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              天津津能集团 初步应用与研究报告

              2021-12-14


              岳康园高区项目初步应用与研究报告

              天津市热电有限公司张杰 赵睿 朱雷 孙琪

              摘要

              为了解决二次网“前端热,末端凉(水平失调);首层热,顶层凉(垂直失调)”的问题,进一步了解二次网热平衡的设备选型和运行方式,构建新型数字化、智能化二次网热平衡系统,为全面实现精准舒适供热奠定基础,本项目选择岳康园高区作为项目的实施地,采用“表阀一体”可调控热量表作为户用末端设备,以热用户室温为调控目标,开展用户端热平衡系统调控项目

              【关键词】二次网热平衡 精准舒适供热 室温软测量 节能降耗

              背景简介


              岳康园高区由3幢公寓组成,共7层(11-17层),2009年建成,为节能建筑,包含49户住宅,总面积4131.4㎡,其中正常用热45户,报停用户4户,实供面积3829.27㎡,采用独立的换热机组供热,循环泵功率2.2kW,额定流量20.5t/h,变频运行,二次网供温可由上位机下发温度曲线自动控制。

              2 项目内容

              2.1 系统架构

              户间平衡是在热用户的入户端安装智能测控终端(可调控热量表),通过内置的控制阀自动调节入户流量,从而实现户间热量的合理分配,避免供热系统的失调,特别是垂直失调,以此实现户间平衡。本项目安装49只可调控热量表,作为末端调控设备,同时也可以作为热用户的热计量设备。

              本项目同时尝试采用室温软测量技术,即通过入户供回水温度、流量、房间供热功率和传热系数K等参数与室内温度的内在关系,间接推算出用户室内温度,实践该技术在室温监控和二次网平衡中的应用,最终达到精准舒适供热。

              Shape1  户间平衡系统由可调控热量表、集线器、集抄器、热量表集抄管理软件等部件组成,如图1所示??傻骺厝攘勘戆沧坝谧』Ы?,由Enbus数据总线和每个单元的集抄器通讯,集抄器通过4G数据通讯??楹褪莘衿髟冻涛尴咄ㄑ?,实现温度、流量、热量等信息的交互,并执行数据服务器的阀门控制信息。热量表集抄管理软件运行于数据中心的数据服务器,通过互联网和集抄器保持远程数据通讯,系统架构如图2所示。

              1:项目所用可调控热量表和集抄器现场图

              2:户间平衡系统架构

                本项目的数据中心,用于可调控热量表的监控。数据中心安装热量表集抄管理软件、WEB服务???、控制算法???、室温软测量??榈?,平台主页面如图所示。

               
              3:软件监控平台主页面

              2.2 控制方案

              本项目控制方案采用“质调节”和“量调节”相对独立运行的方式,由户间平衡系统实现热平衡系统的“量调节”,由换热站平衡系统实现热平衡系统的“质调节”。同时,户间平衡系统提供流量指数和热量指数,指导换热站的经济运行。具体实施方案如下:

              2.2.1 量调节

              为了达到各住宅的室温均衡,对入户流量应进行平衡控制,也就是进行量调节。本项目采用基于供回水比例系数L的量调节方式,该系数L=(回水温度T2-室内期望温度T)/(供水温度T1-室内期望温度T),根据供回水相关比例关系,直接通过阀门开度调节入户流量,当L值一定时,随着室外温度降低,流量将增大,热量增加,理想情况下,热量的增加值ΔQ将补偿室外温度降低导致的室内热量损失值Δq,使室内温度恒定不变。由于该系数直接决定了热量的高低,消除了流量、室外温度和房屋隔热系数等参数的影响,因此控制稳定性好。

              本项目在每个热用户的入口安装可调控热量表,按设定的系数控制阀门的开度,阀门开度根据L值变化1小时纠偏一次,从而让每个热用户的系数L保持稳定,L一般取值为0.5~0.9之间,极端的当L=1时,此时T1=T2,热量表阀门开度将全开,当L=0时,阀门大部分时间将处于关闭状态。为了寻找热量的增加值ΔQ=室内热量损失值Δq时的L值区间,本项目需要在前期进行相应的L值系数修正和数据分析,如下图4-6所示:

              4101101室系数L值修正与分析曲线

              上图为10门1101室设置L值的调控过程数据记录,该室在换热机组供热上游区域,且属于边套,流量较充足,初始设置L值为0.80,经过多次修改后,经入户测温,室温可达24℃,与室温软测量获得值25℃相差1℃,基本一致,最终设置L值为0.75,后期运行数据变化见图5:

              5:10号楼10门运行数据记录

              在L值设定为0.75后,阀门开度在23%-30%之间动作,可以从图上看出,前期流量变化基本与阀门变化一致,后期流量变化对阀门变化较敏感,经分析,是因为后期受室外温度升高,各调节阀减小开度,且循环泵一直以45HZ运行,导致流量富裕,压头增大所致。该房屋热量供应充足,室温均在24℃左右,目前户内理想温度为22℃,下一采暖季可尝试调降低L值设置、降低同环境下二次供水温度或降低循环泵频率等措施,探索更优化的运行方案。

              691502室运行数据记录

              图6所示9门1502室属于中间位置,上述调控数据说明阀门开度的变化对流量的变化影响较大,且阀门开度在20%-25%之间动作,便可保证室内温度达到25℃,进一步说明该区域压头充足,供热效果好,同时对调节阀的测控精度要求也较高,目前该该户用调节阀可以满足测控要求,但后期对调节阀的控制算法还需进一步优化,已适应小开度下的调控相关要求。

              通过以上数据分析和推断,基本证明结合室温软测量的L值调控方案在二次网智能调节上的应用是可行的,为克服在室内安装测温单元诸多弊端提供了良好的解决方案,随着数据的积累和参数的优化,这一调控方案将越具有实用性和精准性。

              2.2.2 质调节

              二次网热平衡系统采用换热站平衡系统实现系统的质调节,即自动控制二次网供水温度??傻骺厝攘勘硗ü椅氯聿饬炕袢∶扛鲎≌氖椅鹿浪阒?,并根据面积和室温设定值,计算小区的加权平均室温,并根据气象的室外温度给出温度指数,管理人员可参考该温度指数,确定二次网供温值。

              本项目目前处于初期阶段,重点是对二次网的量调节、户间室温平衡和数据积累,后期将依据初期积累的数据完成对二次网的质调节。

              2.2.3室温软测量和L值修正

              室温软测量是内置在可调控热量表的一项重要功能,通过捕捉流速、供温、回温等信息,并结合建筑物特征、气候等参数,辅以入户测温、室温传感器的室温抽样,以及大数据回归分析等,对建筑物建立热传导模型,从而获取室内的温度。室温软测量模型获取的特征参数,经过数据服务器的处理,从而获得实时的室温情况,算法框架如图7所示。

              7:室温控制算法

              数据服务器将室温软测量获取的室温,和室温设定值比较,修正每个住宅的L值,调整每户的热功率,从而使得每户的室温逼近室温设定值。由于每户的L值变化很小,通常在0.1~0.3之间,因此该算法每周计算一次即可。

              为了对顶底等住宅进行更精确的室温测量,必要时采用入户测温或安装室温传感器的方式,以辅助系统建模。

              2.3 系统调控

              岳康园高区换热机组供热区域为岳康园8号、9号和10号楼的11至17层共49户住宅,停供4户,实际参与调控的45户。本项目2019年11月4日投入运行,初期主要进行通讯网络的调试,安装和运行状态的排查,之后,设置每个住户的基本参数、设置室温设定值、设置供回水温度比例系数L的初值、设置室温软测量参数初值等。

              由于调控初期室温较高,室温设定值T按保守值设置,T=22℃。供回水温度比例系数(L值)也按保守值设置,顶楼为0.9,边套0.8,中间套0.7。室温软测量所需的参数均按三步节能建筑相关参数设置。

              12月24-25日两天,户用调节阀全开,平均室外温度为1.03℃,供水温度为44.58℃,回水温度为40.18℃,循环泵频率为45Hz,日耗热量12.01GJ,度日数热耗为1.77W/㎡℃,户表的流量与回温分布不均匀。经过2019年12月25日实地考察并入户测温,测温结果如表1:

              1:岳康园入户测温记录

              房间号

              房间位置

              供暖方式

              测温结果

              81703

              地采暖

              19.9℃

              91502

              地采暖

              25.1℃

              101602

              地采暖

              24.5℃

              101201

              散热器

              21.9℃

              101701

              边顶

              散热器

              20℃

              91701

              散热器

              22℃

              81103

              散热器

              20℃

              81301

              散热器

              24℃

              91201

              散热器

              25.3℃

              通过入户测温发现个别用户家中存在散热器改地暖现象(如8门1703、9门1502、10门1602等),各住宅温度差异较大,入户测温边套与顶套温度分布在20℃到22℃(采集自边套10门1201:21.9℃、边顶套10门1701:20℃、顶套9门1701:22℃、边套8门1103:20℃),中间套温度分布在23℃到26℃(采集自8门1301:24℃、9门1201:25.3℃、10门1602:24.5℃),表2为静态测温值以及日耗热量:

              2:开启控制前静态测温值以及日耗热量


              0000.png


              通过入户调查,部分住户对暖气阀门进行了调整(关阀),仅开启卧室、卫生间阀门,更有用户家中阀门基本全关。通过调控平台获取的各户流量和回水温度数据,经过整理分析发现岳康园高区存在典型的流量分配不合理、回水温度参差不齐的现象,部分用户流量在0.9m3/h以上(如8门1101、9门1201、10门1502等),而另有部分用户在0.1m3/h以下(如9门1301、10门1602、10门1201等)。如图8为开启控制前各户流量分布,图9为开启控制前各户回温分布:

              8:开启控制前各户流量分布

              9:开启控制前各户回温分布

              本项目自12月4日开启自动控制,可调控热量表根据设定的系数L,对每户的流速进行调节,达到供回水温度比例系数的要求。至12月28日顶套边套与中间套室温差异减少了2℃,顶楼住户平均室温提高了2℃左右,基本与预期效果一致。表3为开启控制后用户静态测温和日耗热量:

              3:开启控制后用户静态测温和日耗热量

              12121212.png

              通过数据分析,各户流量分布与回温差距也相对平衡,中间套和边套流量集中在0.6m3/h以下,顶套流量在1m3/h以上,中间套回温集中在38℃以下,边套回温在38℃到39℃,顶套回温在40℃以上。图6中部分用户流量变化不明显的原因为自主关阀(如8门1703,9门1602,10门1201等),经入户调查,自主关阀的原因为楼上住户为地采暖,地采暖传导辐射的温度,使楼下关阀户室内热功率充足或室温足够,在现场入户采集室温时发现8户用户将散热器改造为地采暖(8门1703、8门1503、9门1502、10门1701、10门1702、10门1601、10门1602、10门1402)。

              再次通过调控平台获取的各户流量和回水温度数据,经过整理分析发现岳康园高区流量分配已趋于合理,回水温度已相对集中,如图10为开启控制后各户流量分布,图11为开启控制后各户回温分布:

              10:开启控制后各户回温度分布

              11:开启控制后各户流量分布


              3 项目实施效果

              3.1 室温软测量效果分析

              室温软测量在绝大多数的工况条件下本身是精准的,就和室温传感器本身精准一样,但外界因素影响时,就会造成一定的测量误差,如用户开窗、关闭阀门、暖气片遮挡等等对估值的准确性影响较大。本项目挑选了几户具有代表性的住户安装室内温度传感器,并将室温软测量所估算的温度与室温传感器所测温度进行对比修正,就目前和室温传感器的比对结果而言,室温软测量和室温传感器的测量结果具有高度的相关性,60~70%的住户测量误差小于±1度,剩余住户一般误差小于2 度,详见表4和表5。

              4永勤里91701温度对比表

              91701

              31

              32

              33

              34

              35

              38

              39

              室温软测量(℃)

              23.6

              23.4

              24.7

              24.8

              24.7

              24.8

              25.3

              室温传感器(℃)

              24.1

              24.2

              23.3

              22.6

              23.2

              24.2

              23.5


              5永勤里101701温度对比表

              101701

              31

              32

              33

              34

              35

              38

              39

              室温软测量(℃)

              19.8

              20.2

              20.1

              20.7

              20.4

              21.2

              22.0

              室温传感器(℃)

              20.8

              20.2

              20.6

              20.5

              20.5

              21.7

              21.8


              3.2 设备与调控分析

              岳康园高区在整个运行调控期间,49台热表上数率100%,自控率100%,设备运行稳定,计量准确。

              根据室温软测量所估算出的室温以及抄表显示数据,小区已初步解决了垂直失调,实现了二网平衡的目标,本项目选取了两个不同时间的边、顶、中间套三个区域统计的供热数据如下表6、表7所示:

              6标件新居各位置用热分析表(326日)


              平均室温(℃)

              均户流量(m3/h

              每平米流量

              每户功率(kw

              每平米功率(kw

              边套

              24.3

              0.447

              0.0044

              0.86

              0.0084

              顶套

              23.9

              0.639

              0.0076

              0.96

              0.0114

              中间套

              24.2

              0.127

              0.0016

              0.34

              0.0044


              7标件新居各位置用热分析表(213日)


              平均室温(℃)

              均户流量(m3/h

              每平米流量

              每户功率(kw

              每平米功率(kw

              边套

              25.2

              0.256

              0.0025

              2.23

              0.0220

              顶套

              25.0

              0.921

              0.0109

              3.86

              0.0458

              中间套

              25.3

              0.202

              0.0026

              1.74

              0.0193

              3月26日室外温度为8~20℃,供水温度为29.5℃;2月13日室外温度为1~12℃,供水温度为44.6℃。表中数据表明,中间套的供热情况最为良好,3月26日平均每平米能耗目前只有4.4W,平均室温达到24.2℃;顶套用户的供热功率比中间套高159%左右,平均室温达到23.9℃;边套的供热功率比中间套高91%左右,平均室温达到24.3℃;虽然顶套用户的控制阀已全部打开,控制系统给顶层调配的水量和热量都远高于小区平均水平,其供热能耗比中间套高159%,但其室温在整个小区中仍然是最低的,造成此结果的主要客观原因是在于其特殊的房间位置和耗热特性,即使消耗了其他位置用户数倍的水量和热量,但还是达不到小区平均室温,主观原因是室内温度平均在24度,反应出系数L值设定普遍偏高,还有进一步降低的空间,这样可以向边顶区域输送更多流量。

              综上,在开启了平衡控制以后,中间套和边套温度集中在24℃,边顶套温度提升了2℃,基本实现了户间平衡,避免了水平失调和垂直失调,达到项目预期效果。

              3.3 电能分析

              从12月4日系统正式投用,循环泵45Hz变频运行,截止至3月15日24点(100天),电耗共计2712.3kwh,0.274w/㎡,与去年同期(2018年12月4日-2019年3月15日)3973.9kwh(0.401w/㎡)降低了1374.6kwh,降幅达31.75%。若按一个采暖季150天计算,至少可节省电能2061.9kwh(图12所示),按0.65元1kwh计算,可节省电能成本1340元。

              12:全年电量与降幅

              电能节省的背后是二次流量的降低,通过计算可调控热量表累计流量,得出二次总流量变化曲线,该流量变化趋势与电量变化趋势基本一致,与室外温度变化趋势相反,如图13所示,该图说明了自动调控效果显现,且符合调控逻辑,且室外温度越高,有功电能节省的空间越大。如果没有调控,二次流量将基本维持在红线值18吨左右,有功电能将无法被节约。

              13:自动调控后二次流量、循环泵有功电能随室外温度变化曲线

              3.4 热能分析

              2019年12月4日到2020年3月15日总耗热量为869.1GJ(24.35w/㎡),平均室外温度为2.686℃,度日数热耗1.701w/㎡℃;去年同期总耗热量为1245.2GJ(34.89w),平均室外温度1.899℃,度日数热耗为2.015w/㎡℃,总耗热量下降了376.1GJ,降幅30.20%,度日数热耗降幅达15.58%,若按一个采暖季150天计算,估算可节省热能564.1GJ(如图14所示),按28元1GJ计算,可节省热量成本15795元。

              14:全年热量与降幅

              4 项目后期计划

              4.1由于调控后系统采用大温差小流量运行,按每平方米的水量配比小于调控前系统,因此二次网循环水泵的运行频率还可以适当降低(目前为45Hz),以进一步节省电量。另外,为减少在此项目调试阶段的用户投诉,二次供水温度上限设定为45℃,接下来,将尝试二次供水温度上限为43℃时的运行工况。

              4.2项目下一阶段将重点对采集数据进行收集、分析和迭代,寻找不同室外温度下各户的热功率变化,通过对比分析入户测温或室内测温单元测温值,持续优化各户供回水温度比例系数L。

              4.3不断提高室温软测量的准确度,针对个别户户用调节阀全关,但室内温度依然可达到20℃的现象,很难通过室温软测量来预测温度,我们将对这些特殊用户进行独立分析和研究,寻找更为科学的解决方案。

              4.4通过运行数据分析建模,不断拟合出换热站二次所需流量和供温曲线,目前循环泵电机频率仍然需要人工设定,下发曲线仍需人工下发,下一阶段,尝试循环泵自动变频运行,将二次平衡系统与二次供温调节系统相连接,实现无人智能化曲线下发。

              4.5精细化管理方面,本项目除了实现对整个楼宇的户间平衡这一重要功能外,通过对流量和温度的分析比较,还可实时掌握用户的停用热状态,是否存在恶意放水窃热等,极大方便后续监控和失水治理。

              5 结语

              本项目自2019年10月份实施以来,共运行5个月,通过持续的调试和优化,已基本实现户间平衡,可随室外温度、二次供温等参数变化进行自动调整,运行稳定且节能效果显著,为后续精准供热项目升级优化提供了前提条件和实践经验。



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