校園戶控智慧供熱系統(tǒng)建設(shè)及運行效果分析

【摘要】文中針對高校校園公共建筑傳統(tǒng)室內(nèi)供熱系統(tǒng)運行存在的弊端，提出戶控智慧供熱的建設(shè)思路，并以校園內(nèi)一棟學生公寓樓為示范樓宇，開展戶控智慧供熱系統(tǒng)的搭建。在每個房間散熱器供回水管之間加設(shè)了垂直跨越管并配置戶控物聯(lián)網(wǎng)智能調(diào)節(jié)閥，并安裝了開關(guān)型室溫采集器。在示范公寓樓內(nèi)每一樓層安裝了一個智慧供熱控制箱連接本樓層內(nèi)所有戶控物聯(lián)網(wǎng)智能調(diào)節(jié)閥，通過室溫采集器監(jiān)測和上傳各房間的實際溫度，智慧供熱平臺進行室溫統(tǒng)計分析制定了控制策略，并通過智慧供熱控制箱下發(fā)控制指令給戶控物聯(lián)網(wǎng)智能調(diào)節(jié)閥，完成各房間的智慧控制，最終實現(xiàn)示范公寓樓內(nèi)各個房間的均衡供熱。

【關(guān)鍵詞】戶控智慧供熱；垂直跨越管；戶控物聯(lián)網(wǎng)智能調(diào)節(jié)閥；室溫采集器；智慧供熱控制箱

【中圖分類號】TU995.3 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-6028（2024）07-0115-03

0 引言

近年來，智慧供熱的概念在熱力生產(chǎn)與供應行業(yè)中提出，行業(yè)內(nèi)相關(guān)學者和工程技術(shù)人員陸續(xù)開展了智慧供熱技術(shù)研究工作和工程應用實踐，形成了一系列成果[1-6]，推動了傳統(tǒng)熱力生產(chǎn)與供“應業(yè)”向“智慧 +”的轉(zhuǎn)型升級，也為行業(yè)內(nèi)早日實現(xiàn)“雙碳”目標提供技術(shù)支撐。文中針對嚴寒地區(qū)高校校園供熱系統(tǒng)進行戶控智慧供熱系統(tǒng)的建設(shè)與研究，為公共建筑樓宇內(nèi)各房間室溫平衡控制提供借鑒。

1 校園供熱現(xiàn)狀及戶控示范樓宇選擇

某學校公共區(qū)域的集中供熱面積為28.94萬m2，包括教學樓、實訓樓、學生宿舍、食堂、體育館、圖書館、實訓基地、游泳館、輔助用房等建筑。校園內(nèi)建有一座換熱站，換熱站內(nèi)包含五大換熱系統(tǒng)。通過五個環(huán)路向?qū)W校內(nèi)各樓宇熱用戶供應熱量，五個環(huán)路分別為學生公寓供熱環(huán)路、實訓基地供熱環(huán)路、教學樓低區(qū)供熱環(huán)路、教學樓高區(qū)供熱環(huán)路、地熱供熱環(huán)路。

學生公寓供熱環(huán)路承擔校園內(nèi)全部公寓樓的供熱，公寓樓內(nèi)各房間的散熱末端設(shè)備為鑄鐵散熱器，采用上供下回單管順流式系統(tǒng)形式。目前，每棟學生公寓熱力入口均采用的是手動閘閥，在整個供暖期末進行閥門調(diào)節(jié)，樓與樓之間的平衡性較差。同時，各樓層之間上熱下冷的垂直熱力失調(diào)問題突出，底層住宿學生普遍反映室內(nèi)溫度低、不舒適。

為尋求解決樓內(nèi)垂直熱力失調(diào)問題的方法，借助學校建設(shè)智慧供熱系統(tǒng)的契機，選擇其中一棟學生公寓進行智慧供熱戶端控制的示范建設(shè)。工程項目通過各個房間的獨立調(diào)節(jié)實現(xiàn)熱力平衡，使樓內(nèi)各房間的室溫趨于一致。

2 校園戶控智慧供熱系統(tǒng)的搭建

2.1 戶控示范樓宇現(xiàn)狀

工程項目所選擇的戶控示范樓宇是距離換熱站最近的一棟學生公寓。此公寓建筑共六層，采暖系統(tǒng)形式為上供下回單管順流式采暖系統(tǒng)，采暖系統(tǒng)在樓內(nèi)布置成兩個環(huán)路，房間散熱設(shè)備為四柱760型鑄鐵散熱器。

公寓建筑一層共有28個房間（含學生宿舍、門衛(wèi)室、設(shè)備間、衛(wèi)生間、盥洗間），二至六樓每層有30個房間（含學生宿舍、衛(wèi)生間、盥洗間）。每層樓邊角的四個房間均設(shè)置兩組散熱器，其余每個房間設(shè)置一組散熱器。樓內(nèi)兩個樓梯間每層各設(shè)置一組散熱器。每層樓在走廊的兩端各設(shè)置一組散熱器。一樓門廳兩個側(cè)墻處各設(shè)置一組散熱器。樓內(nèi)總計178個房間，226組散熱器。

2.2 室溫采集器的安裝

本次戶控智慧供熱系統(tǒng)建設(shè)的根本目的是，解決公共建筑傳統(tǒng)上供下回單管順流式系統(tǒng)存在上熱下冷的熱力失調(diào)問題，使示范公寓內(nèi)所有樓層各房間的室溫趨于一致。為了能夠隨時監(jiān)測房間的室溫平衡性，需在示范公寓內(nèi)各房間安裝室溫采集裝置。

室溫采集裝置要求在示范公寓樓內(nèi)所有房間全部安裝。為了保證室溫監(jiān)測的準確性，室溫采集裝置選擇的是開關(guān)型室溫采集器，安裝位置統(tǒng)一布置在房間進門后與走廊相鄰墻面上，通過替換原有普通開關(guān)的方式實現(xiàn)。室溫采集器這種布置方式主要有三個好處：一是不會被房間內(nèi)其他物品遮擋從而避免采集數(shù)據(jù)失真；二是安裝高度適宜滿足規(guī)范要求從而保證采集到的室內(nèi)溫度真實可靠；三是施工安裝方便從而有助于提高施工效率。開關(guān)型室溫采集器形式如圖1所示。

通過室溫采集裝置反饋各個房間的真實溫度，智慧供熱平臺根據(jù)室溫數(shù)據(jù)進行不平衡性分析，制定控制策略并通過智慧供熱控制箱下發(fā)執(zhí)行，然后再通過運行一段時間后的室溫數(shù)據(jù)反饋來評估調(diào)控策略的有效性，并不斷進行控制策略優(yōu)化和戶控閥的優(yōu)化調(diào)度，逐步實現(xiàn)各房間的室溫均衡。

2.3 各房間工藝系統(tǒng)升級改造

為有效解決示范公寓樓存在的上熱下冷垂直熱力失調(diào)問題，需要對傳統(tǒng)的上供下回單管順流式供熱系統(tǒng)進行升級改造，因為每一個房間均有散熱設(shè)備，所以為了實現(xiàn)戶控智慧運行，在每一個房間的散熱器供水管和回水管之間設(shè)置一根垂直跨越管，并在垂直跨越管上和散熱器供水支管上設(shè)置戶控物聯(lián)網(wǎng)智能調(diào)節(jié)閥，以實現(xiàn)各房間供熱量的平衡調(diào)節(jié)，最后實現(xiàn)所有房間室溫的一致性。戶控系統(tǒng)升級改造方案見圖2。

為實現(xiàn)每個房間戶控物聯(lián)網(wǎng)智能調(diào)節(jié)閥的智慧調(diào)節(jié)，在每樓層設(shè)置一個智慧供熱控制箱，本樓層所有房間的戶控物聯(lián)網(wǎng)智能調(diào)節(jié)閥均連接到同一樓層的智慧供熱控制箱，通過控制箱和校園網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的上傳和控制指令的下達，示范公寓樓總計設(shè)置智慧供熱控制箱6個。

3 校園戶控智慧供熱系統(tǒng)運行效果分析

3.1 調(diào)節(jié)前的室溫情況統(tǒng)計分析

在校園智慧供熱平臺尚未投用智慧控制前，對戶控示范公寓樓各房間室溫采集數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計，如表1所示。

由表1可以看出，整棟示范公寓樓在未進行智慧調(diào)控時的平均溫度為20.8 ℃ ，滿足規(guī)范要求。分樓層來看，一層室內(nèi)平均溫度最低，其值為18.3 ℃ ，六層室內(nèi)平均溫度最高，其值為23.4 ℃ ，兩樓層之間的平均溫差為5.1 ℃ 。整體而言室內(nèi)溫度隨樓層的由高到低是逐漸下降的，存在明顯的垂直熱力失調(diào)現(xiàn)象。同一樓層來看，一層房間室內(nèi)溫度的最大偏差為2.6 ℃ ，二層房間室內(nèi)溫度的最大偏差為2.2 ℃ ，三層房間室內(nèi)溫度的最大偏差為2.0 ℃ ，四層房間室內(nèi)溫度的最大偏差為2.1 ℃ ，五層房間室內(nèi)溫度的最大偏差為1.5 ℃ ，六層房間室內(nèi)溫度的最大偏差為2.8 ℃ 。同一樓層內(nèi)各房間室溫也存在偏差，最大偏差平均值為2.2 ℃ 。

3.2 調(diào)節(jié)后的室溫情況統(tǒng)計分析

校園智慧供熱平臺投用戶控智慧運行后，通過對戶控示范公寓樓各房間反饋的室溫采集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，及時制定每個房間戶控物聯(lián)網(wǎng)智能調(diào)節(jié)閥的控制策略，并通過智慧供熱平臺下發(fā)指令到各樓層的智慧供熱控制箱。控制箱接受指令后再下達給響應戶控物聯(lián)網(wǎng)智能調(diào)節(jié)閥，以執(zhí)行給出的調(diào)控策略。平臺再通過調(diào)控后的房間室溫采集器反饋的數(shù)據(jù)評估先前做出的控制策略是否正確以及調(diào)節(jié)效果如何，通過分析不斷優(yōu)化控制策略，直至達到室溫均衡的目標。戶控示范樓投入智慧運行調(diào)節(jié)后的室溫情況如表2所示。

由表2可以看出，在智慧供熱系統(tǒng)正式投入運行以后，通過戶控物聯(lián)網(wǎng)控制閥的智慧調(diào)節(jié)作用，有效解決了垂直熱力失調(diào)問題。由智慧供熱調(diào)控后統(tǒng)計出來的數(shù)據(jù)可以看出，整棟樓平均溫度為20.6 ℃ ，滿足規(guī)范要求并且與調(diào)控前樓棟平均溫度基本一致。

從垂直分樓層來看，一層室內(nèi)平均溫度最低，其值為19.9 ℃ ，六層室內(nèi)平均溫度最高，其值為21.5 ℃ ，兩樓層之間的平均溫差為1.6 ℃ 。雖然仍有差別，但是明顯緩解了垂直熱力失調(diào)現(xiàn)象，各樓層室溫一致性明顯提高，從而提升了整棟樓宇的供熱質(zhì)量。

從同一樓層的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，一層房間室內(nèi)溫度的最大偏差為1.1 ℃；二層房間室內(nèi)溫度的最大偏差為1.0 ℃；三層房間室內(nèi)溫度的最大偏差為1.1 ℃；四層房間室內(nèi)溫度的最大偏差為1.1 ℃；五層房間室內(nèi)溫度的最大偏差為0.9 ℃；六層房間室內(nèi)溫度的最大偏差為0.9 ℃ ，同一樓層內(nèi)各房間室溫最大偏差平均值為1.0 ℃ 。由此可見，經(jīng)過智慧調(diào)控，同一樓層內(nèi)各房間的室溫差距也得到了有效改善，有效解決了同樓層水平房間的室溫失調(diào)問題。

3.3 智慧供熱系統(tǒng)運行的成效

由以上戶控示范學生公寓智慧運行數(shù)據(jù)分析可知，智慧供熱系統(tǒng)對于解決公寓樓垂直熱力失調(diào)問題具有明顯的效果，同時也使公寓內(nèi)同一樓層各房間的室溫一致性得到了大幅提升，基本實現(xiàn)了公寓樓內(nèi)各房間的均衡供熱。

在實現(xiàn)房間均衡供熱的基礎(chǔ)上可以進一步通過智慧調(diào)節(jié)將原來超量供熱的那部分熱量節(jié)省下來，從而達到節(jié)能的目的，在節(jié)能的同時智慧供熱系統(tǒng)還可以帶來如下的突出成效。

1）節(jié)能帶來的另外一個效果就是減排。大氣污染物排放量減少，提高了區(qū)域的空氣質(zhì)量。同時為降碳作出突出貢獻，有效助力地區(qū)“雙碳”目標早日實現(xiàn)。

2）智慧供熱系統(tǒng)的智能運行及管理，減少了大量傳統(tǒng)供熱模式的人力工作，提高工作效率從而節(jié)約人力成本。

3）由于智慧調(diào)控快速精準，大大緩解了傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)冷熱不均的現(xiàn)象，實現(xiàn)了用戶的均衡供熱從而提升供熱質(zhì)量，有效減少用戶投訴率，大幅提升用戶滿意度，帶來顯著的社會效益。

4）由于智慧供熱系統(tǒng)隨時監(jiān)控運行狀態(tài)，對于運行異常情況能夠及時給出報警信息，甚至可以給出故障點位置，大幅提升故障和事故的排查及處置效率，將不利影響降至最低水平。

5）通過智慧供熱平臺，管理部門可以實時掌握區(qū)域供熱的整體情況、用戶室溫水平等信息，增強了管理部門的監(jiān)控和管理能力。

4 結(jié)語

選取寒區(qū)高校校園內(nèi)示范學生公寓樓建設(shè)戶控智慧供熱系統(tǒng)，并開展智慧運行實踐。經(jīng)過運行前后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計對比分析，發(fā)現(xiàn)戶控智慧供熱系統(tǒng)可以有效地解決傳統(tǒng)上供下回單管順流式系統(tǒng)上熱下冷的垂直熱力失調(diào)問題，而且也可以使樓內(nèi)同一樓層各房間的室溫一致性得到明顯的提升。此模式可以實現(xiàn)整個樓宇所有房間的均衡供熱，節(jié)省原有系統(tǒng)過量供熱消耗的熱量，減少碳排放及其他污染物排放，從而帶來明顯的節(jié)能效益、環(huán)保效益和社會效益。

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[作者簡介]王全福（1980—），男，山東費縣人，副教授，碩士研究生，研究方向：供熱通風與空調(diào)制冷。

[項目來源]本文系寒區(qū)城鄉(xiāng)建設(shè)可持續(xù)發(fā)展省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心項目“高校校園智慧供熱系統(tǒng)建設(shè)與運行研究”的研究成果