供熱管網(wǎng)智能管控平臺(tái)在高校供熱系統(tǒng)中的節(jié)能應(yīng)用

文_張?chǎng)?青島大學(xué)

隨著我國“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出，綠色低碳發(fā)展成為國家戰(zhàn)略的重要一環(huán)。對(duì)于各類用能單位而言，進(jìn)一步推動(dòng)節(jié)能減排工作，著力降低自身碳排放水平是對(duì)國家戰(zhàn)略的積極響應(yīng)。建筑節(jié)能是我國節(jié)能減排工作的重要任務(wù)，而隨著各類高校的擴(kuò)建擴(kuò)招發(fā)展，高校建筑能耗占建筑總能耗的比重日益增長，成為節(jié)能減排工作的重點(diǎn)關(guān)注方向。由于高校建筑類型多，人流量大等特點(diǎn)，其能耗管理復(fù)雜，尤其是占比達(dá)總能耗50%以上的北方高校供暖能耗成為高校后勤部門節(jié)能工作的重點(diǎn)區(qū)域。

對(duì)于高校的供熱系統(tǒng)而言，在熱源處基本實(shí)現(xiàn)了調(diào)控運(yùn)行，但供熱管網(wǎng)的運(yùn)行經(jīng)常處于失控狀態(tài)，造成熱源供給側(cè)與建筑內(nèi)使用側(cè)的不匹配，導(dǎo)致系統(tǒng)能耗偏高。本文以青島某大學(xué)應(yīng)用供熱管網(wǎng)智能管控平臺(tái)為例，提出高校供熱管網(wǎng)水力平衡調(diào)控、分時(shí)分區(qū)控制應(yīng)用方法，以促進(jìn)供熱系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行。

1 供熱管網(wǎng)運(yùn)行存在的問題

該大學(xué)東校區(qū)東院校區(qū)總供熱面積為76900m2，其中公共建筑供熱面積為47300m2，學(xué)生公寓供熱面積為29600m2；共包含16棟建筑。學(xué)校雖注重供熱節(jié)能管理，但由于設(shè)施陳舊，缺少調(diào)控設(shè)備，未能實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。供熱管網(wǎng)投入使用已達(dá)20年以上，期間雖有局部區(qū)域維護(hù)翻新，但總體上管網(wǎng)老化銹蝕、跑冒滴漏、保溫脫落等情況較為普遍。供熱管網(wǎng)敷設(shè)跨度較廣，地勢(shì)落差較大，各建筑熱力入口管井內(nèi)供回水管道處僅安裝有關(guān)斷蝶閥，其不適宜進(jìn)行流量調(diào)節(jié)且部分已銹死，導(dǎo)致管網(wǎng)普遍存在水力失調(diào)的現(xiàn)象，造成各建筑物之間的室內(nèi)溫度偏差較大，冷熱不均。高校內(nèi)各類建筑由于自身使用功能的不同，每一個(gè)時(shí)間段內(nèi)所需的供熱量不同，供熱系統(tǒng)仍按照連續(xù)采暖運(yùn)行，將造成熱能的大量浪費(fèi)。如，辦公樓只需白天供熱，夜間無人使用時(shí)低溫防凍運(yùn)行即可，不需連續(xù)供熱。

2 供熱管網(wǎng)節(jié)能改造措施

針對(duì)供熱管網(wǎng)存在的問題，在巡查檢修的基礎(chǔ)上，配置供熱管網(wǎng)智能管控平臺(tái)，通過自動(dòng)水力平衡與分時(shí)分區(qū)控制，使供熱系統(tǒng)自動(dòng)化節(jié)能運(yùn)行，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)按需供熱。

2.1 改造內(nèi)容

在每棟建筑單元熱力入口的供回水管路上安裝溫度、壓力傳感器，用來監(jiān)測(cè)管路運(yùn)行數(shù)據(jù)；為供暖調(diào)控提供依據(jù)。在每棟建筑單元熱力入口的回水管路上安裝超聲波熱量表，用來監(jiān)測(cè)管路水流量變化，實(shí)時(shí)顯示樓棟供熱實(shí)際負(fù)荷情況；安裝電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，通過開度設(shè)置，對(duì)管路流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。在每棟建筑單元熱力入口的供水管路上加裝過濾裝置，對(duì)進(jìn)入單元的熱媒水進(jìn)行過濾，保護(hù)終端采暖系統(tǒng)的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和熱量表的正常使用，延長設(shè)備使用壽命。單元節(jié)能控制箱就近安裝在各樓棟熱力入口附近，通過校內(nèi)網(wǎng)將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至供熱管網(wǎng)智能管控平臺(tái)，并接受來自平臺(tái)的調(diào)控指令。在物業(yè)中心搭建供熱管網(wǎng)智能管控平臺(tái)系統(tǒng)及顯示大屏，并接入熱源側(cè)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)供熱系統(tǒng)的運(yùn)行集中監(jiān)視，并根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化設(shè)置運(yùn)行策略，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。

2.2 平臺(tái)功能

2.2.1 水力平衡調(diào)控

節(jié)能控制器把二次管網(wǎng)上每一個(gè)用熱單元的供回水溫度、壓力、熱量、流量等參數(shù)和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥當(dāng)前狀態(tài)都定時(shí)上傳到管控平臺(tái)，管控平臺(tái)根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)每個(gè)單元的運(yùn)行負(fù)荷進(jìn)行判定和診斷，并考慮室外溫度補(bǔ)償因素，通過加權(quán)平均算法，計(jì)算每個(gè)單元的回水溫度與電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度的期望值，然后下發(fā)指令至節(jié)能控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，可將各樓棟回水溫度調(diào)節(jié)成一致，偏差控制在1℃以內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)二次管網(wǎng)水力平衡，減少冷熱不均引起的熱量浪費(fèi)。

2.2.2 分時(shí)分區(qū)調(diào)控

該校區(qū)建筑主要由三大區(qū)域組成：教學(xué)辦公區(qū)、生活區(qū)和綜合服務(wù)區(qū)。各區(qū)域之間相對(duì)獨(dú)立，松散布置，同時(shí)又密切關(guān)聯(lián)；區(qū)域內(nèi)的建筑功能基本一致。根據(jù)校園各建筑的區(qū)域分布以及用熱特點(diǎn)，通過平臺(tái)設(shè)定各建筑的供熱運(yùn)行時(shí)間段、防凍運(yùn)行時(shí)間段及相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行分時(shí)分區(qū)供熱調(diào)控，實(shí)現(xiàn)按需供熱，減少持續(xù)高負(fù)荷供熱所帶來的熱量浪費(fèi)。分區(qū)分區(qū)設(shè)置情況見表1。

分時(shí)分區(qū)控制系統(tǒng)可依據(jù)熱量需求時(shí)間和建筑物熱量需求量的差異，進(jìn)行分時(shí)分區(qū)控制。平臺(tái)分時(shí)分區(qū)控制子系統(tǒng)根據(jù)各個(gè)熱量表采集到的供回水溫度，及各個(gè)分支的流量參數(shù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)將這些計(jì)算值設(shè)定成指令傳送電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制箱，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥會(huì)改變閥門開度調(diào)節(jié)供水流量。控制箱內(nèi)管網(wǎng)流量，供回水溫度，閥門開度等參數(shù)也同時(shí)會(huì)傳回云平臺(tái)，通過這樣的自控調(diào)節(jié)，達(dá)到了節(jié)能的目的。

2.2.3 數(shù)據(jù)管理

能源智能管控平臺(tái)是基于物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的應(yīng)用，依托互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)信息共享，實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)全面透徹的信息化管理；采用B/S架構(gòu)、WEB發(fā)布系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫安裝在云服務(wù)器上，客戶端電腦上不需要安裝任何程序，在任何地點(diǎn)、任意時(shí)間、通過任何一部可以上網(wǎng)的電腦，打開瀏覽器以自己的身份登錄系統(tǒng)即可訪問；操作簡單，功能多樣；采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳至平臺(tái)，其功能滿足當(dāng)下智慧精準(zhǔn)供熱的需求，本系統(tǒng)本身架構(gòu)可滿足未來功能的二次擴(kuò)展開發(fā)及預(yù)留其他系統(tǒng)接口的功能。

通過與換熱站控制器實(shí)時(shí)通訊，換熱站控制柜或視頻設(shè)備將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)和信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸?shù)狡脚_(tái)。系統(tǒng)可以存儲(chǔ)長期運(yùn)行數(shù)據(jù)，用于供熱生產(chǎn)管理、控制、分析和考核。

智慧供熱管理平臺(tái)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，能快速實(shí)現(xiàn)使用者的個(gè)性化定制需求，隨著使用者業(yè)務(wù)需求的不斷變化，可以增加相應(yīng)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)庫，增加實(shí)現(xiàn)實(shí)際業(yè)務(wù)要求的服務(wù)模塊，從而實(shí)現(xiàn)新的訪問系統(tǒng)。

該平臺(tái)除對(duì)供熱管網(wǎng)運(yùn)行調(diào)控外，還具備數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、異常報(bào)警、能耗定額、能耗報(bào)表、信息管理等功能，方便進(jìn)行統(tǒng)一管理，保障熱網(wǎng)安全穩(wěn)定節(jié)能運(yùn)行。

3 能耗模擬分析與應(yīng)用

本文采用eQUSET能耗模擬軟件建立該大學(xué)節(jié)能改造能耗模型，并進(jìn)行供暖季逐時(shí)動(dòng)態(tài)模擬分析。相較于其他能耗模擬軟件，eQUEST計(jì)算速度快、能對(duì)各種不同的方案進(jìn)行快速對(duì)比，尤其適用于實(shí)際工程中的節(jié)能技術(shù)策略的選擇。

3.1 建筑能耗模型設(shè)置

分別建立改造前和改造后的兩個(gè)建筑能耗模型，兩個(gè)模型除了節(jié)能改造方案中的優(yōu)化措施，其余氣象參數(shù)、建筑設(shè)置等完全一致。由于水力平衡因素對(duì)供熱能耗的影響較難用數(shù)據(jù)進(jìn)行反映，本次能耗模擬重點(diǎn)分析分時(shí)分區(qū)控制對(duì)供熱運(yùn)行的節(jié)能效果。改造前能耗模型方案：模擬校區(qū)內(nèi)所有建筑在采暖期采用24h連續(xù)供暖的能耗情況；改造后能耗模型方案：按建筑功能分區(qū)的運(yùn)行時(shí)間設(shè)置進(jìn)行模擬。

校區(qū)內(nèi)建筑按使用功能分為4個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)內(nèi)有多棟建筑，功能相近。為避免全部建筑建模所導(dǎo)致的能耗模擬3D模型文件較大，進(jìn)而導(dǎo)致模擬計(jì)算緩慢，本次在建模過程中，將同功能區(qū)內(nèi)的相近建筑簡化為一個(gè)或兩個(gè)建筑模型。簡化并不是減少建筑的面積，而是把建筑的面積累加到所建模型中，這樣既避免了模型無法反應(yīng)真實(shí)的情況，又不影響分區(qū)內(nèi)建筑能耗的模擬計(jì)算。

根據(jù)校方提供的建筑基本信息資料及建筑圖紙，并輸入當(dāng)?shù)厥彝鈿庀髤?shù)、各建筑運(yùn)行時(shí)間參數(shù)等信息，采用eQUEST模擬軟件建立建筑能耗模型，并經(jīng)相應(yīng)的簡化處理，共分為4個(gè)建筑能耗模型即教學(xué)區(qū)、辦公區(qū)、宿舍區(qū)和食堂，建筑能耗模型外觀見圖1。

圖1 建筑能耗模型

3.2 模型驗(yàn)證

利用所建立的能耗模型以及相應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)設(shè)置，模擬計(jì)算2019～2020年度供暖季耗燃?xì)饬浚⒁韵嗤瑫r(shí)間范圍內(nèi)的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。學(xué)校采暖期為11月15日～1月10日和2月19日～4月5日（1月11日～2月18日為寒假，期間不供熱）。

通過模型計(jì)算，供暖季天然氣耗熱量為37820MBTu，換算成天然氣耗量為1070306m3（1MBTu≈28.3m3天然氣），模擬計(jì)算結(jié)果截圖見圖2。該結(jié)果與實(shí)際天然氣耗量1073143m3相比，相對(duì)誤差為0.3%，表明模擬軟件的輸出數(shù)據(jù)可信，可用于運(yùn)行情況的分析。

圖2 改造前能耗模擬計(jì)算結(jié)果截圖

3.3 節(jié)能模擬計(jì)算

通過采取供熱管網(wǎng)智能管控平臺(tái)的分時(shí)分區(qū)節(jié)能運(yùn)行優(yōu)化措施后，對(duì)應(yīng)節(jié)能改造后的優(yōu)化模型參數(shù)，經(jīng)模擬計(jì)算，可得供暖季天然氣耗熱量為28020MBTU，換算成天然氣耗量為792966m3，模擬計(jì)算結(jié)果截圖見圖3。

圖3 改造后能耗模擬計(jì)算結(jié)果截圖

模擬計(jì)算節(jié)約天然氣耗量為277340m3，節(jié)能率為25.9%，節(jié)能量折標(biāo)準(zhǔn)煤為360.5t。通過模擬分析，該供熱管網(wǎng)智能管控平臺(tái)在供熱系統(tǒng)節(jié)能改造應(yīng)用中節(jié)能效果明顯，既可降低運(yùn)行能耗，又能節(jié)省運(yùn)維管理的人力物力。

3.4 實(shí)際節(jié)能量審計(jì)

根據(jù)校方提供的2020～2021年度供熱季天然氣貿(mào)易結(jié)算量為812589m3，與上一年度供熱季天然氣耗量1073143m3相比，節(jié)約天然氣耗量為260554m3，節(jié)能率為24.2%，節(jié)能量折標(biāo)準(zhǔn)煤為338.6t，平臺(tái)實(shí)際運(yùn)行節(jié)能效果明顯。模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)相比，相對(duì)誤差為2.4%，模擬計(jì)算結(jié)果具有較高的可信度。

4 結(jié)語

高校供熱系統(tǒng)的運(yùn)行應(yīng)綜合考慮熱源、二次管網(wǎng)及建筑內(nèi)末端的使用情況，尤其是供熱管網(wǎng)一般處于地下敷設(shè)，敷設(shè)面積廣，難以調(diào)控，使熱能的供應(yīng)與使用不匹配而造成能源的浪費(fèi)。通過應(yīng)用供熱管網(wǎng)智能管控平臺(tái)，采取水力平衡調(diào)控基礎(chǔ)上的分時(shí)分區(qū)控制，可明顯降低供熱運(yùn)行能耗，達(dá)到20%以上的節(jié)能效果，并有利于統(tǒng)一管理，節(jié)約人力資源，適合在北方高校推廣應(yīng)用。