基于精細(xì)化控制的供熱系統(tǒng)節(jié)能分析

李 瀛

濟(jì)寧市恒誠(chéng)熱力設(shè)計(jì)工程有限公司 山東 濟(jì)寧 272000

1 前言

供熱網(wǎng)絡(luò)管理的過(guò)程中因?yàn)楣嵯到y(tǒng)自身存在時(shí)間滯后以及建筑具有熱惰性，導(dǎo)致以實(shí)際控制的過(guò)程中可能會(huì)存在控制效果延后等問(wèn)題，導(dǎo)致水熱不平衡等問(wèn)題，文章使用分布式變頻技術(shù)和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)供熱站和換熱站之間的高效控制。

2 供熱系統(tǒng)控制現(xiàn)狀

我國(guó)北方城鎮(zhèn)地處寒冷和嚴(yán)寒地區(qū)，由于采暖期長(zhǎng)、供熱面積基數(shù)大，采暖能耗占中國(guó)建筑用能的很大一部分，是我國(guó)目前建筑節(jié)能的主要對(duì)象。隨著鍋爐效率的提高及建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能的加強(qiáng)，我國(guó)單位面積采暖能耗逐漸降低，但是隨著集中供熱市場(chǎng)的逐年擴(kuò)大，總體采暖能耗仍持續(xù)增長(zhǎng)。北方地區(qū)為了應(yīng)對(duì)冬季的寒冷氣候，供熱系統(tǒng)大都采用連續(xù)運(yùn)行的方式，運(yùn)行時(shí)間基本上都在100天以上。北方城鎮(zhèn)建筑供暖典型的“全時(shí)間、全空間”特征，是導(dǎo)致采暖能耗大的主要原因。為減少建筑能耗，我國(guó)對(duì)北方地區(qū)既有和新建采暖建筑提出了一系列的節(jié)能要求，使得建筑單位面積能耗有明顯的下降。然而，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于運(yùn)行調(diào)節(jié)不到位，建筑室溫偏高的現(xiàn)象普遍存在，能源浪費(fèi)嚴(yán)重。當(dāng)維持室溫為18℃時(shí)，北方城鎮(zhèn)建筑采暖需熱量在0.23～0.42GJ/(m2-a)之間。實(shí)際上，由于大部分建筑的室內(nèi)溫度高于18℃，甚至有的用戶高達(dá)25℃以上，導(dǎo)致北方城鎮(zhèn)建筑采暖實(shí)際用熱量在0.4～0.55GJ/(m2-a)之間，平均約為0.47GJ/(m2-a)。究其原因，一方面是供熱按面積收費(fèi)的方式，用戶沒(méi)有節(jié)能的積極性；另一方面是換熱站及末端設(shè)備調(diào)節(jié)手段不到位，無(wú)法適應(yīng)負(fù)荷變化的要求。山東省臨沂市區(qū)內(nèi)現(xiàn)有不同體制不同規(guī)模的供熱企業(yè)共9家、鍋爐總臺(tái)數(shù)達(dá)到179臺(tái)，集中供熱面積達(dá)到1.78億m2。目前，山東省某市區(qū)建筑總面積約為3.70億m2，集中供熱普及率僅為48.1%，供熱市場(chǎng)廣闊。若所有建筑采暖用熱量控制為0.31GJ/(m2-a)，3.70億m2供熱面積的節(jié)能量為0.592億GJ。按山東省臨沂市集中供熱收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)的44元/GJ計(jì)算，年節(jié)能集中供熱費(fèi)用約26.048億元，節(jié)能潛力巨大。本文分析了山東省臨沂市新建建筑的理論耗熱量，然后給出了實(shí)際負(fù)荷的預(yù)測(cè)方法；結(jié)合山東省某熱力公司的管網(wǎng)和用戶分布設(shè)計(jì)了分布式變頻供熱系統(tǒng)，并編制了精細(xì)化控制軟件；通過(guò)一個(gè)采暖期的運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)的節(jié)能效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

3 分布式變頻設(shè)計(jì)

山東省臨沂市冬季采暖室外計(jì)算溫度為-3.4℃，實(shí)際采暖期為120天，接近日平均溫度≤+8℃的天數(shù)，因此，采暖期室外平均溫度按2.6℃計(jì)算。熱負(fù)荷指標(biāo)按規(guī)范[3]推薦的節(jié)能建筑數(shù)值選取。考慮到住宅建筑、辦公建筑、賓館建筑、工業(yè)建筑的用熱時(shí)段及室溫設(shè)定值不同，對(duì)這幾類建筑的理論耗熱量分別進(jìn)行推算。目前，我國(guó)北方城市的供熱系統(tǒng)仍以枝狀管網(wǎng)為主。在熱能輸送方式上，多采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行方式，即在熱源廠統(tǒng)一設(shè)置循環(huán)水泵，由其承擔(dān)熱源內(nèi)部阻力、輸送及輸配管網(wǎng)阻力、換熱站或其他末端系統(tǒng)阻力，用戶處不需在城市熱網(wǎng)側(cè)設(shè)置水泵。熱源循環(huán)水泵揚(yáng)程依據(jù)最不利環(huán)路的阻力進(jìn)行配置，以滿足遠(yuǎn)端用戶的用熱需求；近端用戶資用壓差過(guò)大，采用閥門(mén)進(jìn)行強(qiáng)制節(jié)流，以達(dá)到近端與遠(yuǎn)端的水力平衡要求。實(shí)際運(yùn)行中，對(duì)于規(guī)模較大的供熱管網(wǎng)，由于近端用戶調(diào)節(jié)閥處的壓差遠(yuǎn)大于閥門(mén)的調(diào)節(jié)范圍，導(dǎo)致近端用戶超流量現(xiàn)象大量存在，成了北方地區(qū)城鎮(zhèn)供暖每年都要面臨的困擾。為了解決末端不熱的問(wèn)題，熱力公司往往采取加大流量的措施，從而進(jìn)一步擴(kuò)大了超流量用戶的范圍。相比于調(diào)節(jié)閥，基于變頻技術(shù)的水泵調(diào)節(jié)流量的方式更為方便、可靠。在實(shí)際應(yīng)用中，降低熱源廠主循環(huán)水泵的揚(yáng)程，讓其僅克服熱源廠內(nèi)部的阻力，這樣使得熱源廠設(shè)備承受的壓力大為降低，水泵的運(yùn)行能耗也大幅度降低。由于熱源水泵揚(yáng)程不能克服熱源廠外的阻力，因此，所有熱用戶都必須在城市熱網(wǎng)側(cè)設(shè)置水泵，用以克服熱源廠至熱用戶之間的阻力。在熱用戶處設(shè)置的這一水泵稱為分布式變頻水泵。這樣一來(lái)，將在熱源處形成大流量、小揚(yáng)程水泵，在用戶處形成小流量、揚(yáng)程隨距離熱源距離逐漸增大的水泵。熱源大流量水泵與各用戶的小流量水泵串聯(lián)運(yùn)行，各用戶的小流量水泵并聯(lián)運(yùn)行。所有水泵均通過(guò)頻率控制實(shí)現(xiàn)各供暖用戶的水力平衡。這一系統(tǒng)即為分布式變頻供熱系統(tǒng)。自動(dòng)化程度較好的分布式變頻系統(tǒng)可省去調(diào)節(jié)閥門(mén)，同時(shí)可降低供熱系統(tǒng)供水管道的壓力水平，系統(tǒng)更加安全。

4 精細(xì)化控制

檢測(cè)參數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)，主要包括室外氣象參數(shù)(溫度、濕度、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射等)，城市熱網(wǎng)供、回水溫度，用戶熱網(wǎng)供、回水壓力，城市熱網(wǎng)流量，用戶熱網(wǎng)供、回水溫度，用戶熱網(wǎng)供、回水壓力，分布式水泵運(yùn)行反饋。根據(jù)檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算，得到各用戶的熱負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果。通過(guò)調(diào)節(jié)用戶分布式變頻水泵的轉(zhuǎn)速，改變城市熱網(wǎng)在用戶處的回水溫度，從而保證城市熱網(wǎng)的供、回水平均溫度在所需的數(shù)值上，保證換熱器的傳熱溫差，進(jìn)而保證熱用戶的供熱量。用戶管網(wǎng)側(cè)的流量，按照壓差調(diào)節(jié)的方法進(jìn)行用戶處水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)整。城市熱網(wǎng)為典型的量調(diào)節(jié)。

結(jié)束語(yǔ)

考慮到實(shí)際管理過(guò)程中環(huán)境的擾動(dòng)情況以及溫度變化等問(wèn)題都會(huì)對(duì)建筑的熱負(fù)荷產(chǎn)生十分直觀的影響，實(shí)際進(jìn)行供熱系統(tǒng)管理的過(guò)程中必須要結(jié)合各種環(huán)境因素，進(jìn)行精細(xì)化管理。