李強(qiáng)

（中煤水文局集團(tuán)（天津）工程技術(shù)研究院有限公司，天津300000）

我國(guó)有著較為廣泛分布的地?zé)豳Y源，與此同時(shí)還有著良好的開采條件，但是在進(jìn)行開發(fā)利用的過(guò)程中仍存在技術(shù)方面的局限性，所以導(dǎo)致我國(guó)廣泛面臨著地?zé)豳Y源浪費(fèi)嚴(yán)重的現(xiàn)象?；诖?，有必要強(qiáng)化開展對(duì)于地?zé)崽菁?jí)利用供熱系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行策略的深入分析，進(jìn)而切實(shí)保障工程對(duì)于地?zé)豳Y源的利用效率，真正落實(shí)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

1 工程案例

我國(guó)某地區(qū)所開展的供熱工程主要采用的是地?zé)崽菁?jí)利用供熱工藝，設(shè)計(jì)進(jìn)行地?zé)峋拈_采，其實(shí)際的開采量是125m3/h，出水溫度則為80℃。一級(jí)利用在經(jīng)過(guò)換熱器換熱之后便向用戶直接進(jìn)行熱量的供給，其水溫降到中間溫度上，接下來(lái)再采用熱泵技術(shù)對(duì)換熱后的熱水熱量進(jìn)行提取，并向地?zé)嵊脩暨M(jìn)行再次的供給，當(dāng)完成降低地?zé)嵛菜疁囟戎蟊氵M(jìn)行回灌排放。該系統(tǒng)建成之后預(yù)計(jì)能夠在冬天完成對(duì)于20 多萬(wàn)平方米住宅的供熱工作。

2 基于地?zé)崽菁?jí)利用供熱系統(tǒng)運(yùn)行的優(yōu)化途徑

2.1 控制方案

2.1.1 控制原則。因?yàn)榈責(zé)崽菁?jí)利用供熱系統(tǒng)本身具有一定的復(fù)雜性，所以為了能夠切實(shí)保障其平穩(wěn)運(yùn)行，務(wù)必要嚴(yán)格遵循以下幾方面的控制原則：首先，應(yīng)當(dāng)在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上盡可能提高地?zé)豳Y源的利用效率，并最大限度實(shí)現(xiàn)對(duì)于輔助加熱系統(tǒng)能量的節(jié)約。當(dāng)熱負(fù)荷變小的時(shí)候，需要降低當(dāng)前的輔助加熱量。而當(dāng)出現(xiàn)熱負(fù)荷大幅度降低的情況之后，工作人員需要對(duì)熱泵機(jī)組進(jìn)行逐級(jí)關(guān)停，并逐漸減小地?zé)崴牧髁?。若是將熱泵機(jī)組關(guān)停之后，地?zé)崴y以同供熱負(fù)荷需求相符合的時(shí)候，工作人員要開展對(duì)于熱泵機(jī)組開啟以及輔助加熱系統(tǒng)之間經(jīng)濟(jì)性的對(duì)比工作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)于最佳運(yùn)行模式的確定[1]。某種地?zé)崽菁?jí)利用供熱系統(tǒng)如圖1 所示。其次，應(yīng)當(dāng)確保熱泵機(jī)組有著最佳的工作效率，結(jié)合熱泵機(jī)組運(yùn)行的實(shí)際特性以及熱負(fù)荷需求等多方面影響因素，對(duì)機(jī)組開啟的運(yùn)行策略進(jìn)行明確。最后，應(yīng)當(dāng)注重使用質(zhì)量并調(diào)的調(diào)節(jié)方式，在系統(tǒng)調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低輸配能耗，主要是通過(guò)對(duì)于地?zé)釢撍靡约案骷?jí)循環(huán)水泵等變頻控制，在負(fù)荷與位數(shù)排放條件的基礎(chǔ)上針對(duì)水泵進(jìn)行變頻，再經(jīng)過(guò)多方程的聯(lián)合運(yùn)算，得到最優(yōu)流量。

2.1.2 控制目標(biāo)。其具體的控制目標(biāo)為通過(guò)優(yōu)化運(yùn)行方式最大限度降低機(jī)組的系統(tǒng)總能耗，在同相關(guān)約束條件相適應(yīng)的基礎(chǔ)上，對(duì)各項(xiàng)能耗指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，可以通過(guò)下列公式進(jìn)行表述：

圖1 某種地?zé)崽菁?jí)利用供熱系統(tǒng)

在該公式中，F(xiàn)(x)代表的是優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，而f(x)則主要指的是建立于質(zhì)量和能量守恒關(guān)系基礎(chǔ)上的穩(wěn)態(tài)模型方程式，h(x)為約束方程，主要是出于對(duì)于安全因素以及性能參數(shù)的考慮。對(duì)于系統(tǒng)整體的優(yōu)化控制來(lái)說(shuō)，需要工作人員從整個(gè)系統(tǒng)層面著手，對(duì)相應(yīng)的優(yōu)化目標(biāo)和優(yōu)化約束條件進(jìn)行確定，然后在此基礎(chǔ)上得出最終結(jié)果。系統(tǒng)整體的動(dòng)力部件主要涉及到各種水泵的輸配能耗以及水源熱泵機(jī)組的壓縮機(jī)功率，其所選用的目標(biāo)函數(shù)如下所示：

該公式中，Nh代表的是熱泵機(jī)組所具有的實(shí)際功率，而Nw則表示的是循環(huán)水泵輸配能耗的功率，Nt代表著系統(tǒng)調(diào)峰功率。在系統(tǒng)優(yōu)化模型方面主要使用最基本優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法，具體指的是事先給出優(yōu)化參數(shù)的特定取值范圍，然后在這一范圍當(dāng)中進(jìn)行優(yōu)化目標(biāo)系統(tǒng)能耗值的逐個(gè)計(jì)算，并對(duì)大小進(jìn)行比較，最終選擇那個(gè)能耗最小的參數(shù)值，在計(jì)算的過(guò)程中進(jìn)行求解系統(tǒng)總能耗。

2.2 優(yōu)化策略

供熱系統(tǒng)流程主要是分三級(jí)進(jìn)行利用，地?zé)崴枰韧ㄟ^(guò)第一級(jí)板式換熱器加熱散熱器采暖的回水溫度，進(jìn)而使得散熱器采暖系統(tǒng)的供水溫度能夠同不同室外溫度下的供水溫度相適應(yīng)。將以及板式換熱器的出水同一側(cè)的旁通管道的水流進(jìn)行混合，然后進(jìn)入到二級(jí)板式換熱器當(dāng)中，二次側(cè)的地板輻射采暖系統(tǒng)的部分回水將會(huì)同進(jìn)入板式換熱器的地?zé)崴M(jìn)行換熱，與此同時(shí)還會(huì)對(duì)該部分回水溫度進(jìn)行加熱，使其能夠與不同室外溫度下所相對(duì)應(yīng)的供水溫度相一致。接下來(lái)便能夠經(jīng)過(guò)熱泵機(jī)組對(duì)該部分熱量展開相應(yīng)的提級(jí)利用工作，切實(shí)保障熱泵機(jī)組的出水溫度能夠同不同室外溫度下所應(yīng)有的供水溫度相適應(yīng)，進(jìn)而向用戶進(jìn)行供熱。

2.2.1 散熱器系統(tǒng)。散熱器系統(tǒng)是地?zé)崽菁?jí)利用供熱系統(tǒng)運(yùn)行的重要基礎(chǔ)部分，在進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格從上文所述的控制原則出發(fā)，在保障其能夠同熱負(fù)荷需求相適應(yīng)的同時(shí)，對(duì)板式換熱器的一次側(cè)和二次運(yùn)行流量展開優(yōu)化調(diào)節(jié)工作，進(jìn)而高效達(dá)到降低系統(tǒng)輸配能耗的效果，與此同時(shí)減少地?zé)崴镜膿Q熱量。為了能夠有效規(guī)避系統(tǒng)處在低負(fù)荷工況下產(chǎn)生“大流量，小溫差”的問(wèn)題，對(duì)板式換熱器二次的水泵流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，結(jié)合系統(tǒng)水力平衡的相關(guān)要求來(lái)看，其最小流量應(yīng)當(dāng)在系統(tǒng)總流量的60%以上。因此，基于綜合分析的相關(guān)結(jié)果，決定分別采用系統(tǒng)循環(huán)水量的60%、70%、80%、90%以及100%進(jìn)行二次側(cè)條件，并使用逐步增加的方式。當(dāng)具體開展循環(huán)水量調(diào)節(jié)的過(guò)程中，結(jié)合系統(tǒng)的調(diào)節(jié)公式能夠?qū)Π迨綋Q熱器二次側(cè)的供回水溫度進(jìn)行確定，然而對(duì)于系統(tǒng)水量的調(diào)節(jié)工作會(huì)在一定程度上對(duì)板式換熱器的換熱量造成影響，基于現(xiàn)有的供回水溫度的約束條件以及板式換熱器的熱量平衡方程能夠?qū)ζ涠?jí)板換的循環(huán)水量進(jìn)行確定，接下來(lái)再開展對(duì)于系統(tǒng)的熱力計(jì)算，明確熱水最小流量以及板式換熱器一次側(cè)的出水溫度。

圖2 散熱器系統(tǒng)室外溫度同供熱負(fù)荷之間的關(guān)系

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，二級(jí)循環(huán)水量會(huì)根據(jù)室外溫度的實(shí)際變化情況從系統(tǒng)循環(huán)水量的60%開始變化，當(dāng)室外的溫度處在-6℃的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的系統(tǒng)循環(huán)水量進(jìn)行增加，以保障其能夠同系統(tǒng)的換熱需求相適應(yīng)。當(dāng)室外的溫度相對(duì)來(lái)說(shuō)較高，與此同時(shí)要在系統(tǒng)熱負(fù)荷比較小的時(shí)候進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)循環(huán)水量能夠在增加供回水溫差的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸配能耗的有效降低，當(dāng)溫度在6℃以下的時(shí)候，室外溫度越低便會(huì)使得循環(huán)水量得到進(jìn)一步增加。

2.2.2 地板輻射采暖系統(tǒng)。對(duì)于底板敷設(shè)采暖系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其在供熱方面主要是發(fā)揮兩部分的作用，分別為來(lái)自二級(jí)板式換熱器的換熱，以及當(dāng)換熱量難以同負(fù)荷需求相適應(yīng)的情況下，則會(huì)將燃?xì)忮仩t或者是熱泵機(jī)組開啟，以達(dá)到良好的供熱效果，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得出以下幾方面的優(yōu)化策略：當(dāng)負(fù)荷仍處在相對(duì)較小情況的時(shí)候，將二級(jí)板式換熱器開啟進(jìn)行換熱，那么負(fù)荷側(cè)循環(huán)水泵便會(huì)隨著室外溫度的變化，從60%處開始出現(xiàn)調(diào)節(jié)變化。當(dāng)工作人員展開對(duì)于水源熱泵以及底板敷設(shè)采暖系統(tǒng)板式換熱器進(jìn)行供熱量計(jì)算的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)結(jié)合室外溫度具體的變化情況，對(duì)負(fù)荷側(cè)循環(huán)數(shù)量展開優(yōu)化調(diào)節(jié)工作，綜合考慮能量守恒方程及其具體的約束條件，進(jìn)而得出能夠滿足熱負(fù)荷需求的最佳地?zé)崴h(huán)水量[2]。一旦在負(fù)荷不斷增加過(guò)程中產(chǎn)生了板式換熱器的換熱量無(wú)法負(fù)荷系統(tǒng)熱負(fù)荷需求的時(shí)候，便應(yīng)當(dāng)?shù)谝粫r(shí)間將水源熱泵機(jī)組開啟。工作人員在開啟水源熱泵機(jī)組的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)對(duì)針對(duì)負(fù)荷側(cè)進(jìn)入板式換熱器和水源熱泵機(jī)組的水量進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，以保障其可以充分滿足系統(tǒng)的熱負(fù)荷需求。當(dāng)處在負(fù)荷率在70%的條件下，對(duì)于一次側(cè)的地?zé)崴畞?lái)說(shuō)，其流量主要是根據(jù)室外溫度的變化情況而產(chǎn)生變化，而二次側(cè)的流量則是設(shè)計(jì)流量的60%左右。當(dāng)處在負(fù)荷率在70%-75%之間的條件下，那么一次側(cè)的流量具體應(yīng)當(dāng)是設(shè)計(jì)流量的70%，接下來(lái)在二次側(cè)開啟一臺(tái)熱泵機(jī)組，為了切實(shí)提升板式換熱器的換熱質(zhì)量以及效率，應(yīng)當(dāng)將板式換熱器二次側(cè)的流量設(shè)定為設(shè)計(jì)流量的70%，熱泵機(jī)組的流量應(yīng)當(dāng)是設(shè)計(jì)流量的30%。若是室外溫度在3℃以下，那么系統(tǒng)總的循環(huán)水量基本同設(shè)計(jì)循環(huán)水量相一致。與此同時(shí)，還要針對(duì)二級(jí)板換二次側(cè)同熱泵機(jī)組之間的循環(huán)數(shù)量比值進(jìn)行調(diào)節(jié)，來(lái)達(dá)到保障供給熱負(fù)荷的效果。室外溫度以及二級(jí)板換循環(huán)數(shù)量占總水比之間有著一定的線性擬合關(guān)系，具體可以通過(guò)下列公式進(jìn)行表示。

由此可見，當(dāng)對(duì)外溫度出現(xiàn)下降的情況下，便會(huì)使得二級(jí)板換循環(huán)水量出現(xiàn)逐漸降低的現(xiàn)象，與此同時(shí)，熱泵機(jī)組的循環(huán)水量也會(huì)得到不斷增加。當(dāng)室外的溫度在5℃以下的時(shí)候?qū)膳_(tái)熱泵機(jī)組同時(shí)開啟，板換循環(huán)水量以及熱泵組循環(huán)水量在機(jī)組的總體水量中分別有著80%以及20%的占比。當(dāng)室外的溫度在8℃以下的時(shí)候，將三臺(tái)熱泵機(jī)組同時(shí)開啟，此時(shí)的板換循環(huán)數(shù)量以及熱泵機(jī)組循環(huán)水量在機(jī)組總水量中分別有著60%以及40%的占比。在實(shí)際進(jìn)行運(yùn)行的時(shí)候，工作人員可以采取對(duì)以及板式換熱器的回水溫度進(jìn)行控制的手段達(dá)到對(duì)于散熱器系統(tǒng)供暖負(fù)荷的優(yōu)化調(diào)節(jié)效果，在室外溫度不斷變化的過(guò)程中回水溫度所呈現(xiàn)出的變化規(guī)律可以通過(guò)下列公式進(jìn)行表示：

該公式中的x所代表的是室外溫度。

在上述公式的基礎(chǔ)上，工作人員可以利用氣候補(bǔ)償器的電信號(hào)起到對(duì)電磁旁通閥開度的控制效果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)于一級(jí)板式換熱器回水溫度的調(diào)節(jié)[3]。針對(duì)地板輻射采暖系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在系統(tǒng)熱負(fù)荷相對(duì)較小的情況下，可以采用對(duì)二級(jí)板換的一次和二次的循環(huán)水量進(jìn)行調(diào)節(jié)的方式，開展對(duì)于負(fù)荷的調(diào)節(jié)工作，工作人員應(yīng)當(dāng)綜合考慮具體的地?zé)崴h(huán)水量的需求，進(jìn)而對(duì)地?zé)崴某鏊窟M(jìn)行確定，然后在此基礎(chǔ)上優(yōu)化選擇相應(yīng)的調(diào)節(jié)方式。在該系統(tǒng)當(dāng)中，室外溫度同地?zé)崴难h(huán)數(shù)量之間有著一定的內(nèi)在聯(lián)系，并呈現(xiàn)出特定的比例關(guān)系，所以應(yīng)當(dāng)能夠通過(guò)氣候補(bǔ)償裝置，對(duì)具體的地?zé)崴h(huán)數(shù)量進(jìn)行確定。

3 結(jié)論

綜上所述，優(yōu)化提升地?zé)崽菁?jí)利用供熱系統(tǒng)的運(yùn)行效率，能夠切實(shí)保障地?zé)豳Y源的利用效率，對(duì)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)運(yùn)行以及可持續(xù)發(fā)展有著積極的促進(jìn)作用。基于此，務(wù)必要優(yōu)化應(yīng)用地?zé)崽菁?jí)利用技術(shù)，最大限度減少環(huán)境污染以及資源浪費(fèi)等問(wèn)題，并達(dá)到資源的最優(yōu)配置效果。