河北工業大學能源與環境工程學院 楊華 王晉達 趙福松
【摘 要】提高供熱系統的運行管理水平、改善系統水力、熱力失調,是實現供熱系統供需平衡、降低運行能耗的有效手段。樓宇換熱站由于其安裝配置靈活、調節響應快速的特點,在我國許多地區開展了示范應用。然而,由于運行管理水平與經驗的不足,大量樓宇站供熱系統并未實現“按需供熱、節能降耗”的設計初衷。本文基于承德某樓宇站供熱系統的現場調研,提出一種“新型分時段變溫調控方法”,該方法根據室外氣溫的波動幅度對一天內的供熱調節時段進行劃分,并分別計算某時段內的二次網供水溫度及循環流量?,F場測試表明,新型調控方法能夠有效降低室溫波動范圍,同時獲得可觀的節能效果(系統總運行能耗減少11.42 %,二次網循環泵電耗減少20.83 %)。
【關鍵詞】供需平衡;樓宇換熱站;分時段變溫調控;運行節能
1 樓宇換熱站的基本特點與組成結構
改變供熱系統的“大流量、小溫差”運行模式、實現熱量供需的精準匹配是改善系統熱力失調、降低循環泵電耗及供熱運行能耗的重要措施。表1對比分析了當前供熱領域的兩類主流間接連接系統。
由于組成結構方面的差異,樓宇站供熱系統在實現熱量實時供需匹配、精細化智能運行管理等方面具備先天優勢[1]。我國部分新建供熱項目即采用了樓宇換熱站的系統形式,以期實現供熱系統的運行節能。
表1 不同類型的間連供熱系統
樓宇站供熱系統的基本組成結構如圖1所示(與區域換熱站的組成結構基本相同,只是換熱能力與設備體積大幅減?。?,常規的“氣候補償調節[2]”由兩部分組成:1)PLC控制器根據室外溫度的實時監測數據計算得到二級網供水溫度的設定值,通過調節板式換熱器一次側電動調節閥的開度,使二級網實際供水溫度跟隨設定值實時變化;2)溫控閥對進入室內散熱末端的循環水流量進行調節,完成室溫自主調控。
圖1 樓宇站供熱系統的主要組成結構與氣候補償調節
2 承德某樓宇站供熱系統的運行現狀
圖2所示為承德嘉和廣場某樓宇換熱站系統2018~2019供暖季某典型日(12/10)全天的運行觀測數據,該樓宇換熱站一天內的二級網供、回水溫度和循環流量基本維持恒定(分別穩定在44 ℃、36 ℃、25 t/h附近),總供熱功率的波動范圍同樣較?。ù蠹s210 kW),并未根據室外溫度的逐時變化調整總供熱量,氣候補償調節的節能潛力未得到有效發揮。本文將這種運行調節模式稱為“恒定供熱”
(a) 供、回水溫度 (b) 循環流量與總供熱功率
圖2 樓宇站系統二級網的實時供回水溫度、循環流量與總供熱功率
在12月10號當天對該樓宇站系統內的3個典型房間(平面位置相同,但分別處于低、中、高不同樓層)進行同步觀測,室溫變化曲線如圖3所示。顯然,在恒定供熱模式下房間的室溫日變化幅度較大:I)102/802號房間的室溫在夜間時段甚至可能小于16 ℃的設計下限;II)1502號房間的室溫在15至21時的大部分時間超過22 ℃。
圖3 樓宇站系統典型建筑用戶的室溫變化曲線(2018/12/10全天)
3 分時段變溫調控的基本理論
理想化的樓宇站氣候補償調節要求換熱器一次側電動調節閥與二次側變頻循環泵跟隨室外溫度的波動變化實時調整,然而經典的反饋控制方法并不適用于熱慣性較大的供熱系統,可能出現難以預料的系統震蕩;另一方面高頻的調節指令必然影響執行器的運行可靠性與使用壽命。
文本提出一種新型的“分時段變溫調控”方案,具體實施方法為:1)通過調整換熱器一次側電動調節閥開度與二級網循環泵流量,維持某調節時段內二級網供水溫度與供回水溫差的恒定;2)不同時段二級網的供水溫度由該時段的室外平均氣溫計算得到。日內不同調節時段的劃分原則包含以下2條:1)應盡可能減少一天當中的時段劃分數量;2)每一劃分時段內,室外溫度的變化幅度小于“基準溫差?T”。假設某典型日的室外氣溫變化曲線如圖4所示,可見當?T取2 ℃時,則能夠劃分出6個不同的調節時段。
圖4 典型日的室外溫度變化曲線與分時段劃分方法
在不同調節時段內,二級網的設計供、回水溫度(ts,ref tr,ref)可由基本供熱調節公式計算得到,其數學表達式為(建筑用戶的散熱末端為散熱器):
(1)
式中:tn為室內設計采暖溫度,℃;?ts’為散熱器的設計平均散熱溫差,℃;b為散熱器的對流散熱系統,取0.3;β為供熱系統的相對熱負荷比;?t’為二級網的設計供回水溫差,℃;Tout,av為某調節時段內的室外平均溫度,Tout’為供熱系統的設計室外計算溫度。
4 實際案例的測試與分析
承德嘉和廣場某樓宇站供熱系統的二級網設計供、回水溫度為45/37 ℃,選取相同月份另一個典型日(12/15,室外平均溫度與變化趨勢基本相同)實施案例系統的分時段變溫調控(?T取2 ℃),相應的系統調節參數見表2。
表2 分時段變溫調控的相關參數
當樓宇站供熱系統采用分時段變溫調控,二級網的設計供、回水溫度及循環流量在一天當中階梯式變化,將系統的供熱參數在一天內進行積分,則可得到不同運行調節模式樓宇站供熱系統的日內總供熱量與循環泵電耗。
表3的數據顯示,分時段變溫調控的運行節能效果十分可觀,循環泵電耗甚至可降低20.83 %。圖5所示為不同建筑用戶室內溫度的實時觀測數據,相比“恒定供熱”,分時段變溫調控能夠保障用戶的基本供熱需求(大于16℃)、且有效避免室內過熱(小于22℃)。
表3 分時段變溫運行調控的節能效果
圖5 分時段變溫調控作用下典型建筑用戶的室溫變化曲線(2018/12/15全天)
5 結論
(1)樓宇換熱站運行調節靈活、響應快速,是實現熱能供需匹配的理想供熱系統結構;
(2)相比樓宇站供熱系統的恒定供熱模式,分時段變溫調控具有可觀的節能效果,案例系統的總供熱量和循環泵電耗分別可降低11.42 %和20.83 %;
(3)分時段變溫調控的調節周期較長(與基準溫差?T和室外溫度變化情況有關),相比常規的氣候補償調節,分時段變溫調控模式下執行器的可靠性和使用壽命更高。
參考文獻
[1] 王力杰, 龐印成, 辛奇云等. 樓宇換熱站技術特點與應用分析[J]. 區域供熱, 2014, 6: 59-63.
[2] 陳亮. 氣候補償器在供熱系統中的應用[J]. 建筑科學, 2010, 26(10): 42-46.
備注:本文收錄于《建筑環境與能源》2020年10月刊總第37期(第22屆全國暖通空調制冷學術年會文集)。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。