高校集中供熱系統(tǒng)節(jié)能運行管理研究

張憲金 宋合志 王長連

(北京勞動保障職業(yè)學(xué)院 北京 100029)

隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，我國已經(jīng)成為世界能源生產(chǎn)和消費的第二大國。資料顯示，建筑能源約占全國能源總消耗量的24.9%, 供熱能源消耗占城市建筑總能耗的40%～60%[1]。截至2015年底，我國的供熱面積已經(jīng)達(dá)到61.7億m2，預(yù)計到2025年供熱面積將達(dá)到152.07億m2，年均增速高達(dá)9.44%[2]。

一、高校供熱系統(tǒng)特點及現(xiàn)狀

高校集中供熱系統(tǒng)的設(shè)計和運行管理與城市一般公用建筑不同，它主要采用區(qū)域性集中供熱方式，即各個高校校區(qū)能夠建立獨立于城市供熱系統(tǒng)的獨立供熱系統(tǒng)，實現(xiàn)校區(qū)內(nèi)所有建筑物的供熱。因此，它的供熱系統(tǒng)的調(diào)節(jié)更為靈活，管理更為具體，控制更為精細(xì)。

高校校區(qū)根據(jù)建筑用途主要分為辦公教學(xué)區(qū)、學(xué)生公寓及教職員工住宅區(qū)三類。其中辦公教學(xué)區(qū)建筑主要包括教學(xué)樓、電教中心樓、教工食堂、辦公樓、圖書館和學(xué)生食堂等與教學(xué)活動相關(guān)建筑物。這一功能區(qū)的供熱時間及主要特點為：晚上10:00至早晨7:00之間，由于沒有人員活動，所以只提供值班供暖的防凍措施，滿足室內(nèi)最低供暖安全溫度即可。對于學(xué)生公寓區(qū)和教職員工住宅區(qū)則需要連續(xù)供暖。學(xué)生公寓區(qū)主要特點為：學(xué)生上課和自習(xí)時間可以適當(dāng)降低供暖溫度，早、中、晚的休息時間要保證正常供暖。對于教職工住宅樓和學(xué)生公寓，睡眠期間的室內(nèi)供暖溫度可比白天低2 ℃，這樣人體感覺比較舒適[3]。而在學(xué)校寒假期間，除教職員工住宅區(qū)建筑外，其它建筑只要滿足系統(tǒng)不凍壞即滿足室內(nèi)最低供暖安全溫度即可。以下以北京某高校的供熱系統(tǒng)為例，探索“分時、分區(qū)”熱力管網(wǎng)改造及節(jié)能運行管理的具體措施。

二、某高校集中供熱系統(tǒng)改造與節(jié)能運行管理實例分析

(一)某高校集中供熱概況

北京某高校位于繁華的海淀區(qū)西三環(huán)北路，其本部校園分為東、西兩區(qū)，房屋建筑面積共計12萬平方米。校區(qū)集中供熱建筑物按其使用功能可劃分為辦公教學(xué)區(qū)、學(xué)生公寓及教職員工住宅區(qū)三類。學(xué)校建筑均采用自備鍋爐房集中供熱，其主要設(shè)備為兩臺4.2MW和一臺2.8MW的西安金牛股份有限公司生產(chǎn)的燃?xì)鉄崴仩t。原熱力管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計于1997年10月，并于次年投入運行。學(xué)校的供暖是統(tǒng)一的，即當(dāng)教學(xué)樓及教職工住宅區(qū)供暖時，也會給辦公樓和學(xué)生公寓區(qū)供暖。其供熱管理方式采用傳統(tǒng)的連續(xù)性、定流量和調(diào)質(zhì)調(diào)節(jié)的運行模式。盡管該校的供熱系統(tǒng)投入運行以來一直較為穩(wěn)定，但也存在著供熱運行成本較高、能源消耗過大的問題。

(二)“分時、分區(qū)”熱力系統(tǒng)設(shè)計

為了同時滿足不同區(qū)域供暖需求，我們對原有熱力管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了改造，改造后的熱力管網(wǎng)如圖1所示。在熱力主管網(wǎng)不變的情況下，各功能分區(qū)的建筑物熱力入口供、回水干管上(即在二次表面式換熱器的高溫進(jìn)水管路上)均增加了電動流量調(diào)節(jié)閥、過濾器和最小流量限制閥等附件，并設(shè)置相應(yīng)的流量傳感器，進(jìn)、出水溫度傳感器等，以便數(shù)據(jù)采集、分析和系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)。另外，對于各功能區(qū)、各樓群均設(shè)置溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，尤其是對系統(tǒng)遠(yuǎn)端用戶重點監(jiān)控。熱力管網(wǎng)改造之后，供暖管道分為三個區(qū)域，分別負(fù)責(zé)辦公教學(xué)區(qū)、公寓區(qū)和住宅區(qū)的供暖。各個區(qū)域的供暖相互獨立、互不影響，這樣有效避免了由連帶供暖所帶來的能源浪費，同時顯著減少了區(qū)域系統(tǒng)調(diào)節(jié)對整個熱力管網(wǎng)水力穩(wěn)定性的影響。

(三)集中供熱節(jié)能運行管理措施

1.室外溫度補償運行管理措施

隨著室外溫度變冷，供暖主干管的供/回水管道上的熱負(fù)荷增加，用戶需要更多的熱量，以維持室內(nèi)溫度的要求，這時候供暖系統(tǒng)應(yīng)提供較高溫度的循環(huán)水或更大的水流量以滿足系統(tǒng)各用戶的用熱需求。反之，隨著室外溫度升高，供暖系統(tǒng)可適當(dāng)降低系統(tǒng)供熱溫度。通過繪制“室外溫度/熱力出水溫度”的供暖曲線，系統(tǒng)按照此曲線供暖，不但能夠滿足用戶需求，也可以節(jié)約大量能源。這種通過室外溫度的變化，帶有預(yù)測性地調(diào)整系統(tǒng)供熱溫度的控制方法稱為室外溫度補償運行。可見，室外溫度補償運行方案是熱力管網(wǎng)調(diào)質(zhì)調(diào)節(jié)運行的一種具體運行調(diào)節(jié)形式[4]。

2.用戶端溫度補償運行管理措施

為了保證供暖效果，避免能源浪費在能源輸送環(huán)節(jié)過程，應(yīng)及時掌握各功能區(qū)典型房間內(nèi)的溫度，使用戶室內(nèi)溫度保證在18 ℃±2 ℃(北京市供暖標(biāo)準(zhǔn))范圍之內(nèi)。如果室內(nèi)溫度低于16 ℃，則供熱系統(tǒng)提供的熱量不足，供熱系統(tǒng)則需要合理地提高出水溫度或供熱水流量；反之，如果室溫高于20 ℃，則供熱系統(tǒng)提供了過多的熱量，供熱系統(tǒng)需要合理降低出水溫度或供熱水流量。在本次改造中，用戶端溫度是通過物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程測溫系統(tǒng)采集的。以計算機軟件作為數(shù)據(jù)輸出終端，采集到的數(shù)據(jù)一方面存入數(shù)據(jù)庫，為查看供暖效果提供依據(jù)；另一方面?zhèn)魉徒o鍋爐控制系統(tǒng)，為供暖控制提供依據(jù)。

3.分時、分區(qū)供暖運行管理措施

分區(qū)供暖的實現(xiàn)為分時供暖的實現(xiàn)提供了前提條件。由于各個區(qū)域的供暖相互獨立，就可以對不同的區(qū)域采用不同的供暖策略。根據(jù)多年供暖經(jīng)驗及采集到的大數(shù)據(jù)分析結(jié)果，系統(tǒng)改造后采用了如圖2所示的分時分區(qū)的供暖曲線運行策略。辦公教學(xué)區(qū)、學(xué)生公寓及教職員工住宅區(qū)三個區(qū)域的供暖分時和供暖曲線選擇如表1所示。在寒假期間，除教職員工住宅區(qū)正常供暖曲線外，其余的均采用供暖曲線1供暖。

表1 北京某高校供暖分時、分區(qū)供暖曲線對應(yīng)表

圖2 某高校集中供熱分時、分區(qū)供暖曲線運行策略圖

在正常供暖時，為了滿足用戶端溫度補償?shù)囊?，各功能區(qū)各樓群的供熱曲線的選擇主要以修正供熱曲線的截距為主要手段，以滿足各用戶室內(nèi)溫度變化的要求。例如，當(dāng)室內(nèi)溫度低于16℃時，在當(dāng)時供暖曲線的基礎(chǔ)上，保持供暖曲線的斜率不變的同時，增加供暖曲線中“回水溫度”軸上的截距。根據(jù)室溫低于16℃的程度，決定截距增加的多少。同理，當(dāng)室溫比20 ℃高時，降低供暖曲線中“回水溫度”軸上的截距。根據(jù)比20℃高的程度決定截距降低的多少。

4.遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制節(jié)能技術(shù)

為進(jìn)一步節(jié)省能源消耗，校園熱力系統(tǒng)的四臺循環(huán)水泵均采用了變頻器調(diào)節(jié)控制以適合調(diào)節(jié)系統(tǒng)總流量，節(jié)約能源輸送運行成本。在燃?xì)忮仩t上設(shè)置鍋爐煙氣余熱回水裝置以提高鍋爐熱能利用效率，加強熱力管網(wǎng)的保溫性能減少管道熱損失，建筑物增加保溫層以增加建筑物保溫性能，進(jìn)一步降低由圍護(hù)結(jié)構(gòu)引起的熱力損失。上述措施的實施也相應(yīng)減少了熱力系統(tǒng)能耗，達(dá)到進(jìn)一步節(jié)能運行的目的。

綜上所述，在對校園集中熱力管網(wǎng)升級改造的基礎(chǔ)上，采取“分時、分區(qū)”供暖、室外溫度補償運行和遠(yuǎn)端溫度補償運行等三種運行管理措施，通過建立完善的以氣候補償、系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集處理和系統(tǒng)各功能區(qū)的供熱調(diào)節(jié)(包括鍋爐燃燒狀況、鍋爐啟動或者停止、水泵變頻器、電動閥等設(shè)備和調(diào)節(jié)執(zhí)行機構(gòu))的集中控制系統(tǒng)，解決了鍋爐房單一控制與整體熱力系統(tǒng)節(jié)能運行之間不能統(tǒng)一的矛盾。

三、能耗與節(jié)能率計算分析

為了檢驗系統(tǒng)節(jié)能改造的實際效果，該校特委托北京市煤炭節(jié)約辦公室節(jié)能檢測站對學(xué)校校區(qū)的集中供熱系統(tǒng)進(jìn)行對比測試。測試結(jié)果表明：在系統(tǒng)節(jié)能改造前后的同一同期，對比鍋爐每平米燃?xì)饬抗?jié)約17.60%。如圖3所示，從系統(tǒng)改造前的平均每天17356.2 m3/d(約合每平米年耗氣量8.79 m3/m2·a)到系統(tǒng)節(jié)能改造后平均每天14295.7 m3/d(約合每平米年耗氣量約合7.24 m3/m2·a)。對比改造前后及實行新的運行管理模式后的實際耗能數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)耗能僅為原耗能的82.4%，節(jié)能率達(dá)到17.6%，達(dá)到了供熱系統(tǒng)節(jié)能的目標(biāo)。

圖3 系統(tǒng)節(jié)能改造前后燃?xì)庀膶Ρ?/p>

實踐證明，通過科學(xué)的運行管理方案，利用集中供熱系統(tǒng)的調(diào)質(zhì)調(diào)節(jié)、質(zhì)量流量調(diào)節(jié)和分時分區(qū)供熱等綜合手段達(dá)到了冬季供熱系統(tǒng)的節(jié)能目標(biāo)。