高等院校集體供暖中的分時分溫控制管理模式

楊洪青，席 飛，張華崗，李 輝

(1河北科技師范學(xué)院，河北秦皇島，066004;2秦皇島市文怡自控技術(shù)有限公司;3河北科技師范學(xué)院歐美學(xué)院)

2008年相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國建筑能耗占全國能源消耗總量的30%，其中采暖空調(diào)約占全部建筑能耗的65%［1］。由此可見，建筑為耗能大戶，為了經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展，必須把建筑節(jié)能放在重要位置。我國冬季需集體供暖的高等院校眾多，耗費(fèi)資金巨大，部分高校每年供暖所消耗的能源費(fèi)已占到全?？傮w能源經(jīng)費(fèi)的50%［2，3，4］。目前，我國一些高等院校冬季供暖未根據(jù)各種建筑使用的不同情況、室外溫度在一天內(nèi)的變化情況進(jìn)行調(diào)控。為此，筆者結(jié)合地處河北省秦皇島市的河北科技師范學(xué)院實(shí)際情況，對高等院校冬季供暖能源消耗的基本狀況進(jìn)行了分析。高等院校樓宇按供暖特點(diǎn)可分為三類:第一類是教學(xué)樓、辦公樓、圖書館、體育館、實(shí)驗(yàn)樓等，稱為公共樓宇，其特點(diǎn)是白天使用，夜間基本無人使用。第二類是學(xué)生公寓樓，這類樓宇的特點(diǎn)是學(xué)生開學(xué)期間使用，而寒假期間基本不使用。第三類是學(xué)校職工及家屬住宅樓，住宅樓的特點(diǎn)是供暖期內(nèi)任何時候都必須保證供暖達(dá)標(biāo)。高等院校冬季供暖的浪費(fèi)現(xiàn)象主要表現(xiàn)在:第一類樓宇夜間沒人使用也供暖，造成能源浪費(fèi);第二類樓宇在寒假封閉期間照常供暖，從而造成能源浪費(fèi);第三類樓宇的建設(shè)年代不同，管道有粗有細(xì)，暖氣片的組數(shù)有多有少，有的家屬樓離換熱站較近，有的離換熱站較遠(yuǎn)，房間的保溫效果也不同，為了保證所有的住宅樓供暖達(dá)標(biāo)，致使一些樓宇供暖過熱。

根據(jù)以上三種類型樓宇的特點(diǎn)，筆者認(rèn)為應(yīng)該對高等院校集中供暖系統(tǒng)進(jìn)行分時、分溫、平衡控制的自動化改造，建立節(jié)能供暖系統(tǒng)及監(jiān)管體系。改造后的節(jié)能供暖系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)按需供暖、均衡供暖、達(dá)標(biāo)供暖，以達(dá)到節(jié)約能源、減少資金浪費(fèi)的目的。采取集中監(jiān)控，運(yùn)行人員在監(jiān)控中心對供暖系統(tǒng)的運(yùn)行情況實(shí)行實(shí)時監(jiān)控，通過對下位機(jī)的參數(shù)設(shè)置，優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行，使供暖系統(tǒng)的管理科學(xué)化、信息化。

1 高等院校冬季節(jié)能供暖系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和控制方式

采暖系統(tǒng)按作用可分為熱源部分、熱能傳輸部分和用戶末端部分。熱源部分主要是指鍋爐，提高鍋爐效率、加強(qiáng)鍋爐自動化技術(shù)和水泵變頻技術(shù)可實(shí)現(xiàn)熱源部分的節(jié)能;熱能傳輸部分指熱能從熱源到用戶末端傳送過程中的傳輸管道，加強(qiáng)管網(wǎng)保溫、改善管網(wǎng)水力平衡可實(shí)現(xiàn)熱能傳輸部分的節(jié)能;用戶末端是指最終消耗熱能的環(huán)節(jié)，即供熱建筑［5］。在此主要討論用戶末端的節(jié)能改造。

1.1 總體設(shè)計(jì)

供熱分時分溫控制系統(tǒng)是根據(jù)傳統(tǒng)供熱存在的問題設(shè)計(jì)而成的，主要由分時分溫控制器、溫度傳感器和閥門組成，節(jié)能監(jiān)管體系與分時分溫控制器通過校園網(wǎng)絡(luò)或者GPRS無線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制(圖 1)［5，6，7］。

1.2 用戶末端的改造

室內(nèi)溫度需求是決定建筑熱負(fù)荷的一個重要指標(biāo)，由于教學(xué)樓、辦公樓、實(shí)驗(yàn)樓和圖書館等公共樓宇夜間無人，可停止供暖或低溫供暖，部分學(xué)校通過夜間降低供暖力來降低室內(nèi)溫度，從而達(dá)到節(jié)能運(yùn)行;寒假期間，除家屬樓以外絕大多數(shù)樓宇均無人，也可以降低室內(nèi)溫度，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

但目前大多數(shù)高校建筑熱力入口只裝手動閥門，不能達(dá)到調(diào)節(jié)的目的，因此提出在每棟樓宇安裝一套分時分溫控制器、3個無線室溫傳感器，并在樓宇的熱力入口的回水管上安裝電動調(diào)節(jié)閥、供水溫度傳感器和回水溫度傳感器，以便于在白天、夜間、周末及寒假期間調(diào)節(jié)，使其經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。而教學(xué)樓、辦公樓、學(xué)生宿舍樓又占全?？偣┡娣e相當(dāng)大的比例，寒假期間調(diào)節(jié)得好，供暖熱負(fù)荷大大降低(圖2)。

為了準(zhǔn)確、全方位的了解樓宇的供熱狀況，在每棟樓宇安裝3個無線室溫傳感器，選取溫度適中的房間安裝1個室溫傳感器作為該棟樓宇的室溫采樣點(diǎn)，剩余2個室溫傳感器分別安裝在走廊和衛(wèi)生間，作為樓宇最低溫度采樣點(diǎn)，用于防凍控制。

圖1 高等院校冬季節(jié)能供暖系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

圖2 分時分溫控制器在供暖樓宇熱力入口處的安裝位置

1.3 節(jié)能監(jiān)管體系的建立

各個分時分溫控制器通過校園網(wǎng)或者GPRS無線網(wǎng)絡(luò)向主控中心設(shè)置的固定IP發(fā)送數(shù)據(jù)，主控中心的通信驅(qū)動軟件負(fù)責(zé)接收分時分溫采集器發(fā)送的數(shù)據(jù)，并解析后存入庫。主控中心設(shè)有數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，該服務(wù)器用于保存各個分時分溫控制器的實(shí)時信息、歷史信息和相關(guān)參數(shù)(圖3)。

系統(tǒng)軟件采用B/S架構(gòu)，用戶數(shù)據(jù)查詢請求通過本地局域網(wǎng)內(nèi)或廣域網(wǎng)上計(jì)算機(jī)的WEB瀏覽器發(fā)出，中心的WEB服務(wù)器接收到相應(yīng)請求后，在該用戶權(quán)限范圍內(nèi)調(diào)用服務(wù)器處理過的數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端，并以表格或圖形的方式顯示。為保障系統(tǒng)安全，防止非法侵入，系統(tǒng)與外網(wǎng)之間通信采用防火墻隔離。WEB服務(wù)器主要是為客戶端的瀏覽服務(wù)，工作站供后勤工作人員配置建筑信息以及查詢各個建筑的溫度情況以及建筑間的對比情況。

圖3 高等院校冬季節(jié)能供暖系統(tǒng)的監(jiān)管中心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 高等院校冬季節(jié)能供暖系統(tǒng)的控制方法

上述分時分溫控制器的控制模式分為分時開度控制、分時溫度控制和假期控制共3種模式。

2.1 分時開度控制

分時是指將一天24小時分為12個時段，每個時段的長度可根據(jù)單個樓宇作息時間表靈活配置;開度控制是指在不同的時段設(shè)定不同開度，公式(1)為分時開動的函數(shù)表達(dá)式。閥門輸出下限、室內(nèi)溫度下限和室內(nèi)溫度下限這3個參數(shù)的作用是防止暖氣管道因過低的閥門開度導(dǎo)致凍裂。

Oc(ti):第i時段控制開度;Os(ti):第i時段設(shè)定開度。

Tir:當(dāng)前室內(nèi)溫度;Til:室內(nèi)溫度下限。

Ol:第i時段輸出下限;Oh:第i時段輸出上限。

Tor:當(dāng)前室外溫度;Tol:室外溫度下限。

分時開度控制適用于非寒假期間作息時間分段明顯且控制溫度相對較難的樓宇，例如教學(xué)樓和部分辦公樓等公共樓宇。表1為分時開度控制應(yīng)用于某教學(xué)樓的的參數(shù)設(shè)置舉例。

表1 某教學(xué)樓節(jié)能供暖系統(tǒng)分時開度控制設(shè)置

2.2 分時溫度控制

分時溫度控制是指根據(jù)單個樓宇作息時間表在不同時段設(shè)定不同的房間溫度，以設(shè)定溫度作為給定值，以檢測到的房間平均溫度作為反饋值，以電動調(diào)節(jié)閥作為輸出對象，通過內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)器自動調(diào)節(jié)閥門開度，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的目的。分時溫度控制的函數(shù)表達(dá)式如公式(2)所示。本系統(tǒng)采用增量式PID控制算法，增量式PID算法與位置式PID算法相比，計(jì)算量要小得多，因此在實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用。

Oc(ti):第i時段控制開度;Os(ti):第i時段設(shè)定開度。

Tir:當(dāng)前室內(nèi)溫度;Til:室內(nèi)溫度下限。

Ol:第i時段輸出下限;Oh:第i時段輸出上限。

Tor:當(dāng)前室外溫度;Tol:室外溫度下限。

其中:Ok－1(ti)為上次采樣周期控制開度。

ΔOk(ti)=Aek－Bek－2+Cek－2為增量式PID控制算法計(jì)算出來的增量值。

分時溫度控制適用于非寒假期間辦公樓、公寓樓的節(jié)能運(yùn)行，也可用于寒假期間所有樓宇的低溫節(jié)能運(yùn)行。表2為分時溫度度控制應(yīng)用于某教學(xué)樓的的參數(shù)設(shè)置舉例。

表2 某教學(xué)樓節(jié)能供暖系統(tǒng)分時溫度控制設(shè)置

2.3 假期控制模式

由于學(xué)校在寒假期間，教學(xué)樓、辦公樓和公寓樓基本上沒有人使用，在保證不凍壞暖氣管道的情況下可對這些樓宇進(jìn)行全天候節(jié)能控制。公式(3)為假期控制模式的函數(shù)表達(dá)式，系統(tǒng)將室外溫度分為12個溫段，每個溫度對應(yīng)一個開度1，開度1保持時間，開度2和開度2保持時間，再以特定溫段，系統(tǒng)控制閥門在開度1和開度2按照各自的保持時間交替變換。表3為假期控制模式參數(shù)設(shè)置舉例，室外溫度在－18～－16℃溫段內(nèi)時，閥門將在100%開度保持240min，然后又在30%開度保持30min，然后又在100%開度保持240 min，如此循環(huán)。

Ti:第i室外溫段;Os1:開度1;ts1:開度1保持時間;Os2:開度2;ts2:開度2保持時間。

表3 節(jié)能供暖系統(tǒng)假期控制模式參數(shù)設(shè)置

3 節(jié)能分析

用建筑物供暖面積指標(biāo)法，對上述全部建筑進(jìn)行按現(xiàn)行的不進(jìn)行節(jié)能調(diào)控的供暖方法對全年能耗進(jìn)行計(jì)算，以及采用分時供暖方式對能耗進(jìn)行計(jì)算，從而得出全年節(jié)能總量。

3.1 公共樓宇的節(jié)能率

非寒假期，晚上21:30～次日凌晨5:30閥門關(guān)閉8 h，減去1 h暖氣變涼的時間，有7 h是節(jié)能時間。節(jié)能時間占24 h的比例為29%，是公共樓宇在非寒假期的節(jié)能率。

寒假期間，公共樓宇可進(jìn)行全天控制，一般關(guān)閉3 h后，將閥門打開運(yùn)行20 min，使熱水在樓內(nèi)的暖氣管道中完成一次大循環(huán)，然后，再將閥門關(guān)閉3 h。關(guān)閉閥門后的1 h暖氣變涼的時間，節(jié)能時間為2 h，占3 h20 min的比例為2/3.33=60%。

整個供暖季公共樓宇的節(jié)能率為:

［60% ×28(寒假時間)+29% ×92(非寒假期時間)］/120(供暖季時間)=36%

3.2 公寓樓部分的節(jié)能率

在非寒假期對公寓樓進(jìn)行分時分溫控制，正常供暖控制在18℃，白天上課時間控制在16℃，按5 h關(guān)閉供暖計(jì)算，節(jié)能率為:5/24=20%。

寒假期間公寓樓的節(jié)能率與公共樓宇的節(jié)能率相同，為60%。

整個供暖季公寓樓的節(jié)能率為:

［60% ×28(寒假時間)+20% ×92］/120(供暖季時間)=29%

綜上所述，高校建筑采暖采用分時分溫控制、遠(yuǎn)程監(jiān)管，與不進(jìn)行節(jié)能調(diào)控的供暖方式相比，不僅節(jié)能效果顯著，而且可大大提高高校采暖的科學(xué)性、先進(jìn)性，具有極高的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，是一種科學(xué)合理、前途光明的供暖方式。

［1］ 清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心.中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告2010［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［2］ 張玉旗.高等院校采暖節(jié)能問題研究［J］.山西建筑，2007，33(23):182-183.

［3］ 張鼎肅，熊東峰.高等院校供暖系統(tǒng)常見問題及節(jié)能優(yōu)化研究［J］.河南城建學(xué)院學(xué)報，2010，19(2):5-57.

［4］ 楊生海，田斌.高校供熱系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)方案探索——以西安電子科技大學(xué)供熱系統(tǒng)為例［J］.中國電子教育，2008(4):51-55.

［5］ 潘承輝，劉成.校園供暖節(jié)能技術(shù)應(yīng)用與成效［J］.建設(shè)科技，2008(Z2):74-76.

［6］ 張重慶，隋新友，張學(xué)利，等.校園供暖系統(tǒng)的節(jié)能調(diào)節(jié)與遠(yuǎn)程監(jiān)控［J］.山東科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2010，29(3):69-72，95.

［7］ 羅增潤.供熱節(jié)能兩大技術(shù)［J］.中國建設(shè)信息供熱制冷，2006(4):31.