楊洪青，席 飛，張華崗，李 輝

(1河北科技師范學(xué)院，河北秦皇島，066004;2秦皇島市文怡自控技術(shù)有限公司;3河北科技師范學(xué)院歐美學(xué)院)

2008年相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)建筑能耗占全國(guó)能源消耗總量的30%，其中采暖空調(diào)約占全部建筑能耗的65%［1］。由此可見，建筑為耗能大戶，為了經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，必須把建筑節(jié)能放在重要位置。我國(guó)冬季需集體供暖的高等院校眾多，耗費(fèi)資金巨大，部分高校每年供暖所消耗的能源費(fèi)已占到全?？傮w能源經(jīng)費(fèi)的50%［2，3，4］。目前，我國(guó)一些高等院校冬季供暖未根據(jù)各種建筑使用的不同情況、室外溫度在一天內(nèi)的變化情況進(jìn)行調(diào)控。為此，筆者結(jié)合地處河北省秦皇島市的河北科技師范學(xué)院實(shí)際情況，對(duì)高等院校冬季供暖能源消耗的基本狀況進(jìn)行了分析。高等院校樓宇按供暖特點(diǎn)可分為三類:第一類是教學(xué)樓、辦公樓、圖書館、體育館、實(shí)驗(yàn)樓等，稱為公共樓宇，其特點(diǎn)是白天使用，夜間基本無人使用。第二類是學(xué)生公寓樓，這類樓宇的特點(diǎn)是學(xué)生開學(xué)期間使用，而寒假期間基本不使用。第三類是學(xué)校職工及家屬住宅樓，住宅樓的特點(diǎn)是供暖期內(nèi)任何時(shí)候都必須保證供暖達(dá)標(biāo)。高等院校冬季供暖的浪費(fèi)現(xiàn)象主要表現(xiàn)在:第一類樓宇夜間沒人使用也供暖，造成能源浪費(fèi);第二類樓宇在寒假封閉期間照常供暖，從而造成能源浪費(fèi);第三類樓宇的建設(shè)年代不同，管道有粗有細(xì)，暖氣片的組數(shù)有多有少，有的家屬樓離換熱站較近，有的離換熱站較遠(yuǎn)，房間的保溫效果也不同，為了保證所有的住宅樓供暖達(dá)標(biāo)，致使一些樓宇供暖過熱。

根據(jù)以上三種類型樓宇的特點(diǎn)，筆者認(rèn)為應(yīng)該對(duì)高等院校集中供暖系統(tǒng)進(jìn)行分時(shí)、分溫、平衡控制的自動(dòng)化改造，建立節(jié)能供暖系統(tǒng)及監(jiān)管體系。改造后的節(jié)能供暖系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)按需供暖、均衡供暖、達(dá)標(biāo)供暖，以達(dá)到節(jié)約能源、減少資金浪費(fèi)的目的。采取集中監(jiān)控，運(yùn)行人員在監(jiān)控中心對(duì)供暖系統(tǒng)的運(yùn)行情況實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過對(duì)下位機(jī)的參數(shù)設(shè)置，優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行，使供暖系統(tǒng)的管理科學(xué)化、信息化。

1 高等院校冬季節(jié)能供暖系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和控制方式

采暖系統(tǒng)按作用可分為熱源部分、熱能傳輸部分和用戶末端部分。熱源部分主要是指鍋爐，提高鍋爐效率、加強(qiáng)鍋爐自動(dòng)化技術(shù)和水泵變頻技術(shù)可實(shí)現(xiàn)熱源部分的節(jié)能;熱能傳輸部分指熱能從熱源到用戶末端傳送過程中的傳輸管道，加強(qiáng)管網(wǎng)保溫、改善管網(wǎng)水力平衡可實(shí)現(xiàn)熱能傳輸部分的節(jié)能;用戶末端是指最終消耗熱能的環(huán)節(jié)，即供熱建筑［5］。在此主要討論用戶末端的節(jié)能改造。

1.1 總體設(shè)計(jì)

供熱分時(shí)分溫控制系統(tǒng)是根據(jù)傳統(tǒng)供熱存在的問題設(shè)計(jì)而成的，主要由分時(shí)分溫控制器、溫度傳感器和閥門組成，節(jié)能監(jiān)管體系與分時(shí)分溫控制器通過校園網(wǎng)絡(luò)或者GPRS無線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制(圖 1)［5，6，7］。

1.2 用戶末端的改造

室內(nèi)溫度需求是決定建筑熱負(fù)荷的一個(gè)重要指標(biāo)，由于教學(xué)樓、辦公樓、實(shí)驗(yàn)樓和圖書館等公共樓宇夜間無人，可停止供暖或低溫供暖，部分學(xué)校通過夜間降低供暖力來降低室內(nèi)溫度，從而達(dá)到節(jié)能運(yùn)行;寒假期間，除家屬樓以外絕大多數(shù)樓宇均無人，也可以降低室內(nèi)溫度，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

但目前大多數(shù)高校建筑熱力入口只裝手動(dòng)閥門，不能達(dá)到調(diào)節(jié)的目的，因此提出在每棟樓宇安裝一套分時(shí)分溫控制器、3個(gè)無線室溫傳感器，并在樓宇的熱力入口的回水管上安裝電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、供水溫度傳感器和回水溫度傳感器，以便于在白天、夜間、周末及寒假期間調(diào)節(jié)，使其經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。而教學(xué)樓、辦公樓、學(xué)生宿舍樓又占全校總供暖面積相當(dāng)大的比例，寒假期間調(diào)節(jié)得好，供暖熱負(fù)荷大大降低(圖2)。

為了準(zhǔn)確、全方位的了解樓宇的供熱狀況，在每棟樓宇安裝3個(gè)無線室溫傳感器，選取溫度適中的房間安裝1個(gè)室溫傳感器作為該棟樓宇的室溫采樣點(diǎn)，剩余2個(gè)室溫傳感器分別安裝在走廊和衛(wèi)生間，作為樓宇最低溫度采樣點(diǎn)，用于防凍控制。

圖1 高等院校冬季節(jié)能供暖系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

圖2 分時(shí)分溫控制器在供暖樓宇熱力入口處的安裝位置

1.3 節(jié)能監(jiān)管體系的建立

各個(gè)分時(shí)分溫控制器通過校園網(wǎng)或者GPRS無線網(wǎng)絡(luò)向主控中心設(shè)置的固定IP發(fā)送數(shù)據(jù)，主控中心的通信驅(qū)動(dòng)軟件負(fù)責(zé)接收分時(shí)分溫采集器發(fā)送的數(shù)據(jù)，并解析后存入庫(kù)。主控中心設(shè)有數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，該服務(wù)器用于保存各個(gè)分時(shí)分溫控制器的實(shí)時(shí)信息、歷史信息和相關(guān)參數(shù)(圖3)。

系統(tǒng)軟件采用B/S架構(gòu)，用戶數(shù)據(jù)查詢請(qǐng)求通過本地局域網(wǎng)內(nèi)或廣域網(wǎng)上計(jì)算機(jī)的WEB瀏覽器發(fā)出，中心的WEB服務(wù)器接收到相應(yīng)請(qǐng)求后，在該用戶權(quán)限范圍內(nèi)調(diào)用服務(wù)器處理過的數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端，并以表格或圖形的方式顯示。為保障系統(tǒng)安全，防止非法侵入，系統(tǒng)與外網(wǎng)之間通信采用防火墻隔離。WEB服務(wù)器主要是為客戶端的瀏覽服務(wù)，工作站供后勤工作人員配置建筑信息以及查詢各個(gè)建筑的溫度情況以及建筑間的對(duì)比情況。

圖3 高等院校冬季節(jié)能供暖系統(tǒng)的監(jiān)管中心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 高等院校冬季節(jié)能供暖系統(tǒng)的控制方法

上述分時(shí)分溫控制器的控制模式分為分時(shí)開度控制、分時(shí)溫度控制和假期控制共3種模式。

2.1 分時(shí)開度控制

分時(shí)是指將一天24小時(shí)分為12個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段的長(zhǎng)度可根據(jù)單個(gè)樓宇作息時(shí)間表靈活配置;開度控制是指在不同的時(shí)段設(shè)定不同開度，公式(1)為分時(shí)開動(dòng)的函數(shù)表達(dá)式。閥門輸出下限、室內(nèi)溫度下限和室內(nèi)溫度下限這3個(gè)參數(shù)的作用是防止暖氣管道因過低的閥門開度導(dǎo)致凍裂。

Oc(ti):第i時(shí)段控制開度;Os(ti):第i時(shí)段設(shè)定開度。

Tir:當(dāng)前室內(nèi)溫度;Til:室內(nèi)溫度下限。

Ol:第i時(shí)段輸出下限;Oh:第i時(shí)段輸出上限。

Tor:當(dāng)前室外溫度;Tol:室外溫度下限。

分時(shí)開度控制適用于非寒假期間作息時(shí)間分段明顯且控制溫度相對(duì)較難的樓宇，例如教學(xué)樓和部分辦公樓等公共樓宇。表1為分時(shí)開度控制應(yīng)用于某教學(xué)樓的的參數(shù)設(shè)置舉例。

表1 某教學(xué)樓節(jié)能供暖系統(tǒng)分時(shí)開度控制設(shè)置

2.2 分時(shí)溫度控制

分時(shí)溫度控制是指根據(jù)單個(gè)樓宇作息時(shí)間表在不同時(shí)段設(shè)定不同的房間溫度，以設(shè)定溫度作為給定值，以檢測(cè)到的房間平均溫度作為反饋值，以電動(dòng)調(diào)節(jié)閥作為輸出對(duì)象，通過內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)器自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門開度，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的目的。分時(shí)溫度控制的函數(shù)表達(dá)式如公式(2)所示。本系統(tǒng)采用增量式PID控制算法，增量式PID算法與位置式PID算法相比，計(jì)算量要小得多，因此在實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用。

Oc(ti):第i時(shí)段控制開度;Os(ti):第i時(shí)段設(shè)定開度。

Tir:當(dāng)前室內(nèi)溫度;Til:室內(nèi)溫度下限。

Ol:第i時(shí)段輸出下限;Oh:第i時(shí)段輸出上限。

Tor:當(dāng)前室外溫度;Tol:室外溫度下限。

其中:Ok－1(ti)為上次采樣周期控制開度。

ΔOk(ti)=Aek－Bek－2+Cek－2為增量式PID控制算法計(jì)算出來的增量值。

分時(shí)溫度控制適用于非寒假期間辦公樓、公寓樓的節(jié)能運(yùn)行，也可用于寒假期間所有樓宇的低溫節(jié)能運(yùn)行。表2為分時(shí)溫度度控制應(yīng)用于某教學(xué)樓的的參數(shù)設(shè)置舉例。

表2 某教學(xué)樓節(jié)能供暖系統(tǒng)分時(shí)溫度控制設(shè)置

2.3 假期控制模式

由于學(xué)校在寒假期間，教學(xué)樓、辦公樓和公寓樓基本上沒有人使用，在保證不凍壞暖氣管道的情況下可對(duì)這些樓宇進(jìn)行全天候節(jié)能控制。公式(3)為假期控制模式的函數(shù)表達(dá)式，系統(tǒng)將室外溫度分為12個(gè)溫段，每個(gè)溫度對(duì)應(yīng)一個(gè)開度1，開度1保持時(shí)間，開度2和開度2保持時(shí)間，再以特定溫段，系統(tǒng)控制閥門在開度1和開度2按照各自的保持時(shí)間交替變換。表3為假期控制模式參數(shù)設(shè)置舉例，室外溫度在－18～－16℃溫段內(nèi)時(shí)，閥門將在100%開度保持240min，然后又在30%開度保持30min，然后又在100%開度保持240 min，如此循環(huán)。

Ti:第i室外溫段;Os1:開度1;ts1:開度1保持時(shí)間;Os2:開度2;ts2:開度2保持時(shí)間。

表3 節(jié)能供暖系統(tǒng)假期控制模式參數(shù)設(shè)置

3 節(jié)能分析

用建筑物供暖面積指標(biāo)法，對(duì)上述全部建筑進(jìn)行按現(xiàn)行的不進(jìn)行節(jié)能調(diào)控的供暖方法對(duì)全年能耗進(jìn)行計(jì)算，以及采用分時(shí)供暖方式對(duì)能耗進(jìn)行計(jì)算，從而得出全年節(jié)能總量。

3.1 公共樓宇的節(jié)能率

非寒假期，晚上21:30～次日凌晨5:30閥門關(guān)閉8 h，減去1 h暖氣變涼的時(shí)間，有7 h是節(jié)能時(shí)間。節(jié)能時(shí)間占24 h的比例為29%，是公共樓宇在非寒假期的節(jié)能率。

寒假期間，公共樓宇可進(jìn)行全天控制，一般關(guān)閉3 h后，將閥門打開運(yùn)行20 min，使熱水在樓內(nèi)的暖氣管道中完成一次大循環(huán)，然后，再將閥門關(guān)閉3 h。關(guān)閉閥門后的1 h暖氣變涼的時(shí)間，節(jié)能時(shí)間為2 h，占3 h20 min的比例為2/3.33=60%。

整個(gè)供暖季公共樓宇的節(jié)能率為:

［60% ×28(寒假時(shí)間)+29% ×92(非寒假期時(shí)間)］/120(供暖季時(shí)間)=36%

3.2 公寓樓部分的節(jié)能率

在非寒假期對(duì)公寓樓進(jìn)行分時(shí)分溫控制，正常供暖控制在18℃，白天上課時(shí)間控制在16℃，按5 h關(guān)閉供暖計(jì)算，節(jié)能率為:5/24=20%。

寒假期間公寓樓的節(jié)能率與公共樓宇的節(jié)能率相同，為60%。

整個(gè)供暖季公寓樓的節(jié)能率為:

［60% ×28(寒假時(shí)間)+20% ×92］/120(供暖季時(shí)間)=29%

綜上所述，高校建筑采暖采用分時(shí)分溫控制、遠(yuǎn)程監(jiān)管，與不進(jìn)行節(jié)能調(diào)控的供暖方式相比，不僅節(jié)能效果顯著，而且可大大提高高校采暖的科學(xué)性、先進(jìn)性，具有極高的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，是一種科學(xué)合理、前途光明的供暖方式。

［1］ 清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心.中國(guó)建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告2010［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

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