熱力站能耗數據處理及節能潛力分析

李昕昱

(太原市熱力集團有限責任公司，山西 太原 030001)

供暖情況如何與人們的生活、工作息息相關，同時也關系到節能減排建設。集中供暖屬于新型供暖方式，其按照一個采暖季每平方進行收費，該供暖方式普遍存在于北方，北方冬季天氣寒冷，整體供暖時間長，采用集中供暖模式可以幫助人們節約采暖開支。站在能源利用角度來講，集中供暖運行費用高，一次性投資大，暖氣通常全天供熱，由于樓層或其他因素影響，導致供熱出現溫度不均衡的問題。有些樓層供暖偏熱時居民會選擇開窗降溫，此舉無疑是對供熱能源的浪費。若要做好節能減排，今后還應對集中供熱方面進行優化，同時挖掘出熱力站節能潛力，尋找切入點降低人力站能耗。

1 影響熱力站能耗數據的因素

1.1 影響電耗的因素

若要確保供暖效果，首先需要保證各個供電設備能處于正常運行狀態下，如果供電設備出現問題，或管網傳輸效率低都可能會對電耗產生影響，此外，耗熱量與耗水量也是重要影響因素，具體如下；1)循環水泵。在熱力站中，循環水泵是主要耗電設備，其耗電量大小通常會受選型影響，因為不同型號的循環水泵，在運行過程中對電量的需求不同，產生的電量消耗也有所不同。有些循環水泵在設計之初會應用變頻技術，此類水泵能有效減少電能損耗，而有些水泵卻并未應用該技術，那么其電量損耗也會有所增加；2)耗水量。很多熱力站在運行一段時間后會出現水力失衡的情況，此時若要解決末端不熱的問題，就需要加大總供熱量，上調大水泵總流量，這一舉措必然會增加水泵耗電量；3)耗熱量。供暖系統通電后，房間內所有物體溫度都不高，供暖后大部分熱氣會被這些物體吸收，此時房間內人感溫度未達到要求，需要加大熱耗供應，此時用電量也會隨之增加[1]。

1.2 影響水耗的因素

與電耗和熱耗相比，能夠對水耗產生影響的因素較少，但相對而言，水耗的消耗量有時甚至會超過熱耗消耗和電耗消耗。據了解，在集中供熱系統下，熱力站出現大量水耗的原因主要有：1)保溫性能，供暖系統供水量與供暖效果有關，補水量大，供暖效果會有所提升，然而一些老校區的供暖通道老化速度快，整體保溫性能不佳，居民為了提升室內供熱效果會對散熱器排水設施進行防水，長此以往會造成水資源浪費現象；2)耗熱量，無論是水暖還是氣暖，都需要以水為媒介，熱耗需求越大，耗水量越大。換熱站是供暖系統的重要組成部分，換熱站接收到大量高溫水后，會將高溫熱水與站內儲存的低溫熱水進行熱交換，通過此種方式可以快速獲得熱能，再將其傳輸給二次網循環水，完成熱交換的高溫水會返回熱源，二次網循環水則被傳輸到各個熱用戶管道中供用戶取暖。在此供暖模式下對水量的要求也相對較高，尤其一些氣候嚴寒的東北地區，這些地區對熱耗的需求量大，因此水量需求也高。

1.3 影響熱耗的因素

集中供熱主要是針對建筑物進行供暖，讓建筑物內部產生熱效應，從而改變建筑物區域內冷熱情況。相關研究表明，當熱力站處于運行狀態下時，熱耗數據會出現較大變化，尤其當其處于不同環境和運行條件下時，而能對熱力站熱耗產生影響的因素有很多，具體體現在：1)室內溫度，北方地區冬季氣候寒涼，室外溫度極低，室外溫度低的同時也會導致室內溫度隨之降低，人們即使在室內也會覺得冷，此時就需要加大供暖力度。如果室內溫度相對較高，那么對熱耗的需求也會減少，因此北方房屋建筑都格外注重建筑保溫方面，使用各種保溫性能高的建筑材料，降低熱量揮發速度；2)供暖方式。集中供暖主要以地暖為主，此種供暖方式需要通過鋪設大量供暖管道來實現，熱水流過管道會以對流形式將暖氣傳輸到室內。地暖整體來看具有環保性和舒適性，因此在很多地區都得到了廣泛應用。其劣勢在于，因為管道埋于地面下，暖氣散發在整個房屋范圍內，除人體外，室內家居會影響散熱效果，因此對暖氣的需求量也會有所增加；3)二次供回水均溫。我國普遍存在“大溫差，小流量”現象，集中供暖模式下熱力不平衡問題也十分普遍，居民為了達到供暖需求，有時會私自放水，也有一些用戶采取加泵操作，以此來減少供回水溫差。供回水溫差較大的情況下，熱力系統需要通過調整供熱力度來進行改善，如提升暖氣溫度，讓供暖末端用戶室內溫度達到標準。然而由于無法對某一用戶管道進行針對性管理，所以整個供熱系統都會受到影響，一些供暖效果好的用戶會通過開窗通風的方式來降低室內溫度，此舉必然會導致熱能源被浪費；4)管道保溫。當代建筑物在建造過程中都需要鋪設保溫管道，這些管道的保溫情況會隨著使用年限的增加會逐漸降低，甚至有些被破壞，這些都是影響熱媒傳輸與外界環境的散熱損失[2]。

2 熱力站能耗數據處理

2.1 電耗數據處理

2.1.1 數據處理

數據源自某典型供熱系統智慧供熱監控平臺，在數據平臺上抽取2021—2022年度熱力站運行數據，包括726個供熱機組耗電量、二次供回水溫差、水泵輸出頻率等，數據采集周期為24h，根據該地規范化供暖建筑面積進行耗電量計算，并確定取值范圍。

2.1.2 電耗聚類效果分析

根據我國《供熱系統節能改造技術規范》中提出的耗電量標準值0.8～1.2kWh/m2，對熱力站進行區間段劃分，具體見圖1。

圖1 區間段kWhm2

聚類分析前需要對已經收集好的數據進行分類處理，然后剔除掉異常數據，如數據采集過程中因設備故障或其他原因導致數據信息未被完全記錄，以及因操作失誤而收集到的無效信息。經過數據處理后的421個熱力站耗電量及影響因素數據，其中區間一占比最高，熱力站個數達到395，占比達到40.6%，區間二熱力站個數233，占比32.1%，區間三熱力站個數198，占比27.3%，以此為依據分析電耗影響因素數據，通過SPSS軟件進行計算，最終得到皮爾森系數，見表1。

表1 熱力站耗電量影響因素及相關系數

由表1可知，熱力站耗電量除了與二次供回水溫差呈現負相關之外，與其他影響因素都呈正相關關系，耗電量與耗水量以及耗熱量之間相關性微弱，相關性系數〈0.3，顯著性p值〈0.01，可見只有水平處于0.01值范圍內時會產生影響。除此之外，其與水泵頻率相關性微弱，二次供回水溫差與之相關系數〈0.1，顯著p值〉0.1由此可見，真正影響熱力站電耗量的主要因素是耗水量和耗熱量。

2.2 水耗數據處理

2.2.1 數據處理

數據源自某典型供熱系統智慧供熱監控平臺，在數據平臺上抽取2021—2022年度熱力站運行數據，包括682個供熱機組耗水量、耗熱量數據 ，數據采集周期為24h。

2.2.2 水耗聚類效果分析

數據收集完成后應進行異常數據篩除工作，保留有效信息。數據處理后獲得446個熱力站耗水量及影響因素數據，梳理數據后將其輸入到SPSS軟件中，再通過SPSS軟件計算得到皮爾森系數，具體見表2。

由表可知，熱力站耗水量與熱耗值及保溫性能均呈正相關，相關系數〉0.3，顯著性p值〈0.001，可見滿足水平0.01條件時均能對耗水量產生影響。

2.3 熱耗數據處理

2.3.1 數據處理

數據源自某典型供熱系統智慧供熱監控平臺，在數據平臺上抽取2021—2022年度熱力站運行數據，包括915個熱力站供熱機組耗電量、二次供回水溫度、耗水量、典型用戶室溫以及供暖方式等數據，數據采集周期為24h。

2.3.2 熱耗聚類效果分析

完成數據轉化后剔除異常數據，建立聚類模型，利用SPSS軟件對各項數據進行計算，最終得到皮爾森相關系數，具體見表3。

表3熱力站耗熱量影響因素及系數

由表可知，耗電量除了與室溫相關性較弱外與其他因素相關性均相對較強，尤其是保溫性能和二次供回水均溫。室溫、供暖方式與其顯著性p值相關性微弱。耗熱量與保溫性能及二次供回水均溫相關系數〉0.3，顯著p值〈0.001，表示耗熱量與此兩個影響因素在水平0.01上顯著相關。耗熱量與耗水量相關系數〈0.3，顯著p值〈0.001，可見耗熱量與耗水量關系不大。

3 熱力站節能潛力分析

3.1 熱力站控制方式

根據目前熱力站運行情況來看，其屬于大熱慣性系統，運行過程中容易受到外界因素影響，且這些影響因素較為多變，此種情況下難以實現精細控制，如氣候條件，人們只能預測氣候，卻無法控制氣候，因此只能對控制方式進行優化。當下存在的問題是，人們通過改變室內環境來應對室外氣候條件的能力不足，而供熱調節又具有相應條件，不可隨意調節，也無法實現頻繁調節。介質傳輸在此方面也有很大影響，事實上，無論是介質傳輸，還是散熱器系統，與其他發達國家相比都稍顯滯后。如果此方面得不到優化，供熱調節效率也將難以得到強化。我國目前正將多種技術手段和設備逐漸融入到集中供熱系統中，一些地區已經有了初步成效。以往熱力站在進行調節作業時通常采用的方式有調節二次網供水溫度、回水溫度以及供回水溫差等，在經過技術改良后，如今已經可以實現自動控制一次供水的流量和供熱量。此方面待解決的問題有：1)偏離最佳加熱曲線而導致的水力、熱力工況失調問題；2)熱力站調節處于被動狀態；3)熱力站循環水泵變頻控制問題；4)補水系統有待完善；5)熱力站運行管理人員隊伍建設問題[3]。

3.2 熱力站水泵變頻技術節能

熱力站電能損耗大已經成為普遍問題，雖然我國一直在就此方面進行優化，但依然未得到明顯改善。對于電能消耗來講，風機和水泵始終占據較大比重，數據顯示，此類負載每年耗電量約占全國用電量1/3，占全國工業用電量40%～50%，供熱工程中更達到了80%以上。如要改善該情況，需要將水泵變頻技術廣泛應用到各個供熱系統中，尤其是風機和水泵方面，具體應從以下幾個方面入手：1)將陳舊設備淘汰，置換成額定效率低的基礎供電設施；2)科學選型，在設計之初就將工作負荷大的設備排除；3)優化流量調節手段，目前所使用的擋板和閥門節流能量損失過大，因此可以從這兩個方面入手：①對輸送管道設計進行優化，并對安裝流程進行簡化；②同時完善管理制度，對于一些管路阻力大的區域進行管控[4-5]。

4 結語

綜上所述，改革開放后我國經濟始終呈穩定增長態勢，人們的生活水平也有很大提升，同時，人們對生活品質的要求也越來越高。如今已經進入大數據時代，任何行業在發展過程中都會產生大量數據，熱力站運行方面也是一樣，但由于集中供熱系統能耗數據基本上都來源于供熱公司，用戶數據收集力度方面有所欠缺，無法全面、細致地分析能耗數據。因此本文嘗試通過三類聚類方法對熱力站能耗數據展開初步分析，并提出一些熱力站節能潛力方面的內容，不難發現，我國在集中供熱方面依然存在節能上升空間，今后應不斷完善集中供熱方式，實現真正意義上的節能減排。