基于某校区燃煤锅炉替代项目分时分区供热能耗的研究

杨猛，王英杰

（济南能源建设发展集团有限公司，济南250000）

1 引言

集中供暖服务技术在我国北方地区已比较成熟，即使在严寒期也能够满足人们对供热的需求。分布式集中供热的对象包括居住建筑，同时还包括实验室、办公楼活动中心、教学楼等公共建筑。居住建筑基本每天都会有人员的流动，所以对室内温度要求比较高，要求一天24h的室内温度保持大致不变。但办公建筑并不是每天都会有人员的流动，所以室内温度要求不是很高，只需要当人们在工作的时候能够满足人员的舒适要求就行，在不是办公的时间内，仅仅保持防冻温度，不需要温度很高，特别是学校和办公楼，周末与节假日基本没人，如果此时还持续供暖的话，就会造成热能大量浪费。因此，供热企业和相关部门应该大力发展和完善集中供热技术，制定最经济、最节能的方案。如何更好地发展与完善集中供热技术已经成为供热企业和相关部门的一项重要工作。

2 分时分区温度自动控制系统

2.1 分时分区系统简介

通过增设分时控制器和电动调节阀来实现供热系统分时分区控制，根据供热需求不同的区域设置分时分区，使用调节电动阀来进行供热系统的自动调控。在需要分时分区控制的区域，分别选取典型房间放置室内温度传感器，尤其是在夜间或节假日，应采取分时控制段关阀，为了保护楼内采暖管道，控制电动调节阀可以通过采集典型房间室内温度或者回水温度来实现控制，这样就实现了办公区域的“按需供热”和“安全供热”，最终降低供热的能源消耗【1】。

2.2 分时分区的控制原理

在安装分时分温控制系统前，按照传统的供热方式，若不加人工干预，一天24h之内的室内温度基本不变，并且室内平均温度处于比较高的水平，在夜间没有人的时段或者睡眠时段，会导致很大一部分热能被浪费，如图1中的①显示；若加以人工干预，则室内平均温度呈现比较大的波动变化，如图1中②显示。不仅使用户的舒适度降低了，而且夜间能源浪费问题也没有很好地解决。安装分时分温控制系统后，③为建筑恒温控制情况下室内温度变化曲线，④为公共建筑夜间防冻降温曲线，图1中④与③包围的范围为节能空间，可见其节能空间是比较可观的【2】。

图1 24h室内温度变化曲线图

本系统的控制原理：在节假日、周末或者晚上10点以后，当办公的区域无人时，控制指令被监控中心预先设定，经过电台的无线网络，下载到电动调节阀的控制器内，确保室内的管网不冻的前提下，降低电动调节阀的阀门开度，从而使热水介质的流量降低，并且使该建筑物的热量输入得以降低；管网的温度、阀门开启度等参数将由控制箱上传至监控中心，利用这些监控参数，适当调节换热站的换热量和循环泵的运行频率，适当调节其他设备的工作状态，从而使得供应热量与热负荷需求相匹配，这样不仅保证了供热的质量，又节约了热能以及电能，控制原理示意图如图2所示。

3 实际案例分析

图2控制原理示意图

对热网实行监控的区域化管理和集中控制是分时分区控制系统的重要过程，这样不仅使资源得到了合理的配置，而且把采暖初始阶段和最终阶段能耗过大的问题解决了，使电能的消耗和供暖所需的运行成本得以降低，使供暖环境更加节能、更加有效率。以下以实际项目为例分析分时分区的优势【3】。

3.1 项目简介

某校区供暖建筑面积为399 359.4m2，主要热源形式为燃气锅炉+空气源热泵，具体建筑类型如表1所示。根据教职员工的工作时间以及学生学习时间的冬季作息时间的规律，本文将所有的供暖建筑物分为3大类。即：I类为教职工的住宅、学生的宿舍、学校的医院，像这种建筑，室内的供暖温度必须全天保证；Ⅱ类为教学楼、图书馆，像这种建筑在不是教学的时间内，在夜间只需要保持室内值班供暖温度就行；第Ⅲ类为办公楼、实验室、食堂，像这种建筑只需要保持设计温度在工作时间内即可，而在夜间不是工作的时间内仅仅维持值班的供暖温度就行。I类建筑供暖时间与其他类建筑相比供暖时间最长，需要全天供暖，Ⅲ类建筑相比其他2类建筑供暖时间是最短的。因为Ⅱ类、Ⅲ类建筑在晚上人员比较少，只需要在所用的房间内局部采暖，保证舒适的房间温度即可，不需要全部房间都供暖，这样可以很好地降低能耗，节约能源。表1给出了上述各类建筑物的分类、建筑面积以及每天所需的正常供暖时间。

由表1可以看出，Ⅱ类和Ⅲ类建筑在供暖期正常工作日，全天对用户供暖系统实施分两个阶段改变流向的量调节，在实现供暖要求的同时，还能有效地节能，最重要的是节能效果非常大。

3.2 假期热负荷的分析

在寒冷的冬季，每一所高校在供暖的季节都有一个共同的特点，他们在供暖季都会有寒假，时间差不多为30～40d。在寒假期间，上述3类建筑只需要保证室内的值班所需温度即可，不仅上述3类建筑甚至可以把所有的建筑都仅仅保持在值班温度就行【4】。

表1建筑物分类建筑面积及正常供暖时间

3.3 节能量预估

节能预估可以采用建筑物供暖面积指标法，通过对上述3类建筑进行能耗计算，包括按现行的供暖方法计算全年能耗和采用分时分区供暖时的能耗计算，从而得出这一年的节约能源的总量。

3.3.1 现行传统供暖方法全年采暖期能耗计算

现行供暖方法年度能耗计算可用公式（1）计算【5】，即：

式中，Q′n为建筑物全年供暖总能耗，GJ；qf为建筑物供暖面积热指标，W/m2，取60W/m2；F为供暖建筑物的建筑面积，m2；N为供暖期天数，济南地区120d；24为工作时间，h；3 600为1h时间，s。

3.3.2 采用分时供暖建筑物能耗计算

1）建筑物采用分时供暖能耗计算公式

假期Ⅱ类、Ⅲ类建筑值班供暖年能耗计算公式为【6】：

式中，Qnf为建筑物非寒假值班供暖年能耗，GJ；φ为温差修正系数，济南地区为0.7124；h为非工作日每日工作小时数，h；30为寒假时间，d；其他符号意义同式（1）。

2）建筑采用分时供暖建筑物能耗计算

寒假期间Ⅰ类学生宿舍及Ⅱ类、Ⅲ类的全部建筑可采用全天值班采暖，其计算公式为：

式中，Qnh为寒假期间建筑物值班供暖能耗，GJ；其他符号意义同前。

3）分时供暖各建筑物年能耗计算结果

将表1中的统计数据分别代入相应的式（1）、式（2）、式（3）进行计算，最终可以得到学校教学楼分时供暖的年能耗量（见表2）。

通过上述计算可以得到，采用现行供暖方法时，该校区全年供暖总能耗达到2.48×105GJ，而采用分时分区供暖方法时，该校区全年供暖总能耗达到1.19×105GJ，可以节省的能耗高达1.29×105GJ，约等于年节约标准煤4 401.5t，然而标准煤应用基低位发热量可达到29 308kJ/kg。最终我们可以看出，如果采用分时分区供暖，可以很好地节约能源，因此，采用分时分区供暖是非常有发展前景的【7】。

表2分时供暖各类建筑年能耗量对比分析表

4 分时分区供暖的调节方法

在寒假期间，Ⅰ类建筑中的学生宿舍，Ⅱ类、Ⅲ类所有的建筑都采用全天供暖，从而可以减少所需的供热量，采用分时分区供暖的建筑物并且采用质调节方式改变流量能减少热媒流量，因为水泵的电功率与流量的立方成正比，所以该方式节约电能的效果非常显著，能够降低所需能耗。通过以上所述，对本项目的热源以及热用户提出了改造措施，改造的措施如下【8】。

4.1 热源改造

该校区一共3个换热站，循环水泵一共有9台，其总容量可达到1 033m3/h。每个换热站有2台或者3台循环水泵。通过研究，针对该供热系统的实际情况，应该在换热站上再加入1套小流量的循环水泵，通过加入小流量的循环水泵，不仅可以降低水泵的耗电量，而且此改造可以节约能耗。

4.2 热用户改造

分区分时供暖建筑物中，在热用户入口处设置调节阀，此调节阀必须设有时间继电功能，流量的大小需要根据热用户的需求来调节，这样可以降低能耗，最终可以达到节约能源的目的。

5 结论

通过对供热分时分区控制系统的研究以及连续对3个供暖季的跟踪监测，得到了一些监测数据，因此，应对分时分区供暖控制系统在办公建筑物以及整个供热系统中节约能耗的潜力进行了深入的分析，得到了以下几个结论：

1）在保证供热质量的基础上，分时分区供暖的建筑物比全天运行供暖的建筑物更加节能，甚至可以达到节能13.6%～23.5%，提高了锅炉房总节能率4.5%～8.8%。

2）建筑物耗热量受到很多因素的影响，建筑物的围护结构和室内外温度等因素都会影响到建筑物的耗热量，因此，应该根据供热系统自身特点并且结合实际运行工况来确定分时分区供暖建筑物的控制时间段。

3）在分时分区供暖控制系统中，为了能够有效地调控办公楼室内温度并确保在办公时间前达到室内温度的要求，应该采用质调节和量调节相结合的方式。因此，提倡使用分时分区供暖监控系统，尤其在供热系统中的推广应用，不仅可以大大提高供热单位的用能管理水平，还可以实现供热系统安全可靠稳定的运行，最终可以实现供热系统多方面的节能，这是一种比较好的供热方式。

总之，采用分时分区供暖控制方式时，设备的利用率大大提高，能源的消耗得到降低，节约电能，可以保证室内所需的温度，提高了社会效益、经济效益、环境效益，是一种科学合理、前途光明的有效供暖方式。