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上一层 电地暖 水地暖 壁炉产品 暖气片散热器 结构供暖制冷 室内供暖温度 采暖温控技术 浅谈电供暖 供热能力估算

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供热采暖系统的温控技术

 

    摘要:本文分析了供热采暖系统采用温控技术的节能潜力,分析了适合我国国情的具有按热量计量功能的住宅室内采暖系统方案和室外供热管网水系统变水量控制方案,论述了供热采暖系统的温控计量对建筑节能的意义,概要介绍了实现供热采暖系统温控计量的几种相关技术,以及可采用的相应控制装置等。
    
关键词:供热系统  温控技术  节能  控制

    1温控的意义
   
我国地域广阔,人口众多,房屋建筑规模巨大,其中住宅建设约占居住建筑的92%,住宅建设量大而且面广,至今仍呈上升趋势,而且这个上升趋势还将持续2030年。但是我们必须清醒的看到,我国如此庞大的房屋建筑及住宅建设的快速增长是以资源和能源的高消耗为代价换取的,除了利用最直接的资源-土地以外,住宅能源消耗的增长是住宅建设发展的一大限制因素。当前由于我国建筑物的保温隔热和气密性能很差,供暖系统热效率低,单位住宅建筑面积采暖能耗为相同气候条件下发达国家的3倍。
    1.1
国外应用情况及我国发展现状  
   
国外,特别是在北欧国家,从20世纪70年代能源危机以来,十分重视建筑节能工作,并制定了有关政策、法规以及相配套的技术措施。国外发达国家的集中供热系统均为动态的变流量系统,其调节与控制技术先进,控制手段完善,设备质量高。通常一次管网所提供的热量在热力站交换成二次采暖热水和民用生活热水。在热力站的二次水系统中均安装有变频调速的水泵、压差控制器、电动调节阀、气温补偿器以及回水温度限制器等设备。有了一整套成熟的供热系统运行模式。集中采暖按热量计费是世界各国发展的趋势,也是各国家节能环保的一项基本措施。目前除西方发达国家已采用这一措施外,东欧各国及原苏联地区国家正逐步推广。目前,随着对供热节能研究的深入,热计量与温度控制已经成为当前我国暖通行业关注与研究的热点。由于我国热计量与温控方面的研究处于起步阶段,存在一定程度上的盲目性与试探性,研究中出现了一些问题与争议,比如国外的热计量方式与推广经验是否适合中国国情?国外的温度控制与热计量产品能否在中国完全适用?面对我国如此大的市场需求,开发什么产品、采用什么系统方式能够经济、简单、可靠,在达到节能目的的同时,满足舒适需要?等等,这些都需要我们进行更深入地研究和探讨。近几年来,国内许多部门做了大量有效地工作,在居住建筑建立适合热量计量的供热系统以及热量计量方法方面做了一些示范工程,进行了有益的探索,取得了一定的成效。比如天津市凯丽花园热分配式的热计量、龙潭路节能住宅一户一表式热计量等,都为下一步的研究提供了宝贵的经验。另外,在温控与热计量产品方面,一方面,国外大公司如KotechHoneywell、西门子、斯伦贝谢等大举进入中国市场,另一方面,国内生产企业全面进入起步阶段,温控与热计量产品的研制开发工作发展很快,已经有多家企业开发出类似产品。
    2
供热采暖系统温度控制是建筑节能的一个重要途径
   
根据“民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)大连地区实施细则”第3.0.5条中给出的建筑耗热量指标与采暖耗煤量指标的计算公式可知[3]:


    qc=24
·Z·qH/(Hc·η1·η2)


    
式中:qc为采暖耗标准煤量指标(kg/m2)qH为建筑物耗热量指标(W/m2)
    Z
为采暖期天数(d);Hc为标准煤热值,取8.14×103(W·h/kg);η1为室外管网输送效率,采取节能措施前取0.85,采取节能措施后取0.90;η2为锅炉运行效率,采取节能措施前取0.55,采取节能措施后取0.68
    2.1
室外气候温度变化的影响
   
在采暖季里,气候的变化不总是很规律的(例如气候反常、暖冬等现象)。随着室外温度升高或降低地不断变化,建筑热负荷也将降低或升高地发生变化,供热采暖系统应能及时根据其变化自动调节相关的供热参数。
    2.2
室内需求温度变化的影响 
   
不同地区、不同场合、不同建筑、不同时间、不同需求、不同消费水平等对室温的要求也不同。只要采取合理控制室温的方式,分别设置适当的室温设定值,并实行自动调节,就可大大降低能耗,实现经济运行。
   
该指标是评价由建筑物和采暖系统组成的综合体能耗水平的一个重要参数指标。其中,建筑物耗热量指标qH是单位建筑面积在整个采暖季的平均能耗指标,与建筑热负荷的大小直接相关。建筑热负荷不是一个常量,除与建筑围护结构保温性能、门窗密闭性等传热特性及自由热的补充等方面因素有关外,室内、外气温变化对建筑热负荷的影响也很大。因此要实现节能50%的目标[2],从建筑物供热采暖系统的温度控制入手,也是大有节能潜力的。
    3
控制形式
   
“开/关”型控制:这种控制是当温度高于设定值时,加热器关闭,温度低于设定值时,开启加热器,温度始终在一个范围内,见图1,这种控制形式简单可靠,一般用于传导型或流型加热的场合。

 

(图1

    比例型控制:在一个温度范围内,(即通常说的比例带,一般为±10℃),当低于这个时,加热器满功率运行,高于这个范围,加热器被关闭,在这个范围时,则加热器功率随温度的升高而降低,最后稳定于某点,如图所示,比例型控制可消除″开/关″型控制的温度波动,但温度的稳定点因加热系统的不同而不同,见图2。所以第一次开启加热系统并达到稳态时,要用手工对稳定点进行补偿;为了控制精度,比例控制一般不用于负载变化范围较大的场合。

 

(图2

    比例微积分控制(PID控制):比例积分控制是在比例控制的基础上增加积分、微分控制,在正确设定PID参数后(也可自动设定)[3],可减少或消除,起始时的温度波动和温度偏差,并很快在温度设置处稳定下来。见图3PID控制常用于控温精度较高或负载波动较大的场合。

 

 


    
串级控制:上述的控制,在负载变化较大时,其温度很难一直维持在设置值。为达到这一目的,我们可以增加一个和更多个传感器,监视负载的变化,在温度还未变化时,就及时调整功率,保证温度的稳定。例如,在一个加热流动介质的系统中,流量变化时PID控制要等温度变化时才会调整功率,这有一个较大的迟后性,而串级控制,有一个流量传感器,当流量变化时,功率就及时调整,保证了介质温度的稳定性。控制系统可以方便地和DCS系统联络,实现中央控制。
   
实现供热采暖系统温度控制的几种相关技术
   
分析室内、外温度对供热采暖系统相关参数的影响可知,系统温度控制的节能途径主要从四个方面考虑[3],即:系统水力、热力实现平衡;室内恒温控制,按需供热;利用自由热,减少供热量;室温调节,实现经济运行等。下面简述实现上述节能途径的几种相关措施。
    3.1 
户内控制与户外控制相结合
   
对于一个户内控制设备完善的系统(安装了温控阀和热量表),必须有相应的户外控制保证户内设备正常地工作。如果户内采取了节能手段,而户外没有配合措施,一方面会引起管网水力 热力工况失调现象,导致近端与远端热用户平均室温差异过大,增加整个供热系统的热耗,降低输水系统的热效。另一方面室内温控阀、热量表也不能在正常工况下工作,节能这一根本目的就不能实现,所以户内控制一定要与户外控制相结合。
    3.2 
热源温度控制
   
由于采暖用户在室内采取温控措施以及室外气温的变化,使系统热负荷为动态的变数,外网及热源必须采取相应的控制手段,例如热水网路采取相应的质量流量调节或质调节方式及气候补偿方式等。目前许多地方采用根据室外温度自动调供水温度的方法。图4为大连地区某换热站供、回水温度质调节曲线。

 

(图4)供、回水温度质调节曲线

     另外,热源热媒参数低,影响传热系统。如集中锅炉房的高温水参数为11570℃,实际约为9575℃,低温热水锅炉的热媒参数应为9575℃,实际约为7055℃或更低[2]。供水温度普遍偏低主要是两个原因造成的:一是“大流量、小温差”的落后运行方式,二是散热器计算留有余地过多。对于一个恒供热量的热源(锅炉或热力站)来说,因循环水泵流量过大,降低了热媒参数,影响了室内散热器的传热。当供热系统的实际循环流量超过设计循环流量时,其实际供回水温差必然减少,进而导致供水温度下降,回水温度上升,能耗过大。如果适当提高热源供水温度,就能提高锅炉出力和换热器传热效率,改变换热器的低负荷运行状况。同时减少循环水泵流量,实现经济高效运行。
    3.3 
水泵变频控制
   
室内采用温控阀是一种变流量调节的方式,利用组装式热力站和三通混水阀也要求改变通过的流量。这种情况下,最好采用循环水泵、补给水泵的变频变流量调节系统。变频水泵根据系统阻力、流量变化,改变转速,调节水泵出力,使水泵始终在较高的频率下工作,这对当前推广的动态变流量系统是十分重要的。循环水泵实现变流量调节,在整个运行期间,可节电30%50%。这不仅大大降低耗电量,有效节能,也改善了调节阀(温控阀、电动调节阀)的工作条件。而且系统运行平稳、可靠性高。
    3.4 
加装相应的控制装置
   
国外发达国家的集中供热系统均为动态的变流量系统,系统自动控制技术先进,调控手段完善,设备质量高。建设部制定的有关政策法规也就提高供热管网调节控制技术问题提出了要求[1],指出:“在推广管网水力平衡技术,做到静调节的基础上,在开发推广热表和温控阀的过程中,引进和研究管网调节控制技术及其设备,如变频调速泵、压差控制器、气温补偿器等设备及其自动控制技术,使管网系统进一步做到动态调节。”因此,加装相应的控制装置是十分必要的
    (1)
室内温控阀。温控阀是安装在散热器上的自动控制阀门,它可以根据用户设定的温度,自动控制和调节散热器的热水供应,保证稳定舒适的室温。还可充分利用周围环境资源的热量(如阳光入射、人体活动、电器等热量产生的采暖自由热),降低供暖热负荷,实现充分的节能。室内温度根据需要自行设定也符合我国国民经济的发展水平。
    (2)
气候补偿器。根据室外气候变化和时间变化,按照设定曲线求出恰当的供水温度给定值,自动控制供水温度,简单准确的实现动态质调节,满足用户对室内温度要求。保证供热量与建筑物的需热量一致,获得最佳舒适度及能源利用。
    (3)
自力式流量调节阀、自力式压差调节阀。两种调节阀原理相同,都是根据测压点的压力变化自动调节阀芯位置,达到恒定流量或是恒定压差的作用。在供热采暖系统末端安装温控阀等控制元件后,动态地调节势必会给系统带来波动,系统稳定性受到影响。影响其它末端设备工况的同时,也影响水泵、锅炉等中央设备的出力、效率等工况。因此需要这种自力式控制设备来增强系统稳定性。
    (4)
热量表。使用热量表可促使热用户按个人的需求从供暖系统中取热,节省多余热量和开支,使更多的人关注节能。发达国家早在六、七十年前就开始进行热量的按户计量工作。近年来,国外的厂商纷纷关注我国的市场,并带来了各种型号的仪表。国内也已研制生产出各种型号热计量表。
    4
采用计算机控制技术,实现供热管理信息化
   
国外大公司如KotechHoneywell、西门子、斯伦贝谢等大举进入中国市场,这里向大家介绍韩国的KOTECH(高太克)温控系统的几大卖点:
   
(一)可以24小时编程,24小时预约。
  
(二)不仅能确认客厅及各房间的采暖状态,还可以控制。
  
(三)在各房间可单独控制采暖
    KOTECH
温控系统计划在二00七年将产品推向最尖端的技术,即与因特网连接。用RS485PLC通讯可与因特网连接,内装很多适用于多种通讯协议的程序,有PCbased远程采暖监控系统。
   
温度实时监控设计:主要是利用控制室内现有计算机资源,分别把机柜室和操作室的温度、湿度信号引入计算机系统,并且直接用于控制空调的运行,将控制室的环境温度、湿度状态数据在操作台上、上位机中实时监视、记录,设定报警功能,实现中控室环境的数字化控制和时尚化设计。
   
计算机控制系统可对供热采暖系统的各种设备、阀门等运行状态进行在线的智能化监测、控制和管理。全面监测、记录各运行参数,协调各系统间运行,提高管理水平,增强系统的安全性和可靠性。并可使整个生产过程实现信息化管理,节省运行能耗,使供热采暖系统的运行、管理水平走向现代化。
    5
结束语
   
供热采暖系统的温控计量技术是实现建筑节能目标的主要途径,涉及千家万户直接利益,同时与社会效益、环境效益、经济节能效益以及可持续发展战略紧密相关。我们应该吸收国外先进技术,不断创新探索,积累宝贵经验。采取各种有效的节能技术与管理措施,在提高热用户生活质量的基础上,降低采暖季的建筑物耗热量,以达到既满足居住热舒适性,又节约能源和改善环境的目的。
    6
参考文献
   
1]建筑部建筑节能“九五”计划和2010年规划[M].1995.
   
2]徐伟,邹瑜主编.供暖系统温控与热计量技术[M].中国计划出版社,2000. 

   3]沙占友主编.温度传感器原理与应用[M].机械工业出版社,2005.

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