公共建筑分時(shí)分溫供暖節(jié)能研究及效益分析

衡振武

（新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830000）

0 前言

在現(xiàn)階段建筑耗能當(dāng)中，供暖能耗占比約30%[1]，消耗大量能源。在我國(guó)北方的公共建筑當(dāng)中，幾乎都采用集中供暖的方式，但是由于公共建筑的特性，基本上都是人員停留區(qū)域需求熱量較大，無(wú)人停留區(qū)域需求熱量較小，應(yīng)該采取分時(shí)分溫供暖節(jié)能方案，將用熱與供熱相協(xié)調(diào)，特別是在使用率較低的時(shí)間和區(qū)域采用值班采暖設(shè)定。

1 分時(shí)分溫技術(shù)簡(jiǎn)介

分時(shí)分溫是根據(jù)建筑不同時(shí)段所需不同熱度進(jìn)行間歇性供暖，例如在辦公樓、學(xué)校教室，工作以及上課時(shí)間保證供暖，在公休日和節(jié)假日采用值班采暖溫度設(shè)定；在禮堂、體育館等不經(jīng)常使用的建筑采取值班供暖溫度設(shè)定。由于建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)控溫具有延時(shí)性，不同建筑具備不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其降溫與升溫的速率不同，因此如何根據(jù)用戶的用熱需求對(duì)溫度開展實(shí)時(shí)調(diào)控，而不讓實(shí)際溫度滯后，使用戶感受到不適，同時(shí)還要保證節(jié)約能源成為分時(shí)分溫技術(shù)的第一難點(diǎn)。第二難點(diǎn)是自動(dòng)控制方法，輸出熱度依據(jù)閥門的開合程度，用以達(dá)成控制室內(nèi)達(dá)到適宜溫度的目標(biāo)，實(shí)際室內(nèi)溫度與目標(biāo)溫度的差距作為細(xì)節(jié)調(diào)控的反饋。在這一系列控溫過程中，將形成較長(zhǎng)延時(shí)，并且傳統(tǒng)的PID 控制方法并不能滿足分時(shí)分溫控制的需求，因此應(yīng)該著重改進(jìn)PID 技術(shù)。

2 公共建筑分時(shí)分溫供暖的特征

公共建筑主要包括辦公樓、寫字樓、學(xué)校、醫(yī)院、銀行、商場(chǎng)等建筑，具體的建筑供暖會(huì)依據(jù)其使用特點(diǎn)進(jìn)行不同供暖設(shè)定。例如對(duì)于辦公樓以及寫字樓，將主要供暖時(shí)間控制在其具體的工作日，在休息日以及節(jié)假日采用值班采暖設(shè)定。對(duì)于在學(xué)校區(qū)域內(nèi)的建筑，對(duì)教室、實(shí)驗(yàn)室、教師辦公區(qū)域在上課時(shí)間保證供暖；學(xué)生宿舍根據(jù)情況有必要持續(xù)保證供暖；在寒假期間，大部分公共建筑均可采取值班采暖設(shè)定或者最低溫度設(shè)定。對(duì)于醫(yī)院區(qū)域的建筑，對(duì)辦公區(qū)以及門診部在工作時(shí)間保證供暖，其他時(shí)間按照值班采暖設(shè)定；在急診部及住院部采用連續(xù)供暖設(shè)定。對(duì)于銀行、商場(chǎng)等營(yíng)業(yè)性場(chǎng)所，在營(yíng)業(yè)時(shí)間保證供暖，其他時(shí)間采用值班供暖設(shè)定。因此，在供暖期之內(nèi)，大部分公共建筑的都有部分時(shí)間不需要保證供暖溫度，只需保證值班溫度，若采用連續(xù)性供暖，會(huì)造成大量能源的浪費(fèi)，為了在保證用戶正常用熱需求的前提之下，采取分時(shí)分溫節(jié)能供暖，能夠?qū)δ茉催M(jìn)行高效利用，從而達(dá)到節(jié)能的目的，具有可以具體應(yīng)用的價(jià)值。那么具體的針對(duì)公共建筑應(yīng)該最大限度滿足用熱需求并且達(dá)到節(jié)能要求，冬季正常公共建筑室內(nèi)持續(xù)溫度應(yīng)該保持在18~20℃之間，值班采暖溫度設(shè)定以及保證設(shè)備正常運(yùn)行溫度設(shè)定為5~10℃。在進(jìn)行溫度調(diào)控時(shí)，建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)都有一定蓄熱的能力，因此應(yīng)該充分考慮建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫能力以及溫度變換的延遲性，對(duì)于不同建筑采取不同的分時(shí)分溫供熱手段，將用熱需求與供熱程度相協(xié)調(diào)，減少資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)節(jié)能[2]。

3 公共建筑分時(shí)分溫供暖節(jié)能和效益

3.1 公共建筑分時(shí)分溫供暖節(jié)能系統(tǒng)

3.1.1 分時(shí)分溫供暖系統(tǒng)流程

該系統(tǒng)是根據(jù)不同公共建筑的用戶使用情況以及功能進(jìn)行區(qū)分，在滿足用戶的用熱需求的前提下，熱力網(wǎng)采用質(zhì)調(diào)節(jié)或者量調(diào)節(jié)，通過監(jiān)測(cè)，根據(jù)末端用戶的熱量需求，將用熱與供熱進(jìn)行協(xié)調(diào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能供暖的目標(biāo)。該系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)包括溫度檢測(cè)系統(tǒng)或者稱之為信息采集系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)或者稱之為中央處理器、信息反饋系統(tǒng)以及控制閥門，信息采集是通過安裝在水管以及室內(nèi)的溫度監(jiān)控器完成，信息處理系統(tǒng)通過回收信號(hào)、分析信號(hào)以及發(fā)出信號(hào)來(lái)完成對(duì)閥門的控制。通過分時(shí)分溫節(jié)能供暖系統(tǒng)檢測(cè)溫度、制定供暖溫度、接收溫度反饋、調(diào)節(jié)溫度等一系列過程之后，進(jìn)行分時(shí)分溫供暖，從而實(shí)現(xiàn)供暖節(jié)能。

3.1.2 分時(shí)分溫供暖系統(tǒng)具體應(yīng)用

①多點(diǎn)測(cè)溫技術(shù)。在公共建筑之內(nèi)安裝多個(gè)室內(nèi)溫度遠(yuǎn)傳采集器，在不同的區(qū)域測(cè)量溫度，并且將測(cè)量的溫度信息發(fā)送給分時(shí)分溫控制系統(tǒng)。在分時(shí)分溫控制系統(tǒng)內(nèi)設(shè)軟件定編程信息，對(duì)溫度能夠進(jìn)行平均計(jì)算，同時(shí)計(jì)算與目標(biāo)溫度差距，得出室內(nèi)供熱平衡信息，進(jìn)而輸出計(jì)算結(jié)果信號(hào)，為溫度控制提供依據(jù)。通過對(duì)不同位置進(jìn)行測(cè)溫，能夠全面客觀得出控溫結(jié)果；②DRN 智能控制調(diào)節(jié)閥，該裝置即分時(shí)分溫控制系統(tǒng)的具體裝置，能夠進(jìn)行溫度信息收集、控溫計(jì)算、控制供暖輸入等功能，其主要結(jié)構(gòu)為采集控制電路，其中包括流量分配技術(shù)、計(jì)量控制裝置、通信網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)管理平臺(tái)等組件。該智能閥通過調(diào)節(jié)閥門開度來(lái)調(diào)整供熱流量，一般放置在樓棟熱力入口的回水總管位置。并且其中裝有時(shí)間控制設(shè)備，工作人員可以通過設(shè)定閥門開關(guān)時(shí)間和開度來(lái)調(diào)整供熱溫度，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度適宜且能夠定時(shí)調(diào)節(jié)，進(jìn)而完成供暖節(jié)能；③氣候補(bǔ)償控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是根據(jù)室外環(huán)境溫度的變換以及用戶需求進(jìn)行溫度設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)依據(jù)一定設(shè)定曲線進(jìn)行供熱溫度調(diào)節(jié)，例如在室外氣溫升高時(shí)對(duì)供熱溫度或者流量進(jìn)行降低，避免室溫過高從而對(duì)能源產(chǎn)生浪費(fèi)；在室外氣溫降低時(shí)，應(yīng)該提高供熱溫度或流量，將閥門開度擴(kuò)大，同時(shí)加大設(shè)備運(yùn)行功率，達(dá)到快速升溫的目的。最后考慮建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱延時(shí)能力，設(shè)定相應(yīng)供熱曲線，提前做出供熱溫度變化，以免溫度不適宜[3]。

3.2 效益分析

3.2.1 公共建筑節(jié)能效益分析

本次研究末端分時(shí)分溫控制系統(tǒng)以及熱力站的氣候補(bǔ)償控制系統(tǒng)聯(lián)合采用PID 控制下的節(jié)能效益。PID 控制器是一種滯后-超前校正裝置，供暖系統(tǒng)的恒溫控制宜采用此系統(tǒng)。在室外氣溫較低時(shí)，或者白天人員工作時(shí)間，室內(nèi)供暖所需熱量較多，通過PID 控制系統(tǒng)的反饋，熱力站內(nèi)供暖設(shè)備運(yùn)行功率加大，提高供熱量；相反，在冬季室外氣溫較高時(shí)，或者夜間無(wú)人員停留時(shí)，建筑物已經(jīng)不需要過大的熱量，通過分時(shí)分溫控制系統(tǒng)PID控制反饋到熱力站氣候補(bǔ)償器供熱量調(diào)節(jié)，達(dá)到能耗降低的目的，與傳統(tǒng)的供熱系統(tǒng)相比能夠節(jié)省大量能源。同時(shí)辦公樓中安裝多個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，通過各區(qū)域的溫控裝置調(diào)整樓棟入口熱網(wǎng)流量用以保證室內(nèi)整體溫度適宜。建筑物的實(shí)際消耗熱量會(huì)根據(jù)室外溫度進(jìn)行變化，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱性，在夜間會(huì)產(chǎn)生一定的保溫作用，因此建筑物供暖系統(tǒng)在夜晚熱量需求較小的時(shí)段調(diào)小乃至關(guān)閉閥門，也能達(dá)到室內(nèi)值班供暖溫度，綜合達(dá)到保溫以及節(jié)能的要求[4]。

3.2.2 公共建筑不同時(shí)段供暖能耗分析

其中：Z 為供暖天數(shù)；t 為溫度；F 為供暖面積。則分時(shí)分段供暖后，總耗熱量：QZ=Q1+Q3-Q2；供熱量節(jié)約率：η=1-QZ/Q=1-

本次研究以烏魯木齊市一棟3000m2教學(xué)樓為例，供暖天數(shù)158d，寒假40d，節(jié)假日和寒假均采用值班采暖，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。假如教學(xué)樓供暖時(shí)間是9：00—18：00，則正常采暖平均溫度為：tn=（規(guī)定采暖室氣溫×供暖時(shí)長(zhǎng)+規(guī)定值班采暖氣溫×值班采暖時(shí)長(zhǎng)）/24={18×（18-9）+7×[24-（18-9）]}/24≈11℃。tpj=-19.7℃，Z1=將其帶入公式計(jì)算可得，QZ=Q1≈3500GJ，Q2=Q3≈900GJ，Q=Q1+Q2+Q3=5300GJ，QZ和Q 對(duì)比得供暖節(jié)約大概33.96%。由此可知，為公共建筑采取分時(shí)分溫供暖節(jié)能控制，其節(jié)能效果極為顯著，特別是學(xué)校等存在寒假不需要供暖的公共建筑，且其他事業(yè)性、商業(yè)性公共建筑同樣具有較高的節(jié)能效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，由于公共建筑存在使用時(shí)段的特性，為公共建筑采取分時(shí)分溫供暖節(jié)能控制，能夠在保證溫度的同時(shí)節(jié)約能源，實(shí)現(xiàn)供熱能源的優(yōu)化利用。新建建筑可考慮采用此方式，既有建筑應(yīng)該積極進(jìn)行供熱系統(tǒng)改造，并應(yīng)用先進(jìn)的控制系統(tǒng)，在保證為建筑內(nèi)部提供舒適的供熱溫度的前提下，盡量節(jié)省供熱能耗。