郎貴明，高俊明

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

從當(dāng)前國內(nèi)集中供熱整體情況來看，對于一次管網(wǎng)的技術(shù)和設(shè)備投入較大，而對供熱二次管網(wǎng)的投入較小，往往會(huì)造成二次管網(wǎng)出現(xiàn)水力失調(diào)現(xiàn)象[1]。如果二次管網(wǎng)出現(xiàn)水力失調(diào)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(zhì)量，同時(shí)對供熱的能耗有著嚴(yán)重的影響。解決二次管網(wǎng)水力失調(diào)問題，就是被動(dòng)地將有利環(huán)路的熱水流量轉(zhuǎn)移到不利環(huán)路上，其實(shí)質(zhì)是通過關(guān)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(shù)措施是在管網(wǎng)中安裝壓差控制閥、靜態(tài)、動(dòng)態(tài)平衡閥，也可加裝混合回路對建筑物進(jìn)行獨(dú)立溫度控制等措施[2]。

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

1 集中供熱二次管網(wǎng)調(diào)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(shí)現(xiàn)二次管網(wǎng)的平衡，應(yīng)采用以下的方法。

(1)在系統(tǒng)安裝完成正式運(yùn)行后，基于每個(gè)熱用戶的溫度，對用戶的流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)溫度達(dá)到設(shè)定溫度；

(2)再經(jīng)過一段時(shí)間的動(dòng)態(tài)調(diào)整后，即每個(gè)熱用戶流量不變，并一直維持恒定；

(3)當(dāng)供暖期中出現(xiàn)個(gè)別用戶室溫異常時(shí)，再進(jìn)行微調(diào)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(chǔ)下，調(diào)節(jié)各熱用戶的流量，從而實(shí)現(xiàn)水力平衡并達(dá)到節(jié)能效果，同時(shí)保證所有用戶室溫可控且在正常范圍內(nèi)，減少投訴率和能源浪費(fèi)。

1.2 基于回水溫度的流量控制

如果現(xiàn)場情況復(fù)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(bǔ)充處理方案。其原理是根據(jù)用戶回水溫度作為運(yùn)行參數(shù)對其入戶水流量加以控制，以實(shí)現(xiàn)室溫在合理區(qū)間內(nèi)[3]；再經(jīng)過一段時(shí)間的動(dòng)態(tài)調(diào)整后，使每個(gè)熱用戶保持恒定的流量，以實(shí)現(xiàn)熱用戶流量的控制。

2 自力式流量調(diào)節(jié)溫控裝置結(jié)構(gòu)及控制原理

自力式流量調(diào)節(jié)溫控裝置是管網(wǎng)平衡調(diào)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(nèi)，可有效地控制通過的流量。當(dāng)系統(tǒng)中閥門前后壓差增大時(shí)，閥門會(huì)自動(dòng)關(guān)小以保證流量不會(huì)增大；當(dāng)系統(tǒng)中閥門前后壓差減少時(shí)，閥門會(huì)自動(dòng)開大以保證流量不會(huì)減小。在使用自力式流量調(diào)節(jié)溫控裝置時(shí)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(nèi)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(diào)節(jié)溫控裝置主要由戶用智能溫度采集器、無線流量調(diào)節(jié)閥、遠(yuǎn)傳系統(tǒng)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)組成。

無線流量調(diào)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(shè)置來調(diào)節(jié)進(jìn)入每戶的水流量，從而調(diào)節(jié)整個(gè)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(dòng)調(diào)整、根據(jù)用戶回水溫度自動(dòng)調(diào)整、根據(jù)人工輸入的開度指令批量調(diào)整等。另外，閥門還可根據(jù)用戶繳費(fèi)情況控制其供熱管網(wǎng)通斷。

2.2 流量控制原理

無線電動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥主要由閥體、自動(dòng)調(diào)節(jié)閥塞、感壓膜片及設(shè)定流量的閥板及流量刻度盤構(gòu)成。工作時(shí)，電動(dòng)執(zhí)行器將流量設(shè)定為所需值，當(dāng)閥前后壓差Δp=p1-p3增大時(shí)，由于內(nèi)部壓力p2增大使膜片帶動(dòng)自動(dòng)閥塞，將節(jié)流孔減小，使出口處的壓差p2-p3保持不變，原設(shè)定流量也恒定不變；當(dāng)Δp減小時(shí)，原設(shè)定流量趨于減小，此時(shí)，由彈簧作用將自動(dòng)閥芯節(jié)流孔增大，使出口處壓差仍保持不變，原設(shè)定流量恒定不變。流量與閥前后壓差的關(guān)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(yīng)用

3.1 工程概況

該項(xiàng)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(diào)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(nèi)建設(shè)一座換熱站，站內(nèi)共設(shè)置四個(gè)供暖管網(wǎng)環(huán)路，每個(gè)環(huán)路循環(huán)水泵均采用大、小泵配置。每個(gè)環(huán)路均配置電磁流量計(jì)、進(jìn)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(gè)小區(qū)二次管網(wǎng)的平衡有一定影響，在文中不再做重點(diǎn)分析，只對該小區(qū)的1～12號樓的地板輻射供暖部分的調(diào)控和平衡分析進(jìn)行重點(diǎn)闡述。

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

3.2 系統(tǒng)調(diào)試

該小區(qū)的地板輻射供暖部分經(jīng)過三次系統(tǒng)調(diào)試均達(dá)到設(shè)計(jì)溫度，滿足用戶需求。系統(tǒng)調(diào)試前，該換熱站地板輻射供暖部分均為大泵運(yùn)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(diào)試的具體操作如下所示。

初次調(diào)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(yuǎn)程控制平臺上批量下發(fā)指令，中間用戶流量均調(diào)整到400kg/h，頂?shù)讓佑脩袅髁烤{(diào)整到600kg/h。低區(qū)調(diào)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(diào)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(diào)試：3天后將高低區(qū)供水溫度繼續(xù)提高至41℃。在遠(yuǎn)程控制平臺上批量下發(fā)指令，繼續(xù)下調(diào)每個(gè)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(diào)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(diào)試：經(jīng)過前兩次調(diào)試，高、低區(qū)系統(tǒng)運(yùn)行狀況接近理論值。其后根據(jù)用戶室溫情況進(jìn)行微調(diào)，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(shí)對回水溫度過低的住戶進(jìn)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(jì)26個(gè)單元的每日平均回水溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，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(diào)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(shí)質(zhì)是存在著嚴(yán)重的水力失調(diào)現(xiàn)象。調(diào)試過程中用戶回水溫度趨于一致，調(diào)試完成后各個(gè)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(diào)節(jié)

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

圖3 調(diào)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(diào)試前該樓宇26%的住戶溫度不達(dá)標(biāo)，投訴率偏高。分析其主要原因有兩個(gè)：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?yàn)楣芫W(wǎng)出現(xiàn)水力失調(diào)現(xiàn)象所致。

經(jīng)過多次過濾器清洗和水力調(diào)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(diào)試期間7號樓的溫度變化。由圖4可見調(diào)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(jīng)過水力平衡調(diào)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(diào)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(shí)際供暖總面積為86267.90m2，折合單位面積小時(shí)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(diào)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(dá)到28.39%。期間日總耗熱量最低日為172.85GJ，當(dāng)冷空氣來臨時(shí)，換熱站采用質(zhì)調(diào)節(jié)集中提高供水溫度，同時(shí)耗熱量增加，但仍然明顯低于調(diào)試前的耗熱量。

4 結(jié)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(diào)節(jié)為例，采用自力式流量控制閥調(diào)節(jié)各熱用戶流量的方法解決了二次管網(wǎng)的熱力失調(diào)問題，達(dá)到了節(jié)能降耗的效果，提高了供熱質(zhì)量，降低了運(yùn)行成本。

(1)基于熱用戶流量控制的二次管網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)利用了先進(jìn)的智能控制技術(shù)，可很好地解決二次熱網(wǎng)水力失調(diào)問題，使各熱用戶均滿足熱量需求并實(shí)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(nèi)溫度、流量等參數(shù)進(jìn)行精確測量與采集，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，在系統(tǒng)調(diào)試完成后，熱網(wǎng)循環(huán)水量和耗熱量有了較大地降低，達(dá)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(diào)節(jié)滿足了用戶需求，提高供熱質(zhì)量的同時(shí)降低了運(yùn)行成本，具有良好的節(jié)能降耗效果，為實(shí)現(xiàn)智慧熱網(wǎng)提供了工程依據(jù)。