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摘要：為了解決二次網(wǎng)“前端熱、末端涼（水平失調(diào)），首層熱、頂層涼（垂直失調(diào)）”的問題，構(gòu)建新型數(shù)字化、智能化二次網(wǎng)熱平衡系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)舒適供熱，本文探討了岳康園高區(qū)戶間熱平衡系統(tǒng)的架構(gòu)、控制方案和室溫估算技術(shù)，分析了戶間熱平衡系統(tǒng)的調(diào)控過程和運(yùn)行效果，確定了后續(xù)完善方案。

關(guān)鍵詞：熱平衡；供熱；調(diào)節(jié)；室溫；節(jié)能降耗

0 引言

本公司于2019年10月對岳康園高區(qū)搭建了戶間熱平衡系統(tǒng)，開展戶間熱平衡的應(yīng)用與研究。該系統(tǒng)由可調(diào)控?zé)崃勘怼⒓€器、集抄器和數(shù)據(jù)中心等部分組成，以熱用戶室溫為最終調(diào)控目標(biāo)。運(yùn)行5個月以來，通過持續(xù)的調(diào)試和優(yōu)化，已基本實(shí)現(xiàn)戶間平衡，可隨室外溫度、二次供溫等參數(shù)變化進(jìn)行自動調(diào)整，運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能效果顯著，為后續(xù)精準(zhǔn)舒適供熱項(xiàng)目的升級優(yōu)化提供了前提條件和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 背景簡介

岳康園高區(qū)由3幢公寓的高層部分組成，共7層（11~17層），2009年建成，包含49戶住宅，采用散熱器散熱，總面積4131.4 m2，其中正常用熱45戶，報停4戶，實(shí)際供熱面積3829.27 m2，采用獨(dú)立的換熱機(jī)組供熱，循環(huán)泵功率2.2 kW,額定流量20.5 t/h，2018-2019采暖季運(yùn)行方式為工頻運(yùn)行。

2 項(xiàng)目內(nèi)容

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

戶間平衡系統(tǒng)由可調(diào)控?zé)崃勘?、集線器、集抄器和數(shù)據(jù)中心等部分組成，可調(diào)控?zé)崃勘韮?nèi)置調(diào)節(jié)閥，通過設(shè)定，可自動調(diào)節(jié)入戶流量。本系統(tǒng)共49只可調(diào)控?zé)崃勘恚鳛槟┒苏{(diào)控設(shè)備（也可以作為熱用戶的熱計量設(shè)備）安裝于住戶進(jìn)水管，由Enbus數(shù)據(jù)總線和集抄器進(jìn)行通訊。集抄器通過4G數(shù)據(jù)通訊模塊和數(shù)據(jù)中心進(jìn)行遠(yuǎn)程無線通訊，實(shí)現(xiàn)溫度、流量、熱量和指令等信息的傳輸。熱量表集抄管理軟件運(yùn)行于數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)服務(wù)器，通過互聯(lián)網(wǎng)和集抄器保持遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 戶間平衡系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，用于可調(diào)控?zé)崃勘淼谋O(jiān)控。數(shù)據(jù)中心安裝熱量表集抄管理軟件、WEB服務(wù)模塊、控制算法模塊、室溫軟測量模塊等，平臺主頁面如圖2所示。

圖2 軟件監(jiān)控平臺主頁面

本系統(tǒng)同時嘗試采用室溫軟測量技術(shù)，即通過入戶供回水溫度、流量、房間供熱功率和傳熱系數(shù)等參數(shù)與室內(nèi)溫度的內(nèi)在關(guān)系，間接推算出用戶室內(nèi)溫度，實(shí)現(xiàn)該技術(shù)在室溫監(jiān)控和戶間平衡中的應(yīng)用。

2.2 控制方案

供熱的目的是要為用戶提供舒適的室內(nèi)溫度。供熱系統(tǒng)平衡是實(shí)現(xiàn)供熱目的、節(jié)約運(yùn)行的基礎(chǔ)。各熱力站（熱用戶）運(yùn)行的實(shí)際熱量與規(guī)定的熱量不一致性稱為熱力失調(diào)[1]。為了嘗試解決熱力失調(diào)，本系統(tǒng)控制方案采用“質(zhì)調(diào)節(jié)”和“量調(diào)節(jié)”相對獨(dú)立運(yùn)行的方式，由戶間平衡系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“量調(diào)節(jié)”，由換熱站二次供溫自控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“質(zhì)調(diào)節(jié)”。同時，戶間平衡系統(tǒng)提供流量指數(shù)和熱量指數(shù)，指導(dǎo)換熱站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。具體實(shí)施方案如下：

2.2.1 量調(diào)節(jié)

為了實(shí)現(xiàn)各住宅的室溫均衡，對入戶流量應(yīng)進(jìn)行平衡控制，本項(xiàng)目采用流量分配系數(shù)L進(jìn)行調(diào)節(jié)。

    L=(T2-T)/(T1-T)                                                  （1）

式中：L——流量分配系數(shù)；                            

           T——室內(nèi)期望溫度，一般設(shè)置為22 ℃；

T1——熱量表二次供水溫度，℃；

T2——熱量表二次回水溫度，℃。

可調(diào)控?zé)崃勘戆词孪仍O(shè)定的流量分配系數(shù)L調(diào)節(jié)閥門的開度，閥門開度1小時糾偏一次，使系數(shù)L保持穩(wěn)定。L一般取值為0.5~0.9之間，極端的當(dāng)L=1時，此時默認(rèn)T1=T2,熱量表閥門將全開，當(dāng)L=0時，閥門大部分時間將處于關(guān)閉狀態(tài)。為了尋找供熱量值Q=室內(nèi)需熱量q時的L值，本項(xiàng)目需要在前期進(jìn)行相應(yīng)的L值系數(shù)修正和數(shù)據(jù)分析，如下圖3~圖5所示。

圖3為岳康園10門1101室L值系數(shù)的修正過程與數(shù)據(jù)記錄。該室在換熱機(jī)組供熱上游區(qū)域，且屬于邊戶，流量較充足，初始設(shè)置系數(shù)L為0.80，經(jīng)入戶測溫，室溫可達(dá)25 ℃，經(jīng)過多次修改后，最終設(shè)置系數(shù)L為0.75，后期運(yùn)行數(shù)據(jù)變化見圖4。

在2月22日將L值設(shè)定為0.75后，閥門開度在23%~30%之間動作?？梢詮膱D4看出，3月15日之前流量變化基本與閥門開度變化一致，3月15日之后流量變化對閥門開度變化較敏感。經(jīng)分析，是因?yàn)?月15日之后受室外溫度升高影響，各調(diào)節(jié)閥開度減小，且循環(huán)泵一直以45 Hz運(yùn)行，導(dǎo)致流量富裕，壓頭增大所致。該房屋熱量供應(yīng)充足，室溫均在24 ℃以上，目前戶內(nèi)期望溫度為22 ℃。下一采暖季可嘗試調(diào)降低L值設(shè)置、降低同環(huán)境下二次供水溫度或降低循環(huán)泵頻率等措施，探索更優(yōu)化的運(yùn)行方案。

圖5所示9門1502室屬于中間位置。上述調(diào)控數(shù)據(jù)說明，閥門開度的變化對流量的變化影響較大，且閥門開度在20%~25%之間動作，便可保證室內(nèi)溫度達(dá)到22 ℃，進(jìn)一步說明該區(qū)域壓頭充足，供熱效果好，同時對調(diào)節(jié)閥的測控精度要求也較高。目前該該戶用調(diào)節(jié)閥可以滿足測控要求，但后期對調(diào)節(jié)閥的控制算法還需進(jìn)一步優(yōu)化，以適應(yīng)小開度下的調(diào)控相關(guān)要求。

2.2.2 質(zhì)調(diào)節(jié)

二次網(wǎng)熱平衡系統(tǒng)采用換熱站平衡系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的質(zhì)調(diào)節(jié)，即自動控制二次網(wǎng)供水溫度?？烧{(diào)控?zé)崃勘硗ㄟ^室溫軟測量獲取每個住宅的室溫估算值，并根據(jù)面積和室溫設(shè)定值，計算小區(qū)的加權(quán)平均室溫，并根據(jù)氣象的室外溫度給出溫度指數(shù)，管理人員可參考該溫度指數(shù)，確定二次網(wǎng)供溫值。

本項(xiàng)目目前處于初期階段，重點(diǎn)是對二次網(wǎng)的量調(diào)節(jié)、戶間室溫平衡和數(shù)據(jù)積累，后期將依據(jù)初期積累的數(shù)據(jù)完成對二次網(wǎng)的質(zhì)調(diào)節(jié)。

2.3 室溫軟測量

室溫軟測量是內(nèi)置在可調(diào)控?zé)崃勘淼囊豁?xiàng)重要功能，通過測量流速、供水溫度、回水溫度等數(shù)據(jù)，并結(jié)合建筑物特征、氣候等參數(shù)，輔以入戶測溫、室溫傳感器的室溫抽樣，以及大數(shù)據(jù)回歸分析等，對建筑物建立熱傳導(dǎo)模型，從而估測出室內(nèi)的溫度。

2.4 系統(tǒng)調(diào)控

岳康園高區(qū)換熱機(jī)組供熱區(qū)域?yàn)樵揽祱@8號、9號和10號樓的11至17層共49戶住宅，停供4戶，實(shí)際參與調(diào)控的45戶。本項(xiàng)目2019年11月4日投入運(yùn)行，初期主要進(jìn)行通訊網(wǎng)絡(luò)的調(diào)試，安裝和運(yùn)行狀態(tài)的排查，之后，設(shè)置每個住戶的基本參數(shù)，設(shè)置室溫設(shè)定值，設(shè)置流量調(diào)節(jié)系數(shù)L的初值、設(shè)置室溫軟測量參數(shù)初值等。

由于調(diào)控初期室溫較高，室溫設(shè)定值T按保守值設(shè)置，T=22 ℃。系數(shù)（L值）也按保守值設(shè)置，頂樓戶為0.9，邊戶0.8，中間戶0.7。室溫軟測量所需的參數(shù)均按二步節(jié)能建筑相關(guān)參數(shù)設(shè)置。

12月24-25日兩天，戶用熱量表全開，平均室外溫度為1.03 ℃，供水溫度為44.58 ℃，回水溫度為40.18 ℃，循環(huán)泵頻率為45 Hz,日耗熱量12.01 GJ,度日數(shù)熱耗為1.77 W/(m2?℃)，戶表的流量與回溫分布不均勻。經(jīng)過2019年12月25日實(shí)地考察并入戶測溫，測溫結(jié)果如表1：

表1：12月25日岳康園入戶測溫記錄

通過入戶測溫發(fā)現(xiàn)個別用戶家中存在散熱器改地暖現(xiàn)象（如8門1703、9門1502、10門1602等），各住宅溫度差異較大，入戶測溫邊戶與頂戶溫度分布在18 ℃到22 ℃（采集自邊戶10門1201：21.9 ℃、邊頂戶10門1701：18.1 ℃、頂戶9門1701：21 ℃、邊戶8門1103：20 ℃），中間戶溫度分布在21 ℃到24 ℃（采集自8門1301：21.5 ℃、9門1201：23.9 ℃、10門1602：24.5 ℃）。通過入戶調(diào)查，部分住戶對暖氣閥門進(jìn)行了調(diào)整（關(guān)閥），僅開啟臥室、衛(wèi)生間閥門，更有用戶家中閥門基本全關(guān)。

入戶流量和回水溫度是戶間平衡調(diào)節(jié)的重要依據(jù)，可以分析出戶間平衡狀況，以及給出對應(yīng)的調(diào)整策略，直接指導(dǎo)戶間平衡調(diào)節(jié)[2]。通過調(diào)控平臺獲取的各戶流量和回水溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)過整理分析發(fā)現(xiàn)，岳康園高區(qū)存在典型的流量分配不合理、回水溫度參差不齊的現(xiàn)象，部分用戶流量在0.9 m3/h以上（如8門1101、9門1201、10門1502等），而另有部分用戶在0.1 m3/h以下（如9門1301、10門1602、10門1201等）。如圖6為開啟控制前各戶流量分布，圖7為開啟控制前各戶回溫分布。

本項(xiàng)目自12月4日開啟自動控制，可調(diào)控?zé)崃勘砀鶕?jù)設(shè)定的系數(shù)L，對每戶的流速進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到流量調(diào)節(jié)系數(shù)L的要求。至12月28日頂戶邊戶與中間戶室溫差異減少了2 ℃，頂樓住戶平均室溫提高了2 ℃左右，基本與預(yù)期效果一致。經(jīng)過2019年12月28日實(shí)地考察并入戶測溫，測溫結(jié)果如表2：

表2 12月28日岳康園入戶測溫記錄

通過調(diào)控平臺獲取的各戶流量和回水溫度數(shù)據(jù)，中間戶流量集中在0.3 m3/h以下，邊戶流量集中在0.6 m3/h以下，頂戶流量基本在0.9 m3/h以上，二次總流量由18.5 m3/h降至16.5 m3/h，降幅為10.81%；中間戶回溫集中在38 ℃以下，邊戶回溫在38 ℃到39 ℃，頂戶回溫在39 ℃以上，換熱機(jī)組二次側(cè)供回溫差由5.2 ℃拉大至5.8 ℃，增幅為11.54%。經(jīng)過以上測算，各戶流量與回溫分布已基本達(dá)到平衡，如圖9為開啟控制后各戶流量分布，圖10為開啟控制后各戶回溫分布。

另外，圖8中部分用戶流量變化不明顯，與調(diào)控預(yù)期相悖。經(jīng)入戶測溫調(diào)查，發(fā)現(xiàn)存在自主關(guān)閥的現(xiàn)象（如8門1603，9門1602），主要原因是樓上住戶為地采暖，地采暖傳導(dǎo)輻射的溫度，使樓下關(guān)閥戶室內(nèi)熱功率充足或室溫足夠。

3 系統(tǒng)運(yùn)行效果

3.1 設(shè)備與調(diào)控分析

岳康園高區(qū)在整個運(yùn)行調(diào)控期間，49臺熱表上數(shù)率100%，自控率100%，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，計量準(zhǔn)確。

根據(jù)室溫軟測量所估算出的室溫以及抄表顯示數(shù)據(jù)，小區(qū)已初步解決了垂直失調(diào)，基本實(shí)現(xiàn)了戶間平衡的目標(biāo)。本系統(tǒng)選取了兩個不同時間的邊、頂、中間戶三個區(qū)域統(tǒng)計的供熱數(shù)據(jù)如下表3、表4所示：

表3 岳康園高區(qū)邊、頂、中間套三個區(qū)域用熱分析表（2月13日）

表4 岳康園高區(qū)邊、頂、中間套三個區(qū)域用熱分析表（3月26日）

2月13日室外溫度為1~12 ℃，供水溫度為44.6；3月26日室外溫度為8~20 ℃，供水溫度為29.5 ℃。表3、表4中數(shù)據(jù)表明，中間戶的供熱情況最為良好，3月26日平均單位面積熱負(fù)荷4.4 W，平均室溫達(dá)到23.5 ℃；樓頂用戶的熱負(fù)荷是中間戶2.5倍左右，平均室溫達(dá)到22.7 ℃；邊戶的供熱功率比中間套高10%左右，平均室溫達(dá)到22.9 ℃；雖然頂戶用戶的控制閥已全部打開，控制系統(tǒng)給頂層調(diào)配的水量和熱量都遠(yuǎn)高于小區(qū)平均值，但其室溫在整個小區(qū)中仍然是最低的。造成此結(jié)果的主要原因是在于其特殊的房間位置和耗熱特性，即使消耗了其他位置用戶數(shù)倍熱量，仍達(dá)不到小區(qū)平均室溫。另外，室內(nèi)溫度平均在23 ℃，反應(yīng)出系數(shù)L設(shè)定普遍偏高，還有進(jìn)一步降低的空間。

綜上，在開啟了平衡控制以后，中間戶和邊戶室內(nèi)平均溫度集中在23 ℃，邊頂戶溫度平均提升了2 ℃，基本實(shí)現(xiàn)了戶間平衡，避免了水平失調(diào)和垂直失調(diào)，達(dá)到項(xiàng)目預(yù)期效果。

3.2 耗電分析

從12月4日系統(tǒng)正式投用，循環(huán)泵45 Hz變頻運(yùn)行，截止至3月15日24點(diǎn)（100天），電耗共計2712.3 kW?h，0.274 W/m2，與去年同期（2018年12月4日-2019年3月15日）3 973.9 kW?h（0.401 W/m2）降低了1 374.6 kW?h,降幅為31.75%。若按一個采暖季150天計算，至少可節(jié)省電能1 989.4 kW?h，按0.65元/(kW?h)計算，可節(jié)省電能成本1230元。

電能節(jié)省的背后是二次流量的降低。通過計算可調(diào)控?zé)崃勘砝塾嬃髁浚贸龆慰偭髁孔兓€，該流量變化趨勢與電量變化趨勢基本一致，與室外溫度變化趨勢相反，如圖10所示：

圖10自動調(diào)控后二次流量、循環(huán)泵有功電能隨室外溫度變化曲線

圖10說明了自動調(diào)控效果顯現(xiàn)，符合調(diào)控邏輯，且室外溫度越高，有功電能節(jié)省的空間越大。經(jīng)統(tǒng)計，總流量下降16%，總電量下降7%。如果沒有調(diào)控，二次流量將基本維持在紅線值18 t左右，有功電能將無法被節(jié)約。      

3.3 熱能分析

2019年12月4日到2020年3月15日總耗熱量為869.1 GJ（24.35 W/m2），平均室外溫度為2.686 ℃，度日數(shù)熱耗1.701 W/(m2?℃)；去年同期總耗熱量為1245.2 GJ（34.89 W），平均室外溫度1.899 ℃，度日數(shù)熱耗為2.015 W/(m2?℃)，總耗熱量下降了376.1 GJ,降幅為30.20%,度日數(shù)熱耗降幅為15.58%，若按一個采暖季150天計算，估算可節(jié)省熱能564.1 GJ，按28元/GJ計算，可節(jié)省熱量成本15 795元。

3.4 室溫軟測量效果分析

本次挑選了兩戶具有代表性的住戶安裝室內(nèi)溫度傳感器，并將室溫軟測量所估算的溫度與室溫傳感器所測溫度進(jìn)行對比修正。就目前和室溫傳感器的比對結(jié)果而言，室溫軟測量和室溫傳感器的測量結(jié)果具有高度的相關(guān)性，60～70%的住戶測量誤差小于±1 ℃，剩余住戶一般誤差在2 ℃左右，詳見表5和表6。

表5 岳康園高區(qū)9門1701溫度對比表

表6 岳康園高區(qū)10門1701溫度對比表

綜上，室溫軟測量在絕大多數(shù)的工況條件下估算出的室溫是準(zhǔn)確的，受外界因素影響時，就會造成一定的測量誤差，如用戶開窗、關(guān)閉閥門、暖氣片遮擋和更改散熱方式等等。

4 系統(tǒng)應(yīng)用調(diào)試后續(xù)計劃

（1）由于調(diào)控后系統(tǒng)采用大溫差小流量運(yùn)行，按每平方米的水量配比小于調(diào)控前系統(tǒng)，因此二次網(wǎng)循環(huán)水泵的運(yùn)行頻率還可以適當(dāng)降低（目前為45 Hz)，以進(jìn)一步節(jié)省電量。

（2）下一階段將重點(diǎn)對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析和迭代，尋找不同室外溫度下各戶的熱功率變化。通過對比分析入戶測溫或室內(nèi)測溫單元測溫值，持續(xù)優(yōu)化各戶流量調(diào)節(jié)系數(shù)L，進(jìn)一步節(jié)省熱能。

（3）不斷提高室溫軟測量的準(zhǔn)確度。針對個別戶戶用調(diào)節(jié)閥全關(guān)，但室內(nèi)溫度依然可達(dá)到20 ℃的現(xiàn)象，很難通過室溫軟測量來預(yù)測溫度，我們將對這些特殊用戶進(jìn)行獨(dú)立分析和研究，尋找更為科學(xué)的解決方案。

（4）通過歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)分析建模，不斷擬合出換熱站二次所需流量和供溫曲線。下一階段，計劃將戶間平衡系統(tǒng)與二次供溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)相連接，實(shí)現(xiàn)無人智能化曲線下發(fā)。

（5） 精細(xì)化管理方面，本系統(tǒng)除了實(shí)現(xiàn)對整個樓宇的戶間熱平衡這一重要功能外，通過對流量和溫度的分析比較，還可實(shí)時掌握用戶的停用熱狀態(tài)，是否存在惡意放水竊熱等情況，極大方便后續(xù)監(jiān)控和失水治理。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)自2019年11月份投入運(yùn)行以來，通過5個月的持續(xù)調(diào)試和優(yōu)化，已基本實(shí)現(xiàn)戶間熱平衡，運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能效果顯著，且該系統(tǒng)采用控溫差調(diào)流量的方式，可隨室外溫度、二次供水溫度等參數(shù)變化進(jìn)行自動調(diào)整，減少了對二次供溫的依賴性，僅就此項(xiàng)目而言，相同極寒天氣下二次供水溫度峰值可至少降低5 ℃，為未來實(shí)現(xiàn)二次網(wǎng)低供水溫度、大溫差、小流量的供熱形式提供了技術(shù)支持，為后續(xù)精準(zhǔn)舒適供熱項(xiàng)目升級優(yōu)化提供了前提條件和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

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