集中供热运行调节方式研究综述

时间：2024-08-31

姜鑫，潘宏刚，杨兆林

（1.沈阳工程学院能源与动力学院，辽宁沈阳 110136；2.国家电投集团东北电力有限公司抚顺热电分公司生产技术部，辽宁抚顺 113006）

随着我国城镇化建设的发展，北方地区集中供热规模逐渐增大。据统计，北方采暖供热能耗占建筑总能耗的52%［1］。虽然在集中供热能方面采取了一些新技术，但依然存在供热率低的问题，不仅增加了运行成本，造成能源浪费，所带来的环境污染问题也不容小觑。因此，在保证供热质量的前提下，合理分配热量，提高能源利用率迫在眉睫，对于节能降耗及环境保护事业十分重要。

运行调节是确保供热质量、安全、稳定和经济运行的关键环节［2］。随着建筑物热负荷的变化，为满足用户的热舒适性，通过对供热管网的热量进行监控，进而对热量供应采取调整措施，以实现“稳定运行、均衡输送、按需供热”。

本文总结了国内外集中供热系统运行调节方式，从供暖热负荷预测、分阶段变流量的质调节改进、质量-流量调节及计量供热等方面进行概述，分析了各种调节方式的优缺点，最后提出供热系统未来的发展方向。

1 常用的运行调节方式

在供暖系统的运行调节中，不同方式的工作原理不同，所达到的效果也不尽相同。集中供热系统中常见的调节方式及优缺点如表1所示［3-4］。

表1 供热管网调节方式对比

表1 （续）

目前，国内应用较多的是质调节和分阶段改变流量的质调节两种方式。前者是一种粗放型的保守调节方式，虽然运行故障率较低，但是水泵电耗较大，且北方经常出现供暖期间开窗散热的情况，造成能源的双重浪费。此外，用户端的响应时间较长，经常出现调节滞后的情况，对于当前新兴的长输供热管网更加不能适应。后者有了一定的改进，但大多依据经验设定流量比，并且只能在划分的阶段内按照恒定的频率运行，也有较大的节能空间。

2 热负荷预测

由于供热系统的热惯性、滞后性和非线性较大，要实现高质量供热，必须很好地对用户的热负荷变化进行测量和预测。因此，热负荷预测成为保证高效供热的重要基础环节［5-6］。

热负荷预测是根据对过往供热数据的采集与分析所得出规律建立模型，并对其未来变化趋势作出预判的过程。根据时间长度可将热负荷预测分为短期、中期和长期，具体划分及研究意义如表2所示［7-8］。

表2 热负荷预测周期及划分意义

热负荷预测方法主要有时间序列法、回归分析法、灰色预测法和神经网络法等。

2.1 时间序列法

时间序列法是一种统计分析方法，根据研究指标按照时间的排序进行分析和预测。该方法处理数据量少，计算速度较快，适用于短期负荷预测［8］。刘润峰［9］提出了采用时间序列法进行热负荷预测的原则，并列出了3 种数学模型，在工程中具有一定的参考价值。周恩泽等［10］基于时间序列法建立了供热负荷预测的数学模型，通过对负荷时间序列的平稳化处理及对平稳序列建立ARMA 模型等过程，将所得模型与实际运行数据进行对比，所得平均相对误差为2.7 %，拟合效果较好。张永明等［11］采用混沌理论对供热负荷混沌时间序列进行了预报研究，提出了一种避免人为主观性的基于Volterra自适应滤波器的负荷预报方法，揭示了热负荷时间序列的动态特性。邓胜川等［12］通过一种基于乘积季节ARIMA模型的热负荷预报法预测未来24 h的供热负荷，日预报平均误差为1.45%，满足工程需要。

2.2 回归分析法

回归分析法是通过回归分析，建立预报对象与影响因素关系的模型，得出预报结果，适用于中长期负荷预测［8］。

2.3 神经网络法

人工神经网络是把大量的数据交给按一定结构形式和激励函数构建的人工神经网络进行学习，在给出一个未来输入的情况下，由计算机根据以往的“经验”对应有的输出做出判断，主要适合短期负荷预测［8］。熊钧等［13］建立了外时延反馈型BP 神经网络模型用于热网供暖预报，具有较好的动态跟踪能力和预报特性。近年来，在人工神经网络法的基础上，学者们提出了一些改进方法。李琦等［14］提出一种实现热负荷短期滚动预测的神经网络改进方法，利用动态K-均值聚类算法及递归正交最小二乘法训练RBF神经网络模型并不断更新输入数据，仿真结果表明该方法的预测能力较好。朱栋华等［15］用小波包变换分解热负荷序列，通过Elman 神经网络对各序列构建模型，最后重构各序列，与传统的BP、Elman 神经网络相比，该方法的预测精度更高。张仲彬等［16］利用全局搜索能力强、收敛速度快的遗传算法对网络结构及初始参数进行优化，所得预测结果的准确性与稳定性显著提高，预测误差仅为2.93%。

2.4 灰色预测法

灰色预测法是利用已知信息和未确知信息建立灰色模型，进而确定未来的变化趋势的一种方法［17］，对长期负荷的预测精度较高，适用于缺乏数据的情况。王渡等［18］提出了一种利用周期均值叠加法将残差序列分离为若干个周期波，对其线性叠加后进行外延的改进灰色预测方法，显著提高了热负荷的中长期预测精度。胡世广等［19］通过推导得出的灰色预测模型中的参数内生控制灰系数u的修正，使灰色预测模型误差显著减少。

热负荷预测方法发展非常迅速，预测时的出发点及采用的方法也日渐丰富。大多数预测方法是在对已有数据基础上建立影响因素和热负荷的模型，而对各因素间的相互影响和对热负荷的影响过程缺乏具体的定量描述［20］。对此，可以从充分考虑供热末端建筑的蓄热性，热量传递的延时性和衰减性，以及其他环境因素及社会因素引起的热负荷变化的复杂性等方面进行深入研究，使建立的模型更接近于实际工况的动态变化。此外，单一的研究方法存在各自的优缺点及适用条件，可以将预测方法进行整合，提高预测的精度及稳定性。

3 分阶段变流量质调节改进

相较于“大流量小温差”的质调节运行模式，分阶段改变流量的质调节模式虽然有了一定的改进，但具体的调节数据依赖经验，对供热管网的水力工况以及系统运行的经济性考虑得不够。针对此情况，国内学者进行了深入的定量研究。胡思科等［21］从循环水泵经济性的角度出发,给出了采用分阶段变流量质调节的经济流量比的确定方法，并在经济性和稳定性方面得出了两阶段变流量质调节的运行方式比三阶段变流量质调节的运行方式更加合理。杨卫肖［22］提出在一、二次网均采用分阶段定供水温度结合被动量调节的调节方式，室内温度的波动最小，热舒适性最好，系统相对流量比高于30%时，随着供水温度升高，输配能耗减小。曹荣光［23］以天津地区为研究对象，将采用分阶段变流量的质调节方式的供暖期分为10 个阶段，与传统划分方式相比，循环泵的能耗下降了13%。

采用分阶段变流量的质调节在一定程度上兼顾了水力安全及功耗经济性，并且一些研究者根据研究地区的气候特点给出了更为细致的分阶段的定量方法，进一步降低了系统能耗，对于大规模供热系统改进调节方式具有一定的借鉴意义。对于新建的系统，在保证供暖质量的前提下可以深入挖掘系统的节能潜力，更全面地考虑用户端热负荷的变化情况及相互影响，定量地找出主要影响因素并进行监控调节，真正实现经济地按需供能和用能。

4 质量-流量调节及计量供热

一些发达国家的集中供热技术起步较早，自动化程度较高，多采用动态变流量的自控计量供热形式。这种热源集中调控、局部按热用户需求调节的形式，在保证供热质量的前提下，减少了能源的浪费。通过立法和颁布相关管理规定保证了计量供热的广泛实施。

丹麦的计量供热技术十分成熟，且朝着低温化、燃料及热源多元化、新技术与新能源的方向发展，管网动力通过集中泵和分布泵提供，即将进入第四代区域供热时代［24-25］。芬兰主要采用楼宇式间接集中供热系统，该系统具有两个特点：一是采用间接供热；二是楼宇式小型自动化，换热站小型化、自动化。供热计量方式为“楼栋计量，按面积分摊”［26］。德国采用户表计量方式，约有98%的公寓住户根据计量数据支付供热费用［27］。

KUOSA M 等［28］提出了一种基于质量流量控制的方法，根据室外温度调整介质温度和流量，通过带变频器的泵改变流量，该方法的流量为传统方法的46%，泵耗功率为原来的12%。HANSEN E G等［29］通过研究得出，供热系统采用一次网质量-流量调节方式可以较大程度地节能，降低成本。

我国的供热条件与发达国家有着较大的区别，供热半径大，现有的供热系统自动化程度较低，供热收费制度大多为按面积收费，在供热体制和管理方面还存在着一定的差距。近年来，随着计量供热的逐步推广和应用，供热能耗逐渐降低。为了真正地达到节能效果，计量供热系统除需要在户内安装温控阀等控制元件外，在室外还需设置调控设备并匹配相应的调节方式。气候补偿器是应用较多的调控设备，通过温度传感器收集室外温度数据，根据设定的调节关系曲线来调整供水温度。袁闪闪等［30］提出了一种供热系统前馈动态运行调控方案，该方案除考虑室外温度外，还综合考虑太阳辐照度、室外风速和风向等气象参数，改善了气候补偿器无法良好响应系统滞后性及衰减特性的缺点，通过验证发现该方案可节能28%。孙枚玲等［31］建立了基于更全面的综合气象参数的气候补偿模型，有利于提高按需供热精细化调控水平。在计量供热方面，很多学者提出了改进的集中供热系统运行调节方法。吴洁清［32］建立了以供热系统运行能耗最小化的目标函数，定量地分析了分阶段质量-流量调节方法中热负荷较小阶段的最小流量的选取原则，以及在热负荷较大的供热中期采用变流量运行的循环水泵等阻力区间调节法，并根据计量供热用户的负荷特点，提出了前馈-反馈的调节方法，最后通过实例验证了该方法的节能效果。张玉中等［33］提出了一套供热系统的节能控制方案，一次网采用均匀性控制策略，保证全网平衡，辅以热源优化调度策略和二次网循环水泵频率精细调节，取得了良好的节热、省电效果。吴岚等［34］建立集中供热系统的动态数学模型，在室内设置温度补偿，根据室外温度和辐射等因素调整一次网和二次网流量的改进模式，并与定流量的常规控制模式进行对比，经计算发现，改进模式可节热16%，节电49%。

随着变频技术的发展，变频泵在供热系统中得到了越来越广泛的应用。周国兵等［35］针对分户计量的变流量供热系统，提出了应在集中质调节基础上采用量调节的方式，将质调节和量调节分别用于适应室外温度变化及用户对室温调节引起的热负荷变化，通过变频泵对流量变化进行调节，得出了供回水温度与相对流量的调节公式。刘爽［36］对分户计量供热系统一、二次网均采用主动质调节与被动量调节相结合的方式，建立了相应的运行调节模型，采用稳态传热方法计算出该调节方式的能耗和循环水泵的能耗，与传统调节方式比较，该方案可节能13%。为克服传统供热系统中按照最不利用户需求选择热源处的循环水泵所造成的浪费以及节流阀的节流损失，有关学者提出了采用分布式变频泵供热系统。该系统在热源处采用扬程相对小的循环水泵，在外网添加循环泵进行调节，以达到按需提供压头的效果。王红霞等［37］应用计算软件分别对多种分布式变频系统进行模拟计算和可及性分析，得出采用用户混水变频泵、沿途加压变频泵和主循环变频泵相结合的方法，可节能75%。尹荣杰［38］提出了一种分布式变频泵的运行调节方式，在不小于设计流量60%的前提下，根据热负荷变化预测出所需提供热量，调节水泵转速，在保证系统稳定性的同时降低电耗。苗庆伟［39］通过计算得出了在分布式变频多级泵供热系统中降低一级管网压力等级的二级泵扬程的设计方法及取值范围，进而得到相应的零压差点区域，并提出了在分布式变频多级泵系统中使所有水泵的总功率最小的系统压力优化控制策略。

在传统供热系统中，供热负荷完全由热源处集中调节，采用分阶段变流量的质调节模式虽然有一定的节能效果，但水泵的能耗仍较高。为便于管理，有些供热系统直接采用“大流量、小温差”的方式运行，虽然节能空间较大，但造成了能源浪费。随着科技的进步及国家对“节能减排”的大力号召，专家学者对真正实现“按需供能”进行了深入研究。通过采用计量供热的方式，以精确地满足用户的供热需求为前提，采用质-量调节方式，减少了过量供热造成的浪费，实现了供给侧和需求侧的对接。但影响需热量的因素很复杂，如围护结构的滞后和衰减特性、气候条件的变化，以及热源、一次网、二次网和用户端热力条件的相互影响等，需要配合相应信息化和智能化的措施来保证系统实现精细化、安全、稳定、高效地运行。