張喜明，李 釗，劉俊鋒，張 帆

吉林建筑大學 市政與環(huán)境工程學院,長春 130118

0 引言

對于東北而言,集中供熱是生活生產(chǎn)中一項必不可少的組成部分.由于供熱需求的不斷增加,能源的消耗量也越發(fā)增多,如何既能有效增加供熱系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的效率，又能減少不必要的浪費，則是急需解決的問題.改革開放以來,隨著經(jīng)濟的顯著提升,我國對能源的需求大幅增長,10年間能源消費總量已上漲12.5億t標準煤[1].另一方面,能源消耗對環(huán)境也產(chǎn)生了負面影響，諸如污染物排放、溫室效應等.近年來,為控制全球氣溫，各國也都積極制定相關的法律法規(guī)去限制能源消耗與排放.2030年我國在建筑生產(chǎn)方面擬將能耗控制在8.35億t標準煤[2],但隨著居民生活供暖的需求不斷提高,如何在限制能源消耗的基礎上實現(xiàn)該目標則有一定難度.

在集中供熱節(jié)能方面,國內(nèi)外的學者做了大量研究.George R[3]使用分布式循環(huán)系統(tǒng)解決了供熱系統(tǒng)不能滿足遠程用戶流量設計要求的問題,其運行之后的節(jié)能率高達25 %.Somchai Paarporn[4]對采暖系統(tǒng)能耗進行了分析，用分布變頻泵代替原系統(tǒng)的節(jié)流閥,實現(xiàn)加熱管網(wǎng)的變流量調(diào)節(jié),有效降低了系統(tǒng)的能耗.Zaheeruddin等[5]人設計出史密斯預測器使供熱系統(tǒng)能源節(jié)能提高到19 %～23 %.王國偉[6]采取更換高效循環(huán)泵和二網(wǎng)平衡節(jié)能措施,解決了用戶冷熱不均的問題,有效地降低了能耗.熱力站及熱力二次網(wǎng)節(jié)能改造后節(jié)電率57 %,節(jié)熱率12 %,節(jié)能效果顯著.馮偉杰[7]通過整理若干節(jié)能技術開發(fā)出了供熱建筑的熱負荷計算模型.本文選取長春市內(nèi)某供熱公司下的換熱站及二級管網(wǎng),該供熱系統(tǒng)的供熱面積為300.86萬m2,共有33個換熱站，供暖時間共計169 d.通過確定換熱站節(jié)能指標,即安全指標、工藝指標和能效指標,從而對該工程進行節(jié)能性分析并加以改進,從而使該工程達到降低能耗的目的.

1 換熱站節(jié)能指標的選取

通過對國家規(guī)范要求的研究,將安全指標、工藝指標和能效指標選為換熱站節(jié)能評價指標.

1.1 安全指標

對于換熱站來說,不管系統(tǒng)如何優(yōu)化,最基礎的是要保證供熱質量不受影響,控制供熱品質,滿足熱用戶的熱舒適度.選取室溫合格率和系統(tǒng)可靠性兩大指標作為換熱站的基礎指標.

1.2 工藝指標

換熱站工作時,為保證其安全運行前提下可以有更高的效率,需使其運行過程中的性能指標盡量達到或接近設計最大值.換熱站的工藝指標主要包括:耗電輸熱比EHR、管網(wǎng)輸送效率、循環(huán)流量控制指標、二次網(wǎng)供回水溫度指標、系統(tǒng)補水率指標、循環(huán)水泵電效率及循環(huán)水泵比轉數(shù).

耗電輸熱比EHR的值大小與節(jié)能指標密切相關,且與節(jié)能指標成反比[8].

對于循環(huán)流量設計而言,溫度小于95 ℃的低溫熱水循環(huán)流量應控制在2 kg/(m3·h)～3 kg/(m3·h)范圍內(nèi);70 ℃～150 ℃的高溫熱水循環(huán)流量應控制在1.1 kg/(m3·h)～1.7 kg/(m3·h)范圍內(nèi)[9].

1.3 能效指標

能效指標是節(jié)能評價指標體系的重要組成部分,熱站內(nèi)的能耗主要包括熱耗、電耗、水耗.能效指標包含:單位面積電耗、換熱有效利用率、單位面積水耗、單位面積熱耗、單位面積綜合耗能.

2 基于層次分析法建立節(jié)能指標模型

2.1 層次分析法

層次分析法是將與決策目標相關聯(lián)的要素分解成目標層、準則層、方案層,應用網(wǎng)絡系統(tǒng)理論和多目標綜合評價方法,對權重進行定性和定量分析.

2.2 層次分析法計算方法

2.2.1 建模

選擇需要決策的目標、決策準則和決策對象,將其分為三個層級并按照層次結構繪圖.三級分別為高、中、低三層.

2.2.2 構造判斷矩陣

一致矩陣法可以解決量化各層級各要素之間的定型和權重的問題.如對某一目標,需要對比方案,并根據(jù)不同的程度評級.要素X與要素Y分別為該目標的兩個方案,兩者進行對比并賦值可得,X與Y同等重要賦值為1,X比Y稍微重要賦值為3,X比Y較強重要賦值為5,X比Y強烈重要賦值7,X比Y極端重要賦值9,上述判斷中間值賦值2,4,6,8.通過這些重要性等級及其賦值構成判斷矩陣.在矩陣A中,bx,by(x,y=1,2,3……,n)表示因素,bxy表示bx對by的比較結果,byx表示by對bx的比較結果,由bxy構成的矩陣A如下:

(1)

對于矩陣A有:bxy>0,bxy=byx-1,bxx或byy=1.

2.2.3 指標權重計算

此處對權重通過特征向量法進行計算,計算公式如下:

λmaxw=AW

(2)

式中,λmax為矩陣A的最大特征值;W為權重特征向量,W>0.

2.2.4 一致性檢驗

矩陣A通過一致性檢驗可得到非一致的允許范圍,其指標可通過CI計算得出.CI的計算公式如下:

(3)

CI=0說明矩陣A一致性達到最高;隨著CI的減小,矩陣A越趨近于一致.隨機一致性指標RI可準確衡量CI的大小:

(4)

大部分情況說明降低的矩陣階數(shù)與一致性隨機偏離的可能性成正相關,其對應關系見表1.

表1 判斷矩陣階數(shù)n與隨機一致性指標RI的關系Table 1 The relationship between the judgment matrix order n and the random consistency index RI

由于隨機因素可導致一致性的偏離,加入檢驗系數(shù)CR以避免該狀況.當CR≥0.1時，可認為該判斷矩陣不符合一致性的標準；當CR≤0.1時，則可認為該判斷矩陣符合標準.其計算公式如下:

(5)

2.2.5 權重的計算及確定

根據(jù)選定的一級和二級指標,設計各項指標的權重確定表,對各個指標進行兩兩對比,根據(jù)因素賦值方法對構建矩陣中的各指標進行賦值,最后將反饋的重要程度比較結果加權平均后列出,見表2～表5.

表2 一級指標評分Table 2 First grade index score

表3 安全指標權重判斷矩陣Table 3 Safety index weight judgment matrix

表4 工藝指標權重判斷矩陣Table 4 Process index weight judgment matrix

表5 能效指標權重判斷矩陣Table 5 Energy efficiency index weight judgment matrix

各指標權重為:安全指標為1,室溫合格率為0.667,系統(tǒng)可靠性為0.333;工藝指標為0.226, 耗電輸熱比EHR為0.247,管網(wǎng)輸送效率為0.202,循環(huán)流量控制指標為0.077,二次網(wǎng)回水溫度指標為0.095,系統(tǒng)補水率指標為0.277,循環(huán)泵電效率為0.07,循環(huán)泵比轉數(shù)為0.03;能效指標為0.674,單位面積電耗為0.182,換熱有效利用率為0.372,單位面積水耗為0.182,單位面積熱耗為0.168,單位面積綜合耗能為0.096.

2.3 評價指標量化

對上述數(shù)據(jù)進行指標量化,建立評價等級,將分數(shù)為0～60歸入“不合格”等級;60～70歸入“合格”等級;70～80歸入“中等”等級；80～90歸入“良好”等級；90～100歸入“優(yōu)秀”等級.計算各評價等級的隸屬度X=(x1,x2,x3,x4,x5),確定指標的評價值,公式如下:

S(Xi)=WT×X=(95 85 75 65 30)T×(x1,x2,x3,x4,x5)

(6)

3 換熱站節(jié)能優(yōu)化分析

通過對2018年至2019年采暖季的實測數(shù)據(jù)分析,可知熱網(wǎng)存在三方面的問題:“大流量、小溫差”的運行現(xiàn)狀、換熱站供水溫度不會隨外部溫度而改變、循環(huán)水泵“大揚程、小流量”.因此,制定了換熱站的調(diào)節(jié)運行方案，即在二次網(wǎng)處安裝氣候補償器，并在熱網(wǎng)處安裝泵閥聯(lián)動系統(tǒng).

3.1 氣候補償器

氣候補償器的工作原理為:通過測量供暖期內(nèi)的室外溫度并在程序內(nèi)得出適當?shù)墓┗厮疁囟确秶?將程序得出的適當?shù)墓┗厮疁囟扰c二次網(wǎng)溫度進行對比,最終通過調(diào)節(jié)一級網(wǎng)的流量來調(diào)節(jié)二次網(wǎng)的供回水溫度,實現(xiàn)按需供熱,達到節(jié)約能源的目的[10-11].

根據(jù)室外氣象溫度將供暖分成3個階段,分別為初寒期、嚴寒期、末寒期,并對系統(tǒng)制定供回水溫度曲線并輸入氣候補償器.氣候補償器能夠根據(jù)測定的隨著室外溫度變化,氣候補償器將調(diào)節(jié)一次網(wǎng)調(diào)節(jié)閥的開度大小,從而達成二次網(wǎng)供水溫度隨室外氣溫變化的實時智能調(diào)節(jié).

3.2 泵閥聯(lián)動系統(tǒng)

在供熱系統(tǒng)中,泵閥聯(lián)動系統(tǒng)的主要設備包括:循環(huán)泵、電動調(diào)節(jié)閥和加壓泵.聯(lián)動系統(tǒng)分為同側泵閥聯(lián)動和異側泵閥聯(lián)動,通過電氣控制回路進行互鎖、互聯(lián),并結合PLC相關的邏輯程序,建立設備啟停條件,實現(xiàn)相互牽制，最終使得該換熱站達到供熱的需求,進而起到平穩(wěn)運行,節(jié)能降耗的目的.

3.3 改造后節(jié)能效果評價

改造后,在2019年至2020年采暖期對33個換熱站進行了第二次測量,測量結果見表6.

表6 改造后總換熱站最冷月份能耗Table 6 Energy consumption of total heat exchange station in the coldest month after reform

圖1 換熱站供暖季綜合評價對比Fig.1 Contrast of comprehensive evaluation of heat exchange station in heating season

通過層次分析法評價模型可得出2018年至2019年供暖季與2019年至2020年供暖季33臺換熱站綜合評價對比(如圖1所示).

從整體上看,改造前與改造后的換熱站基于層次分析法評價模型的綜合評價得分有顯著提升,提升區(qū)間為0.6分～8.2分,其中14號換熱站提升最大.從能耗角度分析,在經(jīng)過改造后.該工程每天約減少熱量約2 301.6 GJ,以最冷月31 d計算,可減少熱量約71 349.6 GJ.

4 結論

本文主要對位于長春市某供熱公司的換熱站及二級管網(wǎng)作為研究對象,并對該工程改造前和改造后的運行數(shù)據(jù)進行歸納分析.結果表明，在安裝氣候補償器和泵閥聯(lián)動裝置后,每天減少熱量約2 301.6 GJ,以最冷月31天計算,可減少熱量約71 349.6 GJ.可見,改造后的供熱系統(tǒng)比改造前綜合評價有顯著提升,證明該模型有一定的可推廣性.