河北工业大学能源与环境工程学院 杨华 王晋达 赵福松
【摘 要】提高供热系统的运行管理水平、改善系统水力、热力失调，是实现供热系统供需平衡、降低运行能耗的有效手段。楼宇换热站由于其安装配置灵活、调节响应快速的特点，在我国许多地区开展了示范应用。然而，由于运行管理水平与经验的不足，大量楼宇站供热系统并未实现“按需供热、节能降耗”的设计初衷。本文基于承德某楼宇站供热系统的现场调研，提出一种“新型分时段变温调控方法”，该方法根据室外气温的波动幅度对一天内的供热调节时段进行划分，并分别计算某时段内的二次网供水温度及循环流量。现场测试表明，新型调控方法能够有效降低室温波动范围，同时获得可观的节能效果（系统总运行能耗减少11.42 %，二次网循环泵电耗减少20.83 %）。
【关键词】供需平衡；楼宇换热站；分时段变温调控；运行节能
1 楼宇换热站的基本特点与组成结构
改变供热系统的“大流量、小温差”运行模式、实现热量供需的精准匹配是改善系统热力失调、降低循环泵电耗及供热运行能耗的重要措施。表1对比分析了当前供热领域的两类主流间接连接系统。
由于组成结构方面的差异，楼宇站供热系统在实现热量实时供需匹配、精细化智能运行管理等方面具备先天优势[1]。我国部分新建供热项目即采用了楼宇换热站的系统形式，以期实现供热系统的运行节能。
表1 不同类型的间连供热系统
楼宇站供热系统的基本组成结构如图1所示（与区域换热站的组成结构基本相同，只是换热能力与设备体积大幅减小），常规的“气候补偿调节[2]”由两部分组成：1）PLC控制器根据室外温度的实时监测数据计算得到二级网供水温度的设定值，通过调节板式换热器一次侧电动调节阀的开度，使二级网实际供水温度跟随设定值实时变化；2）温控阀对进入室内散热末端的循环水流量进行调节，完成室温自主调控。
图1 楼宇站供热系统的主要组成结构与气候补偿调节
2 承德某楼宇站供热系统的运行现状
图2所示为承德嘉和广场某楼宇换热站系统2018~2019供暖季某典型日（12/10）全天的运行观测数据，该楼宇换热站一天内的二级网供、回水温度和循环流量基本维持恒定（分别稳定在44 ℃、36 ℃、25 t/h附近），总供热功率的波动范围同样较小（大约210 kW），并未根据室外温度的逐时变化调整总供热量，气候补偿调节的节能潜力未得到有效发挥。本文将这种运行调节模式称为“恒定供热”
(a) 供、回水温度 (b) 循环流量与总供热功率
图2 楼宇站系统二级网的实时供回水温度、循环流量与总供热功率
在12月10号当天对该楼宇站系统内的3个典型房间（平面位置相同，但分别处于低、中、高不同楼层）进行同步观测，室温变化曲线如图3所示。显然，在恒定供热模式下房间的室温日变化幅度较大：I）102/802号房间的室温在夜间时段甚至可能小于16 ℃的设计下限；II）1502号房间的室温在15至21时的大部分时间超过22 ℃。
图3 楼宇站系统典型建筑用户的室温变化曲线（2018/12/10全天）
3 分时段变温调控的基本理论
理想化的楼宇站气候补偿调节要求换热器一次侧电动调节阀与二次侧变频循环泵跟随室外温度的波动变化实时调整，然而经典的反馈控制方法并不适用于热惯性较大的供热系统，可能出现难以预料的系统震荡；另一方面高频的调节指令必然影响执行器的运行可靠性与使用寿命。
文本提出一种新型的“分时段变温调控”方案，具体实施方法为：1）通过调整换热器一次侧电动调节阀开度与二级网循环泵流量，维持某调节时段内二级网供水温度与供回水温差的恒定；2）不同时段二级网的供水温度由该时段的室外平均气温计算得到。日内不同调节时段的划分原则包含以下2条：1）应尽可能减少一天当中的时段划分数量；2）每一划分时段内，室外温度的变化幅度小于“基准温差∆T”。假设某典型日的室外气温变化曲线如图4所示，可见当∆T取2 ℃时，则能够划分出6个不同的调节时段。
图4 典型日的室外温度变化曲线与分时段划分方法
在不同调节时段内，二级网的设计供、回水温度（ts,ref tr,ref）可由基本供热调节公式计算得到，其数学表达式为（建筑用户的散热末端为散热器）：
(1)
式中：tn为室内设计采暖温度，℃；∆ts’为散热器的设计平均散热温差，℃；b为散热器的对流散热系统，取0.3；β为供热系统的相对热负荷比；∆t’为二级网的设计供回水温差，℃；Tout,av为某调节时段内的室外平均温度，Tout’为供热系统的设计室外计算温度。
4 实际案例的测试与分析
承德嘉和广场某楼宇站供热系统的二级网设计供、回水温度为45/37 ℃，选取相同月份另一个典型日（12/15，室外平均温度与变化趋势基本相同）实施案例系统的分时段变温调控（∆T取2 ℃），相应的系统调节参数见表2。
表2 分时段变温调控的相关参数
当楼宇站供热系统采用分时段变温调控，二级网的设计供、回水温度及循环流量在一天当中阶梯式变化，将系统的供热参数在一天内进行积分，则可得到不同运行调节模式楼宇站供热系统的日内总供热量与循环泵电耗。
表3的数据显示，分时段变温调控的运行节能效果十分可观，循环泵电耗甚至可降低20.83 %。图5所示为不同建筑用户室内温度的实时观测数据，相比“恒定供热”，分时段变温调控能够保障用户的基本供热需求（大于16℃）、且有效避免室内过热（小于22℃）。
表3 分时段变温运行调控的节能效果
图5 分时段变温调控作用下典型建筑用户的室温变化曲线（2018/12/15全天）
5 结论
（1）楼宇换热站运行调节灵活、响应快速，是实现热能供需匹配的理想供热系统结构；
（2）相比楼宇站供热系统的恒定供热模式，分时段变温调控具有可观的节能效果，案例系统的总供热量和循环泵电耗分别可降低11.42 %和20.83 %；
（3）分时段变温调控的调节周期较长（与基准温差∆T和室外温度变化情况有关），相比常规的气候补偿调节，分时段变温调控模式下执行器的可靠性和使用寿命更高。
参考文献
[1] 王力杰, 庞印成, 辛奇云等. 楼宇换热站技术特点与应用分析[J]. 区域供热, 2014, 6: 59-63.
[2] 陈亮. 气候补偿器在供热系统中的应用[J]. 建筑科学, 2010, 26(10): 42-46.
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2020年10月刊总第37期（第22届全国暖通空调制冷学术年会文集）。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。
