换热站供暖系统分阶段等温差控制技术.pdf

节能技术与应用57NO.07 2023节能 ENERGY CONSERVATION换热站供暖系统分阶段等温差控制技术张世钰（合肥瑞纳智能能源管理有限公司，安徽 合肥 230001）摘要：为了控制建筑不同时段内室内温度差，提高供热系统服务质量，开展换热站供暖系统分阶段等温差控制方法的设计研究。根据前端用户的实际需求，确定系统的供水温度与室内温度之间的关系，计算在影响周期范围内，供热系统运行的失热量与供热量，累加计算两者的差值。此数值超出某一时段的数值时，启动供暖系统的补偿程序，驱动换热站供暖系统供热补偿行为；设计换热站热网的主动调节，提出基于热力调控的分阶段等温差控制方法，实现对温度的有效调控。以某地区居民建筑为例，设计实例应用实验。结果显示：提出的方法可以将建筑室内温度控制在供暖系统温度标准界限以上，有效控制建筑不同时段内室内温度差，以此提高供热系统的运行质量。关键词：换热站；主动调节；控制技术；等温差；分阶段；供暖系统中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：1004-7948（2023）07-0057-03 doi：10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.016引言目前，我国的换热站供暖系统在运行中最常用的技术为等温差控制技术。该技术通过控制供暖系统中温度梯度变化规律，以实现对供暖系统热力特性的全面把控。等温差控制技术已广泛应用于商业、住宅小区和公共建筑的供暖系统开发与设计中1。换热站供暖系统采用等温差控制技术，对用户供暖系统具有较大的影响，但在许多地方仍存在缺陷。部分换热站在供热开始阶段的室内相对湿度较大，但在热量到达供热末端后，不能达到理想的恒温状态，导致热量传递缓慢。为了解决上述存在的问题，现有研究更倾向于在换热站供热系统中采用分阶段等温差控制技术，该技术的应用能够控制换热站台的总热量、流量以及水温分布等特征，进而使建筑物整体处于最佳工作状态2。集中供热或分布式散热器供回水系统的供水量大于供回水系统供水流量时，会出现供水、回水之间的热量交换，交换中的不平衡现象会导致室内温度下降，严重情况下会导致室内供热温度无法达到标准要求。由于供暖系统的回水管路内管材不同，管壁也存在一定的差异，导致回水量的变化幅度较大，进而影响室内供暖效果。针对此种情况，可以通过控制各换热站的供暖系统供水或回水压力，使供回水温差保持在一定范围内3。目前，有关换热站供暖系统分阶段等温差控制技术的研究仍局限在理论方面，为了实现对其相关设计内容与成果的优化，还应在现有研究成果的基础上，深化控制技术。以供暖系统为例，对等温差控制技术展开详细的设计研究，旨在通过此次设计提高建筑供暖服务效果，为末端用户提供更加优质、可靠的服务。1换热站供暖系统供热补偿供暖系统具有热惯性能，其影响因素较多，很难采取直接的手段实现对其的准确控制。由于供暖系统的作业环境受到气候条件等多种因素变化的影响，导致供暖系统自身也存在较大的滞后性，即室外气象条件发生变化时，会给室内环境温度带来一定的延迟影响4。因此，针对设计系统进行等温差控制前，应根据前端用户的实际需求，落实对供暖系统在作业过程中的热量补偿，以此降低气象条件变化给供暖系统带来的滞后性影响。在此过程中，考虑换热站中系统的控制与补偿对象为供暖系统运行中的供水温度，且用户端的期望效果为维持稳定、适宜的室内温度，故在进行补偿的过程中，应首先确定系统的供水温度与室内温度之间的关系5。供暖系统在运行中的供水温度为：t1=t2+(12t1+t2-2t2)(t2-t3t2-t3)11+B+()t1-t32G(t2-t3t2-t3)(1)式中：t1、t1供暖系统在运行中的供水温度、期望供水温度；t2、t2供暖系统在运行中的回水温度、期望回水温度；t3、t3室内温度、期望室内温度；G阀门状态；B稳态控制模型。根据供暖系统所在地区的气象资料，研究当地的室外环境温度变化规律，考虑室外环境温度的变化会对室作者简介：张世钰（1981），男，本科，工程师，研究方向为机电一体化。收稿日期：2022-11-18引用本文：张世钰.换热站供暖系统分阶段等温差控制技术 J.节能，2023，42（7）：57-59.节能技术与应用58节能 ENERGY CONSERVATIONNO.07 2023内温度造成一定程度的影响，但此种影响的持续时间会受到最小周期的约束，定义周期参数为T。T=Tmin/N(2)式中：Tmin最小周期；N气象系数，通常为510。在此基础上，计算在影响周期范围内，供热系统运行的失热量与供热量，累加计算两者的差值，计算各个时段下的该差值。此数值超出该时段内周期参数的数值时，启动供暖系统的补偿程序，驱动换热站供暖系统进行供热补偿行为。2换热站热网主动调节在换热站供暖系统供热补偿的基础上，设计换热站热网在运行中对其温度的主动调节。考虑多热源网络供暖系统的一次网通常较长，且供热区地势差异较大，如果高层用户采用直接连接方式，很可能使散热器等设备超压，进而造成损坏，而间接连接方式可以解决这一问题6。为了满足供热过程中的热网主动调节需求，使终端不同节点用户可以通过调节装置，达到室温热量要求，需要在设计换热站热网时，明确对应站点的数量与可供应热量之间的关系。QD=i1nqi+qs(3)式中：QD换热站D在运行中可供应的热源量；i换热站编号；n供热服务线路上总换热站的数量；qi第i个换热站在供热中消耗的热量；qs热损失量。除了两种热源要提供对应的热量以外，两热源的循环泵也必须协调一致，使两热源的热媒参数与工作条件相符合7。同时，应确保管网最不利位置处的压差等于或稍高于容许压差，以防止不同位置的管网由于位置差异，而产生局部压差过大，进而导致管网破裂。在此过程中，各换热站的调节装置在进入每个换热站时，应确保其满足热量与换热器所需的热平衡，两者越接近，说明调节装置的性能越好，即主动调节效果越佳。按照上述方式可以实现换热站热网的主动调节过程。3基于热力调控的分阶段等温差控制考虑供热系统的运行会存在部分的热量损失，热量损失直接对换热站供热温度造成影响8。为了降低此种因素对供热系统供热温度的影响，提出基于热力调控的分阶段等温差控制方法。控制过程中，由于换热站中管网在输送供水过程的损失热量较为微小，故在文中排除或忽略换热站中管网在输送供水时的沿途热量损失。假设在此过程中，供暖系统的热水回路处于相对稳定的运行状态，则在此种状态下，供热站管网应满足热量供应的平衡，需要将供热过程的系统热负荷作为约束条件。P1=pV(1-2)(4)式中：P1系统热负荷；p平衡条件；V供水速率；1室内标准温度；2回水温度差。设计针对供水服务对象的热力平衡指标，对某一时刻下的建筑实施等温差控制，控制过程的计算公式如下：A=g-()12+1+c1-2(5)式中：A等温差控制驱动行为；g建筑物体积；供热面积；散热器外表面积；c供热常数；1散热运行条件；2散热运行的约束条件。在高气压条件下，回水温差较小，循环水泵流量较大，通过基于热力调控的分阶段等温差控制，可以在一定程度上消除系统的热失衡。在低气温条件下，回水温差较大，循环水泵流量较小，循环泵流量相对低，可以减少在高转速下的循环水泵消耗。按照上述方式，实现基于热力调控的分阶段等温差控制，以此完成换热站供暖系统分阶段等温差控制方法的设计。4实例应用分析为了实现对文中设计的控制方法在实际应用中效果的检验，以某地区的居民建筑为例，按照设计方法，对社区建筑实施等温差供热控制，测试设计的控制方法在实际应用中的效果。为了满足实验结果的真实性需求，在开展相关研究前，对该地区供暖系统运行的基本情况展开调研。在深入相关工作的研究过程中发现，该小区一期的采暖方式为地下二层集中供暖，一期小区共4栋建筑，将其标注为1#4#，总建筑面积约4.6万m2（按单元设置供热阀门统计）。其中，1#3#单元室内各设置1组供热阀门，4#单元设1组供热阀门。对于首层室外供暖管路，2#和4#单元采用下水管，1#和3#单元采用上水管。对末端供暖服务展开统计，根据阶段性的统计工作可知，现有供暖系统在提供用户供暖服务时，经常出现室温无法达到预期标准的效果。与供暖负责单位进行综合交涉后，决定使用文中设计的控制方法，对该地区的供暖展开控制工作。按照等温差控制原理，在分阶段供热开始时，室温基本保持稳定状态，随着供热温度稳定，各组团室内壁挂炉会持续加热，直至室温达到设定值方可停炉保温。对于部分不具备等温差条件的地区，供热管道的等温差控制可以通过热源压力调节实现。控制前，设计此建筑的供暖服务标准。建筑供暖系统供热标准如表1所示。参考表1的供暖系统供热标准，在控制过程中，根据小区供暖系统的实际运行情况，设计换热站供暖系统的供热补偿。在此基础上，主动调节换热站热网，并通过对热力的主控调控实现对供暖系统的等温差控制。统计供暖系统在进行服务的过程中，该建筑所在环境的大气温度变化与建筑室内温度的变化情节能技术与应用59NO.07 2023节能 ENERGY CONSERVATION况，如图1、图2所示。由图1、图2可知，该地区的大气温度为-510，进行建筑等温差控制前，观察图2中对温差进行控制前的曲线趋势，发现该建筑的室内温度变化会随着建筑所在环境的大气温度变化而产生相对应的变化趋势，即图2中控制前的温度变化曲线的变化趋势与图1曲线的变化趋势基本一致。在此条件下，建筑室内温度不同时段下的温度基本在1723 范围内波动，温度差约为6。控制后建筑室内温度在1820 范围内变化，整体温差变化较小，温差仅为2，且控制后建筑室内温度能够保持在18 以上。因此，通过实例验证文中设计的等温差控制方法在实际应用中的效果良好，可以控制建筑室内温度在供暖系统温度标准界限18 以上，有效控制建筑不同时段内室内温度差，确保室内温度差保持平稳，从而优化供暖系统的供热服务效果与质量，表明文中提出的分阶段等温差控制技术能够为用户提供更加适宜的居住体验。5结语为了提升换热站供热系统的温度控制效果，研究分阶段的等温差控制技术。等温差控制技术是在供暖系统正常运行时，将室内供暖温度与外界气温相对应，并使供热温度保持恒定的一种节能技术。供暖开始阶段，如不及时进行温差控制，会造成室温始终处于较低状态，用户家中很容易出现冷热不均现象。随着用户供暖数量的增多，室内相对湿度会逐渐增大。为了保证换热站供暖系统稳定运行，在集中供暖期间采取分段控制方式，当室内温度稳定后进行换热。通过换热站供暖系统供热补偿、换热站热网主动调节、基于热力调控的分阶段等温差控制，完成此次设计。通过实践检验证明，此次设计的方法可以将建筑室内温度控制在供暖系统温度标准界限以上，避免室内供暖温度的不稳定情况，还可以有效控制建筑不同时段内的室内温度差，进一步保证供暖服务的稳定。参考文献1 李康，周薇，王想实.基于PID算法的小范围水温差恒定控制研究 J.物联网技术，2022，12（9）：102-104.2 徐利兴，杨博文，雷京祥，等.乌东德水电站VHS机组推力瓦温差控制技术的创新与应用 J.人民黄河，2022，44（增刊1）：95-96，99.3 马俊杰，赵奋，王飞，等.北非沙漠地区超高层结构温差效应分析与施工控制措施 J.建筑结构，2021，51（增刊1）：2247-2253.4 王立舒，白龙，房俊龙，等.基于双曲正切函数的光伏/温差自适应MPPT控制策略研究 J.农业工程学报，2021，37（16）：184-191.5 王军，阎铁生，陈亮，等.基于短路电流法的温差发电最大功率点跟踪控制 J.电工技术学报，2020，35（2）：318-329.6 孟召虎，胡志文，袁科明，等.大温差干燥环境下超大屋面混凝土裂缝控制关键技术 J.建筑施工，2020，42（1）：48-50.7 刘宇飞，李传习，于孟生，等.大跨拱桥拱肋拼装温差效应分析及控制方法 J.交通科学与工程，2020，36（1）：63-69.8 谭文鹏，王荣兴，赵伟，等.基于温差控制的大体积混凝土智能温控系统及方法 J.公路，2020，65（10）：211-215.图1建筑所在环境的大气温度变化图2建筑室内温度的变化表1建筑供暖系统供热标准项目夏季室内温度冬季室内温度热消费总额室内各阶段温度差标准小于8 大于18 与供暖面积相差控制在50%60%之间越小越好