岳玉亮 齊月松 蔡姝平 張彬彬

1.中國(guó)建筑技術(shù)集團(tuán)有限公司 北京 100013 2.北京市工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100055 3.北京華城永信工程管理有限公司 北京 102200

引言

供暖能耗是建筑能耗重要的組成部分，近年來(lái)隨著供熱規(guī)模的不斷增大供暖能耗迅速增長(zhǎng)，當(dāng)前供熱面積仍以每年2%-3%的速度增長(zhǎng)[1]。截至2016年底，我國(guó)北方地區(qū)城鄉(xiāng)建筑取暖總面積約206億m2，其中農(nóng)村建筑取暖面積65億m2[2]。我國(guó)農(nóng)村地區(qū)住房能源消耗占總體能耗的7.12%，而在北方地區(qū)冬季取暖能耗約占住房總能耗的50%[3]。地?zé)峁┡侵咐玫責(zé)崮転橹饕獰嵩吹墓嵯到y(tǒng)，目前主要集中在北京、天津、西安、鄭州、鞍山等大中城市以及黑龍江大慶、河北霸州、固安、牛駝鎮(zhèn)等油區(qū)城鎮(zhèn)[4]。雖然目前北方農(nóng)村地區(qū)地?zé)崮芗泄┡芯肯鄬?duì)缺乏，但在國(guó)家注重農(nóng)村清潔及低品位能源供暖的大背景下，地?zé)崮芄┡到y(tǒng)作為一種重要的節(jié)能手段得到了大力倡導(dǎo)，隨著其應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大，其建設(shè)及運(yùn)行方式研究變得尤為重要。

本文依托河北某農(nóng)村地?zé)嵴炯泄┡こ?，通過(guò)對(duì)冬季供暖實(shí)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，定量判斷了地?zé)嵴竟┡芎默F(xiàn)狀及供暖系統(tǒng)運(yùn)行中存在的一些問(wèn)題，為以后農(nóng)村地區(qū)地?zé)崮芄┡茝V提供技術(shù)參考。

1 項(xiàng)目概況

該農(nóng)村地?zé)崮芄┡?xiàng)目位于河北地區(qū)，總供暖面積為6.963萬(wàn)m2，供熱設(shè)計(jì)負(fù)荷5222kW。地?zé)峋?400m，水溫70℃，單井水量120m3·h-1，1抽1灌。由于本項(xiàng)目1口抽水井水量不能滿足供暖需求，故從附近地?zé)嵴痉咳?1m3·h-1的地?zé)崴?，引至本?xiàng)目地?zé)嵴痉?。因此，?61m3·h-1的地?zé)崴ㄟ^(guò)板式換熱器為建筑供熱，共配置2臺(tái)板換，水源側(cè)供回水溫度為70/42℃,用戶側(cè)供回水溫度55/40℃。地?zé)崴嵯到y(tǒng)原理及測(cè)試數(shù)據(jù)點(diǎn)位簡(jiǎn)圖如圖1。

圖1 地?zé)崴嵯到y(tǒng)原理及測(cè)試數(shù)據(jù)點(diǎn)位簡(jiǎn)圖

2 測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析

選取供暖期11月中旬至3月中旬各月典型日共33天運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，主要測(cè)試結(jié)果如下。

2.1 地?zé)嵴径局鹑者\(yùn)行負(fù)荷及供暖期能耗

根據(jù)能量守恒原理，板式換熱器水源側(cè)供熱量和用戶側(cè)供熱量應(yīng)該相等。但由于儀表本身誤差，用戶側(cè)與水源側(cè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)存在一些差距。經(jīng)計(jì)算對(duì)比，板換水源側(cè)與用戶側(cè)熱負(fù)荷計(jì)算數(shù)值平均值偏差8.3%左右。

由下圖可知，整個(gè)供暖期室外日均溫度波動(dòng)較大，但運(yùn)行負(fù)荷相對(duì)平穩(wěn)，地?zé)嵴居脩魝?cè)運(yùn)行負(fù)荷與室外溫度間存在相關(guān)性。經(jīng)計(jì)算，用戶側(cè)供暖期最大運(yùn)行負(fù)荷4914kW，與設(shè)計(jì)峰值負(fù)荷5222kW差308kW，供暖期平均熱負(fù)荷3780kW，平均熱指標(biāo)54.3W/m2, 供暖期總耗熱量約37206GJ，單位建筑面積耗熱量數(shù)值0.53GJ·m-2·a。民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)河北?。ㄊ?huì)城市）建筑耗熱量指標(biāo)約束值為0.23GJ·m-2·a。由此可見(jiàn)，本項(xiàng)目農(nóng)宅冬季供暖耗熱量指標(biāo)是河北省標(biāo)準(zhǔn)2.3倍。

圖2 地?zé)嵴径局鹑者\(yùn)行負(fù)荷

2.2 地?zé)嵴径居脩魝?cè)及水源側(cè)運(yùn)行水溫

圖3 地?zé)嵴径局鹑者\(yùn)行負(fù)荷

由上圖可知，供暖期內(nèi)地?zé)嵴居脩魝?cè)供暖運(yùn)行供回水溫度比較穩(wěn)定，供水溫度平均值51.4℃，回水溫度平均值42℃，供回水溫差平均值9.4℃。水源側(cè)供水溫度穩(wěn)定，始終保持在72℃，回水溫度略有波動(dòng)，回水最低溫度46℃，供暖期回水平均溫度49.13℃，沒(méi)有出現(xiàn)設(shè)計(jì)工況地?zé)峄厮?2℃工況。

圖4 用戶側(cè)運(yùn)行供回水溫差在不同區(qū)間占比

圖5 水源側(cè)運(yùn)行供回水溫差在不同區(qū)間占比

由上圖可知，用戶側(cè)供回水溫差ΔT≤7℃數(shù)量占比3%，溫差7℃＜ΔT≤9℃數(shù)量占比23%，溫差9℃＜ΔT≤11℃數(shù)量占比74%，溫差11℃＜ΔT≤13℃和13℃＜ΔT≤15℃數(shù)量占比0%。供暖期用戶側(cè)溫差集中7～11℃，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)溫差15℃運(yùn)行工況。水源側(cè)供回水溫差ΔT≤20℃數(shù)量占比4%，溫差20℃＜ΔT≤22℃數(shù)量占比31%，溫差22℃＜ΔT≤24℃數(shù)量占比24%，溫差24℃＜ΔT≤26℃數(shù)量占比41%，溫差26℃＜ΔT≤28℃數(shù)量占比0%。供暖期水源側(cè)溫差集中在20～26℃，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)溫差28℃運(yùn)行要求。

2.3 地?zé)嵴居脩魝?cè)及水源側(cè)循環(huán)泵流量及頻率

圖6 地?zé)嵴居脩魝?cè)及水源側(cè)水泵運(yùn)行流量

圖7 水源側(cè)運(yùn)行供回水溫差在不同區(qū)間占比

由上圖可知，供暖期內(nèi)地?zé)嵴居脩魝?cè)循環(huán)水泵流量及頻率比較穩(wěn)定，水泵變頻運(yùn)行隨外界氣溫變化有一定規(guī)律性。供暖初末期室外氣溫高，水泵頻率降低，水泵流量減少，節(jié)能運(yùn)行。供暖中期水泵基本保持不變。用戶側(cè)水泵頻率數(shù)值變化范圍44～50Hz，流量變化范圍290～400m3·h-1，用戶側(cè)循環(huán)泵平均流量358m3·h-1。水源側(cè)水泵頻率數(shù)值變化范圍45～50Hz，流量變化范圍110～159m3·h-1，水源側(cè)取水泵平均流量135.7m3·h-1。水泵設(shè)計(jì)選型均滿足實(shí)際運(yùn)行需求。

2.4 地?zé)嵴居脩魝?cè)及水源側(cè)循環(huán)泵運(yùn)行耗電量

圖8 地?zé)嵴居脩魝?cè)及水源側(cè)水泵運(yùn)行功率及站房電表總計(jì)數(shù)

由上圖可知，地?zé)嵴居脩魝?cè)循環(huán)泵與水源側(cè)取水泵供暖初末期運(yùn)行功率低，供暖中期運(yùn)行功率高，與機(jī)房?jī)?nèi)電表總耗電量變化規(guī)律一致。供暖期水源側(cè)取水泵及用戶側(cè)循環(huán)泵電耗為451652kWh，單位供暖面積水泵耗電量指標(biāo)為6.5kWh·m-2。供暖期機(jī)房電表總耗電量計(jì)數(shù)為501402kWh，單位供暖面積總用電量指標(biāo)為7.2kWh·m-2。

3 供熱系統(tǒng)熱量調(diào)節(jié)法

本項(xiàng)目地?zé)釗Q熱站實(shí)際運(yùn)行時(shí)采用根據(jù)室外天氣情況手動(dòng)調(diào)節(jié)水泵頻率，保證用戶側(cè)供水溫度及流量趨近設(shè)計(jì)值。當(dāng)熱用戶室內(nèi)滿足14～16℃設(shè)計(jì)溫度要求且沒(méi)有用戶投訴情況下，一般不再調(diào)節(jié)水泵頻率。此種依據(jù)管理人員經(jīng)驗(yàn)的調(diào)節(jié)方法，難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的供暖節(jié)能運(yùn)行方式。

熱量調(diào)節(jié)法是通過(guò)熱量檢測(cè)裝置根據(jù)用戶的要求直接控制供熱負(fù)荷和供熱量，系統(tǒng)的循環(huán)水量要視管網(wǎng)地水力失調(diào)程度而定，通常不小于設(shè)計(jì)流量的70%.而熱媒溫度是隨供暖系統(tǒng)熱平衡關(guān)系自然形成的現(xiàn)象，不必人為控制[5]。

根據(jù)本項(xiàng)目地?zé)嵴具\(yùn)行情況，擬采用根據(jù)室外溫度、日供暖負(fù)荷、日累計(jì)耗熱量以及系統(tǒng)用戶參考供回水溫度的方法，指導(dǎo)管理人員計(jì)量供熱，按需調(diào)節(jié)。設(shè)定當(dāng)室外日均溫度T＞0℃時(shí)，用戶側(cè)水泵按照設(shè)計(jì)流量70%運(yùn)行，當(dāng)室外日均溫度-3℃≤T≤-0℃時(shí)，用戶側(cè)循環(huán)水泵按照設(shè)計(jì)流量80%運(yùn)行，當(dāng)室外日均溫度T＜-3℃時(shí)，用戶側(cè)循環(huán)水泵按照設(shè)計(jì)流量100%運(yùn)行。水源側(cè)取水泵按照負(fù)荷需求及供水70℃，回灌42℃運(yùn)行要求變流量運(yùn)行。相關(guān)計(jì)算結(jié)果整理如下：

由上圖9可知，根據(jù)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱基本原理Q熱=KxFx(tn-tw)，當(dāng)室內(nèi)溫度tn保持不變時(shí)，供暖熱負(fù)荷隨室外溫度tw降低而增大。由上圖10可知，當(dāng)熱負(fù)荷確定，系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，供回水溫度就可以確定，根據(jù)此供回水溫度調(diào)節(jié)運(yùn)行，室內(nèi)溫度就可以達(dá)到設(shè)計(jì)值。由下圖11可知，當(dāng)采用分階段變流量熱量調(diào)節(jié)法運(yùn)行時(shí)，地?zé)嵴舅煤碾娏颗c室外溫度出現(xiàn)理論關(guān)聯(lián)性，即室外溫度高時(shí)，水泵耗電量小。通過(guò)計(jì)算，供暖期水泵總電耗為344268kWh，單位面積水泵耗電量4.9kWh·m-2。與人工經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)供暖方式相比，可節(jié)電25%左右。

圖9 不同室外溫度下的熱負(fù)荷及日累計(jì)耗熱量

圖10 不同室外溫度下用戶側(cè)供回水溫度

圖11 不同室外溫度下水源側(cè)及用戶側(cè)水泵功率累加日均值

4 結(jié)論

本文借助河北某農(nóng)村地?zé)嵴径竟┡?xiàng)目，采用測(cè)試數(shù)據(jù)分析及相關(guān)理論計(jì)算的方法，對(duì)地?zé)嵴舅磦?cè)及用戶側(cè)供暖運(yùn)行溫度，溫差、流量等進(jìn)行分析，以判斷供熱系統(tǒng)運(yùn)行策略及運(yùn)行能耗。運(yùn)用集中供熱系統(tǒng)熱量調(diào)節(jié)理論，對(duì)地?zé)嵴竟┡\(yùn)行方式進(jìn)行優(yōu)化，考慮不同室外溫度供熱系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷、運(yùn)行水溫及水泵耗電量，得出如下結(jié)論：

(1) 由于本項(xiàng)目圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能較差，項(xiàng)目供暖期總耗熱量為37206GJ，單位建筑面積耗熱量為0.53GJ·m-2·a，其數(shù)值是用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)河北?。ㄊ?huì)城市）建筑耗熱量指標(biāo)約束值2.3倍。

(2) 項(xiàng)目供暖初末期雖然根據(jù)管理人員經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了水泵變頻調(diào)節(jié)，但從運(yùn)行數(shù)據(jù)上可以發(fā)現(xiàn)，水源側(cè)取水泵及用戶側(cè)循環(huán)泵變頻運(yùn)行與室外溫度的關(guān)聯(lián)性較弱，耗電量較大，均沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)工況下的小流量大溫差節(jié)能運(yùn)行模式。

(3) 當(dāng)采用分階段變流量的熱量調(diào)節(jié)法優(yōu)化運(yùn)行時(shí)，地?zé)嵴舅煤碾娏颗c室外溫度理論上關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，即室外溫度高時(shí)，機(jī)房水泵耗電量小。與原先管理人員人工經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)供暖方式相比，可節(jié)約25%左右運(yùn)行耗電量。