淺析城市供暖系統的自動化控制與節能減排

王乾宇 關志鐸

摘要：上世紀90年代以來，隨著我國經濟社會高速發展，城市化進程不斷加快，我國社會人們的物質生活水準得到了極大改善和提升。城市供暖系統作為建筑工程重要的基礎工程系統，能夠給人們提供溫暖舒適的居住環境。然而，隨著人們環保節能意識的增強，關于城市供暖系統的自動化控制與節能減排問題逐漸受到人們的關注。本文中，筆者就自動化控制系統在城市供暖系統中的應用展開深入分析。

關鍵詞：供熱;自動化控制;節能

當前，隨著智能化、自動化控制技術的普及與應用，城市供暖系統也實現了自動控制，這對于高效供暖、節能供暖、穩定供暖都起到很好的作用。特別是隨著城市建設步伐的加快，城市集中供熱越來越普遍。智能化控制對于分布區域廣泛、供熱用戶數量多、勞動強度大等復雜的供熱環境作用較大。特別是在如今能源日趨緊缺的狀況下，在供暖系統中推進并應用先進的自動化控制技術，對于實現穩定供熱、均衡供熱等都具有重要意義。

一、供熱系統智能控制技術

（一）技術原理

熱力管網在供熱系統中完成熱的傳遞，熱水經過熱力管網將熱量傳送到熱用戶，熱用戶的性質不同，需要的熱量也會不同，另外，由于距離熱源的遠近不同，輸送熱能的管徑大小不同等因素，會造成系統中個別用戶的實際流量與設計要求流量之間的不一致現象，被稱之為水力失調。該技術主要針對目前供熱領域中普通存在的水力失調問題，設計一套智能閥門，解決復雜的供熱網管系統的熱量平衡問題，某個閥門的調節不會影響其它閥門，使得每個閥門控制的支路按用戶需求輸送合適的熱量，通過確保管路的熱量平衡達到節能的目的。在確保各管路的流量按需分配之后，為進一步節能，還集成了列入智能變頻技術，保證水泵的頻率跟隨管路阻力的變化而變化，徹底擺脫傳統的頂壓供水變頻技術。在此基礎上，該技術還整合了物聯網和EAOC（能效分析與運行優化控制）技術，把智能閥門打造成一個通用的物聯網結點，把閥門控制的建筑所消耗的能量數據以及管道內的流動數據發送到控制中心，幫助管理人員分析系統的節能量。

（二）關鍵技術

1、智能溫控平衡技術

在集中供熱系統中，由于供熱規模較大，管網的水力工況變得十分復雜，其水力失調問題變得十分突出，從而使其供熱質量下降，出現不能滿足用戶要求的情況。對于一個設計合理的系統，一般可以通過初調節，使各用戶的流量達到設計值。但對于一個規模大管網復雜的系統，使用目前常用的方法（如阻力系數法、正常流量法、回水溫度法和經驗試湊法），由于受到各種條件的制約，存在準確度不高，需反復調試，工作量過大等問題，其效果不是很理想。智能溫控平衡技術可利用現代控制理論和計算機模擬分析相集合，利用水力管網系統實際運行工況動態檢測數據對系統的水力工況進行模擬分析，進而使用分析的數據對系統運行工況進行遠程自動控制，這不僅可以提高調節的精度，避免人工調節的工作量，而且可以實現系統水力工況的動態。

2、智能變頻技術

智能變頻節電技術，指在供熱系統中加裝一套智能變頻節電裝置，利用水泵的原有電機系統控制，將閥門的開度控制變為水泵的轉速控制，兩者相結合實現調節熱平衡目的。其中，智能變頻節電裝置具備以下兩項功能：

1）通過合理改變水泵的轉速（頻率）節約電能，如設備需對流量進行控制，適當降低轉速、調整流量即可達到節能的目的;

2）在不改變水泵轉速（頻率）的情況下，通過檢測、跟蹤負載變化，根據其功率因數和負載率的變化，優化功率輸出，使電機的輸出功率接近軸功率，從而實現節能。

3、無線傳感技術

該技術為智能變頻和能效分析提供了基礎，保障各項數據的傳輸與共享。遠傳式智能控制器，具有各種輸入形式選擇，實現各種不同的調節功能。也可配室外溫度傳感器，起到隨室外溫度的變化而自動調整供水溫度，也就是通常所說的室外溫度補償的作用。根據控制需要，可組成智能化網絡控制系統，優化控制，實現遠程監控。

二、具體控制措施

（一）氣候補償

氣候補償器安裝在鍋爐房或換熱站，它能夠使熱源出力根據室外溫度和供暖系統回水溫度的變化動態調節，實現按需求供熱。

氣候補償器可以根據室外氣候溫度變化，和用戶設定的不同時間的室內溫度要求，按照設定曲線自動調節供水溫度，實現供熱系統的供水溫度的氣候補償，也可以通過室內溫度傳感器根據室溫調節供水溫度實現室溫補償，還有限定最低回水溫度的功能。

（二）樓棟分時段控制

1、分時段控制

樓棟分時段控制采用分時段控制系統實現，系統是基于整個樓棟的控制，主要適用于用熱時間較集中，使用時間分階段的建筑物。采用整體管理控制，通過加裝自控裝置實行分時段供暖，將大大減低能耗。樓棟分時段控制系統由現場溫度變送器、樓棟控制電磁閥、樓棟控制箱和監控中心組成。

具體控制方案，每個樓棟設置1臺電動調節閥，1臺樓棟熱表（具有RS485通訊接口）。現場控制器采集樓棟熱量相關數據，通過監控中心操作站和現場LCD觸摸屏預先設定的運行模式，控制電動調節閥達到設定要求，并可以提供通訊接口實現將數據通過GPRS模塊傳遞到監控中心，實現同一監測管理和遠程控制。采用此方案實現自轉熱站到熱用戶整個熱網的數據監測，實現遠程/就地自控化監控。

（三）水力平衡

水平水力平衡技術主要應用在全區供熱的總管網上，在管網截斷井、進戶井內配置先進的調節設備以解決管網水力平衡問題。目前國內供熱行業在管網上應用的主要有自力式流量控制器、自力式差壓控制器、自力式流量/差壓控制器三種調節裝置。目前國內采用管網定流量系統的較多，可按需設定流量，并將通過閥門的流量保持恒定。使管網的流量調節一次完成，免除了熱源切換時的流量分配工作，有效地解決管網的水力失調。

（四）單戶熱計量

將集中供熱系統中的熱源、熱力站、樓棟或用熱單戶作為各供、用熱方的熱量結算點，安裝超聲波熱量表，進行熱計量。對住宅，以戶為單位，直接計量或分攤計量其每戶的供熱量。對直接計量的住宅、公共建筑的熱用戶，以熱量結算點的熱表值進行結算。而對以分攤方式計量的住宅戶，則按其各戶內所安裝的測量記錄裝置，確定每戶的用熱量占熱量結算點（樓棟或熱力站）所安熱表總值的比例，算出各熱用戶所應分攤的熱量，實現分戶熱計量。通過單戶熱計量技術應用可實現按需供熱大大減少熱源的消耗，實現節能減排。

三、結語

在我國北方的一些高寒地區，全年采暖期長達180d左右，近幾年，隨著熱電聯產集中供熱技術的推廣應用，取締了原來的煤鍋爐供熱狀況，人們的居住環境得到了徹底改善。但隨著城市的建設，供熱面積不斷增加，熱電廠的能源消耗也在逐漸增大。由于現有供熱系統的調節能力有限，導致熱用戶出現近端過熱、遠端過冷的不平衡現象，并浪費了大量的能源。

如果將自動化控制技術與供熱系統緊密結合，不但可以實現按需供熱，合理降低供熱能耗，節約原煤的消耗。而且可以為我們帶來直觀的經濟效益，而且能夠起到環保節能的效果。

參考文獻

[1]石兆玉.供熱系統運行調節與控制[M].北京：清華大學出版社，1994.