供热管网智能管控平台在高校供热系统中的节能应用

文_张雯 青岛大学

随着我国“碳达峰、碳中和”目标的提出，绿色低碳发展成为国家战略的重要一环。对于各类用能单位而言，进一步推动节能减排工作，着力降低自身碳排放水平是对国家战略的积极响应。建筑节能是我国节能减排工作的重要任务，而随着各类高校的扩建扩招发展，高校建筑能耗占建筑总能耗的比重日益增长，成为节能减排工作的重点关注方向。由于高校建筑类型多，人流量大等特点，其能耗管理复杂，尤其是占比达总能耗50%以上的北方高校供暖能耗成为高校后勤部门节能工作的重点区域。

对于高校的供热系统而言，在热源处基本实现了调控运行，但供热管网的运行经常处于失控状态，造成热源供给侧与建筑内使用侧的不匹配，导致系统能耗偏高。本文以青岛某大学应用供热管网智能管控平台为例，提出高校供热管网水力平衡调控、分时分区控制应用方法，以促进供热系统节能优化运行。

1 供热管网运行存在的问题

该大学东校区东院校区总供热面积为76900m2，其中公共建筑供热面积为47300m2，学生公寓供热面积为29600m2；共包含16栋建筑。学校虽注重供热节能管理，但由于设施陈旧，缺少调控设备，未能实现节能运行。供热管网投入使用已达20年以上，期间虽有局部区域维护翻新，但总体上管网老化锈蚀、跑冒滴漏、保温脱落等情况较为普遍。供热管网敷设跨度较广，地势落差较大，各建筑热力入口管井内供回水管道处仅安装有关断蝶阀，其不适宜进行流量调节且部分已锈死，导致管网普遍存在水力失调的现象，造成各建筑物之间的室内温度偏差较大，冷热不均。高校内各类建筑由于自身使用功能的不同，每一个时间段内所需的供热量不同，供热系统仍按照连续采暖运行，将造成热能的大量浪费。如，办公楼只需白天供热，夜间无人使用时低温防冻运行即可，不需连续供热。

2 供热管网节能改造措施

针对供热管网存在的问题，在巡查检修的基础上，配置供热管网智能管控平台，通过自动水力平衡与分时分区控制，使供热系统自动化节能运行，进一步实现按需供热。

2.1 改造内容

在每栋建筑单元热力入口的供回水管路上安装温度、压力传感器，用来监测管路运行数据；为供暖调控提供依据。在每栋建筑单元热力入口的回水管路上安装超声波热量表，用来监测管路水流量变化，实时显示楼栋供热实际负荷情况；安装电动调节阀，通过开度设置，对管路流量进行调节。在每栋建筑单元热力入口的供水管路上加装过滤装置，对进入单元的热媒水进行过滤，保护终端采暖系统的电动调节阀和热量表的正常使用，延长设备使用寿命。单元节能控制箱就近安装在各楼栋热力入口附近，通过校内网将相关数据上传至供热管网智能管控平台，并接受来自平台的调控指令。在物业中心搭建供热管网智能管控平台系统及显示大屏，并接入热源侧设备的运行数据，对供热系统的运行集中监视，并根据运行数据分析，优化设置运行策略，以实现节能运行。

2.2 平台功能

2.2.1 水力平衡调控

节能控制器把二次管网上每一个用热单元的供回水温度、压力、热量、流量等参数和电动调节阀当前状态都定时上传到管控平台，管控平台根据运行数据进行分析，对每个单元的运行负荷进行判定和诊断，并考虑室外温度补偿因素，通过加权平均算法，计算每个单元的回水温度与电动调节阀开度的期望值，然后下发指令至节能控制器进行调节，可将各楼栋回水温度调节成一致，偏差控制在1℃以内，以实现二次管网水力平衡，减少冷热不均引起的热量浪费。

2.2.2 分时分区调控

该校区建筑主要由三大区域组成：教学办公区、生活区和综合服务区。各区域之间相对独立，松散布置，同时又密切关联；区域内的建筑功能基本一致。根据校园各建筑的区域分布以及用热特点，通过平台设定各建筑的供热运行时间段、防冻运行时间段及相关参数，进行分时分区供热调控，实现按需供热，减少持续高负荷供热所带来的热量浪费。分区分区设置情况见表1。

分时分区控制系统可依据热量需求时间和建筑物热量需求量的差异，进行分时分区控制。平台分时分区控制子系统根据各个热量表采集到的供回水温度，及各个分支的流量参数，通过无线网络将这些计算值设定成指令传送电动调节阀控制箱，电动调节阀会改变阀门开度调节供水流量。控制箱内管网流量，供回水温度，阀门开度等参数也同时会传回云平台，通过这样的自控调节，达到了节能的目的。

2.2.3 数据管理

能源智能管控平台是基于物联网、云计算、大数据等技术的应用，依托互联网实现各环节信息共享，实现供热系统全面透彻的信息化管理；采用B/S架构、WEB发布系统、数据库安装在云服务器上，客户端电脑上不需要安装任何程序，在任何地点、任意时间、通过任何一部可以上网的电脑，打开浏览器以自己的身份登录系统即可访问；操作简单，功能多样；采集现场设备的实时数据，并将数据上传至平台，其功能满足当下智慧精准供热的需求，本系统本身架构可满足未来功能的二次扩展开发及预留其他系统接口的功能。

通过与换热站控制器实时通讯，换热站控制柜或视频设备将检测到的数据和信号实时传输到平台。系统可以存储长期运行数据，用于供热生产管理、控制、分析和考核。

智慧供热管理平台具有很强的扩展性，能快速实现使用者的个性化定制需求，随着使用者业务需求的不断变化，可以增加相应业务的数据库，增加实现实际业务要求的服务模块，从而实现新的访问系统。

该平台除对供热管网运行调控外，还具备数据统计分析、异常报警、能耗定额、能耗报表、信息管理等功能，方便进行统一管理，保障热网安全稳定节能运行。

3 能耗模拟分析与应用

本文采用eQUSET能耗模拟软件建立该大学节能改造能耗模型，并进行供暖季逐时动态模拟分析。相较于其他能耗模拟软件，eQUEST计算速度快、能对各种不同的方案进行快速对比，尤其适用于实际工程中的节能技术策略的选择。

3.1 建筑能耗模型设置

分别建立改造前和改造后的两个建筑能耗模型，两个模型除了节能改造方案中的优化措施，其余气象参数、建筑设置等完全一致。由于水力平衡因素对供热能耗的影响较难用数据进行反映，本次能耗模拟重点分析分时分区控制对供热运行的节能效果。改造前能耗模型方案：模拟校区内所有建筑在采暖期采用24h连续供暖的能耗情况；改造后能耗模型方案：按建筑功能分区的运行时间设置进行模拟。

校区内建筑按使用功能分为4个区，每个区内有多栋建筑，功能相近。为避免全部建筑建模所导致的能耗模拟3D模型文件较大，进而导致模拟计算缓慢，本次在建模过程中，将同功能区内的相近建筑简化为一个或两个建筑模型。简化并不是减少建筑的面积，而是把建筑的面积累加到所建模型中，这样既避免了模型无法反应真实的情况，又不影响分区内建筑能耗的模拟计算。

根据校方提供的建筑基本信息资料及建筑图纸，并输入当地室外气象参数、各建筑运行时间参数等信息，采用eQUEST模拟软件建立建筑能耗模型，并经相应的简化处理，共分为4个建筑能耗模型即教学区、办公区、宿舍区和食堂，建筑能耗模型外观见图1。

图1 建筑能耗模型

3.2 模型验证

利用所建立的能耗模型以及相应的运行参数设置，模拟计算2019～2020年度供暖季耗燃气量，并以相同时间范围内的实际数据进行验证。学校采暖期为11月15日～1月10日和2月19日～4月5日（1月11日～2月18日为寒假，期间不供热）。

通过模型计算，供暖季天然气耗热量为37820MBTu，换算成天然气耗量为1070306m3（1MBTu≈28.3m3天然气），模拟计算结果截图见图2。该结果与实际天然气耗量1073143m3相比，相对误差为0.3%，表明模拟软件的输出数据可信，可用于运行情况的分析。

图2 改造前能耗模拟计算结果截图

3.3 节能模拟计算

通过采取供热管网智能管控平台的分时分区节能运行优化措施后，对应节能改造后的优化模型参数，经模拟计算，可得供暖季天然气耗热量为28020MBTU，换算成天然气耗量为792966m3，模拟计算结果截图见图3。

图3 改造后能耗模拟计算结果截图

模拟计算节约天然气耗量为277340m3，节能率为25.9%，节能量折标准煤为360.5t。通过模拟分析，该供热管网智能管控平台在供热系统节能改造应用中节能效果明显，既可降低运行能耗，又能节省运维管理的人力物力。

3.4 实际节能量审计

根据校方提供的2020～2021年度供热季天然气贸易结算量为812589m3，与上一年度供热季天然气耗量1073143m3相比，节约天然气耗量为260554m3，节能率为24.2%，节能量折标准煤为338.6t，平台实际运行节能效果明显。模拟计算结果与实际数据相比，相对误差为2.4%，模拟计算结果具有较高的可信度。

4 结语

高校供热系统的运行应综合考虑热源、二次管网及建筑内末端的使用情况，尤其是供热管网一般处于地下敷设，敷设面积广，难以调控，使热能的供应与使用不匹配而造成能源的浪费。通过应用供热管网智能管控平台，采取水力平衡调控基础上的分时分区控制，可明显降低供热运行能耗，达到20%以上的节能效果，并有利于统一管理，节约人力资源，适合在北方高校推广应用。