利用物聯網溫度平衡閥實現二網自動平衡的應用

李智勇， 于 桐

（承德熱力集團有限責任公司， 河北 承德 067000）

0 引言

隨著我國城市建設的飛速發展，人們對于生活質量和舒適性的要求不斷提高，供熱行業也不斷提高供熱質量，以滿足人們對舒適性和節能性的要求。供熱行業雖然在鍋爐、換熱器設備的熱效率和樓體、管道保溫等方面顯著提升了節能效果，但在二網水力平衡調節方面，仍有較大的節能空間。當前供熱系統大多采用人工手動調節方式，導致我國目前集中供熱系統中水力平衡調整耗時長、難度大，造成某些用戶室溫過熱、某些用戶室溫不達標。為了解決以上問題，熱力站不得不增大二次網循環泵流量或提高整個二次網供熱溫度，從而導致熱能和輸配電耗的浪費。與人工調節及加裝自力式平衡閥相比，利用物聯網溫度平衡閥實現二次網自動平衡，可極大地減少管網調平工作量，并取得更加理想的效果[1-2]。

1 二次網水力平衡現狀分析

目前，供熱系統普遍存在不同程度的水力失調現象，再加上水泵選型偏大造成水泵運行偏離工作點等原因，導致水系統處于大流量、小溫差的運行工況，不同遠近的用戶，室溫冷熱不均現象嚴重，水泵運行效率低、耗電高。

二網水力失衡的原因很多，主要原因有：系統設計理論計算偏離實際工況、安裝過程中未按設計要求施工以及運行人員維護不當、未及時調整各分支閥門等。

目前，供熱系統主要采取以下方法調整二次網水力平衡。

1）手動閥門調節。這是目前換熱站運營人員常用的調節方法。按照供回水溫差平衡法，對每個分支、單元的供回水溫度進行測量，手動調節各分支閥門開度，直至各分支回水溫度一致。僅使用溫槍對管道測溫，人工調節閥門。由于需要大量人力，多次反復調節，不同人和溫槍造成的溫差較大，因此，需要幾天甚至幾周才能全部調整一次，所用時間較長，調平效果也有限。

2）加裝自力式平衡閥。通過使用自力式流量平衡閥、自力式壓差平衡閥保持系統流量或閥門兩端壓差不變，以實現管網調平的目的。但自力式平衡閥存在阻力大、循環泵電耗高、易堵塞損壞等問題。

3）自動調節。利用上位機平臺軟件，制定調控策略，通過加裝電動調節閥實現對分支、單元入口閥門的遠程調節，實現自動調整管網水力平衡。

2 利用物聯網溫度平衡閥實現二網自動平衡調整解決方案

物聯網溫度平衡閥具有流通能力大、低阻力、測溫精準、調節精度高、可通過遠程控制調節等特點[3]，不僅能降低人工成本，解決了自力式平衡閥存在的種種問題，而且實現了整個供熱系統的過程管理和運行管理，提高了供熱系統的管理效率，實現供熱系統的整體節能，為熱力公司徹底解決室溫冷熱不均問題提供了切實可行的物聯網溫度平衡閥技術方案，如圖1所示。

圖1 物聯網溫度平衡閥技術方案

2.1 建立上位機自動調控系統

建立基于物聯網、云平臺大數據分析計算和AI自學習等技術的智慧供熱管理平臺，依托互聯網實現各環節信息共享，實現供熱系統全面透徹的信息化管理。通過智能融合回水溫度、室內溫度和氣象參數變化等，實現二次網供需平衡，達到按需供熱、按需用熱、節能減排的效果。平臺內置回溫平衡、室溫平衡兩種平衡調控策略。回溫平衡基于回水溫度平衡法及全網平衡控制的理念，調整各分支閥門開度，直至各分支回水溫度趨于一致。室溫平衡策略基于各室溫采集點數據，通過對比各點室溫偏差，云平臺智能計算分析下發閥門開度調節指令，使各室溫監測點溫度趨于一致。最終實現二次網樓與樓之間、單元與單元之間的溫度平衡，徹底解決二次網溫度失調問題。

2.2 以單元為單位裝閥

在集中供熱二次網系統中，以單元為單位安裝物聯網溫度平衡閥，根據閥門的供電方式，可選擇居民電源供電或電池供電的單元物聯網溫度平衡閥，安裝于各單元回水管。可自動調節二次網溫度平衡，閥門內置高精度溫度傳感器，可對回水溫度進行實時監控。此外，閥門還可以連接供回水雙溫雙壓傳感，適用于二網系統的末端，通過監測系統末端的資用壓頭和供回水溫差，直觀了解到系統的運行狀態，對換熱站運行提供了有力的數據參考依據，而不再局限于供熱管理人員的經驗判斷。

2.3 建立室溫采集系統

設置室溫采集點，室溫測控終端作為監測端，負責采集熱用戶的室內溫度，可以通過智慧供熱管理平臺結合室溫數據對末端物聯網設備進行統一調控，通過加入室溫數據可以對二網平衡做出更精細化的調節[4]。同時，可對用戶室溫歷史數據曲線進行分析，確定室溫是否存在問題。

3 物聯網溫度平衡閥應用實例

2021 年，承德熱力集團選取2 座換熱站在二次網中安裝了物聯網溫度平衡閥，同時，建立了配套的智能調控系統和室溫采集系統。其中，紫塞桃園站低環涉及面積5.18 萬m2，建筑節能等級均為四步節能建筑，均采用散熱器供熱。物聯網溫度平衡閥安裝于各樓樓道立管回水主管道，安裝5 套DN40、3 套DN50 和20 套DN65 物聯網溫度平衡閥。設置室溫采集點168 個。

3.1 應用效果

3.1.1 各單元之間回溫趨于一致

如圖2 所示，平衡閥使用前，各單元回溫偏差較大，存在部分單元回溫較低或過高，管網平衡性較差，各單元最高相差10.22 ℃。

圖2 紫塞桃園站使用平衡閥前各單元回溫

如圖3 所示，平衡閥使用后，各單元回溫趨于平衡，各單元最大回溫偏差降至1.36 ℃，管網平衡度得到大幅提升。

圖3 紫塞桃園站使用平衡閥后各單元回溫

使用平衡閥后，無需頻繁地對各分支閥門進行手動調整開度來控制回水溫度。如個別單元出現調節超限情況，調整單元閥開度后，物聯網平衡閥恢復正常工作狀態。使用平衡閥后，各單元回水溫度均趨近于設定回溫[5-8]。

3.1.2 用戶端室溫更加均衡

紫塞桃園站用戶端平均室溫21.2 ℃，較去年同期持平。使用平衡閥前，對最不利環路用戶測溫，平均室溫為19.2 ℃。使用平衡閥后，單元回溫趨近平均回溫，對用戶測溫，平均室溫為20.6 ℃，較之前提升1.4 ℃。距站較近的單元回水溫度較高，用戶端平均室溫為22.4 ℃。使用平衡閥后，單元回溫趨近平均回溫，用戶端室溫為21.3 ℃，接近平均室溫。使用平衡閥前后室溫對比如表1、表2 所示。

表1 最不利環路用戶使用平衡閥前后室溫對比單位：℃

表2 距站較近用戶使用平衡閥前后室溫對比 單位：℃

3.1.3 實現了節能降耗

通過調整運行工況，紫塞桃園低環單位流量由33 m3/萬m2降至28 m3/萬m2，耗電指標由108.8 kW·h/萬m2降至96.4 kW·h/萬m2，降幅為11.39%，綜合熱指標由35 W/m2降至30.8 W/m2。在改善室溫不達標用戶室溫情況的同時，也消除了過熱戶，不利點管網平衡度較之前大大提升。

3.1.4 存在的問題及改進措施

1）通訊問題。溫度平衡閥安裝于山根、部分井室和管道井內，信號較弱，無法保證通訊暢通。建議增加信號傳輸放大器或引線等裝置，避免安裝位置造成信號無法傳輸。

2）供電問題。綜合考慮小區實際情況，可選擇有線和電池兩種安裝方案。在管道井內安裝，可采用有線供電保證工作狀態。在樓外井室內安裝，可采用電池供電保證安裝位置靈活。

3）選型問題。選型階段僅考慮各單元的在網面積，并未考慮實供面積，導致入住率偏低單元出現平衡閥調節超限，回水溫度較高等情況。針對此類問題，建議在夏季給該單元加裝手動平衡閥或更換合理大小平衡閥。

4）室溫采集點代表性問題。由于室溫測控終端可以不依附物聯網溫度平衡閥，能夠直接獨立與管理平臺通訊，因此，室溫測控終端可以選擇在邊戶、中戶和低戶等典型用戶安裝使用，但安裝數量必須覆蓋調控區域內10%以上的用戶。

3.2 項目投資及回收

項目共計投資189 553 元，根據能耗計算，使用物聯網溫度平衡閥后，日耗電費降低33.4 元，日耗熱費降低7.91 元，日節省人工成本110 元，預計1 252 d可收回投資。由此可見，此方法投資較高，且投資回收年限較長。

4 結論

通過理論分析及實踐檢驗，利用物聯網溫度平衡閥并建立配套的智能化調控系統實現二網自動平衡是可行的。人工手動調整耗時長、效果差、自力式平衡閥易堵塞、阻力大。采用本方案，達到了各單元回溫趨于一致、用戶室溫更加均衡、能耗進一步降低的效果。但此種方法也存在投資較高，現場安裝難度大，室溫采集數據要有代表性等問題。具體應用時，應根據現場實際情況對技術方案進行優化調整。