高校樓宇集中供暖節(jié)能系統(tǒng)的設計

李 飛 李明明 咸夫正

(山東科技大學 理學院，山東 青島 266590)

我國于20世紀50年代初開始實施的集中供暖，是北方城市供暖的主要手段。據(jù)統(tǒng)計建筑能耗占社會總能耗的27.8%，而在冬季北方居民采暖能耗約占建筑能耗的65%[1]。隨著我國教育事業(yè)的飛速發(fā)展，北方地區(qū)校園供暖面積不斷增加，因此校園供熱節(jié)能是建筑節(jié)能中不可或缺的重要組成部分。研究表明，現(xiàn)階段我國校園供熱系統(tǒng)存在著如下兩個問題：一方面,因為大學生學習與生活的特點，高校建筑物在不同的時段對熱能的需求有很大差異。另一方面，校園的供暖主干線一般按照最初的整體規(guī)劃一次性建成，而校園建筑卻多為幾個工期分批建成，供暖主干線的規(guī)劃往往不能符合校園建筑的功能需要，導致供暖水力失調問題普遍存在，出現(xiàn)嚴重的“近熱遠冷”現(xiàn)象，以及供暖系統(tǒng)“大流量，小溫差”的運行特征[2]。

為了解決高校供暖系統(tǒng)存在的上述問題，研制了高校樓宇集中節(jié)能系統(tǒng)，它根據(jù)不同建筑物不同時段的供暖需求與氣候特征，調節(jié)安裝在建筑物供暖主管道上的電動調節(jié)閥，降低處于無人狀態(tài)的建筑物對熱能的消耗。系統(tǒng)以進回水溫差和進回水壓力差為參照調節(jié)電動調節(jié)閥開度，解決了供暖管網(wǎng)熱力失調問題。本系統(tǒng)已經(jīng)在山東科技大學J7實際運行，實踐結果表明，其節(jié)能效果顯著，達到了預期目標。

1 高校樓宇集中供暖節(jié)能系統(tǒng)

高校樓宇供暖節(jié)能控制系統(tǒng)原理：該供暖節(jié)能控制系統(tǒng)主要由現(xiàn)場控制器、電動調節(jié)閥、溫度傳感器和壓力傳感器組成。該節(jié)能系統(tǒng)根據(jù)各樓宇內人員流動的不同情況，將樓宇分節(jié)能防凍模式和正常供暖模式。例如：教學樓的晚上和人員流動較少逗留可將其設定為節(jié)能防凍模式，假期宿舍和教學樓都設為節(jié)能防凍模式；教學樓白天要進行教學活動，人員流動和逗留時間較長，將其設為正常供暖模式。在此模式，由控制器對采集到的溫度和壓力信號進行分析和處理，在此基礎上自動調節(jié)各電動閥門的開度，從而改變進入對應樓宇的供水流量，使得近端用戶與遠端用戶供暖需求難以協(xié)調的問題得到有效解決。不僅保證了室內溫度能夠控制在一個合適的范圍內，而且避免了熱能的不必要浪費，克服了近熱遠冷的供暖現(xiàn)狀。

2 高校樓宇供暖節(jié)能控制系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)組成及工作原理

圖1 高校樓宇供暖節(jié)能現(xiàn)場控制系統(tǒng)示意圖

高校樓宇集中供暖節(jié)能系統(tǒng)由現(xiàn)場控制器、電動調節(jié)閥、溫度傳感器和壓力傳感器4部分組成，系統(tǒng)結構見圖1。每套控制單元包括1個控制器、1個電動調節(jié)閥、4個溫度傳感器和2個壓力傳感器。溫度傳感器主要采集供水溫度、回水溫度和采暖房間溫度。電動調節(jié)閥安裝在樓內供暖主管道上，由現(xiàn)場控制器直接控制。控制器根據(jù)溫度傳感器采集的溫度參數(shù)和壓力傳感器采集的壓力參數(shù)，按照編定程序向電動調節(jié)閥下達控制指令。

在每座供暖樓宇中依據(jù)供暖面積設置若干電動調節(jié)閥，以實現(xiàn)對每座樓宇不同區(qū)域供水流量的單獨控制，從而克服水平失調和能源浪費現(xiàn)象。在每個調節(jié)閥前增設壓力傳感器，以實現(xiàn)對所控制區(qū)域供水壓力的調節(jié)，進而克服暖氣管道“近熱遠冷”的缺點。

2.2 控制器的硬件組成及設計

圖2為高校樓宇集中供暖節(jié)能系統(tǒng)中現(xiàn)場控制器的結構框圖。控制器中單片機選用AT89C55[3]，以該芯片為核心的單片機擴展系統(tǒng)，可以完成供暖節(jié)能系統(tǒng)的壓力采集、溫度采集、數(shù)據(jù)計算、智能調溫、數(shù)據(jù)存儲和信息顯示等功能。在控制器中設置有時鐘電路，采用PCF8563芯片以保證系統(tǒng)日期和時間的精確顯示。為增強系統(tǒng)運行的可靠性和安全性，保證系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)不會因斷電而丟失，設置以X5045為記憶存儲元件的外部存儲器。為方便現(xiàn)場參數(shù)設定和查看，還設置了鍵盤和液晶顯示電路[4]，循環(huán)顯示供水溫度、回水溫度、閥門開度、設定參數(shù)、時間和歷史數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)還設計有報警電路與通訊電路，其中報警電路是用來對系統(tǒng)進行超低溫檢測和故障檢測,系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障就發(fā)出警報，出現(xiàn)室溫超低情況,就發(fā)出全開閥指令,防止閥門開度較小或關閉時凍壞暖氣管道。通訊電路是為了控制器并入學校網(wǎng)上管理系統(tǒng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡傳輸和系統(tǒng)巡回抄取現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)及控制信息，幫助管理人員全面掌握全校供暖運行情況并實現(xiàn)遠程控制[5]，在第一時間發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。在本控制器中，最主要的部分是壓力采集電路、溫度采集電路、閥門控制電路和單片機編程這四部分。

圖2 現(xiàn)場控制器框圖

3 基于PI算法的溫度壓力協(xié)調控制

采用溫差壓力協(xié)調控制方式，即在控制系統(tǒng)中設定一個供回水溫差和供回水壓力的協(xié)調系數(shù)，與供暖系統(tǒng)實際供回水溫差和供回水壓力系數(shù)進行比較，當實際系數(shù)大于設定系數(shù)，表明供暖系統(tǒng)循環(huán)流量偏小，則增加電動閥開度，當實際系數(shù)小于設定系數(shù)，則減小電動閥開度，最終達到實際溫差與設定溫差一致?；诮ㄖ锏男顭崽攸c，供暖系統(tǒng)閥門調節(jié)非線性、滯后性等特點，本系統(tǒng)采用了基于PI算法的間歇式多步距調節(jié)閥門的方法，間歇時長一般設定為10-15min。具體調節(jié)過程如下：首先，取出前一天同一時段的閥門開度作為當前閥門開度，作為閥門粗調。然后，根據(jù)設定溫差和壓力系數(shù)與實際溫差和壓力系數(shù)的差值調整閥門開度，差值小于零，則增大閥門開度；差值大于零，則減小閥門開度。在本系統(tǒng)中供回水溫差和供回水壓力的協(xié)調系數(shù)是利用PI算法計算的這就有效的解決了系統(tǒng)中不穩(wěn)定的問題。該調節(jié)方法簡便易行，不僅不受供熱站調控供水溫度變化的影響，并且有效解決了閥門調節(jié)室內溫度變化滯后所造成的閥門頻繁開關的問題。

4 節(jié)能實驗

為了驗證本系統(tǒng)的節(jié)能效果，我們于2012年冬季在山東科技大學教學樓J7進行了供暖節(jié)能的對比實驗。J7教學樓安裝了4對供暖進、回水口，為了對整個J7實現(xiàn)全面的節(jié)能供暖,在每對進、回水口都安裝了控制系統(tǒng)。在J7東南進水口安裝了熱量表，用于測量不同情況下的熱量消耗。如下圖表所示是在2013年進行供暖實驗所得的原始數(shù)據(jù)所繪制的直方圖和曲線圖。

圖3 J7教學樓熱量消耗直方圖

圖4 J7教學樓熱量消耗曲線圖

5 結論

針對當前供暖系統(tǒng)中存在的問題及高校供暖的特點，研究開發(fā)的校園供暖節(jié)能調節(jié)與遠程監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)不同建筑物的采暖需求、具體天氣特征、進回水溫差，進水壓力等條件，自動調節(jié)供暖流量，合理分配供暖熱力，達到節(jié)能的目的。經(jīng)實測，該系統(tǒng)在開學期間節(jié)能在20%-25%之間，寒假節(jié)能在75%以上。并且，該系統(tǒng)不僅沒有犧牲用戶的供暖需求，反而保證了供暖建筑溫度的穩(wěn)定性，提高了用戶的供暖質量，保證了用戶的舒適度，具有極大的實用價值。因此，該系統(tǒng)經(jīng)濟實用，節(jié)能效果顯著，適合在高校和其他集體供暖的建筑推廣使用。

［1］http://baike.baidu.eom/view/981515.htm[OL].

［2］石久勝，王浩，潘洪偉.院校供暖與節(jié)能[J].節(jié)能技術，2005(5):28-31.

［3］魏立峰，王寶興.單片機原理與應用技術[M].北京：北京大學出版社，2006.

［4］沙占友.單片機外圍電路設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

［5］孫清典，安琳，劉玉峰.校園樓宇供暖節(jié)能控制系統(tǒng)的研究與應用[J].建筑節(jié)能，2009，37(220):27-29.