論傳統(tǒng)供熱控制系統(tǒng)

王永貴 蔣文輝 史鴻儒 白景升 李明蒔

摘 要：我國制定的“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)與建筑能耗關(guān)系重大。建筑能耗中供熱系統(tǒng)運行能耗占十分龐大，節(jié)能潛力巨大。如何利用 “大數(shù)據(jù)”先進(jìn)技術(shù)來降低建筑能耗是一個重大的突破口。本次研究主要內(nèi)容：對供熱末端技術(shù)的調(diào)控機理及特性深度研究，分析供熱末端技術(shù)的發(fā)展趨勢，建立智能調(diào)節(jié)下的動態(tài)調(diào)節(jié)模型，提出適應(yīng)系統(tǒng)中較大熱慣性的智能系統(tǒng);并且對傳統(tǒng)斷通技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，生成一個具有預(yù)測功能和精準(zhǔn)控制的管理系統(tǒng)來降低系統(tǒng)能耗，最后對新行能源和技術(shù)進(jìn)行展望。希望本次研究會為我國“雙碳”目標(biāo)起到良好的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：傳統(tǒng)控制技術(shù);新型控制技術(shù);供熱控制系統(tǒng)

一、引言

統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2021年，我國能源消費總量達(dá)52.4億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，比上年增長5.2%。其中，煤炭消費量占能源消費總量的56.0%。在2021年大唐吉林發(fā)電公司主要負(fù)責(zé)人到東北能源監(jiān)管局，反映了因煤炭極端短缺面臨停機，影響電力供應(yīng)的困境。J X盡管中國的能源強度在近些年間持續(xù)下降，節(jié)省了6.3億噸煤，減少了15億噸CO2的排放。但由于技術(shù)等因素局限，中國萬元GDP的CO2的排放量遠(yuǎn)高于歐美發(fā)達(dá)國家的水平;特別是將煤炭作為一次性消費的主要能源，近些年仍處于增長狀態(tài)。煤炭經(jīng)過古代植物漫長的物理變化和化學(xué)變化產(chǎn)生的，大量的使用導(dǎo)致煤炭資源短缺。根據(jù)美國石油業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，地球上剩余的原油不足兩萬億桶，在將來，世界上主要使用能源將越來越趨向煤炭，在 2250 到 2500 年之間煤炭也將消失 。

二、末端技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀及趨勢：

（一）傳統(tǒng)控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀：

當(dāng)今社會，城市熱網(wǎng)的調(diào)節(jié)方式相對落后，水力模塊上具有大慣性和調(diào)節(jié)上的時滯性，鍋爐供熱量很難滿足人們生活需熱量。目前我國傳統(tǒng)的供暖末端技術(shù)的調(diào)節(jié)方式可分為以下幾種：

（1）無調(diào)節(jié)方式：北方的一些傳統(tǒng)住宅區(qū)，供熱系統(tǒng)及設(shè)備落后，不具備有效的調(diào)節(jié)方式，僅通過管網(wǎng)運行歷史參數(shù)來對供給的熱量進(jìn)行調(diào)節(jié)，存在著空間上的供熱不均勻和熱量損耗等問題。過熱用戶甚至在冬季需要開窗通風(fēng)，在北京的一處住宅實測表明，由于用戶開窗導(dǎo)致的熱損失約為36-39MJ/m2，占建筑實際需求熱量的16-40%。

（2）半自動式調(diào)節(jié)：我國從1993年開始在我國北方城市引入了恒溫閥，在北京、天津、長春等城市進(jìn)行計量實驗。散熱器供水管上均安裝恒溫閥，隨室溫的變化，通過壓力變化來調(diào)節(jié)閥門的開度，從而控制供暖末端設(shè)備的流量，這種方式極大的改善了供熱不均勻、能耗高等問題。但由于恒溫閥不斷變流容易殘留水垢堵塞管道。

（3）通斷調(diào)節(jié)技術(shù)：2012年以來，斷通技術(shù)在我國北方已經(jīng)大規(guī)模的應(yīng)用。斷通技術(shù)的調(diào)節(jié)機理是設(shè)定室內(nèi)中心溫度在一定波動范圍內(nèi)，當(dāng)室溫低于設(shè)定溫度與偏差值時閥門打開，當(dāng)室溫高于設(shè)定溫度與偏差值時閥門打開，因為處于全開或全關(guān)的狀態(tài)不容易堵塞。但由于建筑具有很大的熱惰性因此精準(zhǔn)度也不是很好。江億進(jìn)行了末端冷量主動性調(diào)節(jié)控制的基礎(chǔ)研究，指出部分負(fù)荷工況下出現(xiàn)系統(tǒng)水力變化的根本原因是末端冷負(fù)荷變化引起的溫控閥調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)是主動性、本質(zhì)性的，且具有顯著的非線性和互擾多變的系統(tǒng)屬性經(jīng)過相關(guān)實驗可得，閥門關(guān)閉的初始階段系統(tǒng)末端可能會給房間帶來熱量的過盛，經(jīng)過9個小時后才退回到標(biāo)準(zhǔn)溫度25℃，可見散熱器存在的金屬的熱惰與房間傳熱的時滯性。這也導(dǎo)致了許多智能控制手段無法生產(chǎn)出高性能的產(chǎn)品。

（二）新型控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀：

在我國傳統(tǒng)的供熱末端系統(tǒng)上，用戶對于室內(nèi)溫度并不不能實現(xiàn)自我控制與調(diào)節(jié)，這種供熱方式不僅造成了能源的浪費還不利于用戶舒適度的調(diào)節(jié)。我國對于供熱節(jié)能的提倡，越來越多的人開始研究智能供熱監(jiān)測系統(tǒng)，在如何滿足節(jié)能與用熱用戶熱舒適之間的矛盾成為現(xiàn)階段的問題！

智能監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)節(jié)：在我國的少數(shù)研究地點，已經(jīng)有智能監(jiān)測系統(tǒng)的運行模式，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)對采集到得數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化的分析，起來良好的管理系統(tǒng)的作用。但盡管如此，目前這種技術(shù)仍沒有普及，在清華大學(xué)某一實驗樓進(jìn)行分戶熱計量示范，已經(jīng)取得了一定的成效，但是在實際的使用過程中還是存在許多的問題。經(jīng)過一段時間技術(shù)的探索，熱力公司在天津市一小區(qū)進(jìn)行分戶熱計量示范，在經(jīng)濟上取得了一定的成效，這些實質(zhì)性的探索為今后的研究有著非常重要意義。2021年國家電投集團東方新能源股份有限公司（簡稱“東方能源”）過去存在系統(tǒng)自動化程度低;管網(wǎng)落后;引發(fā)客戶投訴。通過與百度智能云合作，依托人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)升級改造，極大的改善了上述問題。同年我國落實“新城建”工作要求，在承德市、長春市開展供熱設(shè)施智能化建設(shè)試點工作，將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)信息技術(shù)與供熱深度融合，對熱源、管網(wǎng)、熱力站和室內(nèi)等供熱設(shè)施進(jìn)行智能化改造，解決供熱系統(tǒng)水力失調(diào)、冷熱不均等問題，滿足熱用戶自主調(diào)節(jié)等個性化用熱需求，提高供熱系統(tǒng)運行效率。下一步，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部將繼續(xù)做好供熱系統(tǒng)效率提升工作。2022年人民日報海外版發(fā)表：走進(jìn)國家能源集團江蘇宿遷電廠，兩臺660兆瓦超超臨界二次再熱機組正有序運轉(zhuǎn)?！拔覀儾捎谩婋p驅(qū)引風(fēng)機高效靈活供熱技術(shù)，實現(xiàn)電能和熱能雙向無縫轉(zhuǎn)換，并借助智慧管控系統(tǒng)實現(xiàn)鍋爐氧量自動尋優(yōu)，提升鍋爐燃燒效率。”宿遷電廠負(fù)責(zé)人介紹，2020年，機組供電煤耗低至263克標(biāo)準(zhǔn)煤/千瓦時，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤14.4萬噸。

現(xiàn)階段，在國外發(fā)達(dá)國家大多采用供熱系統(tǒng)均采用動態(tài)變流量系統(tǒng)，在調(diào)節(jié)與控制方式上非常的先進(jìn)，這是一個非常完善的智能供熱系統(tǒng)。在歐洲許多地區(qū)采用分戶計量的方式，熱量計通過計算散熱器散發(fā)的熱量而進(jìn)行收費，不僅在一定程度上促進(jìn)了智能管理系統(tǒng)的發(fā)展，而且還節(jié)約了大量的能源消耗。

在芬蘭實現(xiàn)了自動化監(jiān)控管理，每個換熱站只負(fù)責(zé)一座公寓實現(xiàn)個性化供熱的同時;實現(xiàn)了自動管理降低了人工管理成本。在德國供熱末端技術(shù)的調(diào)節(jié)都是以室外溫度變化作為依據(jù)，起到精準(zhǔn)調(diào)節(jié)的作用。在美國供暖系統(tǒng)是根據(jù)長供暖數(shù)據(jù)的歷史走向積累，對數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，從來進(jìn)入自動化工作模式保證了舒適性的同時減少了能耗。

我國現(xiàn)階段研發(fā)的智能供熱監(jiān)測系統(tǒng)與國外相比還是有很大的差距，目前在我國熱網(wǎng)上廣泛使用的仍是傳統(tǒng)的末端控制技術(shù)為主。

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