左文東，李彪，郭寶剛，高曉宇，顧吉浩，王維賀，董智鵬

（1.天津華電福源熱電有限公司，天津 301700；2.河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401；3.工大科雅（天津）能源科技有限公司，天津 300401）

0 引言

碳達(dá)峰、碳中和的新氣候目標(biāo)是我國統(tǒng)籌國內(nèi)和國際兩個大局的戰(zhàn)略決策［1］。在“雙碳”目標(biāo)的導(dǎo)向下，能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整與優(yōu)化布局顯得尤為重要。我國能源消費(fèi)主要集中在工業(yè)、交通、建筑三大領(lǐng)域。2019 年，我國城鎮(zhèn)集中供熱導(dǎo)致的CO2間接排放量為4.5 億t，約占建筑領(lǐng)域碳排放總量的29.0%，約占全國碳排放總量的4.6%［2］。由此可以看出集中供熱行業(yè)存在較大的“節(jié)碳”市場，能源轉(zhuǎn)型和節(jié)能降耗是實(shí)現(xiàn)集中供熱行業(yè)“雙碳”目標(biāo)的有效途徑。

近年來，集中供熱系統(tǒng)的節(jié)能降耗技術(shù)也在不斷升級。穆連波等［3］基于北京某燃?xì)忮仩t實(shí)際改造案例，提出了煙氣余熱深度回收利用方案，通過改造每年可減少排放4 722.5 t CO2；李琦等［4］針對熱力站一次側(cè)供熱量與需求量不匹配的現(xiàn)象，基于深度確定性策略梯度提出了一種熱力站一次側(cè)優(yōu)化控制策略；Mattias Vesterlund 等［5］以瑞典北部小鎮(zhèn)為實(shí)例，提出了一種基于環(huán)狀管網(wǎng)的集中供熱系統(tǒng)的建模方法，用于優(yōu)化多熱源聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行；Ryohei Yokoyama 等［6］將多棟建筑的供熱和制冷設(shè)備通過管網(wǎng)連接，靈活調(diào)度冷熱源輸配實(shí)現(xiàn)按需供能，節(jié)約能耗10.2%～25.2%。

現(xiàn)階段，熱源、一級網(wǎng)、熱力站的節(jié)能降耗技術(shù)已相對成熟，但供熱二級網(wǎng)缺乏有效的水力調(diào)控手段，導(dǎo)致水力和熱力失調(diào)，以及熱用戶室溫?zé)o法實(shí)時監(jiān)控，是供熱能耗過高的主要原因［7-9］。國內(nèi)專家學(xué)者也進(jìn)行了大量地探索研究，旨在消除“供熱最后1千米”的失調(diào)問題。李甲年等［10］提出一種“預(yù)設(shè)比例法”對二級網(wǎng)進(jìn)行流量平衡調(diào)節(jié)。史凱等［11］基于動態(tài)壓差平衡閥和靜態(tài)平衡閥技術(shù)，解決二級網(wǎng)水平失調(diào)和垂直失調(diào)問題。李更生等［12］采用“基于回水溫度平衡法的智能二網(wǎng)平衡系統(tǒng)”對單元水力進(jìn)行了平衡調(diào)控，使單元回水溫度趨于一致。何樂［13］提出了一種基于室溫修正技術(shù)的智能樓棟平衡系統(tǒng)，并分析了該系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的水力工況和平衡效果。上述2種方法僅是解決了水平方向上的水力失調(diào)問題，高層建筑垂直失調(diào)問題仍然存在。劉劍等［14］采用以用戶室溫作為調(diào)控目標(biāo)的二級網(wǎng)智能平衡的調(diào)控策略，并對調(diào)控前后的室溫及節(jié)能率進(jìn)行了對比分析。但一般情況下，小區(qū)室溫采集裝置的安裝數(shù)量有限，以室溫為目標(biāo)的智能調(diào)控策略在推廣時具有一定難度。王建浮等［15］提出應(yīng)用“通斷法”熱計量設(shè)備，通過改變分戶閥門的通斷比，實(shí)現(xiàn)二級網(wǎng)水力平衡調(diào)節(jié)，但要實(shí)現(xiàn)各用戶室內(nèi)溫度的均衡，需要制定復(fù)雜的控制邏輯。史登峰等［16-17］定義了室溫穩(wěn)定度、室溫偏離度和系統(tǒng)熱力平衡度3 個公式，并結(jié)合其他數(shù)據(jù)對室溫數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，用于評價二級網(wǎng)熱力平衡效果。張杰等［18-19］通過構(gòu)建新型數(shù)字化、智能化二次網(wǎng)熱平衡系統(tǒng)，探討了戶間熱平衡系統(tǒng)的架構(gòu)、控制方案和室溫估算技術(shù)，理論分析了戶間熱平衡系統(tǒng)的調(diào)控過程和運(yùn)行效果。朱翼虎等［20］提出了以物聯(lián)網(wǎng)水力平衡閥為核心設(shè)備，結(jié)合云端服務(wù)器和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)水力平衡技術(shù)，通過對二級網(wǎng)的應(yīng)用測試，對水力平衡結(jié)果進(jìn)行了分析。

本文基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)建立二級網(wǎng)分戶智能平衡調(diào)控系統(tǒng)，同時解決垂直失調(diào)和水平失調(diào)，并以用戶室溫反饋優(yōu)化熱力站調(diào)控策略，實(shí)現(xiàn)熱力站和熱負(fù)荷的“站荷聯(lián)動”。在保障用戶供熱品質(zhì)的前提下，通過降低二級網(wǎng)供水溫度和循環(huán)水流量，節(jié)省熱耗和電耗。

1 項(xiàng)目概況

該住宅小區(qū)位于天津市武清區(qū)，2020—2021年采暖季供暖面積63 771 m2，12 棟建筑，760 戶，采暖末端為散熱器，熱力站分高、低區(qū)。2020 年，對小區(qū)二級網(wǎng)平衡系統(tǒng)及熱力站自控系統(tǒng)進(jìn)行了升級。主要建設(shè)內(nèi)容包括：（1）在每個用戶回水管道上安裝帶回水溫度傳感器的智能閥，調(diào)節(jié)流量及監(jiān)測回水溫度；（2）選取304 戶典型熱用戶，安裝室溫采集裝置，監(jiān)測熱用戶室內(nèi)采暖溫度；（3）以樓棟為單位安裝12臺數(shù)據(jù)采集集中器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程調(diào)控；（4）升級小區(qū)熱力站自控程序，實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)數(shù)據(jù)對接；（5）在監(jiān)控中心部署智慧供熱管控平臺，以熱用戶室溫為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對熱力站運(yùn)行策略的自動優(yōu)化。二級網(wǎng)智能平衡系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 二級網(wǎng)智能平衡系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Structure of the secondary network intelligent balance system

2 調(diào)控原理

2.1 平衡調(diào)控理論

散熱器與房間的傳熱量計算公式為

式中：A為散熱器表面積，m2；K為散熱器傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；tpj為散熱器內(nèi)熱媒平均溫度，℃；tn為室內(nèi)采暖設(shè)計溫度，℃；β1，β2，β3為散熱器修正系數(shù)。

由式（1）可知，在理想條件下，各用戶供回水均溫一致即達(dá)到了用戶間的熱力平衡，而熱用戶供水溫度基本相同，則各用戶回水溫度一致即可認(rèn)為達(dá)到熱力平衡。使用回水溫度一致法，可避免流量測量的復(fù)雜性和低精度，有效提高了調(diào)控效率且降低了成本。但由于熱用戶散熱設(shè)備阻力系數(shù)和周邊采暖狀況等各不相同，因此需要通過大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，建立各用戶回水溫度修正的數(shù)據(jù)庫。

由于用戶回水溫度存在明顯的滯后性，因此二級網(wǎng)調(diào)控方式必然是定周期調(diào)節(jié)模式，調(diào)控步長根據(jù)實(shí)際回溫與理論回溫的偏差決定。

二級網(wǎng)熱用戶的動態(tài)調(diào)節(jié)會使整個二級網(wǎng)的管網(wǎng)特性發(fā)生變化：近端用戶閥門關(guān)小，管網(wǎng)阻力系數(shù)增大，但由于緩解了水力失調(diào)現(xiàn)象，整網(wǎng)流量會明顯降低，最終二級網(wǎng)循環(huán)泵降低頻率運(yùn)行即可滿足要求。一般循環(huán)泵按照設(shè)定供回水壓差的模式運(yùn)行，即可實(shí)現(xiàn)水泵自動調(diào)頻且滿足水力工況。

2.2 調(diào)控效果驗(yàn)證

二級網(wǎng)智能平衡調(diào)控效果檢驗(yàn)：（1）調(diào)控前后的能耗對比分析；（2）熱用戶回水溫度離散性分析；（3）熱用戶室溫分析。

由于調(diào)控前后室內(nèi)外平均溫度不同，為了統(tǒng)一對比標(biāo)準(zhǔn)，將實(shí)際能耗折算至供暖期室外計算溫度和同一室溫下計算，折算公式為

式中：xmax為用戶回水溫度最大值，℃；xmin為用戶回水溫度最小值，℃。

3 調(diào)控效果分析

3.1 調(diào)控前后能耗分析

3.1.1 熱耗分析

選取2020—2021 年采暖季智能調(diào)控啟用前后2 個時段的熱耗數(shù)據(jù)，并將熱耗數(shù)據(jù)折算到統(tǒng)一室內(nèi)及室外標(biāo)準(zhǔn)溫度下，再進(jìn)行對比分析。

未啟用智能調(diào)控時，供熱運(yùn)行人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對熱力站進(jìn)行調(diào)控，用戶室溫受室外溫度波動的影響較大，室內(nèi)均溫在21.20～25.50 ℃范圍內(nèi)波動，并且用戶室溫比較離散。啟用平衡系統(tǒng)后，熱力站根據(jù)典型用戶的室溫目標(biāo)23.00 ℃進(jìn)行調(diào)控。調(diào)控結(jié)果表明，熱用戶的日均室溫波動很小，基本在（23.00±1.00）℃范圍內(nèi)變化。本文中的室外溫度數(shù)據(jù)來源于中國氣象網(wǎng)，調(diào)控前后的室內(nèi)外溫度統(tǒng)計結(jié)果見表1，室內(nèi)外溫度變化曲線如圖2所示。

表1 室內(nèi)外溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 1 Statistical data of indoor and outdoor temperatures

圖2 日均室內(nèi)外溫度變化曲線Fig.2 Variation of daily average indoor and outdoor temperatures

熱耗數(shù)據(jù)采用該小區(qū)熱力站內(nèi)的熱計量表，圖3 和圖4 分別給出了調(diào)控前后的單位面積熱耗以及折算至采暖期室外計算溫度和相同室溫下的單位平米熱耗統(tǒng)計。

圖3 單位面積熱耗Fig.3 Heat consumption per unit area

圖4 折算后單位面積熱耗Fig.4 Heat consumption per unit area after conversion

經(jīng)有效數(shù)據(jù)計算，時段1 熱耗指標(biāo)為2.95 MJ/（m2·d）即34 W/m2，時段2 熱耗指標(biāo)為2.82 MJ/（m2·d），利用耗熱量折算公式（2），調(diào)控前折算耗熱量為3.27 MJ/（m2·d），調(diào)控后折算耗熱量為2.82 MJ/（m2·d），調(diào)控后熱耗降低14%。

3.1.2 電耗分析

供熱二級網(wǎng)總循環(huán)流量直接影響熱力站耗電量，圖5 和圖6 分別給出了智能調(diào)控前后的循環(huán)水泵頻率曲線和供回水溫差曲線。由圖可知，循環(huán)水泵頻率由50 Hz 降低到46 Hz，供回水溫差由8 ℃上升到11 ℃，說明二級網(wǎng)水力失調(diào)得到了有效緩解，減小了運(yùn)行流量，實(shí)現(xiàn)“小流量、大溫差”的智能運(yùn)行模式，循環(huán)泵頻率隨之降低，節(jié)省了熱力站的電耗。

圖5 循環(huán)泵頻率曲線Fig.5 Curve of the circulating pump frequency

圖6 供回水溫差曲線Fig.6 Curve of the supply and return water temperature

根據(jù)熱力站電耗統(tǒng)計報表，本采暖季調(diào)控前（時段1）日均電耗為0.011 4 kW·h/m2，調(diào)控后（時段2）日均電耗為0.008 8 kW·h/m2，電耗下降23%，節(jié)電量效果顯著。

3.2 熱用戶回水溫度離散性分析

從上位機(jī)軟件抽取調(diào)控前后2個時間點(diǎn)的換熱機(jī)組回水溫度及部分熱用戶回水溫度，并對熱用戶回水溫度離散性進(jìn)行分析。圖7 和圖8 分別為2020年12 月8 日19∶00（調(diào)控前）與12 月23 日19∶00（調(diào)控后）各用戶回水溫度散點(diǎn)。由圖可知，機(jī)組平均回水溫度為39.04 ℃，調(diào)控前的用戶回水溫度離散度較大，最高回溫為44.00 ℃，最低為34.50 ℃，極差為9.50 ℃。智能調(diào)控后，熱用戶回水溫度的離散度明顯減小，大部分回水溫度與換熱機(jī)組平均回水溫度接近。用戶回溫最高值為41.00 ℃，最低值為37.50 ℃左右，極差為3.50 ℃。在智能調(diào)控的過程中，大部分近端用戶的智能閥開度逐步減小，回水溫度逐漸降低，最終在低開度保持穩(wěn)定。遠(yuǎn)端用戶在調(diào)控前期，流量不足，回水溫度低于換熱機(jī)組平均回水溫度，智能閥處于全開狀態(tài)。調(diào)控后，遠(yuǎn)端用戶的回水溫度較調(diào)控前明顯上升，逐漸與換熱機(jī)組平均回水溫度趨于一致。

圖7 12月8日19∶00熱用戶回水溫度散點(diǎn)Fig.7 Discrete points of the heat user's return water temperature at 19∶00 on December 8th

圖8 12月23日19∶00熱用戶回水溫度散點(diǎn)Fig.8 Discrete points of the heat user's return water temperature at 19∶00 on December 23rd

對該小區(qū)用戶回水溫度利用公式（3），（4）計算，得到調(diào)控前后用戶回水溫度標(biāo)準(zhǔn)差和極差，見表2。由表2 可知，開啟智能平衡后，熱用戶回水溫度的離散性明顯降低，說明各用戶水力失調(diào)問題明顯改善。

表2 熱用戶回水溫度標(biāo)準(zhǔn)差和極差Table 2 Standard deviation and range of the heat user's return water temperature

3.3 熱用戶室溫分析

為分析調(diào)控過程對用戶室溫的影響，隨機(jī)抽取了3 戶室溫統(tǒng)計數(shù)據(jù)。圖9 給出了抽取樣本的室內(nèi)溫度變化趨勢：調(diào)控前熱用戶室內(nèi)溫度波動較大，調(diào)控后室內(nèi)溫度波動較小并逐漸趨于穩(wěn)定，說明二級網(wǎng)平衡調(diào)控策略發(fā)揮了明顯的作用。

圖9 室內(nèi)溫度動態(tài)分析（2020）Fig.9 Dynamic analysis on the indoor temperature in 2020

通過上位機(jī)軟件對熱用戶室內(nèi)溫度進(jìn)行了抽樣調(diào)查，熱用戶室溫達(dá)標(biāo)率均為99%以上，如圖10所示，說明啟用智能平衡在節(jié)能降耗的同時，并未對供熱質(zhì)量造成影響。

圖10 12月23日室內(nèi)溫度統(tǒng)計Fig.10 Indoor temperatures on December 23rd

3.4 經(jīng)濟(jì)性分析

由本文3.1 小節(jié)的能耗分析可知，整個采暖季按121 d 計算；節(jié)能量根據(jù)能源折標(biāo)系數(shù)折算為標(biāo)準(zhǔn)煤，則節(jié)能量統(tǒng)計結(jié)果見表3。

表3 各類能源折算標(biāo)煤量Table 3 Standard coal equivalent of various energy sources after conversion

由表3 可知，整個采暖季預(yù)計節(jié)電量20 062.40 kW·h，節(jié)熱量3 472.30 GJ，總節(jié)能量折合標(biāo)煤124.79 t，減少CO2排放量308.23 t。

天然氣熱值一般為35 998 325.66 J/m3，則節(jié)熱量對應(yīng)節(jié)省天然氣96 132.3 m3；天然氣單價2.31元/m3，則節(jié)約燃料成本22.21 萬元；電費(fèi)單價0.89元/（kW·h），節(jié)約電量成本1.79萬元；整個采暖季節(jié)能收益為23.90 萬元。本項(xiàng)目投入資金110.00 萬元，投資回收期4.6 a。

4 結(jié)論

對小區(qū)二級管網(wǎng)的水力平衡系統(tǒng)進(jìn)行升級改造后，消除了水力失調(diào)及冷熱不均，日均室溫與室溫目標(biāo)設(shè)定值接近且波動幅度減少，室溫達(dá)標(biāo)率99%以上，供熱質(zhì)量明顯提高。在保障熱用戶采暖熱舒適度的前提下，實(shí)現(xiàn)了按需供熱、精準(zhǔn)供熱。與啟用智能調(diào)控系統(tǒng)前相比，熱耗降低14%，電耗降低23%，節(jié)能效果顯著。