郎貴明，高俊明

(1.滄州熱力有限公司，河北省滄州市運河區(qū)開元大道與雙金路交叉口 061001；2.河北水利電力學院 土木工程學院，河北省滄州市重慶路1號 061001)

從當前國內集中供熱整體情況來看，對于一次管網(wǎng)的技術和設備投入較大，而對供熱二次管網(wǎng)的投入較小，往往會造成二次管網(wǎng)出現(xiàn)水力失調現(xiàn)象[1]。如果二次管網(wǎng)出現(xiàn)水力失調現(xiàn)象將直接造成一次管網(wǎng)供熱不足，因此供熱二次管網(wǎng)的平衡問題決定著供熱的質量，同時對供熱的能耗有著嚴重的影響。解決二次管網(wǎng)水力失調問題，就是被動地將有利環(huán)路的熱水流量轉移到不利環(huán)路上，其實質是通過關閉有利環(huán)路上的阻力元件增大阻力以消除剩余壓頭，最常用的技術措施是在管網(wǎng)中安裝壓差控制閥、靜態(tài)、動態(tài)平衡閥，也可加裝混合回路對建筑物進行獨立溫度控制等措施[2]。

對于以流量控制調節(jié)以達到二次管網(wǎng)水力平衡主要技術措施是使用智能流量閥，也可同時使用靜態(tài)平衡閥和動態(tài)平衡閥。對于流量控制調節(jié)最常用的技術措施是安裝自力式流量控制閥。文中重點介紹利用自力式流量控制閥調節(jié)二次管網(wǎng)流量以達到平衡的工程應用及節(jié)能分析。

1 集中供熱二次管網(wǎng)調節(jié)基本原理

1.1 基于室溫的流量控制

采用基于熱用戶室溫的流量控制以實現(xiàn)二次管網(wǎng)的平衡，應采用以下的方法。

(1)在系統(tǒng)安裝完成正式運行后，基于每個熱用戶的溫度，對用戶的流量調節(jié)閥進行調整，實現(xiàn)溫度達到設定溫度；

(2)再經過一段時間的動態(tài)調整后，即每個熱用戶流量不變，并一直維持恒定；

(3)當供暖期中出現(xiàn)個別用戶室溫異常時，再進行微調整。

總體來說，該方法是在滿足二次管網(wǎng)熱用戶溫度的基礎下，調節(jié)各熱用戶的流量，從而實現(xiàn)水力平衡并達到節(jié)能效果，同時保證所有用戶室溫可控且在正常范圍內，減少投訴率和能源浪費。

1.2 基于回水溫度的流量控制

如果現(xiàn)場情況復雜，部分熱用戶無法入戶安裝室溫采集器，則在基于室溫的流量控制的前提下采用回水溫度測定的補充處理方案。其原理是根據(jù)用戶回水溫度作為運行參數(shù)對其入戶水流量加以控制，以實現(xiàn)室溫在合理區(qū)間內[3]；再經過一段時間的動態(tài)調整后，使每個熱用戶保持恒定的流量，以實現(xiàn)熱用戶流量的控制。

2 自力式流量調節(jié)溫控裝置結構及控制原理

自力式流量調節(jié)溫控裝置是管網(wǎng)平衡調節(jié)的一種有效途徑[4]。該流量控制閥在一定的工作壓差范圍內，可有效地控制通過的流量。當系統(tǒng)中閥門前后壓差增大時，閥門會自動關小以保證流量不會增大；當系統(tǒng)中閥門前后壓差減少時，閥門會自動開大以保證流量不會減小。在使用自力式流量調節(jié)溫控裝置時由于閥門本身不提供額外壓頭，一定要保證閥門在正常工作壓差范圍內工作，否則即使閥門全開，流量仍將低于規(guī)定流量，不能起到控制作用。

2.1 系統(tǒng)組成及控制方式

自力式流量調節(jié)溫控裝置主要由戶用智能溫度采集器、無線流量調節(jié)閥、遠傳系統(tǒng)、遠程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)組成。

無線流量調節(jié)閥安裝在以水為熱媒的集中供熱系統(tǒng)中，可以通過對閥門開度的任意設置來調節(jié)進入每戶的水流量，從而調節(jié)整個二次網(wǎng)的水力平衡。閥門的控制方式有根據(jù)用戶室溫自動調整、根據(jù)用戶回水溫度自動調整、根據(jù)人工輸入的開度指令批量調整等。另外，閥門還可根據(jù)用戶繳費情況控制其供熱管網(wǎng)通斷。

2.2 流量控制原理

無線電動流量調節(jié)閥主要由閥體、自動調節(jié)閥塞、感壓膜片及設定流量的閥板及流量刻度盤構成。工作時，電動執(zhí)行器將流量設定為所需值，當閥前后壓差Δp=p1-p3增大時，由于內部壓力p2增大使膜片帶動自動閥塞，將節(jié)流孔減小，使出口處的壓差p2-p3保持不變，原設定流量也恒定不變；當Δp減小時，原設定流量趨于減小，此時，由彈簧作用將自動閥芯節(jié)流孔增大，使出口處壓差仍保持不變，原設定流量恒定不變。流量與閥前后壓差的關系曲線圖如圖1所示。

圖1 流量性能曲線圖Fig.1 Flow performance graph

3 工程應用

3.1 工程概況

該項目為滄州市某小區(qū)供熱工程，采用集中供熱，二次管網(wǎng)安裝自力式流量調節(jié)溫控裝置于2018～2019年供暖季開始供熱。該小區(qū)共有住宅樓16棟，其中1～12號樓(無4號樓)采用地板輻射供暖的方式，其中1～9層為供暖低區(qū)，10～18層為供暖高區(qū)；13～17號樓采用散熱器對流采暖的方式，其中1～6層為供暖低區(qū)，7～11層為供暖高區(qū)。該小區(qū)總建筑面積為137475.45m2，小區(qū)內建設一座換熱站，站內共設置四個供暖管網(wǎng)環(huán)路，每個環(huán)路循環(huán)水泵均采用大、小泵配置。每個環(huán)路均配置電磁流量計、進回水溫度及壓力傳感器，所有數(shù)據(jù)均傳輸至換熱站監(jiān)控平臺。換熱站具體參數(shù)如下：

13～17號住宅樓中采用對流供暖的部分熱用戶已將散熱器改為地板輻射供暖，并加裝部分管路，對整個小區(qū)二次管網(wǎng)的平衡有一定影響，在文中不再做重點分析，只對該小區(qū)的1～12號樓的地板輻射供暖部分的調控和平衡分析進行重點闡述。

表1 換熱站設備參數(shù)表Tab.1 Equipment parameter table of heat exchange station

3.2 系統(tǒng)調試

該小區(qū)的地板輻射供暖部分經過三次系統(tǒng)調試均達到設計溫度，滿足用戶需求。系統(tǒng)調試前，該換熱站地板輻射供暖部分均為大泵運行，低區(qū)平均流量為210t/h，壓差為0.06MPa，供水溫度37℃，回水溫度32.5℃，溫差4.5℃，用戶平均室溫為16.06℃；高區(qū)流量為132t/h，壓差為0.04MPa，供水溫度37℃，回水溫度30.9℃，溫差6.1℃，住戶平均室溫為17.1℃。三次系統(tǒng)調試的具體操作如下所示。

初次調試：高低區(qū)循環(huán)水泵均保持原狀態(tài)，供水溫度提高至39℃，確保系統(tǒng)熱源充足。在遠程控制平臺上批量下發(fā)指令，中間用戶流量均調整到400kg/h，頂?shù)讓佑脩袅髁烤{整到600kg/h。低區(qū)調試后循環(huán)水泵平均流量降至162t/h，壓差升高至0.17MPa，用戶平均室溫升高到18.09℃。高區(qū)調試后循環(huán)水泵平均流量降至114t/h，壓差升高至0.16MPa，熱用戶平均室溫升高到19.97℃。

第二次調試：3天后將高低區(qū)供水溫度繼續(xù)提高至41℃。在遠程控制平臺上批量下發(fā)指令，繼續(xù)下調每個熱用戶流量，基本原則為中間熱用戶流量為150kg/h，頂?shù)讓訜嵊脩袅髁?50kg/h。調整完成后，低區(qū)循環(huán)水泵流量降至132t/h，壓差升高至0.19MPa，熱用戶平均室溫升高到19.74℃。高區(qū)循環(huán)水泵流量降至86t/h，壓差升高至0.18MPa，熱用戶平均室溫21.3℃。

第三次調試：經過前兩次調試，高、低區(qū)系統(tǒng)運行狀況接近理論值。其后根據(jù)用戶室溫情況進行微調，室溫低于18℃的住戶增加流量，室溫高于22℃的住戶減少流量。同時對回水溫度過低的住戶進行檢測，清洗堵塞入戶管過濾器。

3.3 工程分析

3.3.1 水力平衡分析

(1)平均回水溫度分析

對地板輻射供暖高低區(qū)12棟住宅樓、總計26個單元的每日平均回水溫度數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，曲線圖如圖2所示。

圖2 單元平均回水溫度及離散性示意圖Fig.2 Schematic diagram of average backwater temperature and discreteness of the building unit

由圖2可知，在調試前熱用戶回水溫度集中在27℃到31℃之間，溫度區(qū)間范圍較大，其實質是存在著嚴重的水力失調現(xiàn)象。調試過程中用戶回水溫度趨于一致，調試完成后各個熱用戶回水溫度集中在29.5℃到30.5℃之間，一致性較好，熱用戶取得了較為理想的平衡效果。

(2)樓宇管網(wǎng)末端調節(jié)

樓宇管網(wǎng)末端調節(jié)以位于小區(qū)供熱管網(wǎng)末端的樓宇為研究對象進行分析。圖3為該樓住戶調試前后典型日的室溫分布情況。

圖3 調節(jié)前后末端樓宇住戶室溫分布對比圖Fig.3 Comparison of the room temperature distribution before and after adjustment in terminal building

從圖3可見調試前該樓宇26%的住戶溫度不達標，投訴率偏高。分析其主要原因有兩個：一是由于該小區(qū)為第一供暖季，管網(wǎng)系統(tǒng)中雜物較多，入戶管過濾器極易發(fā)生堵塞現(xiàn)象；二是因為管網(wǎng)出現(xiàn)水力失調現(xiàn)象所致。

經過多次過濾器清洗和水力調控后，該樓平均室溫從低于小區(qū)平均室溫0.63℃升高到高于小區(qū)平均室溫0.27℃。圖4為系統(tǒng)調試期間7號樓的溫度變化。由圖4可見調控三日后該樓室溫即有明顯提高，其后平均室溫始終高于小區(qū)的平均室溫。從典型日的室溫分布可見整棟樓室溫明顯升高，75%的熱用戶室溫超過20℃。

圖4 小區(qū)整體與末端樓宇平均室溫對比曲線圖Fig.4 Comparison curve of the average room temperature between the whole and the terminal buildings

3.3.2 節(jié)能分析

經過水力平衡調節(jié)后，日循環(huán)水量大幅降低，水泵耗電量也隨之下降，通過分析得出，調試前后，日循環(huán)水量從7425.50t下降到4409.79t，降幅為40.61%；日耗電量從1879.20kWh下降到1324.59kWh，降幅為29.51%。本小區(qū)實際供暖總面積為86267.90m2，折合單位面積小時循環(huán)水量從3.59kg降為2.13kg。圖5為日循環(huán)水量及耗電量趨勢圖。

圖5 日循環(huán)水量及耗電量趨勢圖Fig.5 Trend chart of daily circulating water and electricity consumption

從調試前后，地板輻射供暖區(qū)域總耗熱量每天從272.27GJ降低到194.98GJ，降幅達到28.39%。期間日總耗熱量最低日為172.85GJ，當冷空氣來臨時，換熱站采用質調節(jié)集中提高供水溫度，同時耗熱量增加，但仍然明顯低于調試前的耗熱量。

4 結論

以滄州市某小區(qū)基于熱用戶流量控制的二次管網(wǎng)平衡調節(jié)為例，采用自力式流量控制閥調節(jié)各熱用戶流量的方法解決了二次管網(wǎng)的熱力失調問題，達到了節(jié)能降耗的效果，提高了供熱質量，降低了運行成本。

(1)基于熱用戶流量控制的二次管網(wǎng)平衡調節(jié)利用了先進的智能控制技術，可很好地解決二次熱網(wǎng)水力失調問題，使各熱用戶均滿足熱量需求并實現(xiàn)了管網(wǎng)熱力平衡。

(2)該系統(tǒng)通過對水溫、耗熱量、室內溫度、流量等參數(shù)進行精確測量與采集，可實現(xiàn)遠程控制，在系統(tǒng)調試完成后，熱網(wǎng)循環(huán)水量和耗熱量有了較大地降低，達到了節(jié)能降耗的目的。

(3)基于熱用戶流量控制的二次管網(wǎng)平衡調節(jié)滿足了用戶需求，提高供熱質量的同時降低了運行成本，具有良好的節(jié)能降耗效果，為實現(xiàn)智慧熱網(wǎng)提供了工程依據(jù)。