分鎖閉閥配套溫度采集面板，每單元配置遠傳智能水力平衡閥，每棟樓配置數據采集器。采集器配電由樓棟公用電提供，并由采集器為相應現場設備提供電源。采集箱通過4G網絡實現與調度中心的數據傳輸，通過M-bus下行數據傳輸，實現對現場設備的控制監測。

根據該小區樓棟數、單元數、戶數進行分析設計，該小區需安裝自控設備如下：樓棟數據采集器安裝1臺，配套無線發射、接收一體機1套、樓棟電表1臺；整個樓棟抽樣安裝溫度采集面板，共計16臺；每個單元安裝遠傳智能水力平衡閥1個，共計4臺；每戶安裝遠傳智能鎖閉閥1個，共計78臺。

全網平衡軟件以該小區所屬熱力站為單位，根據該熱力站供熱范圍內各遠傳智能水力平衡閥采集到的回水溫度，統一設定溫度目標，根據目標回水溫度控制遠傳智能水力平衡閥的開度。

該棟樓前安裝數據采集箱，用于采集該樓棟各閥門的狀態、樓棟回水溫度、用戶溫度、通斷狀態等各類情況，同時可以遠程控制各閥門。每個單元前安裝遠傳智能水力平衡閥，控制該棟樓4個單元的流量分配，以達到每個單元的所需流量。若一個單元流量遠小于計算所需流量，則需要開大水力平衡閥；反之，則關小。每戶安裝戶用通斷控制閥，戶控閥有3個指示燈，代表3種狀態，其中：紅燈表示關閉，黃燈表示無信號，綠燈表示開啟。在供暖初期，供熱公司可根據每戶繳納采暖費情況啟閉通斷閥門。在供熱期間，根據戶內溫度采集面板信息，還可以通過戶控閥對個別住戶家中供熱溫度進行調節，溫度過高閉閥，溫度過低開閥。

在調度中心設立分戶表閥聯控系統，配備高性能工程師站、操作員站、服務器及相關組態軟件，該系統具備閥門和熱表數據采集功能、閥門調節和報警等功能。

4 應用效果

經過“三供一業”供熱分離移交改造，更換了老舊小區的庭院管網、樓道立管、戶內采暖系統，通過二次網平衡改造和調節，有效地改善了二次網的平衡狀況，提高了供熱效果，極大地降低了投訴率和能耗。

4.1 供熱效果改善

在2019—2020采暖季，該小區因庭院管網老舊、閥門失靈，導致二次管網無法調節，各樓、單元之間流量分布不平衡，所以存在邊戶、底層因循環不暢，導致供熱效果不良的情況。在2020—2021采暖季，經過二次網平衡的調節，各樓棟之間流量合理分布，每棟樓各單元之間流量分布均衡，實現回水溫度趨于一致，保證各單元供熱效果基本一致。對于個別不熱的住戶，還可以對每一戶進行精準調節，確保每一戶的供熱質量。在本采暖季，該小區住戶室溫合格率達到100%，投訴量減少30%，供熱效果得到極大的改善。

4.2 節能降耗

在2019—2020采暖季，該小區所屬熱力站初寒期循環泵頻率在35Hz，嚴寒期循環泵頻率在45Hz，整個采暖季的平均電單耗為1.33kW·h/m2，平均熱單耗為1.19GJ/m2。在2020—2021采暖季，通過二次網平衡調節，消除了水力失調導致的末端管路的循環不暢，運行更加經濟。在保證良好供熱效果的前提下，本采暖季該小區所屬熱力站循環泵頻率有所下降，平均熱耗、電耗指標均降低，初寒期循環泵頻率在32Hz，嚴寒期循環泵頻率在43Hz，整個采暖季的平均電單耗為1.18kW·h/m2，平均熱單耗為1.12GJ/m2。

5 結論

經過“三供一業”供熱分離移交改造，實現了分戶控制，并通過二次網自控系統對二次網進行實時監控和調節，消除了二次網的水力失調，基本保證各單元、各戶的供熱效果基本一致，基本消除了末端住戶的不利情況，提高供熱舒適度的同時，達到經濟運行、節能增效的目的。