張志正，劉艷濤

（長春工程學院，吉林 長春 130012）

分時分區(qū)控制系統(tǒng)在供熱中的應用

張志正，劉艷濤

（長春工程學院，吉林 長春 130012）

我國北方目前主要以集中供熱為主、區(qū)域鍋爐房為輔的模式進行冬季供熱。集中供熱可以實現能源和資源的有效管理與利用，但其運行與管理所需費用相對較高。分時分區(qū)控制系統(tǒng)可以有效減少供熱過程中不必要的能源消耗，降低運行管理費用，很好地實現節(jié)能降耗的目的。

分時分區(qū)；節(jié)能降耗；控制；管理

集中供熱技術水平在我國北方已相對成熟，能夠基本滿足冬季人們對供熱的要求。但就目前技術而言，仍然存在能源浪費的問題，因此如何更好的發(fā)展與完善集中供熱技術已經成為供熱企業(yè)和相關部門的一項重要工作。

1 集中供熱現狀

1.1 集中供熱的優(yōu)勢

我國東北地區(qū)冬季寒冷，供熱管網系統(tǒng)發(fā)達，形成了熱電聯產和區(qū)域鍋爐房共同運行的供熱模式，相比于其他地區(qū)，集中供熱技術水平較高。熱電聯產能夠充分利用能源，取得最大的能源利用效益，減少資源浪費和環(huán)境污染。區(qū)域鍋爐房的熱網自動運行控制系統(tǒng)，實現了供熱系統(tǒng)的穩(wěn)定、節(jié)能運行，這樣一來既沒有熱源損失，又可根據區(qū)內企業(yè)對新能源的需求進行能源匹配，以達到新能源利用的最大集約化。集中供熱實現了供熱的安全、環(huán)保和節(jié)能，同時也提高了生活品質。

1.2 集中供熱的不足

集中供熱系統(tǒng)雖然實現了能源的合理化利用，但仍存在一定的問題，主要包括以下幾個方面：（1）冷熱不均勻；（2）運行方式不合理，出現能源資源的浪費；（3）設計規(guī)劃水平較低。

這幾個方面均導致了供熱成本與能耗的增加。目前困擾供熱行業(yè)的仍是過高的能耗問題。例如供熱的初末期輸配能耗過高。供熱的初期與末期，室外溫度相對較高，溫差較小，用戶所需熱量較少，即供暖水泵所輸送的熱質本身所攜帶的熱量也相對較少，在這種情況下，水泵長時間甚至全天候的進行供熱，消耗了大量的電能。供熱中期，即供熱穩(wěn)定期，由于室外溫度寒冷，供暖水泵基本需要全天候的運行，以此來滿足人們的用熱需求。供熱的初末期與中期相比，用戶用熱相對較少，供暖水泵仍以全天候運行，與中期消耗的電能基本相同，但其所輸送的熱量卻相差甚多，這便出現了我們經常說的“大馬拉小車”的現象。

2 分時分區(qū)控制系統(tǒng)

能源的高效率利用，一直是我們所追求和提倡的，也是響應我國節(jié)能降耗政策的體現。供暖水泵在室外溫度較高的供暖初末期以全天候的運行模式工作，這顯然是不合理的。針對這種不合理的能源消耗，采用分時分區(qū)控制系統(tǒng)來間歇式控制水泵的運行，減少能源的浪費。分時分區(qū)控制系統(tǒng)的提出，可以有效減少輸配所需的能耗，達到資源的合理利用。

分時分區(qū)控制系統(tǒng)，即在供熱的初末期提高二次網的供水溫度，保證二次網回水溫度流量不變和人們供暖需求的同時，減少供暖水泵的運行時間，以此達到降耗的目的。具體分為以下幾個部分。

2.1 確定換熱站的最佳運行時間

根據管網實際的情況，增加一次網閥門開度，增強換熱站內一次網與二次網的換熱，以此提高二次網的供水溫度。由于換熱器性能與管網所承受溫度的限制，二次網提高的供水溫度應以實際管網為主。與此同時保證回水溫度與流量不變，即提高供熱參數，在消耗同等電能的條件下，輸送了更多的熱量。

式中，m1——一次網的質量流量；

t1——一次網供水溫度；

t2——一次網回水溫度；

m2——二次網的質量流量；

t3——二次網供水溫度；

t4——二次網回水溫度。

由于二次網受到換熱器的性能和管道溫度的限制，所以以一次網的換熱量計算二次網的熱量。再根據實際情況，求出與實際的偏差系數。

式中，Q1——穩(wěn)定期平均每小時的供熱量；

t1——一天的工作時間（一般均為24小時）；

Q2——提高供水溫度后每小時的供熱量；

t2——提高供水溫度后的運行時間。

然后根據公式（1）適當提高二次網的供水溫度，能夠確定換熱站水泵的最佳運行時間，即確定了分時間歇運行的停泵時間。

2.2 啟泵與分析

室內溫度的下降，具有一定的滯后性和延續(xù)性，這與建筑物本身的保溫性能是密切相關的。供暖水泵一旦停止，室內溫度不會立即下降，而是持續(xù)一段時間緩慢地下滑。因此，對于大多數建筑物而言，停泵的時間不可能一次性完成，而是需要間歇式的停泵—啟泵過程。

選取最好的啟泵方法不僅是當下的需求，同時也是未來供熱質量的有力體現。

目前熱力行業(yè)有三種啟泵的方法。第一，熱力公司人為經驗法，即一次停泵時間不超過1～2小時。這種方法本身存在著一定誤差，人為經驗不能做到實時的控制。第二，壓力起泵的方法。當壓力低于規(guī)定的壓力值時，循環(huán)泵啟動開始工作。管段的不同，管段所需壓力也不盡相同，采用壓力控制也存在一定的不準確性。第三，室溫控制法。當溫度低于給定時，循環(huán)泵啟動開始工作。

供熱本身需要滿足人們的用熱需求，即以人為本的要求。室溫控制啟泵法能夠更好地檢測到居民的家庭情況，以達到供熱所需。對于換熱站而言，所供建筑物眾多，無法實現每戶的室溫監(jiān)測，只需在每個建筑物的幾個重要位置用戶安裝溫度傳感器，最后計算所有建筑物的平均溫度。當平均溫度低于20℃（國標規(guī)定18℃，結合實際選定20℃），循環(huán)泵開始啟動工作。這種方法可以更好了解用戶家庭供暖情況，方便調節(jié)，滿足供熱所需，具體見圖1。

圖1 溫控流程圖

對于換熱站水泵的間歇運行，不同系統(tǒng)的供暖方式停泵的多少也有不同。停泵時，換熱站內二次網水泵均可停止。但對于分布式變頻供暖，換熱站內一次網水泵也需停止。對于不是分布式變頻供暖的系統(tǒng)，一次網只有主泵，此時主泵無需停止，仍需繼續(xù)工作以滿足正常運行換熱站的供熱需求。

分析不同的二次網供水溫度下，最佳停泵時間的變化。并根據實際數據觀察其變化規(guī)律，模擬數據曲線。同時觀察停泵后，室內平均溫度的變化。根據公式

式中，h——對流換熱系數；

A——換熱面積；

t1——室內溫度；

t2——室外溫度。

對于一個換熱站來說，hA為一個定值。假設室外溫度不變或在短時間內保持穩(wěn)定，則對流換熱的熱量只與室內平均溫度有關。模擬室內溫度變化的實際圖像，并擬合數學關系。理論上認為短時間內室內平均溫度變化應為線性關系，其斜率應為hA的值。

2.3 供熱區(qū)的確立

最佳運行時間和啟泵方案的確立，可以實現對單個換熱站的智能化間歇控制，能夠有效減少電能的消耗。供熱管線錯綜復雜，所帶換熱站眾多。將單個換熱站的分時間歇控制用于整個供熱管網中，不僅能實現節(jié)約能源，同時使熱網資源合理化利用與管理。

供熱管線冗長，加之供熱站彼此相互分散且數目眾多。同時保證換熱主管道內的熱量不被浪費，整個熱網無法實現統(tǒng)一的分時間歇控制。為了能夠很好利用間歇控制的方法以實現節(jié)能，需建立不同的供熱分區(qū)。不同分區(qū)可以單個運行，也可以多個共同運行。

對于整個管網的換熱站中，停泵時間相同的可以劃分為一個供熱分區(qū)。相同的停泵時間，可以實現泵的同步啟停，方便控制與調整。這樣的分區(qū)方法，只是粗略地進行劃分，可能不一定合理。停泵時間相同的換熱站可能存在著數目相對較多或者較少的問題。

分時分區(qū)控制的目的主要是以節(jié)約能源為主。在換熱站分區(qū)運行的同時，所運行的換熱站必須能夠消耗一次網內本應有的熱量。假設一次網所供熱量為Q總，一個熱力分區(qū)所帶的換熱站數目為n，則有Q1、Q2、Q3、……Qn

Q總為一個小時熱網所提供的熱量，當n較小時，在一個小時內無法消耗本應使用的熱量，此時，應兩個或者多個供熱分區(qū)共同運行。當n較大時，由于能量消耗過快，此時需將現有的供熱分區(qū)進行拆分，分為多個新的供熱分區(qū)。建立供熱分區(qū)可以實現整個熱網的分時分區(qū)控制，對熱網的管理與控制更加便捷（圖2）。

2.4 分時分區(qū)控制系統(tǒng)的建立

水泵的最佳運行時間、啟泵方案和供熱分區(qū)的確立，疏通了相應的數學關系模型，為分時分區(qū)控制系統(tǒng)的建立了理論基礎。結合相應的數學關系式，采用JAVA編程語言將分時分區(qū)的想法將其變成真正的操作程序，為供熱企業(yè)和單位做出自己應有的貢獻。

3 結語

分時分區(qū)控制系統(tǒng)可以有效解決供熱初末期輸配能耗過高的問題。從長遠角度看，分時分區(qū)控制技術不斷完善與發(fā)展，在以后的供熱穩(wěn)定期，也可以實現分時分區(qū)控制。只是較之初末期，所停泵時間較短一些。

圖2 供熱流程圖

隨著技術的發(fā)展，科技的進步，新的供熱技術的不斷出現與發(fā)展，未來新型環(huán)保低耗的供熱模式將很快會出現。

[1]劉劍，霍兆義，尹洪超. 城市集中供熱的發(fā)展及面臨的問題[J].節(jié)能與環(huán)保，2008,(04):33-35.

[2]張宇飛. 城市集中供熱研究現狀及發(fā)展趨勢[J]. 黑龍江科學，2014,(07):58.

[3]徐海潮. 關于城市集中供熱現狀及發(fā)展趨勢的研究[J]. 才智，2015,(15):298-299.

[4]曹福，雷波. 二次網供熱系統(tǒng)分時分區(qū)質-量調節(jié)的研究[J].制冷與空調(四川)，2015,(03):257-260.

[5]鄭祥玉,呂冬培,王欣. 分時分區(qū)自動控制在供熱管網的節(jié)能應用[J]. 煤氣與熱力，2015,(03):14-18.

TP273;TU995

A

1671-0711（2017）06（下）-0109-03