分時分區控制系統在供熱中的應用

張志正，劉艷濤

（長春工程學院，吉林 長春 130012）

分時分區控制系統在供熱中的應用

張志正，劉艷濤

（長春工程學院，吉林 長春 130012）

我國北方目前主要以集中供熱為主、區域鍋爐房為輔的模式進行冬季供熱。集中供熱可以實現能源和資源的有效管理與利用，但其運行與管理所需費用相對較高。分時分區控制系統可以有效減少供熱過程中不必要的能源消耗，降低運行管理費用，很好地實現節能降耗的目的。

分時分區；節能降耗；控制；管理

集中供熱技術水平在我國北方已相對成熟，能夠基本滿足冬季人們對供熱的要求。但就目前技術而言，仍然存在能源浪費的問題，因此如何更好的發展與完善集中供熱技術已經成為供熱企業和相關部門的一項重要工作。

1 集中供熱現狀

1.1 集中供熱的優勢

我國東北地區冬季寒冷，供熱管網系統發達，形成了熱電聯產和區域鍋爐房共同運行的供熱模式，相比于其他地區，集中供熱技術水平較高。熱電聯產能夠充分利用能源，取得最大的能源利用效益，減少資源浪費和環境污染。區域鍋爐房的熱網自動運行控制系統，實現了供熱系統的穩定、節能運行，這樣一來既沒有熱源損失，又可根據區內企業對新能源的需求進行能源匹配，以達到新能源利用的最大集約化。集中供熱實現了供熱的安全、環保和節能，同時也提高了生活品質。

1.2 集中供熱的不足

集中供熱系統雖然實現了能源的合理化利用，但仍存在一定的問題，主要包括以下幾個方面：（1）冷熱不均勻；（2）運行方式不合理，出現能源資源的浪費；（3）設計規劃水平較低。

這幾個方面均導致了供熱成本與能耗的增加。目前困擾供熱行業的仍是過高的能耗問題。例如供熱的初末期輸配能耗過高。供熱的初期與末期，室外溫度相對較高，溫差較小，用戶所需熱量較少，即供暖水泵所輸送的熱質本身所攜帶的熱量也相對較少，在這種情況下，水泵長時間甚至全天候的進行供熱，消耗了大量的電能。供熱中期，即供熱穩定期，由于室外溫度寒冷，供暖水泵基本需要全天候的運行，以此來滿足人們的用熱需求。供熱的初末期與中期相比，用戶用熱相對較少，供暖水泵仍以全天候運行，與中期消耗的電能基本相同，但其所輸送的熱量卻相差甚多，這便出現了我們經常說的“大馬拉小車”的現象。

2 分時分區控制系統

能源的高效率利用，一直是我們所追求和提倡的，也是響應我國節能降耗政策的體現。供暖水泵在室外溫度較高的供暖初末期以全天候的運行模式工作，這顯然是不合理的。針對這種不合理的能源消耗，采用分時分區控制系統來間歇式控制水泵的運行，減少能源的浪費。分時分區控制系統的提出，可以有效減少輸配所需的能耗，達到資源的合理利用。

分時分區控制系統，即在供熱的初末期提高二次網的供水溫度，保證二次網回水溫度流量不變和人們供暖需求的同時，減少供暖水泵的運行時間，以此達到降耗的目的。具體分為以下幾個部分。

2.1 確定換熱站的最佳運行時間

根據管網實際的情況，增加一次網閥門開度，增強換熱站內一次網與二次網的換熱，以此提高二次網的供水溫度。由于換熱器性能與管網所承受溫度的限制，二次網提高的供水溫度應以實際管網為主。與此同時保證回水溫度與流量不變，即提高供熱參數，在消耗同等電能的條件下，輸送了更多的熱量。

式中，m1——一次網的質量流量；

t1——一次網供水溫度；

t2——一次網回水溫度；

m2——二次網的質量流量；

t3——二次網供水溫度；

t4——二次網回水溫度。

由于二次網受到換熱器的性能和管道溫度的限制，所以以一次網的換熱量計算二次網的熱量。再根據實際情況，求出與實際的偏差系數。

式中，Q1——穩定期平均每小時的供熱量；

t1——一天的工作時間（一般均為24小時）；

Q2——提高供水溫度后每小時的供熱量；

t2——提高供水溫度后的運行時間。

然后根據公式（1）適當提高二次網的供水溫度，能夠確定換熱站水泵的最佳運行時間，即確定了分時間歇運行的停泵時間。

2.2 啟泵與分析

室內溫度的下降，具有一定的滯后性和延續性，這與建筑物本身的保溫性能是密切相關的。供暖水泵一旦停止，室內溫度不會立即下降，而是持續一段時間緩慢地下滑。因此，對于大多數建筑物而言，停泵的時間不可能一次性完成，而是需要間歇式的停泵—啟泵過程。

選取最好的啟泵方法不僅是當下的需求，同時也是未來供熱質量的有力體現。

目前熱力行業有三種啟泵的方法。第一，熱力公司人為經驗法，即一次停泵時間不超過1～2小時。這種方法本身存在著一定誤差，人為經驗不能做到實時的控制。第二，壓力起泵的方法。當壓力低于規定的壓力值時，循環泵啟動開始工作。管段的不同，管段所需壓力也不盡相同，采用壓力控制也存在一定的不準確性。第三，室溫控制法。當溫度低于給定時，循環泵啟動開始工作。

供熱本身需要滿足人們的用熱需求，即以人為本的要求。室溫控制啟泵法能夠更好地檢測到居民的家庭情況，以達到供熱所需。對于換熱站而言，所供建筑物眾多，無法實現每戶的室溫監測，只需在每個建筑物的幾個重要位置用戶安裝溫度傳感器，最后計算所有建筑物的平均溫度。當平均溫度低于20℃（國標規定18℃，結合實際選定20℃），循環泵開始啟動工作。這種方法可以更好了解用戶家庭供暖情況，方便調節，滿足供熱所需，具體見圖1。

圖1 溫控流程圖

對于換熱站水泵的間歇運行，不同系統的供暖方式停泵的多少也有不同。停泵時，換熱站內二次網水泵均可停止。但對于分布式變頻供暖，換熱站內一次網水泵也需停止。對于不是分布式變頻供暖的系統，一次網只有主泵，此時主泵無需停止，仍需繼續工作以滿足正常運行換熱站的供熱需求。

分析不同的二次網供水溫度下，最佳停泵時間的變化。并根據實際數據觀察其變化規律，模擬數據曲線。同時觀察停泵后，室內平均溫度的變化。根據公式

式中，h——對流換熱系數；

A——換熱面積；

t1——室內溫度；

t2——室外溫度。

對于一個換熱站來說，hA為一個定值。假設室外溫度不變或在短時間內保持穩定，則對流換熱的熱量只與室內平均溫度有關。模擬室內溫度變化的實際圖像，并擬合數學關系。理論上認為短時間內室內平均溫度變化應為線性關系，其斜率應為hA的值。

2.3 供熱區的確立

最佳運行時間和啟泵方案的確立，可以實現對單個換熱站的智能化間歇控制，能夠有效減少電能的消耗。供熱管線錯綜復雜，所帶換熱站眾多。將單個換熱站的分時間歇控制用于整個供熱管網中，不僅能實現節約能源，同時使熱網資源合理化利用與管理。

供熱管線冗長，加之供熱站彼此相互分散且數目眾多。同時保證換熱主管道內的熱量不被浪費，整個熱網無法實現統一的分時間歇控制。為了能夠很好利用間歇控制的方法以實現節能，需建立不同的供熱分區。不同分區可以單個運行，也可以多個共同運行。

對于整個管網的換熱站中，停泵時間相同的可以劃分為一個供熱分區。相同的停泵時間，可以實現泵的同步啟停，方便控制與調整。這樣的分區方法，只是粗略地進行劃分，可能不一定合理。停泵時間相同的換熱站可能存在著數目相對較多或者較少的問題。

分時分區控制的目的主要是以節約能源為主。在換熱站分區運行的同時，所運行的換熱站必須能夠消耗一次網內本應有的熱量。假設一次網所供熱量為Q總，一個熱力分區所帶的換熱站數目為n，則有Q1、Q2、Q3、……Qn

Q總為一個小時熱網所提供的熱量，當n較小時，在一個小時內無法消耗本應使用的熱量，此時，應兩個或者多個供熱分區共同運行。當n較大時，由于能量消耗過快，此時需將現有的供熱分區進行拆分，分為多個新的供熱分區。建立供熱分區可以實現整個熱網的分時分區控制，對熱網的管理與控制更加便捷（圖2）。

2.4 分時分區控制系統的建立

水泵的最佳運行時間、啟泵方案和供熱分區的確立，疏通了相應的數學關系模型，為分時分區控制系統的建立了理論基礎。結合相應的數學關系式，采用JAVA編程語言將分時分區的想法將其變成真正的操作程序，為供熱企業和單位做出自己應有的貢獻。

3 結語

分時分區控制系統可以有效解決供熱初末期輸配能耗過高的問題。從長遠角度看，分時分區控制技術不斷完善與發展，在以后的供熱穩定期，也可以實現分時分區控制。只是較之初末期，所停泵時間較短一些。

圖2 供熱流程圖

隨著技術的發展，科技的進步，新的供熱技術的不斷出現與發展，未來新型環保低耗的供熱模式將很快會出現。

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TP273;TU995

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