左文东，李彪，郭宝刚，高晓宇，顾吉浩，王维贺，董智鹏

（1.天津华电福源热电有限公司，天津 301700；2.河北工业大学能源与环境工程学院，天津 300401；3.工大科雅（天津）能源科技有限公司，天津 300401）

0 引言

碳达峰、碳中和的新气候目标是我国统筹国内和国际两个大局的战略决策［1］。在“双碳”目标的导向下，能源结构的调整与优化布局显得尤为重要。我国能源消费主要集中在工业、交通、建筑三大领域。2019 年，我国城镇集中供热导致的CO2间接排放量为4.5 亿t，约占建筑领域碳排放总量的29.0%，约占全国碳排放总量的4.6%［2］。由此可以看出集中供热行业存在较大的“节碳”市场，能源转型和节能降耗是实现集中供热行业“双碳”目标的有效途径。

近年来，集中供热系统的节能降耗技术也在不断升级。穆连波等［3］基于北京某燃气锅炉实际改造案例，提出了烟气余热深度回收利用方案，通过改造每年可减少排放4 722.5 t CO2；李琦等［4］针对热力站一次侧供热量与需求量不匹配的现象，基于深度确定性策略梯度提出了一种热力站一次侧优化控制策略；Mattias Vesterlund 等［5］以瑞典北部小镇为实例，提出了一种基于环状管网的集中供热系统的建模方法，用于优化多热源联网的运行；Ryohei Yokoyama 等［6］将多栋建筑的供热和制冷设备通过管网连接，灵活调度冷热源输配实现按需供能，节约能耗10.2%～25.2%。

现阶段，热源、一级网、热力站的节能降耗技术已相对成熟，但供热二级网缺乏有效的水力调控手段，导致水力和热力失调，以及热用户室温无法实时监控，是供热能耗过高的主要原因［7-9］。国内专家学者也进行了大量地探索研究，旨在消除“供热最后1千米”的失调问题。李甲年等［10］提出一种“预设比例法”对二级网进行流量平衡调节。史凯等［11］基于动态压差平衡阀和静态平衡阀技术，解决二级网水平失调和垂直失调问题。李更生等［12］采用“基于回水温度平衡法的智能二网平衡系统”对单元水力进行了平衡调控，使单元回水温度趋于一致。何乐［13］提出了一种基于室温修正技术的智能楼栋平衡系统，并分析了该系统在调节过程中的水力工况和平衡效果。上述2种方法仅是解决了水平方向上的水力失调问题，高层建筑垂直失调问题仍然存在。刘剑等［14］采用以用户室温作为调控目标的二级网智能平衡的调控策略，并对调控前后的室温及节能率进行了对比分析。但一般情况下，小区室温采集装置的安装数量有限，以室温为目标的智能调控策略在推广时具有一定难度。王建浮等［15］提出应用“通断法”热计量设备，通过改变分户阀门的通断比，实现二级网水力平衡调节，但要实现各用户室内温度的均衡，需要制定复杂的控制逻辑。史登峰等［16-17］定义了室温稳定度、室温偏离度和系统热力平衡度3 个公式，并结合其他数据对室温数据进行分析，用于评价二级网热力平衡效果。张杰等［18-19］通过构建新型数字化、智能化二次网热平衡系统，探讨了户间热平衡系统的架构、控制方案和室温估算技术，理论分析了户间热平衡系统的调控过程和运行效果。朱翼虎等［20］提出了以物联网水力平衡阀为核心设备，结合云端服务器和数据分析系统构成物联网水力平衡技术，通过对二级网的应用测试，对水力平衡结果进行了分析。

本文基于大数据分析技术建立二级网分户智能平衡调控系统，同时解决垂直失调和水平失调，并以用户室温反馈优化热力站调控策略，实现热力站和热负荷的“站荷联动”。在保障用户供热品质的前提下，通过降低二级网供水温度和循环水流量，节省热耗和电耗。

1 项目概况

该住宅小区位于天津市武清区，2020—2021年采暖季供暖面积63 771 m2，12 栋建筑，760 户，采暖末端为散热器，热力站分高、低区。2020 年，对小区二级网平衡系统及热力站自控系统进行了升级。主要建设内容包括：（1）在每个用户回水管道上安装带回水温度传感器的智能阀，调节流量及监测回水温度；（2）选取304 户典型热用户，安装室温采集装置，监测热用户室内采暖温度；（3）以楼栋为单位安装12台数据采集集中器，实现数据采集与远程调控；（4）升级小区热力站自控程序，实现上下位机数据对接；（5）在监控中心部署智慧供热管控平台，以热用户室温为目标，实现对热力站运行策略的自动优化。二级网智能平衡系统架构如图1所示。

图1 二级网智能平衡系统架构Fig.1 Structure of the secondary network intelligent balance system

2 调控原理

2.1 平衡调控理论

散热器与房间的传热量计算公式为

式中：A为散热器表面积，m2；K为散热器传热系数，W/（m2·℃）；tpj为散热器内热媒平均温度，℃；tn为室内采暖设计温度，℃；β1，β2，β3为散热器修正系数。

由式（1）可知，在理想条件下，各用户供回水均温一致即达到了用户间的热力平衡，而热用户供水温度基本相同，则各用户回水温度一致即可认为达到热力平衡。使用回水温度一致法，可避免流量测量的复杂性和低精度，有效提高了调控效率且降低了成本。但由于热用户散热设备阻力系数和周边采暖状况等各不相同，因此需要通过大数据挖掘技术，建立各用户回水温度修正的数据库。

由于用户回水温度存在明显的滞后性，因此二级网调控方式必然是定周期调节模式，调控步长根据实际回温与理论回温的偏差决定。

二级网热用户的动态调节会使整个二级网的管网特性发生变化：近端用户阀门关小，管网阻力系数增大，但由于缓解了水力失调现象，整网流量会明显降低，最终二级网循环泵降低频率运行即可满足要求。一般循环泵按照设定供回水压差的模式运行，即可实现水泵自动调频且满足水力工况。

2.2 调控效果验证

二级网智能平衡调控效果检验：（1）调控前后的能耗对比分析；（2）热用户回水温度离散性分析；（3）热用户室温分析。

由于调控前后室内外平均温度不同，为了统一对比标准，将实际能耗折算至供暖期室外计算温度和同一室温下计算，折算公式为

式中：xmax为用户回水温度最大值，℃；xmin为用户回水温度最小值，℃。

3 调控效果分析

3.1 调控前后能耗分析

3.1.1 热耗分析

选取2020—2021 年采暖季智能调控启用前后2 个时段的热耗数据，并将热耗数据折算到统一室内及室外标准温度下，再进行对比分析。

未启用智能调控时，供热运行人员根据经验对热力站进行调控，用户室温受室外温度波动的影响较大，室内均温在21.20～25.50 ℃范围内波动，并且用户室温比较离散。启用平衡系统后，热力站根据典型用户的室温目标23.00 ℃进行调控。调控结果表明，热用户的日均室温波动很小，基本在（23.00±1.00）℃范围内变化。本文中的室外温度数据来源于中国气象网，调控前后的室内外温度统计结果见表1，室内外温度变化曲线如图2所示。

表1 室内外温度数据统计Table 1 Statistical data of indoor and outdoor temperatures

图2 日均室内外温度变化曲线Fig.2 Variation of daily average indoor and outdoor temperatures

热耗数据采用该小区热力站内的热计量表，图3 和图4 分别给出了调控前后的单位面积热耗以及折算至采暖期室外计算温度和相同室温下的单位平米热耗统计。

图3 单位面积热耗Fig.3 Heat consumption per unit area

图4 折算后单位面积热耗Fig.4 Heat consumption per unit area after conversion

经有效数据计算，时段1 热耗指标为2.95 MJ/（m2·d）即34 W/m2，时段2 热耗指标为2.82 MJ/（m2·d），利用耗热量折算公式（2），调控前折算耗热量为3.27 MJ/（m2·d），调控后折算耗热量为2.82 MJ/（m2·d），调控后热耗降低14%。

3.1.2 电耗分析

供热二级网总循环流量直接影响热力站耗电量，图5 和图6 分别给出了智能调控前后的循环水泵频率曲线和供回水温差曲线。由图可知，循环水泵频率由50 Hz 降低到46 Hz，供回水温差由8 ℃上升到11 ℃，说明二级网水力失调得到了有效缓解，减小了运行流量，实现“小流量、大温差”的智能运行模式，循环泵频率随之降低，节省了热力站的电耗。

图5 循环泵频率曲线Fig.5 Curve of the circulating pump frequency

图6 供回水温差曲线Fig.6 Curve of the supply and return water temperature

根据热力站电耗统计报表，本采暖季调控前（时段1）日均电耗为0.011 4 kW·h/m2，调控后（时段2）日均电耗为0.008 8 kW·h/m2，电耗下降23%，节电量效果显著。

3.2 热用户回水温度离散性分析

从上位机软件抽取调控前后2个时间点的换热机组回水温度及部分热用户回水温度，并对热用户回水温度离散性进行分析。图7 和图8 分别为2020年12 月8 日19∶00（调控前）与12 月23 日19∶00（调控后）各用户回水温度散点。由图可知，机组平均回水温度为39.04 ℃，调控前的用户回水温度离散度较大，最高回温为44.00 ℃，最低为34.50 ℃，极差为9.50 ℃。智能调控后，热用户回水温度的离散度明显减小，大部分回水温度与换热机组平均回水温度接近。用户回温最高值为41.00 ℃，最低值为37.50 ℃左右，极差为3.50 ℃。在智能调控的过程中，大部分近端用户的智能阀开度逐步减小，回水温度逐渐降低，最终在低开度保持稳定。远端用户在调控前期，流量不足，回水温度低于换热机组平均回水温度，智能阀处于全开状态。调控后，远端用户的回水温度较调控前明显上升，逐渐与换热机组平均回水温度趋于一致。

图7 12月8日19∶00热用户回水温度散点Fig.7 Discrete points of the heat user's return water temperature at 19∶00 on December 8th

图8 12月23日19∶00热用户回水温度散点Fig.8 Discrete points of the heat user's return water temperature at 19∶00 on December 23rd

对该小区用户回水温度利用公式（3），（4）计算，得到调控前后用户回水温度标准差和极差，见表2。由表2 可知，开启智能平衡后，热用户回水温度的离散性明显降低，说明各用户水力失调问题明显改善。

表2 热用户回水温度标准差和极差Table 2 Standard deviation and range of the heat user's return water temperature

3.3 热用户室温分析

为分析调控过程对用户室温的影响，随机抽取了3 户室温统计数据。图9 给出了抽取样本的室内温度变化趋势：调控前热用户室内温度波动较大，调控后室内温度波动较小并逐渐趋于稳定，说明二级网平衡调控策略发挥了明显的作用。

图9 室内温度动态分析（2020）Fig.9 Dynamic analysis on the indoor temperature in 2020

通过上位机软件对热用户室内温度进行了抽样调查，热用户室温达标率均为99%以上，如图10所示，说明启用智能平衡在节能降耗的同时，并未对供热质量造成影响。

图10 12月23日室内温度统计Fig.10 Indoor temperatures on December 23rd

3.4 经济性分析

由本文3.1 小节的能耗分析可知，整个采暖季按121 d 计算；节能量根据能源折标系数折算为标准煤，则节能量统计结果见表3。

表3 各类能源折算标煤量Table 3 Standard coal equivalent of various energy sources after conversion

由表3 可知，整个采暖季预计节电量20 062.40 kW·h，节热量3 472.30 GJ，总节能量折合标煤124.79 t，减少CO2排放量308.23 t。

天然气热值一般为35 998 325.66 J/m3，则节热量对应节省天然气96 132.3 m3；天然气单价2.31元/m³，则节约燃料成本22.21 万元；电费单价0.89元/（kW·h），节约电量成本1.79万元；整个采暖季节能收益为23.90 万元。本项目投入资金110.00 万元，投资回收期4.6 a。

4 结论

对小区二级管网的水力平衡系统进行升级改造后，消除了水力失调及冷热不均，日均室温与室温目标设定值接近且波动幅度减少，室温达标率99%以上，供热质量明显提高。在保障热用户采暖热舒适度的前提下，实现了按需供热、精准供热。与启用智能调控系统前相比，热耗降低14%，电耗降低23%，节能效果显著。