供热系统适量供热调节技术研究    

1 概述
供热用户实行供热计量收费[1]以后，必须要有相应的热量可调节的手段，否则不能实现真正的节能。目前实现用户热量可调节的技术主要是在用户室内的各散热器支管上安装自力式温度调节阀，用户可以根据个人生活习惯及经济条件在调节阀上设定所需温度。调节阀的安装与调节方式主要有双通阀和三通阀两种方式，针对这两种方式供热系统也要采取相应的调节方案。
2 热力运行分析
2.1 用户分析
2.1.1 安装双通阀的室内系统
每一台散热器都装有一只自力式双通温控阀，如图1（a）所示，此系统适用于分户供热的室内水平式系统。采用双通温控阀后，室内供热系统就成为了变流量系统。根据流体因磨擦阻力所造成的能量损失可得：
           （1）
式中：ρ1、ρ2供、回水压力；ρ流体密度；λ摩擦系数；d管路直径；u供、回水平均流速。变换（1）式则可得：Δρ=ξ’g2（2）。式中：Δρ是供、回水压差；ξ’是局部阻力系数；g是供回水流量。根据室内供热系统的运行情况结合（2）式进行分析，可以看出供回水流量g的变化是用户系统的主动调节作用，而且是在主动调节局部阻力系数ξ’后变化的。供回水压差Δρ的变化则取决于热网循环泵的运行状态，循环泵恒速运行时Δρ的变化较小，循环泵变速运行时Δρ的变化则会较大。
2.1.2 安装三通阀的室内系统
每一台散热器都装有一只自力式三通温控阀，如图1（b）所示，此系统适用于室内垂直系统，也适用于分户供热的室内水平式系统。采用三通温控阀后，室内供热系统的流量变化很小，可以认为是恒流量系统。但是要有部分高温供水直接流入热网回水管，造成一定的能量浪费。
下面针对以上两种室内系统的热量调节方案对热网的运行工况进行分析。
2.2 热网分析
输送热力的热网循环泵按两种运行方案进行讨论，一种是恒转速运行，另一种是变转速运行。热网循环泵的运行方案与室内系统的运行方案进行组合就会产生四种运行方案。
2.2.1 室内系统变流量热网循环泵恒转速
室内系统变流量运行、热网循环泵恒转速运行。由于室内散热器温控阀阻力的变化，使得管网的

基金项目：国家“十一五”重点科技攻关项目（2006BAJ01A04）
阻力特性发生变化，从而使得热网的流量发生变化，如图2所示。图中ΔρN表示系统为额定流量QN时
循环泵的出口压差，当用户温控阀减小流量热网的循环流
量为Qi时，热网阻力系数ξ’N会变化为ξ’i，循环泵出口扬程也会增加到。显然系统的工作点是沿着水泵的工作
特性曲线变化的，在最低供热负荷时热网的流量可能会变得很小，流量太小热源是否能够承受需进行综合分析研究。
另外从节能的角度研究，恒转速水泵在循环泵流量减小后，电动机的负载变小，其消耗的电能量也会减小。参考文献[2]中给出了节流方式调节离心式泵类负载时的电机输入功率计算公式，如下式所示：
          （3）
式中：PL是流量为Qi时循环泵电动机消耗的功率，QN是
循环泵的额定流量，Pe是循环泵电动机的额定功率。由（3）式可以推出其节能率公式（4）式：
         （4）
式中：ΔPI是流量为Qi时循环泵电动机节电的功率。根据（4）式可计算出几种流量下水泵电机的节能率，当Qi=0.8QN  时，节电率为Ki=0.35；当Qi=0.5QN时，节电率为Ki=0.41。
此种方案也是节能的，但是流量越小其节能效果越不明显，理论上计算零流量时的节能率为0.55。
2.2.2 室内系统变流量热网循环泵变转速
室内系统变流量运行、热网循环泵变转速运行。室内散热器温控阀调节后其阻力发生变化，使得管网的阻力特性发生变化，从而使得热网的流量发生变化，如图2所示。此时热网循环泵应该改变转速，使得循环泵的工作特性平行下移，下移的最佳工作点应该使得管网阻力特性恢复至ξ’N点，如图3所示。此种调节方案同样存在系统最小流量限制的问题。
下面也从节能的角度研究变转速水泵在循环泵流量减小后，电动机的节能问题。改变离心式水泵电机的频率进行调速，目前是最佳的循环泵变速调节的方案，在参考文献[2]中给出了节能率公式如（5）式：
（5）
式中各符号含义同（4）式。根据（5）式计算出的节能率则是很可观的，当Qi=0.8QN时，节电率为Ki=0.35；当Qi=0.5QN时，节电率为Ki=0.41。
显然此种方案流量越小其节能效果越明显，因此在流量变化范围较大时选择变转速运行要比恒转速运行更为节能。
2.2.3 室内系统恒流量热网循环泵恒转速
室内系统恒流量运行、热网循环泵恒转速运行。由于室内散热热器温控阀的调节，使得回水温度发生变化。热源只能进行质调节，调节方式在后面探讨。
此种调节方式水力工况稳定，但是热网的输送能耗最大。
2.2.4 室内系统恒流量热网循环泵变转速
室内系统恒流量运行、热网循环泵变转速运行。由于室内散热器温控三通阀的调节，使得回水温度发生变化。热源可以进行质调节或者量调节（循环泵变转速调节），但是采用量调节的调节范围不会太大，否则容易引起系统的水力工况失调。只有在系统循环泵的扬程选择较大时，系统才会存在较大的量调节的空间。
此时循环泵变转速调节只是在系统循环泵的扬程选择较大时才具有意义。如果系统流量的调节范围较小时，采用循环泵变转速调节就不如采用调节阀调节流量更为经济了。因此此种方案不宜采用。
2.3 热源分析
针对热网和热用户的特点，目前热源主要有以下几种运行调节方案：质调节运行；量调节运行；分阶段改变流量质调节运行；综合调节运行。
2.3.1热源质调节与分阶段改变流量质调节运行
针对目前的热用户多为恒流量系统，因此采用此种调节方案的系统居多，调节运行的经验已经相当成熟。但是当用户进行热计量以后，就不能再采用此方案了，否则不能实现最佳节能运行。
2.3.2热源量调节运行
针对目前的恒流量热用户，采用此种调节方案的不多，尤其是只采用热源量调节运行的几乎没有。当用户进行热计量后，尤其是用户为变流量系统后，热源也要采取相应的调节对策，才能实现真正的节能。针对变流量用户系统的热源、热网等的调节运行经验还很缺乏，这也是我们要重点解决的问题。
2.3.3 热源综合调节运行
针对目前的恒流量热用户，采用此种调节方案的有一些，但是流量的变化调节范围一般都比较小，质调节的变化范围较大。用户进行热计量以后，怎样进行调节还要进行研究解决。
显然热源、热网及热用户的运行调节方式应该进行综合分析，以保证供热指标、节能效果最佳为目标函数，确定一套完整的运行调节方案，才能实现供热适量调节的目标。
3 热力运行适量调节
本文主要针对具有热计量和散热器安装有温控阀的系统进行讨论，研究针对这样的用户怎样进行用户、热网及热源的系统调节。
3.1 用户调节
以热源、热网及用户为一个整体考虑，用户系统采用双通阀调节散热器（或是其他末端散热装置）的散热量，系统的整体节能效果最明显。但是如果有的用户系统不允许采用双通阀调节散热器（末端装置）的散热量时，则应该设置用户入口装置将热网和室内系统隔离开。室内系统可以采用恒流量运行，热网系统采用变流量运行，也能获得较好的节能效果，而且对热网的运行稳定性也会更为有利，用户入口装置也要采取一定的调节方案，构成独立的调节单元，在此不做阐述。
3.2 热源与热网调节
热用户安装有三通阀或者双通阀后，已经具备了自调节能力。此时在热源处的负荷预报就变得很有意义了。根据热网运行参数预报的供热负荷，就是用户在下一个时间段所需要的热负荷。因此提高预报精度，保证预报控制稳定性成为主要的问题。供热负荷预报的方法[3,4,5]很多，在此不做研究。
3.2.1 循环泵恒转速时的预测控制
如果热用户是恒流量运行，则循环泵应该是恒转速运行，热源应该是质调节运行。控制系统应该根据热源出口处的参数，如：热网供回水温度、室外温度、热网供回水流量（主要是监视异常情况），预测热源的供回水温度，并且进行反馈调节。如图4所示。
3.2.2循环泵变转速时的预测控制
由前面的分析可知，热力系统采用变流量运行方式输送热量是节能的。在较大范围内变化流量调节时，采用变频变循环泵转速则是最节能的。因此如果热用户是变流量运行，则循环泵应该采用变频变转速运行，热源则应该采用质调节与量调节相结合的综合调节运行方案。

控制系统应该根据热源出口处的参数（如：热网供回水温度、热网供回水压力、热网供回水流量、室外温度），以满足供热用户需求、系统整体能耗最小为预测控制的最优目标函数，预测热源的供回水温度、热网供回水压力、热网供回水流量，并且进行反馈调节。控制系统原理方框图如图5所示。
3.2.3 循环泵调节
循环泵应该按照预测控制系统预报的供回水流量和压力参数，在保证系统水力工况稳定的前提下进行反馈调节。
3.2.4 热源调节
热源应该按照预测控制系统预报的循环流量和供回水温度进行调节，在保证控制指标的前提下，锅炉采用最佳燃烧寻优调节。
4 结论
供热系统适量供热调节是实现供热节能的关键技术之一。但是面对各种不同的用户系统及供热方式，需制定相对应的整体综合调节策略。根据我国供热系统的现状，应该针对新型供热系统和旧有供热系统制定相应的方案。
4.1 新型建筑
针对新型建筑小区，室内系统都应该按照分户供热、分户计量设计，每一台终端散热设备都应该安装双通温控阀调节室温。热源与热网应该采取综合调节策略，以保证供热指标和系统能耗最低为目标函数，以热源、热网及热用户为综合调节对象，进行预测、优化和专家智能的控制策略。
4.2 旧有建筑
针对旧有建筑，可以采用多种室内供热系统并存，在不同建筑物的热力入口处安装不同的入口装置。入口装置既要满足原有室内供热系统的供热需求，又要满足热源、热网系统综合调节的供热需求。这样就形成了建筑物入口装置分散调节，热源与热网集中控制的集散式控制系统。