試論太陽輻射補償在二次供暖系統循環泵控制中的節能應用

張友先

（山西省商業設計院，山西 太原 030000）

在集中供熱中，循環泵的耗能在整個供暖系統能耗中占很大比例。循環泵的節能也是供熱系統節能工作的重點。供暖換熱站常規的質量綜合調節是根據室外溫度，計算出二次采暖水溫和循環流量，控制一次側電動調節閥保證二次側的出水溫度，同時通過變頻改變循環泵的流量。集中供熱一次、二次水溫度是由熱力控制中心統一根據天氣情況調節的。二次系統流量則根據室外溫度和供熱水溫自動或人工調節。

1 變頻流量控制

二次循環泵變頻流量控制均由室外溫度來調節循環泵輸出流量，國內采用以下幾種方式完成：1） 用室外溫度以及所在地區的供熱水溫曲線與實際供回溫度進行對比，進行修正壓差設定值的控制方式；2） 用室外溫度以及所在地區的供熱水溫曲線與實際供回溫度進行對比，進行流量調節的控制方式；3） 用室外溫度計算出所在地區系統標準供熱溫度下的流量或二網系統壓差，以此控制循環泵流量。在實際生活中，我們注意到陽光對用戶室溫有非常大的影響。冬季用戶室內溫度在室外溫度相同時，晴天會比陰天高出1～4℃。所有這些循環泵變頻的控制方式中的室外溫度采集均為室外溫度的實時采集，和天氣陰晴無關。我們試圖采用一種方法通過循環泵用最少的電達到把熱水送到每一個用戶的目的，使用戶保持室內溫度18℃±2℃，不得低于16℃。此方法必須把太陽輻射能考慮進去。

2 利用太陽輻射補償的供暖循環泵控制方法

利用太陽輻射補償的供暖循環泵控制方法，該方法是采用如下步驟實現的：

a.建筑物室外溫度的采集：根據二次供暖管網供暖范圍內的建筑物的窗墻面積比制作帶有小窗的模擬保溫小室，并保證模擬保溫小室的窗墻面積比等于供暖建筑物的窗墻面積比；將模擬保溫小室置于建筑物的陽面，并在模擬保溫小室內放置室外溫度傳感器；通過室外溫度傳感器采集模擬保溫小室內的溫度，并將模擬保溫小室內的溫度確定為建筑物的室外溫度；在采集過程中，模擬保溫小室內的溫度與建筑物的室內溫度同步變化，模擬保溫小室內的溫度高于模擬保溫小室外的溫度，模擬保溫小室的內、外溫度之差即為建筑物室外溫度的太陽輻射補償量；

b.供暖循環泵的最大轉數的確定：根據二次供暖管網的供暖熱負荷計算得出二次供暖管網的最大循環流量；分別測量二次供暖管網在兩個工況點的運行阻力和循環流量，并根據測得的運行阻力和循環流量制定二次供暖管網的阻力特性曲線；當供暖循環泵在工頻運行時，測量二次供暖管網的實際運行阻力；根據測得的實際運行阻力和阻力特性曲線計算得出當供暖循環泵在工頻運行時二次供暖管網的實際循環流量；根據二次供暖管網的實際循環流量和最大循環流量確定供暖循環泵的最大轉數；

c.供暖循環泵的最小轉數的確定：測量二次供暖管網在最不利用戶處的運行阻力；待二次供暖管網的供暖循環泵降低轉數至運行阻力不能滿足循環時，將此時供暖循環泵的轉數確定為供暖循環泵的最小轉數；

d.二次供暖管網的供暖循環泵運行轉數的確定：根據建筑物的設計室外溫度和二次供暖管網的設計供回水溫度制定二次供暖管網的供回水溫度曲線；根據室外溫度傳感器采集得到的建筑物室外溫度和供回水溫度曲線計算得出二次供暖管網的目標供回水溫度；根據目標供回水溫度和供熱公式計算出二次供暖管網的目標循環流量；測量二次供暖管網的實際供回水溫度，并將測得的實際供回水溫度與目標供回水溫度進行比較；當實際供回水溫度大于或等于目標供回水溫度時，供暖循環泵運行轉數應相應減小，供暖熱量減少量與供暖循環泵運行轉數減少量之比應為正值；當實際供回水溫度小于目標供回水溫度時，供暖循環泵運行轉數應相應增大，供暖熱量增加量與供暖循環泵運行轉數增加量之比應為正值；根據比較結果控制供暖循環泵的轉數，并將轉數控制在最大轉數與最小轉數之間；通過控制供暖循環泵的轉數控制供暖循環泵的輸出流量，進而控制二次供暖管網的實際循環流量。

所述步驟b-c 中，二次供暖管網的運行阻力是通過安裝在二次供暖管網上的供回水壓力傳感器進行測量的；所述步驟d 中，二次供暖管網的供回水溫度是通過安裝在二次供暖管網上的供回水溫度傳感器進行測量的；供暖循環泵的轉數是通過PLC 和安裝在供暖循環泵上的變頻器進行控制的；所述步驟a-d 中，室外溫度傳感器、供回水壓力傳感器、供回水溫度傳感器、變頻器均與PLC 連接。

3 實際節能效果驗證

具體實施時，通過下述實驗，可進一步驗證本方法所述的利用太陽輻射補償的供暖循環泵控制方法的節能效果。

某換熱站，供暖面積為130000m2，建筑物熱指標為60w/m2。建筑物的設計室內溫度為18℃，設計室外溫度為-12℃。換熱站服務范圍（即二次供暖管網供暖范圍） 內建筑物的平均窗墻面積比為0.35，即模擬保溫小室的窗墻面積比為0.35。模擬保溫小室材料為厚0.4mm 的無花鍍鋅鐵皮，外加厚30mm 的石棉板。測量二次供暖管網在兩個工況點的運行阻力和循環流量分別為（405.84 m3/h，41.2m）、（486m3/h，34m）。二次供暖管網的阻力特性曲線為：h=-1.007×10-4q2+57.786。根據阻力特性曲線計算得出：當供暖循環泵在工頻運行時，二次供暖管網的實際運行阻力為41.2m，二次供暖管網的實際循環流量為405.84m3/h。建筑物的設計室外溫度為12℃時，二次供暖管網的設計回水溫度為40℃，設計供回水溫差為10℃；建筑物的設計室外溫度為-12℃時，二次供暖管網的設計回水溫度為50℃，設計供回水溫差為20℃；二次供暖管網的供回水溫度曲線為：th=-0.4167tw+45；tg=-0.833tw+60。供熱公式為：Q=130000×60× (18-tw) /（18+12），供暖熱負荷與二次供暖管網的循環流量之間關系式為：Q=1000/0.86×qΔt。由此得出二次供暖管網的供暖熱負荷為7800000w，二次供暖管網的最大循環流量為335.4m3/h。供暖循環泵的最大頻率（等效于最大轉數） 為41.32HZ。供暖循環泵的最小頻率（等效于最小轉數） 為28HZ。當建筑物室外溫度為-7℃時，目標回水溫度為47.1℃，當實測回水溫度低于此值時，供暖循環泵轉數將增加，供暖熱量增加量與轉數增加量滿足（δΔQ/δt）：（δn/δt） ≧0 時，供暖循環泵轉數將繼續增加（流量增加加強了換熱器換熱）；當供暖熱量增加量與轉數增加量不滿足（δΔQ/δt）：（δn/δt） ≧0 時，供暖循環泵轉數將不再增加；反之同理。若采用現有供暖循環泵變頻控制方法，供暖循環泵的輸出頻率（等效于轉數） 為38.44HZ。若采用本方法所述的利用太陽輻射補償的供暖循環泵控制方法，則供暖循環泵的輸出頻率（等效于轉數） 為36.69±1.1HZ，由于循環泵耗電與運行頻率的三次方成正比，可得此時本方法所述的利用太陽輻射補償的供暖循環泵控制方法比現有供暖循環泵變頻控制方法節電13%，由此驗證了本方法的節能效果。

4 結語

利用太陽輻射補償的供暖循環泵控制方法比現有的供暖循環泵變頻控制方法更加節電，控制穩定，得到驗證，并在2012 年已申報國家發明專利，專利現處于實審階段。當然利用太陽輻射補償還可用于區域供熱熱源的控制等多方面，此文旨在拋磚引玉。