张宪金 宋合志 王长连

(北京劳动保障职业学院 北京 100029)

随着我国经济社会的快速发展，我国已经成为世界能源生产和消费的第二大国。资料显示，建筑能源约占全国能源总消耗量的24.9%, 供热能源消耗占城市建筑总能耗的40%～60%[1]。截至2015年底，我国的供热面积已经达到61.7亿m2，预计到2025年供热面积将达到152.07亿m2，年均增速高达9.44%[2]。

一、高校供热系统特点及现状

高校集中供热系统的设计和运行管理与城市一般公用建筑不同，它主要采用区域性集中供热方式，即各个高校校区能够建立独立于城市供热系统的独立供热系统，实现校区内所有建筑物的供热。因此，它的供热系统的调节更为灵活，管理更为具体，控制更为精细。

高校校区根据建筑用途主要分为办公教学区、学生公寓及教职员工住宅区三类。其中办公教学区建筑主要包括教学楼、电教中心楼、教工食堂、办公楼、图书馆和学生食堂等与教学活动相关建筑物。这一功能区的供热时间及主要特点为：晚上10:00至早晨7:00之间，由于没有人员活动，所以只提供值班供暖的防冻措施，满足室内最低供暖安全温度即可。对于学生公寓区和教职员工住宅区则需要连续供暖。学生公寓区主要特点为：学生上课和自习时间可以适当降低供暖温度，早、中、晚的休息时间要保证正常供暖。对于教职工住宅楼和学生公寓，睡眠期间的室内供暖温度可比白天低2 ℃，这样人体感觉比较舒适[3]。而在学校寒假期间，除教职员工住宅区建筑外，其它建筑只要满足系统不冻坏即满足室内最低供暖安全温度即可。以下以北京某高校的供热系统为例，探索“分时、分区”热力管网改造及节能运行管理的具体措施。

二、某高校集中供热系统改造与节能运行管理实例分析

(一)某高校集中供热概况

北京某高校位于繁华的海淀区西三环北路，其本部校园分为东、西两区，房屋建筑面积共计12万平方米。校区集中供热建筑物按其使用功能可划分为办公教学区、学生公寓及教职员工住宅区三类。学校建筑均采用自备锅炉房集中供热，其主要设备为两台4.2MW和一台2.8MW的西安金牛股份有限公司生产的燃气热水锅炉。原热力管网系统设计于1997年10月，并于次年投入运行。学校的供暖是统一的，即当教学楼及教职工住宅区供暖时，也会给办公楼和学生公寓区供暖。其供热管理方式采用传统的连续性、定流量和调质调节的运行模式。尽管该校的供热系统投入运行以来一直较为稳定，但也存在着供热运行成本较高、能源消耗过大的问题。

(二)“分时、分区”热力系统设计

为了同时满足不同区域供暖需求，我们对原有热力管网系统进行了改造，改造后的热力管网如图1所示。在热力主管网不变的情况下，各功能分区的建筑物热力入口供、回水干管上(即在二次表面式换热器的高温进水管路上)均增加了电动流量调节阀、过滤器和最小流量限制阀等附件，并设置相应的流量传感器，进、出水温度传感器等，以便数据采集、分析和系统流量调节。另外，对于各功能区、各楼群均设置温度数据采集系统，尤其是对系统远端用户重点监控。热力管网改造之后，供暖管道分为三个区域，分别负责办公教学区、公寓区和住宅区的供暖。各个区域的供暖相互独立、互不影响，这样有效避免了由连带供暖所带来的能源浪费，同时显著减少了区域系统调节对整个热力管网水力稳定性的影响。

(三)集中供热节能运行管理措施

1.室外温度补偿运行管理措施

随着室外温度变冷，供暖主干管的供/回水管道上的热负荷增加，用户需要更多的热量，以维持室内温度的要求，这时候供暖系统应提供较高温度的循环水或更大的水流量以满足系统各用户的用热需求。反之，随着室外温度升高，供暖系统可适当降低系统供热温度。通过绘制“室外温度/热力出水温度”的供暖曲线，系统按照此曲线供暖，不但能够满足用户需求，也可以节约大量能源。这种通过室外温度的变化，带有预测性地调整系统供热温度的控制方法称为室外温度补偿运行。可见，室外温度补偿运行方案是热力管网调质调节运行的一种具体运行调节形式[4]。

2.用户端温度补偿运行管理措施

为了保证供暖效果，避免能源浪费在能源输送环节过程，应及时掌握各功能区典型房间内的温度，使用户室内温度保证在18 ℃±2 ℃(北京市供暖标准)范围之内。如果室内温度低于16 ℃，则供热系统提供的热量不足，供热系统则需要合理地提高出水温度或供热水流量；反之，如果室温高于20 ℃，则供热系统提供了过多的热量，供热系统需要合理降低出水温度或供热水流量。在本次改造中，用户端温度是通过物联网远程测温系统采集的。以计算机软件作为数据输出终端，采集到的数据一方面存入数据库，为查看供暖效果提供依据；另一方面传送给锅炉控制系统，为供暖控制提供依据。

3.分时、分区供暖运行管理措施

分区供暖的实现为分时供暖的实现提供了前提条件。由于各个区域的供暖相互独立，就可以对不同的区域采用不同的供暖策略。根据多年供暖经验及采集到的大数据分析结果，系统改造后采用了如图2所示的分时分区的供暖曲线运行策略。办公教学区、学生公寓及教职员工住宅区三个区域的供暖分时和供暖曲线选择如表1所示。在寒假期间，除教职员工住宅区正常供暖曲线外，其余的均采用供暖曲线1供暖。

表1 北京某高校供暖分时、分区供暖曲线对应表

图2 某高校集中供热分时、分区供暖曲线运行策略图

在正常供暖时，为了满足用户端温度补偿的要求，各功能区各楼群的供热曲线的选择主要以修正供热曲线的截距为主要手段，以满足各用户室内温度变化的要求。例如，当室内温度低于16℃时，在当时供暖曲线的基础上，保持供暖曲线的斜率不变的同时，增加供暖曲线中“回水温度”轴上的截距。根据室温低于16℃的程度，决定截距增加的多少。同理，当室温比20 ℃高时，降低供暖曲线中“回水温度”轴上的截距。根据比20℃高的程度决定截距降低的多少。

4.远程数据采集、设备控制节能技术

为进一步节省能源消耗，校园热力系统的四台循环水泵均采用了变频器调节控制以适合调节系统总流量，节约能源输送运行成本。在燃气锅炉上设置锅炉烟气余热回水装置以提高锅炉热能利用效率，加强热力管网的保温性能减少管道热损失，建筑物增加保温层以增加建筑物保温性能，进一步降低由围护结构引起的热力损失。上述措施的实施也相应减少了热力系统能耗，达到进一步节能运行的目的。

综上所述，在对校园集中热力管网升级改造的基础上，采取“分时、分区”供暖、室外温度补偿运行和远端温度补偿运行等三种运行管理措施，通过建立完善的以气候补偿、系统数据收集处理和系统各功能区的供热调节(包括锅炉燃烧状况、锅炉启动或者停止、水泵变频器、电动阀等设备和调节执行机构)的集中控制系统，解决了锅炉房单一控制与整体热力系统节能运行之间不能统一的矛盾。

三、能耗与节能率计算分析

为了检验系统节能改造的实际效果，该校特委托北京市煤炭节约办公室节能检测站对学校校区的集中供热系统进行对比测试。测试结果表明：在系统节能改造前后的同一同期，对比锅炉每平米燃气量节约17.60%。如图3所示，从系统改造前的平均每天17356.2 m3/d(约合每平米年耗气量8.79 m3/m2·a)到系统节能改造后平均每天14295.7 m3/d(约合每平米年耗气量约合7.24 m3/m2·a)。对比改造前后及实行新的运行管理模式后的实际耗能数据，该系统耗能仅为原耗能的82.4%，节能率达到17.6%，达到了供热系统节能的目标。

图3 系统节能改造前后燃气消耗对比

实践证明，通过科学的运行管理方案，利用集中供热系统的调质调节、质量流量调节和分时分区供热等综合手段达到了冬季供热系统的节能目标。