天津津能集团 初步应用与研究报告

天津市热电有限公司张杰 赵睿 朱雷 孙琪

摘要

为了解决二次网“前端热，末端凉（水平失调）；首层热，顶层凉（垂直失调）”的问题，进一步了解二次网热平衡的设备选型和运行方式，构建新型数字化、智能化二次网热平衡系统，为全面实现精准舒适供热奠定基础，本项目选择岳康园高区作为项目的实施地，采用“表阀一体”可调控热量表作为户用末端设备，以热用户室温为调控目标，开展用户端热平衡系统调控项目

【关键词】二次网热平衡 精准舒适供热 室温软测量 节能降耗

岳康园高区由3幢公寓组成，共7层（11-17层），2009年建成，为节能建筑，包含49户住宅，总面积4131.4㎡，其中正常用热45户，报停用户4户，实供面积3829.27㎡，采用独立的换热机组供热，循环泵功率2.2kW,额定流量20.5t/h,变频运行，二次网供温可由上位机下发温度曲线自动控制。

2 项目内容

2.1 系统架构

户间平衡是在热用户的入户端安装智能测控终端（可调控热量表），通过内置的控制阀自动调节入户流量，从而实现户间热量的合理分配，避免供热系统的失调，特别是垂直失调，以此实现户间平衡。本项目安装49只可调控热量表，作为末端调控设备，同时也可以作为热用户的热计量设备。

本项目同时尝试采用室温软测量技术，即通过入户供回水温度、流量、房间供热功率和传热系数K等参数与室内温度的内在关系，间接推算出用户室内温度，实践该技术在室温监控和二次网平衡中的应用，最终达到精准舒适供热。

 户间平衡系统由可调控热量表、集线器、集抄器、热量表集抄管理软件等部件组成，如图1所示。可调控热量表安装于住户进水管，由Enbus数据总线和每个单元的集抄器通讯，集抄器通过4G数据通讯模块和数据服务器远程无线通讯，实现温度、流量、热量等信息的交互，并执行数据服务器的阀门控制信息。热量表集抄管理软件运行于数据中心的数据服务器，通过互联网和集抄器保持远程数据通讯，系统架构如图2所示。

图1:项目所用可调控热量表和集抄器现场图

图2：户间平衡系统架构

  本项目的数据中心，用于可调控热量表的监控。数据中心安装热量表集抄管理软件、WEB服务模块、控制算法模块、室温软测量模块等，平台主页面如图所示。

图  
3：软件监控平台主页面

2.2 控制方案

本项目控制方案采用“质调节”和“量调节”相对独立运行的方式，由户间平衡系统实现热平衡系统的“量调节”，由换热站平衡系统实现热平衡系统的“质调节”。同时，户间平衡系统提供流量指数和热量指数，指导换热站的经济运行。具体实施方案如下：

2.2.1 量调节

为了达到各住宅的室温均衡，对入户流量应进行平衡控制，也就是进行量调节。本项目采用基于供回水比例系数L的量调节方式，该系数L=(回水温度T2-室内期望温度T)/(供水温度T1-室内期望温度T),根据供回水相关比例关系，直接通过阀门开度调节入户流量，当L值一定时，随着室外温度降低，流量将增大，热量增加，理想情况下，热量的增加值ΔQ将补偿室外温度降低导致的室内热量损失值Δq，使室内温度恒定不变。由于该系数直接决定了热量的高低，消除了流量、室外温度和房屋隔热系数等参数的影响，因此控制稳定性好。

本项目在每个热用户的入口安装可调控热量表，按设定的系数控制阀门的开度，阀门开度根据L值变化1小时纠偏一次，从而让每个热用户的系数L保持稳定，L一般取值为0.5~0.9之间，极端的当L=1时，此时T1=T2,热量表阀门开度将全开，当L=0时，阀门大部分时间将处于关闭状态。为了寻找热量的增加值ΔQ=室内热量损失值Δq时的L值区间，本项目需要在前期进行相应的L值系数修正和数据分析，如下图4-6所示：

上图为10门1101室设置L值的调控过程数据记录，该室在换热机组供热上游区域，且属于边套，流量较充足，初始设置L值为0.80，经过多次修改后，经入户测温，室温可达24℃，与室温软测量获得值25℃相差1℃，基本一致，最终设置L值为0.75，后期运行数据变化见图5：

在L值设定为0.75后，阀门开度在23%-30%之间动作，可以从图上看出，前期流量变化基本与阀门变化一致，后期流量变化对阀门变化较敏感，经分析，是因为后期受室外温度升高，各调节阀减小开度，且循环泵一直以45HZ运行，导致流量富裕，压头增大所致。该房屋热量供应充足，室温均在24℃左右，目前户内理想温度为22℃，下一采暖季可尝试调降低L值设置、降低同环境下二次供水温度或降低循环泵频率等措施，探索更优化的运行方案。

图6所示9门1502室属于中间位置，上述调控数据说明阀门开度的变化对流量的变化影响较大，且阀门开度在20%-25%之间动作，便可保证室内温度达到25℃，进一步说明该区域压头充足，供热效果好，同时对调节阀的测控精度要求也较高，目前该该户用调节阀可以满足测控要求，但后期对调节阀的控制算法还需进一步优化，已适应小开度下的调控相关要求。

通过以上数据分析和推断，基本证明结合室温软测量的L值调控方案在二次网智能调节上的应用是可行的，为克服在室内安装测温单元诸多弊端提供了良好的解决方案，随着数据的积累和参数的优化，这一调控方案将越具有实用性和精准性。

2.2.2 质调节

二次网热平衡系统采用换热站平衡系统实现系统的质调节，即自动控制二次网供水温度。可调控热量表通过室温软测量获取每个住宅的室温估算值，并根据面积和室温设定值，计算小区的加权平均室温，并根据气象的室外温度给出温度指数，管理人员可参考该温度指数，确定二次网供温值。

本项目目前处于初期阶段，重点是对二次网的量调节、户间室温平衡和数据积累，后期将依据初期积累的数据完成对二次网的质调节。

2.2.3室温软测量和L值修正

室温软测量是内置在可调控热量表的一项重要功能，通过捕捉流速、供温、回温等信息，并结合建筑物特征、气候等参数，辅以入户测温、室温传感器的室温抽样，以及大数据回归分析等，对建筑物建立热传导模型，从而获取室内的温度。室温软测量模型获取的特征参数，经过数据服务器的处理，从而获得实时的室温情况，算法框架如图7所示。

图7：室温控制算法

数据服务器将室温软测量获取的室温，和室温设定值比较，修正每个住宅的L值，调整每户的热功率，从而使得每户的室温逼近室温设定值。由于每户的L值变化很小，通常在0.1~0.3之间，因此该算法每周计算一次即可。

为了对顶底等住宅进行更精确的室温测量，必要时采用入户测温或安装室温传感器的方式，以辅助系统建模。

2.3 系统调控

岳康园高区换热机组供热区域为岳康园8号、9号和10号楼的11至17层共49户住宅，停供4户，实际参与调控的45户。本项目2019年11月4日投入运行，初期主要进行通讯网络的调试，安装和运行状态的排查，之后，设置每个住户的基本参数、设置室温设定值、设置供回水温度比例系数L的初值、设置室温软测量参数初值等。

由于调控初期室温较高，室温设定值T按保守值设置，T=22℃。供回水温度比例系数（L值）也按保守值设置，顶楼为0.9，边套0.8，中间套0.7。室温软测量所需的参数均按三步节能建筑相关参数设置。

12月24-25日两天，户用调节阀全开，平均室外温度为1.03℃，供水温度为44.58℃，回水温度为40.18℃，循环泵频率为45Hz,日耗热量12.01GJ,度日数热耗为1.77W/㎡℃，户表的流量与回温分布不均匀。经过2019年12月25日实地考察并入户测温，测温结果如表1：

表1：岳康园入户测温记录

通过入户测温发现个别用户家中存在散热器改地暖现象（如8门1703、9门1502、10门1602等），各住宅温度差异较大，入户测温边套与顶套温度分布在20℃到22℃（采集自边套10门1201：21.9℃、边顶套10门1701：20℃、顶套9门1701：22℃、边套8门1103：20℃），中间套温度分布在23℃到26℃（采集自8门1301：24℃、9门1201：25.3℃、10门1602：24.5℃），表2为静态测温值以及日耗热量：

表2：开启控制前静态测温值以及日耗热量

通过入户调查，部分住户对暖气阀门进行了调整（关阀），仅开启卧室、卫生间阀门，更有用户家中阀门基本全关。通过调控平台获取的各户流量和回水温度数据，经过整理分析发现岳康园高区存在典型的流量分配不合理、回水温度参差不齐的现象，部分用户流量在0.9m³/h以上（如8门1101、9门1201、10门1502等），而另有部分用户在0.1m³/h以下（如9门1301、10门1602、10门1201等）。如图8为开启控制前各户流量分布，图9为开启控制前各户回温分布：

本项目自12月4日开启自动控制，可调控热量表根据设定的系数L，对每户的流速进行调节，达到供回水温度比例系数的要求。至12月28日顶套边套与中间套室温差异减少了2℃，顶楼住户平均室温提高了2℃左右，基本与预期效果一致。表3为开启控制后用户静态测温和日耗热量：

表3：开启控制后用户静态测温和日耗热量

通过数据分析，各户流量分布与回温差距也相对平衡，中间套和边套流量集中在0.6m³/h以下，顶套流量在1m³/h以上，中间套回温集中在38℃以下，边套回温在38℃到39℃，顶套回温在40℃以上。图6中部分用户流量变化不明显的原因为自主关阀（如8门1703，9门1602，10门1201等），经入户调查，自主关阀的原因为楼上住户为地采暖，地采暖传导辐射的温度，使楼下关阀户室内热功率充足或室温足够，在现场入户采集室温时发现8户用户将散热器改造为地采暖（8门1703、8门1503、9门1502、10门1701、10门1702、10门1601、10门1602、10门1402）。

再次通过调控平台获取的各户流量和回水温度数据，经过整理分析发现岳康园高区流量分配已趋于合理，回水温度已相对集中，如图10为开启控制后各户流量分布，图11为开启控制后各户回温分布：

3 项目实施效果

3.1 室温软测量效果分析

室温软测量在绝大多数的工况条件下本身是精准的，就和室温传感器本身精准一样，但外界因素影响时，就会造成一定的测量误差，如用户开窗、关闭阀门、暖气片遮挡等等对估值的准确性影响较大。本项目挑选了几户具有代表性的住户安装室内温度传感器，并将室温软测量所估算的温度与室温传感器所测温度进行对比修正，就目前和室温传感器的比对结果而言，室温软测量和室温传感器的测量结果具有高度的相关性，60～70%的住户测量误差小于±1度，剩余住户一般误差小于2 度，详见表4和表5。

表4永勤里9门1701温度对比表

表5永勤里10门1701温度对比表

3.2 设备与调控分析

岳康园高区在整个运行调控期间，49台热表上数率100%，自控率100%，设备运行稳定，计量准确。

根据室温软测量所估算出的室温以及抄表显示数据，小区已初步解决了垂直失调，实现了二网平衡的目标，本项目选取了两个不同时间的边、顶、中间套三个区域统计的供热数据如下表6、表7所示：

表6标件新居各位置用热分析表（3月26日）

表7标件新居各位置用热分析表（2月13日）

3月26日室外温度为8~20℃，供水温度为29.5℃；2月13日室外温度为1~12℃，供水温度为44.6℃。表中数据表明，中间套的供热情况最为良好，3月26日平均每平米能耗目前只有4.4W，平均室温达到24.2℃；顶套用户的供热功率比中间套高159%左右，平均室温达到23.9℃；边套的供热功率比中间套高91%左右，平均室温达到24.3℃；虽然顶套用户的控制阀已全部打开，控制系统给顶层调配的水量和热量都远高于小区平均水平，其供热能耗比中间套高159%，但其室温在整个小区中仍然是最低的，造成此结果的主要客观原因是在于其特殊的房间位置和耗热特性，即使消耗了其他位置用户数倍的水量和热量，但还是达不到小区平均室温，主观原因是室内温度平均在24度，反应出系数L值设定普遍偏高，还有进一步降低的空间，这样可以向边顶区域输送更多流量。

综上，在开启了平衡控制以后，中间套和边套温度集中在24℃，边顶套温度提升了2℃，基本实现了户间平衡，避免了水平失调和垂直失调，达到项目预期效果。

3.3 电能分析

从12月4日系统正式投用，循环泵45Hz变频运行，截止至3月15日24点（100天），电耗共计2712.3kwh，0.274w/㎡，与去年同期（2018年12月4日-2019年3月15日）3973.9kwh（0.401w/㎡）降低了1374.6kwh,降幅达31.75%。若按一个采暖季150天计算，至少可节省电能2061.9kwh（图12所示），按0.65元1kwh计算，可节省电能成本1340元。

图12：全年电量与降幅

电能节省的背后是二次流量的降低，通过计算可调控热量表累计流量，得出二次总流量变化曲线，该流量变化趋势与电量变化趋势基本一致，与室外温度变化趋势相反，如图13所示，该图说明了自动调控效果显现，且符合调控逻辑，且室外温度越高，有功电能节省的空间越大。如果没有调控，二次流量将基本维持在红线值18吨左右，有功电能将无法被节约。

图13：自动调控后二次流量、循环泵有功电能随室外温度变化曲线

3.4 热能分析

2019年12月4日到2020年3月15日总耗热量为869.1GJ（24.35w/㎡），平均室外温度为2.686℃，度日数热耗1.701w/㎡℃；去年同期总耗热量为1245.2GJ（34.89w），平均室外温度1.899℃，度日数热耗为2.015w/㎡℃，总耗热量下降了376.1GJ,降幅30.20%,度日数热耗降幅达15.58%，若按一个采暖季150天计算，估算可节省热能564.1GJ（如图14所示），按28元1GJ计算，可节省热量成本15795元。

图14：全年热量与降幅

4 项目后期计划

4.1由于调控后系统采用大温差小流量运行，按每平方米的水量配比小于调控前系统，因此二次网循环水泵的运行频率还可以适当降低（目前为45Hz)，以进一步节省电量。另外，为减少在此项目调试阶段的用户投诉，二次供水温度上限设定为45℃，接下来，将尝试二次供水温度上限为43℃时的运行工况。

4.2项目下一阶段将重点对采集数据进行收集、分析和迭代，寻找不同室外温度下各户的热功率变化，通过对比分析入户测温或室内测温单元测温值，持续优化各户供回水温度比例系数L。

4.3不断提高室温软测量的准确度，针对个别户户用调节阀全关，但室内温度依然可达到20℃的现象，很难通过室温软测量来预测温度，我们将对这些特殊用户进行独立分析和研究，寻找更为科学的解决方案。

4.4通过运行数据分析建模，不断拟合出换热站二次所需流量和供温曲线，目前循环泵电机频率仍然需要人工设定，下发曲线仍需人工下发，下一阶段，尝试循环泵自动变频运行，将二次平衡系统与二次供温调节系统相连接，实现无人智能化曲线下发。

4.5精细化管理方面，本项目除了实现对整个楼宇的户间平衡这一重要功能外，通过对流量和温度的分析比较，还可实时掌握用户的停用热状态，是否存在恶意放水窃热等，极大方便后续监控和失水治理。

5 结语

本项目自2019年10月份实施以来，共运行5个月，通过持续的调试和优化，已基本实现户间平衡，可随室外温度、二次供温等参数变化进行自动调整，运行稳定且节能效果显著，为后续精准供热项目升级优化提供了前提条件和实践经验。