【關鍵詞】:集中供熱；負荷預測；分布式變頻；精細化控制；節(jié)能；DistrictHeating；LoadPrediction；DistributedFrequencyConversion；ElaborateControl；EnergySaving

【摘要】:綜合考慮氣象條件、建筑性質、用戶使用習慣等多種因素，采用神經(jīng)網(wǎng)絡算法對集中供熱系統(tǒng)的熱負荷進行了實時預測。結合建筑的熱惰性、供熱系統(tǒng)和傳熱過程的時滯性，采用分布式變頻技術對主熱源水泵和各用戶的一次水泵進行主動連續(xù)調節(jié)?；跀?shù)據(jù)無線傳輸技術，實現(xiàn)了供熱站與換熱站的聯(lián)動控制。將精細化控制用于西安某熱力公司供熱系統(tǒng)，取得了良好的運行和節(jié)能效果，節(jié)能率在50%以上，有較好的推廣應用價值。

1.引言

我國北方城鎮(zhèn)地處寒冷和嚴寒地區(qū)，由于采暖期長、供熱面積基數(shù)大，采暖能耗占中國建筑用能的很大一部分，是我國目前建筑節(jié)能的主要對象。隨著鍋爐效率的提高及建筑圍護結構保溫性能的加強，我國單位面積采暖能耗逐漸降低，但是隨著集中供熱市場的逐年擴大，總體采暖能耗仍持續(xù)增長[1]。北方地區(qū)為了應對冬季的寒冷氣候，供熱系統(tǒng)大都采用連續(xù)運行的方式，運行時間基本上都在100天以上。北方城鎮(zhèn)建筑供暖典型的“全時間、全空間”特征，是導致采暖能耗大的主要原因。

為減少建筑能耗，我國對北方地區(qū)既有和新建采暖建筑提出了一系列的節(jié)能要求，使得建筑單位面積能耗有明顯的下降。然而，在實際運行過程中，由于運行調節(jié)不到位，建筑室溫偏高的現(xiàn)象普遍存在，能源浪費嚴重。當維持室溫為18℃時，北方城鎮(zhèn)建筑采暖需熱量在0.23~0.42GJ/(㎡?a)之間[2]。實際上，由于大部分建筑的室內溫度高于18℃，甚至有的用戶高達25℃以上，導致北方城鎮(zhèn)建筑采暖實際用熱量在0.4~0.55GJ/(㎡?a)之間，平均約為0.47GJ/(㎡?a)[2]。究其原因，一方面是供熱按面積收費的方式，用戶沒有節(jié)能的積極性；另一方面是換熱站及末端設備調節(jié)手段不到位，無法適應負荷變化的要求。

西安市城區(qū)內現(xiàn)有不同體制不同規(guī)模的供熱企業(yè)共9家、鍋爐總臺數(shù)達到179臺，集中供熱面積達到1.78億㎡。目前，西安市主城區(qū)建筑總面積約為3.70億㎡，集中供熱普及率僅為48.1%，供熱市場廣闊。若所有建筑采暖用熱量控制為0.31GJ/(㎡?a)，3.70億㎡供熱面積的節(jié)能量為0.592億GJ。按西安市集中供熱收費標準的44元/GJ計算，年節(jié)能集中供熱費用約26.048億元，節(jié)能潛力巨大。

本文分析了西安市新建建筑的理論耗熱量，然后給出了實際負荷的預測方法；結合西安某熱力公司的管網(wǎng)和用戶分布設計了分布式變頻供熱系統(tǒng)，并編制了精細化控制軟件；通過一個采暖期的運行，對系統(tǒng)的節(jié)能效果進行了評價。

2.理論耗熱量

西安冬季采暖室外計算溫度為?3.4℃，實際采暖期為120天，接近日平均溫度≤+8℃的天數(shù)，因此，采暖期室外平均溫度按2.6℃計算[3]。熱負荷指標按規(guī)范[3]推薦的節(jié)能建筑數(shù)值選取?？紤]到住宅建筑、辦公建筑、賓館建筑、工業(yè)建筑的用熱時段及室溫設定值不同，對這幾類建筑的理論耗熱量分別進行推算。

2.1.住宅建筑

住宅建筑熱指標取40W/㎡，24h室內溫度設定為20℃，由此可得平均熱指標為：

q=20?2.618?(?3.4)×40=32.52q=20?2.618?(?3.4)×40=32.52W/㎡

年耗熱量為：

Q=32.52×120×24×3600/109=0.3372Q=32.52×120×24×3600/109=0.3372GJ/㎡

2.2.辦公建筑

辦公建筑熱指標取60W/㎡，6:00~20:00室內設計溫度為20℃，20:00~6:00室內設計溫度為5℃。由此可得平均熱指標為

q=[20?2.618?(?3.4)×1524+5?2.618?(?3.4)×924]×60=33.01q=[20?2.618?(?3.4)×1524+5?2.618?(?3.4)×924]×60=33.01W/㎡

年耗熱量為：

Q=33.01×120×24×3600/109=0.3422Q=33.01×120×24×3600/109=0.3422GJ/㎡

對于24h要求室溫20℃的辦公建筑，年耗熱量為：

Q=60×120×24×3600/109=0.6221Q=60×120×24×3600/109=0.6221GJ/㎡

2.3.賓館建筑

賓館建筑熱指標取45W/㎡，24h室內溫度設定為22℃，由此可得平均熱指標為

q=22?2.618?(?3.4)×45=40.79q=22?2.618?(?3.4)×45=40.79W/㎡

年耗熱量為：

Q=40.79×120×24×3600/109=0.4229Q=40.79×120×24×3600/109=0.4229GJ/㎡

2.4.工業(yè)建筑

工業(yè)建筑熱指標取50W/㎡，6:00~20:00室內設計溫度為20℃，20:00~6:00室內設計溫度為5℃。由此可得平均熱指標為

q=[20?2.618?(?3.4)×1524+5?2.618?(?3.4)×924]×50=27.51q=[20?2.618?(?3.4)×1524+5?2.618?(?3.4)×924]×50=27.51W/㎡

年耗熱量為：

Q=27.51×120×24×3600/109=0.2852Q=27.51×120×24×3600/109=0.2852GJ/㎡

3.集中供熱系統(tǒng)精細化控制

3.1.分布式變頻系統(tǒng)設計

3.1.1.分布式變頻系統(tǒng)原理

目前，我國北方城市的供熱系統(tǒng)仍以枝狀管網(wǎng)為主。在熱能輸送方式上，多采用傳統(tǒng)的設計及運行方式，即在熱源廠統(tǒng)一設置循環(huán)水泵，由其承擔熱源內部阻力、輸送及輸配管網(wǎng)阻力、換熱站或其他末端系統(tǒng)阻力，用戶處不需在城市熱網(wǎng)側設置水泵。熱源循環(huán)水泵揚程依據(jù)最不利環(huán)路的阻力進行配置，以滿足遠端用戶的用熱需求；近端用戶資用壓差過大，采用閥門進行強制節(jié)流，以達到近端與遠端的水力平衡要求。實際運行中，對于規(guī)模較大的供熱管網(wǎng)，由于近端用戶調節(jié)閥處的壓差遠大于閥門的調節(jié)范圍，導致近端用戶超流量現(xiàn)象大量存在，成了北方地區(qū)城鎮(zhèn)供暖每年都要面臨的困擾。為了解決末端不熱的問題，熱力公司往往采取加大流量的措施，從而進一步擴大了超流量用戶的范圍。

相比于調節(jié)閥，基于變頻技術的水泵調節(jié)流量的方式更為方便、可靠。在實際應用中，降低熱源廠主循環(huán)水泵的揚程，讓其僅克服熱源廠內部的阻力，這樣使得熱源廠設備承受的壓力大為降低，水泵的運行能耗也大幅度降低。由于熱源水泵揚程不能克服熱源廠外的阻力，因此，所有熱用戶都必須在城市熱網(wǎng)側設置水泵，用以克服熱源廠至熱用戶之間的阻力。在熱用戶處設置的這一水泵稱為分布式變頻水泵。這樣一來，將在熱源處形成大流量、小揚程水泵，在用戶處形成小流量、揚程隨距離熱源距離逐漸增大的水泵。熱源大流量水泵與各用戶的小流量水泵串聯(lián)運行，各用戶的小流量水泵并聯(lián)運行。所有水泵均通過頻率控制實現(xiàn)各供暖用戶的水力平衡。這一系統(tǒng)即為分布式變頻供熱系統(tǒng)。自動化程度較好的分布式變頻系統(tǒng)可省去調節(jié)閥門，同時可降低供熱系統(tǒng)供水管道的壓力水平，系統(tǒng)更加安全。

3.1.2.分布式變頻系統(tǒng)設計

在分布式變頻系統(tǒng)中，設計時按以下步驟進行：

1)管網(wǎng)系統(tǒng)進行水力計算，確定系統(tǒng)所需的流量和壓力分布。

2)按照供熱的經(jīng)濟性，合理選擇壓差控制點位置，一般控制在熱源廠內部。

3)選擇主循環(huán)泵，流量滿足全網(wǎng)流量需求，揚程克服壓差控制點之前的系統(tǒng)阻力。

4)選擇用戶一次水泵，滿足該分支用戶的阻力和流量。用戶一次水泵應滿足用戶近、遠期負荷發(fā)展要求，并能適應外網(wǎng)壓力變化。

3.2.集中供熱系統(tǒng)精細化控制

3.2.1.負荷預測

供熱管網(wǎng)系統(tǒng)的熱負荷預測指導著供熱管網(wǎng)系統(tǒng)的運行調節(jié)和控制。影響熱負荷的因素較多。按照主客觀分為氣象因素、建筑因素和人為因素。按照是否為熱計量建筑分為非熱計量、熱計量和用戶行為。用戶行為的不可預知性，使其成為負荷預測中的偶然因素。

供熱系統(tǒng)具有時變性、時滯性、隨機性和偶然性等特點，神經(jīng)網(wǎng)絡方法對熱負荷的預測擁有巨大優(yōu)勢。本文依據(jù)為每個換熱站專門開發(fā)的神經(jīng)網(wǎng)絡算法進行了熱負荷的預測，并基于預測的結果對供熱系統(tǒng)進行控制和調節(jié)。神經(jīng)網(wǎng)絡算法有專門文獻可查，本文不再贅述。

3.2.2.檢測參數(shù)

檢測參數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)，主要包括室外氣象參數(shù)(溫度、濕度、風速、太陽輻射等)，城市熱網(wǎng)供、回水溫度，用戶熱網(wǎng)供、回水壓力，城市熱網(wǎng)流量，用戶熱網(wǎng)供、回水溫度，用戶熱網(wǎng)供、回水壓力，分布式水泵運行反饋。

3.2.3.控制對象

根據(jù)檢測參數(shù)進行神經(jīng)網(wǎng)絡運算，得到各用戶的熱負荷預測結果。通過調節(jié)用戶分布式變頻水泵的轉速，改變城市熱網(wǎng)在用戶處的回水溫度，從而保證城市熱網(wǎng)的供、回水平均溫度在所需的數(shù)值上，保證換熱器的傳熱溫差，進而保證熱用戶的供熱量。用戶管網(wǎng)側的流量，按照壓差調節(jié)的方法進行用戶處水泵轉速的調整。

3.2.4.控制方法

用戶管網(wǎng)溫度調節(jié)方程為：

tpj=tg+th2=qhqh0(tpj0?tn0)+tntpj=tg+th2=qhqh0(tpj0?tn0)+tn(1)

式中，tpj為用戶管網(wǎng)供、回水平均溫度，tg為用戶管網(wǎng)供水溫度，th為用戶管網(wǎng)回水溫度，qh為熱負荷實時預測值，tn為室溫設定值，下標0表示設計工況。

在不同的預測負荷下，通過調節(jié)城市管網(wǎng)循環(huán)水泵的轉速調節(jié)控制城市管網(wǎng)的流量來控制用戶管網(wǎng)供回水平均溫度進行用戶管網(wǎng)的溫度調節(jié)。

用戶管網(wǎng)流量調節(jié)根據(jù)最不利用戶壓差要求調節(jié)變頻水泵的轉速。

根據(jù)板式換熱器傳熱方程，城市管網(wǎng)與用戶管網(wǎng)供、回水溫度有如下關系：

(τ1?tg)?(τ2?th)lgτ1?tgτ2?th=(τ10?tg0)?(τ20?th0)lgτ10?tg0τ20?th0qhqh0(τ1?tg)?(τ2?th)lgτ1?tgτ2?th=(τ10?tg0)?(τ20?th0)lgτ10?tg0τ20?th0qhqh0(2)

式中，τ1、τ2分別為城市管網(wǎng)供、回水溫度，下標0表示設計工況。

城市管網(wǎng)和用戶管網(wǎng)供、回水溫度均通過換熱站內的溫度傳感器進行實時采集，因此，式(2)可以用來判定負荷預測的準確性，并用于預測模型的修正。

4.運行效果分析

4.1.設計條件

2016~2017年采暖季共有4家用戶投入運行，分別為第一學校、第六小學、公安局、消防站。各換熱站設計條件見表1(其中，第一學校換熱站夜間僅維持5℃的值班溫度)。

4.2.運行效果

2016~2017年采暖季的實際運行效果表明，基于精細化控制的供熱系統(tǒng)具有十分可觀的節(jié)能潛力。對于夜間僅維持值班溫度的熱用戶(第一學校)，節(jié)能潛力尤為可觀(表2)。表中所有用戶的實際耗熱量均小于理論耗熱量，平均實際耗熱量指標為0.1569GJ/㎡，平均實際熱負荷僅15.13W/㎡。

圖1~圖4給出了第一學校換熱站的實際運行曲線。由曲線可以明顯看出，整個運行過程中，城市熱網(wǎng)和用戶熱網(wǎng)的參數(shù)均在不斷變化中。正是這種變化，充分利用了整個系統(tǒng)的供給和消耗的時間差，最大限度地實現(xiàn)了節(jié)能運行。

由圖1可以看出城市熱網(wǎng)的水溫是不斷變化的，說明城市熱網(wǎng)為典型的質調節(jié)過程。圖2說明用戶熱網(wǎng)的水溫也是不斷變化的，用戶熱網(wǎng)也為典型的質調節(jié)。圖3體現(xiàn)了城市熱網(wǎng)的水量是不斷變化的，

Table1.Designconditionsofheatingusersin2016-2017

表1.2016~2017采暖季用戶設計條件

Table2.Operatingresultsofheatingusersin2016-2017

表2.2016~2017采暖季用戶運行效果

Figure1.Curve:supplyandreturntemperatureofurbanheatingnetwork

圖1.城市熱網(wǎng)供、回水溫度變化曲線

Figure2.Curve:supplyandreturntemperatureofuser’sheatingnetwork

圖2.用戶熱網(wǎng)供、回水溫度變化曲線

Figure3.Curve:flowrateofurbanheatingnetwork

圖3.城市熱網(wǎng)流量變化曲線

Figure4.Curve:heatingload

圖4.供熱負荷變化曲線

說明城市熱網(wǎng)為典型的量調節(jié)。因此，整個供熱系統(tǒng)的運行為典型的質量–流量調節(jié)過程。圖4體現(xiàn)了供熱負荷不是定值，說明了控制系統(tǒng)在不停地對供熱負荷進行預測和調整，有效避免了過量供熱。因此，圖1~圖4展現(xiàn)了以負荷預測為基準的質量–流量調節(jié)精細化供熱過程。

5.結論與建議

綜合考慮各種內外擾動對建筑熱負荷的影響，并充分利用建筑的熱惰性，基于精細化控制的供熱系統(tǒng)具有巨大的節(jié)能潛力。西安某熱力公司供熱系統(tǒng)的運行結果表明，西安市新建建筑采用該精細化控制策略后，節(jié)能率在50%以上，取得了良好的運行和節(jié)能效果，有較好的推廣應用價值。

基金項目：

本研究為中央高?；究蒲袑ｍ椯Y金(310828171005)資助項目。

參考文獻：

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