集中供熱系統(tǒng)換熱站節(jié)能優(yōu)化分析

張喜明，李 釗，劉俊鋒，張 帆

吉林建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130118

0 引言

對(duì)于東北而言,集中供熱是生活生產(chǎn)中一項(xiàng)必不可少的組成部分.由于供熱需求的不斷增加,能源的消耗量也越發(fā)增多,如何既能有效增加供熱系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的效率，又能減少不必要的浪費(fèi)，則是急需解決的問(wèn)題.改革開放以來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)的顯著提升,我國(guó)對(duì)能源的需求大幅增長(zhǎng),10年間能源消費(fèi)總量已上漲12.5億t標(biāo)準(zhǔn)煤[1].另一方面,能源消耗對(duì)環(huán)境也產(chǎn)生了負(fù)面影響，諸如污染物排放、溫室效應(yīng)等.近年來(lái),為控制全球氣溫，各國(guó)也都積極制定相關(guān)的法律法規(guī)去限制能源消耗與排放.2030年我國(guó)在建筑生產(chǎn)方面擬將能耗控制在8.35億t標(biāo)準(zhǔn)煤[2],但隨著居民生活供暖的需求不斷提高,如何在限制能源消耗的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)則有一定難度.

在集中供熱節(jié)能方面,國(guó)內(nèi)外的學(xué)者做了大量研究.George R[3]使用分布式循環(huán)系統(tǒng)解決了供熱系統(tǒng)不能滿足遠(yuǎn)程用戶流量設(shè)計(jì)要求的問(wèn)題,其運(yùn)行之后的節(jié)能率高達(dá)25 %.Somchai Paarporn[4]對(duì)采暖系統(tǒng)能耗進(jìn)行了分析，用分布變頻泵代替原系統(tǒng)的節(jié)流閥,實(shí)現(xiàn)加熱管網(wǎng)的變流量調(diào)節(jié),有效降低了系統(tǒng)的能耗.Zaheeruddin等[5]人設(shè)計(jì)出史密斯預(yù)測(cè)器使供熱系統(tǒng)能源節(jié)能提高到19 %～23 %.王國(guó)偉[6]采取更換高效循環(huán)泵和二網(wǎng)平衡節(jié)能措施,解決了用戶冷熱不均的問(wèn)題,有效地降低了能耗.熱力站及熱力二次網(wǎng)節(jié)能改造后節(jié)電率57 %,節(jié)熱率12 %,節(jié)能效果顯著.馮偉杰[7]通過(guò)整理若干節(jié)能技術(shù)開發(fā)出了供熱建筑的熱負(fù)荷計(jì)算模型.本文選取長(zhǎng)春市內(nèi)某供熱公司下的換熱站及二級(jí)管網(wǎng),該供熱系統(tǒng)的供熱面積為300.86萬(wàn)m2,共有33個(gè)換熱站，供暖時(shí)間共計(jì)169 d.通過(guò)確定換熱站節(jié)能指標(biāo),即安全指標(biāo)、工藝指標(biāo)和能效指標(biāo),從而對(duì)該工程進(jìn)行節(jié)能性分析并加以改進(jìn),從而使該工程達(dá)到降低能耗的目的.

1 換熱站節(jié)能指標(biāo)的選取

通過(guò)對(duì)國(guó)家規(guī)范要求的研究,將安全指標(biāo)、工藝指標(biāo)和能效指標(biāo)選為換熱站節(jié)能評(píng)價(jià)指標(biāo).

1.1 安全指標(biāo)

對(duì)于換熱站來(lái)說(shuō),不管系統(tǒng)如何優(yōu)化,最基礎(chǔ)的是要保證供熱質(zhì)量不受影響,控制供熱品質(zhì),滿足熱用戶的熱舒適度.選取室溫合格率和系統(tǒng)可靠性兩大指標(biāo)作為換熱站的基礎(chǔ)指標(biāo).

1.2 工藝指標(biāo)

換熱站工作時(shí),為保證其安全運(yùn)行前提下可以有更高的效率,需使其運(yùn)行過(guò)程中的性能指標(biāo)盡量達(dá)到或接近設(shè)計(jì)最大值.換熱站的工藝指標(biāo)主要包括:耗電輸熱比EHR、管網(wǎng)輸送效率、循環(huán)流量控制指標(biāo)、二次網(wǎng)供回水溫度指標(biāo)、系統(tǒng)補(bǔ)水率指標(biāo)、循環(huán)水泵電效率及循環(huán)水泵比轉(zhuǎn)數(shù).

耗電輸熱比EHR的值大小與節(jié)能指標(biāo)密切相關(guān),且與節(jié)能指標(biāo)成反比[8].

對(duì)于循環(huán)流量設(shè)計(jì)而言,溫度小于95 ℃的低溫?zé)崴h(huán)流量應(yīng)控制在2 kg/(m3·h)～3 kg/(m3·h)范圍內(nèi);70 ℃～150 ℃的高溫?zé)崴h(huán)流量應(yīng)控制在1.1 kg/(m3·h)～1.7 kg/(m3·h)范圍內(nèi)[9].

1.3 能效指標(biāo)

能效指標(biāo)是節(jié)能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的重要組成部分,熱站內(nèi)的能耗主要包括熱耗、電耗、水耗.能效指標(biāo)包含:單位面積電耗、換熱有效利用率、單位面積水耗、單位面積熱耗、單位面積綜合耗能.

2 基于層次分析法建立節(jié)能指標(biāo)模型

2.1 層次分析法

層次分析法是將與決策目標(biāo)相關(guān)聯(lián)的要素分解成目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、方案層,應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)理論和多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方法,對(duì)權(quán)重進(jìn)行定性和定量分析.

2.2 層次分析法計(jì)算方法

2.2.1 建模

選擇需要決策的目標(biāo)、決策準(zhǔn)則和決策對(duì)象,將其分為三個(gè)層級(jí)并按照層次結(jié)構(gòu)繪圖.三級(jí)分別為高、中、低三層.

2.2.2 構(gòu)造判斷矩陣

一致矩陣法可以解決量化各層級(jí)各要素之間的定型和權(quán)重的問(wèn)題.如對(duì)某一目標(biāo),需要對(duì)比方案,并根據(jù)不同的程度評(píng)級(jí).要素X與要素Y分別為該目標(biāo)的兩個(gè)方案,兩者進(jìn)行對(duì)比并賦值可得,X與Y同等重要賦值為1,X比Y稍微重要賦值為3,X比Y較強(qiáng)重要賦值為5,X比Y強(qiáng)烈重要賦值7,X比Y極端重要賦值9,上述判斷中間值賦值2,4,6,8.通過(guò)這些重要性等級(jí)及其賦值構(gòu)成判斷矩陣.在矩陣A中,bx,by(x,y=1,2,3……,n)表示因素,bxy表示bx對(duì)by的比較結(jié)果,byx表示by對(duì)bx的比較結(jié)果,由bxy構(gòu)成的矩陣A如下:

(1)

對(duì)于矩陣A有:bxy>0,bxy=byx-1,bxx或byy=1.

2.2.3 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

此處對(duì)權(quán)重通過(guò)特征向量法進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算公式如下:

λmaxw=AW

(2)

式中,λmax為矩陣A的最大特征值;W為權(quán)重特征向量,W>0.

2.2.4 一致性檢驗(yàn)

矩陣A通過(guò)一致性檢驗(yàn)可得到非一致的允許范圍,其指標(biāo)可通過(guò)CI計(jì)算得出.CI的計(jì)算公式如下:

(3)

CI=0說(shuō)明矩陣A一致性達(dá)到最高;隨著CI的減小,矩陣A越趨近于一致.隨機(jī)一致性指標(biāo)RI可準(zhǔn)確衡量CI的大小:

(4)

大部分情況說(shuō)明降低的矩陣階數(shù)與一致性隨機(jī)偏離的可能性成正相關(guān),其對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1.

表1 判斷矩陣階數(shù)n與隨機(jī)一致性指標(biāo)RI的關(guān)系Table 1 The relationship between the judgment matrix order n and the random consistency index RI

由于隨機(jī)因素可導(dǎo)致一致性的偏離,加入檢驗(yàn)系數(shù)CR以避免該狀況.當(dāng)CR≥0.1時(shí)，可認(rèn)為該判斷矩陣不符合一致性的標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)CR≤0.1時(shí)，則可認(rèn)為該判斷矩陣符合標(biāo)準(zhǔn).其計(jì)算公式如下:

(5)

2.2.5 權(quán)重的計(jì)算及確定

根據(jù)選定的一級(jí)和二級(jí)指標(biāo),設(shè)計(jì)各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重確定表,對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行兩兩對(duì)比,根據(jù)因素賦值方法對(duì)構(gòu)建矩陣中的各指標(biāo)進(jìn)行賦值,最后將反饋的重要程度比較結(jié)果加權(quán)平均后列出,見表2～表5.

表2 一級(jí)指標(biāo)評(píng)分Table 2 First grade index score

表3 安全指標(biāo)權(quán)重判斷矩陣Table 3 Safety index weight judgment matrix

表4 工藝指標(biāo)權(quán)重判斷矩陣Table 4 Process index weight judgment matrix

表5 能效指標(biāo)權(quán)重判斷矩陣Table 5 Energy efficiency index weight judgment matrix

各指標(biāo)權(quán)重為:安全指標(biāo)為1,室溫合格率為0.667,系統(tǒng)可靠性為0.333;工藝指標(biāo)為0.226, 耗電輸熱比EHR為0.247,管網(wǎng)輸送效率為0.202,循環(huán)流量控制指標(biāo)為0.077,二次網(wǎng)回水溫度指標(biāo)為0.095,系統(tǒng)補(bǔ)水率指標(biāo)為0.277,循環(huán)泵電效率為0.07,循環(huán)泵比轉(zhuǎn)數(shù)為0.03;能效指標(biāo)為0.674,單位面積電耗為0.182,換熱有效利用率為0.372,單位面積水耗為0.182,單位面積熱耗為0.168,單位面積綜合耗能為0.096.

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)量化

對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行指標(biāo)量化,建立評(píng)價(jià)等級(jí),將分?jǐn)?shù)為0～60歸入“不合格”等級(jí);60～70歸入“合格”等級(jí);70～80歸入“中等”等級(jí)；80～90歸入“良好”等級(jí)；90～100歸入“優(yōu)秀”等級(jí).計(jì)算各評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度X=(x1,x2,x3,x4,x5),確定指標(biāo)的評(píng)價(jià)值,公式如下:

S(Xi)=WT×X=(95 85 75 65 30)T×(x1,x2,x3,x4,x5)

(6)

3 換熱站節(jié)能優(yōu)化分析

通過(guò)對(duì)2018年至2019年采暖季的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析,可知熱網(wǎng)存在三方面的問(wèn)題:“大流量、小溫差”的運(yùn)行現(xiàn)狀、換熱站供水溫度不會(huì)隨外部溫度而改變、循環(huán)水泵“大揚(yáng)程、小流量”.因此,制定了換熱站的調(diào)節(jié)運(yùn)行方案，即在二次網(wǎng)處安裝氣候補(bǔ)償器，并在熱網(wǎng)處安裝泵閥聯(lián)動(dòng)系統(tǒng).

3.1 氣候補(bǔ)償器

氣候補(bǔ)償器的工作原理為:通過(guò)測(cè)量供暖期內(nèi)的室外溫度并在程序內(nèi)得出適當(dāng)?shù)墓┗厮疁囟确秶?將程序得出的適當(dāng)?shù)墓┗厮疁囟扰c二次網(wǎng)溫度進(jìn)行對(duì)比,最終通過(guò)調(diào)節(jié)一級(jí)網(wǎng)的流量來(lái)調(diào)節(jié)二次網(wǎng)的供回水溫度,實(shí)現(xiàn)按需供熱,達(dá)到節(jié)約能源的目的[10-11].

根據(jù)室外氣象溫度將供暖分成3個(gè)階段,分別為初寒期、嚴(yán)寒期、末寒期,并對(duì)系統(tǒng)制定供回水溫度曲線并輸入氣候補(bǔ)償器.氣候補(bǔ)償器能夠根據(jù)測(cè)定的隨著室外溫度變化,氣候補(bǔ)償器將調(diào)節(jié)一次網(wǎng)調(diào)節(jié)閥的開度大小,從而達(dá)成二次網(wǎng)供水溫度隨室外氣溫變化的實(shí)時(shí)智能調(diào)節(jié).

3.2 泵閥聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)

在供熱系統(tǒng)中,泵閥聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的主要設(shè)備包括:循環(huán)泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和加壓泵.聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)分為同側(cè)泵閥聯(lián)動(dòng)和異側(cè)泵閥聯(lián)動(dòng),通過(guò)電氣控制回路進(jìn)行互鎖、互聯(lián),并結(jié)合PLC相關(guān)的邏輯程序,建立設(shè)備啟停條件,實(shí)現(xiàn)相互牽制，最終使得該換熱站達(dá)到供熱的需求,進(jìn)而起到平穩(wěn)運(yùn)行,節(jié)能降耗的目的.

3.3 改造后節(jié)能效果評(píng)價(jià)

改造后,在2019年至2020年采暖期對(duì)33個(gè)換熱站進(jìn)行了第二次測(cè)量,測(cè)量結(jié)果見表6.

表6 改造后總換熱站最冷月份能耗Table 6 Energy consumption of total heat exchange station in the coldest month after reform

圖1 換熱站供暖季綜合評(píng)價(jià)對(duì)比Fig.1 Contrast of comprehensive evaluation of heat exchange station in heating season

通過(guò)層次分析法評(píng)價(jià)模型可得出2018年至2019年供暖季與2019年至2020年供暖季33臺(tái)換熱站綜合評(píng)價(jià)對(duì)比(如圖1所示).

從整體上看,改造前與改造后的換熱站基于層次分析法評(píng)價(jià)模型的綜合評(píng)價(jià)得分有顯著提升,提升區(qū)間為0.6分～8.2分,其中14號(hào)換熱站提升最大.從能耗角度分析,在經(jīng)過(guò)改造后.該工程每天約減少熱量約2 301.6 GJ,以最冷月31 d計(jì)算,可減少熱量約71 349.6 GJ.

4 結(jié)論

本文主要對(duì)位于長(zhǎng)春市某供熱公司的換熱站及二級(jí)管網(wǎng)作為研究對(duì)象,并對(duì)該工程改造前和改造后的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納分析.結(jié)果表明，在安裝氣候補(bǔ)償器和泵閥聯(lián)動(dòng)裝置后,每天減少熱量約2 301.6 GJ,以最冷月31天計(jì)算,可減少熱量約71 349.6 GJ.可見,改造后的供熱系統(tǒng)比改造前綜合評(píng)價(jià)有顯著提升,證明該模型有一定的可推廣性.