試論太陽輻射補償在二次供暖系統(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)計院，山西 太原 030000）

在集中供熱中，循環(huán)泵的耗能在整個供暖系統(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。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，計算出二次采暖水溫和循環(huán)流量，控制一次側(cè)電動調(diào)節(jié)閥保證二次側(cè)的出水溫度，同時通過變頻改變循環(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調(diào)節(jié)循環(huán)泵輸出流量，國內(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際供回溫度進行對比，進行修正壓差設(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際供回溫度進行對比，進行流量調(diào)節(jié)的控制方式；3） 用室外溫度計算出所在地區(qū)系統(tǒng)標(biāo)準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。在實際生活中，我們注意到陽光對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，晴天會比陰天高出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時采集，和天氣陰晴無關(guān)。我們試圖采用一種方法通過循環(huán)泵用最少的電達到把熱水送到每一個用戶的目的，使用戶保持室內(nèi)溫度18℃±2℃，不得低于16℃。此方法必須把太陽輻射能考慮進去。

2 利用太陽輻射補償?shù)墓┡h(huán)泵控制方法

利用太陽輻射補償?shù)墓┡h(huán)泵控制方法，該方法是采用如下步驟實現(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面，并在模擬保溫小室內(nèi)放置室外溫度傳感器；通過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輻射補償量；

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)的供暖熱負荷計算得出二次供暖管網(wǎng)的最大循環(huán)流量；分別測量二次供暖管網(wǎng)在兩個工況點的運行阻力和循環(huán)流量，并根據(jù)測得的運行阻力和循環(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)泵在工頻運行時，測量二次供暖管網(wǎng)的實際運行阻力；根據(jù)測得的實際運行阻力和阻力特性曲線計算得出當(dāng)供暖循環(huán)泵在工頻運行時二次供暖管網(wǎng)的實際循環(huán)流量；根據(jù)二次供暖管網(wǎng)的實際循環(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：測量二次供暖管網(wǎng)在最不利用戶處的運行阻力；待二次供暖管網(wǎng)的供暖循環(huán)泵降低轉(zhuǎn)數(shù)至運行阻力不能滿足循環(huán)時，將此時供暖循環(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)泵運行轉(zhuǎn)數(shù)的確定：根據(jù)建筑物的設(shè)計室外溫度和二次供暖管網(wǎng)的設(shè)計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算出二次供暖管網(wǎng)的目標(biāo)循環(huán)流量；測量二次供暖管網(wǎng)的實際供回水溫度，并將測得的實際供回水溫度與目標(biāo)供回水溫度進行比較；當(dāng)實際供回水溫度大于或等于目標(biāo)供回水溫度時，供暖循環(huán)泵運行轉(zhuǎn)數(shù)應(yīng)相應(yīng)減小，供暖熱量減少量與供暖循環(huán)泵運行轉(zhuǎn)數(shù)減少量之比應(yīng)為正值；當(dāng)實際供回水溫度小于目標(biāo)供回水溫度時，供暖循環(huán)泵運行轉(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，進而控制二次供暖管網(wǎng)的實際循環(huán)流量。

所述步驟b-c 中，二次供暖管網(wǎng)的運行阻力是通過安裝在二次供暖管網(wǎng)上的供回水壓力傳感器進行測量的；所述步驟d 中，二次供暖管網(wǎng)的供回水溫度是通過安裝在二次供暖管網(wǎng)上的供回水溫度傳感器進行測量的；供暖循環(huán)泵的轉(zhuǎn)數(shù)是通過PLC 和安裝在供暖循環(huán)泵上的變頻器進行控制的；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 實際節(jié)能效果驗證

具體實施時，通過下述實驗，可進一步驗證本方法所述的利用太陽輻射補償?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)計室內(nèi)溫度為18℃，設(shè)計室外溫度為-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 的無花鍍鋅鐵皮，外加厚30mm 的石棉板。測量二次供暖管網(wǎng)在兩個工況點的運行阻力和循環(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)阻力特性曲線計算得出：當(dāng)供暖循環(huán)泵在工頻運行時，二次供暖管網(wǎng)的實際運行阻力為41.2m，二次供暖管網(wǎng)的實際循環(huán)流量為405.84m3/h。建筑物的設(shè)計室外溫度為12℃時，二次供暖管網(wǎng)的設(shè)計回水溫度為40℃，設(shè)計供回水溫差為10℃；建筑物的設(shè)計室外溫度為-12℃時，二次供暖管網(wǎng)的設(shè)計回水溫度為50℃，設(shè)計供回水溫差為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，目標(biāo)回水溫度為47.1℃，當(dāng)實測回水溫度低于此值時，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，供暖循環(huán)泵轉(zhuǎn)數(shù)將繼續(xù)增加（流量增加加強了換熱器換熱）；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，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輻射補償?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)泵耗電與運行頻率的三次方成正比，可得此時本方法所述的利用太陽輻射補償?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%，由此驗證了本方法的節(jié)能效果。

4 結(jié)語

利用太陽輻射補償?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，得到驗證，并在2012 年已申報國家發(fā)明專利，專利現(xiàn)處于實審階段。當(dāng)然利用太陽輻射補償還可用于區(qū)域供熱熱源的控制等多方面，此文旨在拋磚引玉。