天津集中供热系统滞后性研究.doc

天津某集中供热系统滞后性研究
天津大学 袁闪闪，朱能，田喆

摘要
在我国北方，供热能耗占到了城市总能耗的40%，然而能源运用效率存在严重问题。重要因素之一是当前我国供热调控重要是运用室外温度拟定供热温度，依据回水温度进行反馈控制。由于没有考虑系统热调节的滞后性和围护结构相对气温的滞后性，使上述手段实际运营调节存在较大偏差。
作者通过逐时自动监测天津某集中供热管网08-2023度两个采暖季的供热运营参数，并依靠天津市气象局提供的同期加密的逐时气象资料，对供热系统动态调节性能重要是滞后性进行了进一步研究。首创性的提出并运用了“三个滞后性”的分析方法，提出了在不改造更换系统和设备的前提下，通过改善操作策略，提高系统运营效率，达成节能减排目的的行之有效的前馈调控方案。
关键词 集中供热 三个滞后性 前馈调节
1 研制背景及意义
节约能源已成为我国的基本国策，是建设节约型社会的主线规定。我国北方城乡70%以上的采暖建筑采用各种形式的集中供热方式，然而能源运用效率存在严重问题。究其因素，重要是我国大部分集中供热系统的调控手段落后，现行的调控方法多为定性或经验的滞后调节，运用室外温度拟定供热温度，依据回水温度进行反馈控制。并且，现行的调控方法多数只是机械的考虑了室外温度一个气象参数，对于大风降温、雨雪冰冻等极端天气的应对能力较差。这种不考虑系统热调节的滞后性和围护结构相对气温的滞后性，不充足运用城市供热气象预报的便捷服务的现行运营调节方法产生了明显的供热偏差，导致能源运用效率低下，燃煤量偏大，环境污染加剧，供热质量低下，热舒适性较差。
正是基于该问题，力求在不改造更换系统和设备的前提下，作者通过对系统热动态特性的辨识，有效改善操作策略，提高系统运营效率，指导供暖公司达成节能减排、提高供热公司的经济效益和供热服务质量，满足和提高热用户的舒适性规定。作品的理论成果具有在我国北方大部分集中供热系统中推广的可行性，可认为我国燃煤供应安全和能源储备策略提供有利的技术支撑，同时有效加快我国建筑行业节能减排的步伐。
2 监测实验及理论分析
2.1 监测实验
本次的监测实验以天津某集中供热公司为背景，对该公司08至2023度的供热状况进行了实时监测，借助于天津市气象局提供的逐时气象资料，在供热后期对研究成果进行了初步检查。
监测点以住户为基本单位，选择三个典型换热站，每个换热站选取一个社区，每个社区分别选出两栋楼，每栋楼设立5个监测点，15层以上高层建筑设立10个监测点，共设立约30个监测点。监测点布置示意图如下图2所示，分别在锅炉进出口、锅炉房分集水器、换热站分集水器以及典型用户设立监测点。
采用美国HOBO公司生产的便携式数据采集器，分为U12-014温度自记仪系列和U10-003温湿度自记仪两种，HOBO U12-014测温范围为-200～180℃，精度为1℃。HOBO U10-003数据采集器测温范围为-20～70℃，精度±0.4℃（25℃的工作环境），相对湿度测量范围为25%～95%，常温下精度为±3.5%。两种数据采集器均可大容量存储，可快速提取数据，使用HOBOware软件进行数据分析。
08-2023度锅炉房和换热站的监测点每半小时自动记录一次数据，热用户的监测点每一小时自动记录一次数据。09-2023度供暖起始阶段，锅炉房和换热站的监测点每三分钟自动记录一次数据，热用户的监测点每三分钟自动记录一次数据，之后各监测点每十分钟自动记录一次数据。
2.2实验结果分析
2.2.1 气象资料分析
天津属于寒冷气候区，冬季室外计算温度为-9℃。2023度采暖季期间（即2023年11月12日到2023年3月15日），天津的日最低温度都在-9℃以上，一般在-6℃到-2℃之间，室外平均温度是3.2℃。天津市2023度采暖季日最大风速频数图见图1所示。

图1 天津市2023度采暖季日最大风速频数图
2023度采暖季期间，天津平均风速为2.1m/s，风速不低于3 m/s的频率为15.5%，风速不低于5 m/s的频率为1.3%。主导风向是西南风，其他风向很少。天津市2023度采暖季风向玫瑰图见图2所示。

图2 天津市2023度采暖季风向玫瑰图
通过对天津2023度采暖季的气象分析，考虑到风速对建筑负荷的重要影响，用风速来修正室外温度。采用风速修正室外温度的方法得到修正室外温度，修正方法为：

2.2.2 一次网系统滞后性分析
热量在由锅炉房输送到换热站时存在衰减和延迟，由此产生了一次网的滞后性。由于一次网系统受气象参数的影响较小，为简化研究模型，忽略气象参数对一次网系统的影响。选择输送距离最长的北五村换热站作为典型换热站。经分析发现，滞后时间为热源分水器温度和换热站二次供水温度的峰值时间差。
通过度析监测数据，分别得到热源分水器温度和典型换热站二次供水温度折线图。找到一天中热源分水器温度变化趋势比较明显的点，如波峰或波谷，然后在此时刻以后找到换热站二次供水温度的波峰或波谷，两个波峰或波谷之间的时间差就是一次网系统的滞后时间。通过对08-2023度整个采暖季的分析，剔除温度变化趋势不明显的个体，得到一次网的平均滞后时间为1.5小时。得到的峰谷数据分析结果如下表1所示。
表1 一次网滞后性峰谷数据分析
图形
滞后1小时
滞后1.5小时
滞后2小时
滞后2.5小时
尖峰
7
12
2
1
尖谷
11
17
3
1
在09-2023度采暖季，对供暖数据采用进行加密分析，亦得到同样的结果。对比2023年12月1日一次网的滞后时间变化如下图3所示。很明显可以看出一次网的滞后时间为1.5小时。

图3 2023-12-1一次网输入、输出温度实时对比
2.2.3 围护结构滞后性分析
围护结构的滞后型分析采用延长监测期的方法。在供暖结束后，仍然监测室内外温度，此时两者的趋势差便体现了围护结构的滞后性。对三个换热站中建设年代最早距今已有2023的北五村社区用户进行了进一步分析。采用与一次网的滞后性分析相类似的方法，得到室内温度滞后时间基本上都在1个小时以内，由此也说明，在三步节能标准实行前，围护结构的保温性能较差。
2.2.4 换热器的滞后性分析
一、二网的供水通过各换热站的换热器进行热量的互换，热量互换的时间就是换热器的滞后时间。仍然以北五村的换热站为例。对比一、二次网的供回水温差，发现温差趋势基本一致，且几乎不存在滞后。2023年12月1日北五村换热站一、二次网供回水温差对比图见图4所示。

图4 北五村换热站一、二次网供回水温差对比
2.2.5 二次网的滞后性分析
二次网滞后性的原理同一次网滞后性的原理是相似的，也是由于热量在由换热站输送至热用户时存在衰减和延迟。二次网的分析方法采用“假设-修正”法。与二次网供水温度相应时刻的室内温度同时受到了二次网滞后性和围护结构热惰性的影响。“假设-修正”法的基本思想就是假设室外温度与室内温度同样，即室内外温差为零，此时的室内温度就只受到二次网滞后性的影响，通过假设后的二次网系统由于变量参数少，易于分析系统滞后性。因此对室内温度进行修正，使修正后的室内温度在数值上等于室内外温差为零而供热系统正常供热时的假设室内温度。
前面已经把风速修正到室外温度上，下面用室外温度修正室内温度，修正方法为：

其中，下角标为1代表前一个小时的参数，下角标为2代表分析时刻的参数。
通过研究换热站二次供水温度与不同滞后限度室内修正温度的相关性拟定滞后时间，换热站二次供水温度与不同滞后限度室内修正温度的相关性如表2所示。从表中数据，可以看出二次网的滞后时间为2小时。
表2 二次供水温度与不同滞后限度室内修正温度的相关系数

正常时刻
滞后1小时
滞后2小时
滞后3小时
修正室内温度
0.698
0.730
0.747
0.726
3 前馈调节应用研究
3.1提高运营管理水平
现在集中供热系统普遍采用“锅炉房中心调节+换热站局部调节”的方式，换热站里负责调节的工人多数没有通过专业技能的培训，调节理念明显落后，一般都是根据数年经验进行调节，调节依据各不相同，调节水平参差不齐，特别是调节依据依靠当下值而不考虑未来变化的做法导致了运营调节存在明显的滞后现象。以上几章对供热系统滞后性的分析，方便了工人操作，工人在对系统滞后特性有了清楚了解的基础上再参考气象预报，就能提早应对各种大风降温、天气回暖等突变天气，可以实现由现行“亡羊补牢”式的滞后调节向“未雨绸缪”式的前馈调节的转变，既可以节约能源又能提高热用户的房间舒适度。
3.2优化气候补偿器性能
近几年，气候补偿器在供热系统中的应用越来越广泛，气候补偿器可以根据室外温度变化及设定的调温曲线，自动控制供水温度，实现供热系统的供水温度的气候补偿，也可以通过室内温度传感器根据室温调节供水温度实现室温补偿，在一定限度上实现了节能减排的目的，但是气候补偿器的调节原理也是属于滞后调节，假如可以结合气象部门提供的天气预测，并针对每个供热系统的滞后特性重新制定调温曲线，将使气候补偿器的调节效果更加有效，节能减排效果更加明显。文章中对供热系统滞后特性的分析思绪为气候补偿器优化调节性能提供了现实的也许性。
4 结论
文章在以下方面有独特创新: 第一，首创性的提出了集中供热系统三个重要滞后性分开辨识的方法；第二，调控方案不更改系统原有设备，而是优化调控策略，成本低廉，实用方便；第三，从实测数据出发，通过辨识分析供热系统的动态热特性，提出相应锅炉供水温度预测模型的方法有较好的应用实践意义。
在我国北方采暖的大部分地区以及世界范围内同类型式的集中供热系统中都具有可推广价值，应用前景广泛。本论文受国家科技支撑计划《既有建筑综合改造技术集成示范工程》资助完毕，课题编号2023BAJ03A10。

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