基于热用户流量控制的二次管网平衡调节的应用分析

郎贵明，高俊明

(1.沧州热力有限公司，河北省沧州市运河区开元大道与双金路交叉口 061001；2.河北水利电力学院 土木工程学院，河北省沧州市重庆路1号 061001)

从当前国内集中供热整体情况来看，对于一次管网的技术和设备投入较大，而对供热二次管网的投入较小，往往会造成二次管网出现水力失调现象[1]。如果二次管网出现水力失调现象将直接造成一次管网供热不足，因此供热二次管网的平衡问题决定着供热的质量，同时对供热的能耗有着严重的影响。解决二次管网水力失调问题，就是被动地将有利环路的热水流量转移到不利环路上，其实质是通过关闭有利环路上的阻力元件增大阻力以消除剩余压头，最常用的技术措施是在管网中安装压差控制阀、静态、动态平衡阀，也可加装混合回路对建筑物进行独立温度控制等措施[2]。

对于以流量控制调节以达到二次管网水力平衡主要技术措施是使用智能流量阀，也可同时使用静态平衡阀和动态平衡阀。对于流量控制调节最常用的技术措施是安装自力式流量控制阀。文中重点介绍利用自力式流量控制阀调节二次管网流量以达到平衡的工程应用及节能分析。

1 集中供热二次管网调节基本原理

1.1 基于室温的流量控制

采用基于热用户室温的流量控制以实现二次管网的平衡，应采用以下的方法。

(1)在系统安装完成正式运行后，基于每个热用户的温度，对用户的流量调节阀进行调整，实现温度达到设定温度；

(2)再经过一段时间的动态调整后，即每个热用户流量不变，并一直维持恒定；

(3)当供暖期中出现个别用户室温异常时，再进行微调整。

总体来说，该方法是在满足二次管网热用户温度的基础下，调节各热用户的流量，从而实现水力平衡并达到节能效果，同时保证所有用户室温可控且在正常范围内，减少投诉率和能源浪费。

1.2 基于回水温度的流量控制

如果现场情况复杂，部分热用户无法入户安装室温采集器，则在基于室温的流量控制的前提下采用回水温度测定的补充处理方案。其原理是根据用户回水温度作为运行参数对其入户水流量加以控制，以实现室温在合理区间内[3]；再经过一段时间的动态调整后，使每个热用户保持恒定的流量，以实现热用户流量的控制。

2 自力式流量调节温控装置结构及控制原理

自力式流量调节温控装置是管网平衡调节的一种有效途径[4]。该流量控制阀在一定的工作压差范围内，可有效地控制通过的流量。当系统中阀门前后压差增大时，阀门会自动关小以保证流量不会增大；当系统中阀门前后压差减少时，阀门会自动开大以保证流量不会减小。在使用自力式流量调节温控装置时由于阀门本身不提供额外压头，一定要保证阀门在正常工作压差范围内工作，否则即使阀门全开，流量仍将低于规定流量，不能起到控制作用。

2.1 系统组成及控制方式

自力式流量调节温控装置主要由户用智能温度采集器、无线流量调节阀、远传系统、远程数据管理系统组成。

无线流量调节阀安装在以水为热媒的集中供热系统中，可以通过对阀门开度的任意设置来调节进入每户的水流量，从而调节整个二次网的水力平衡。阀门的控制方式有根据用户室温自动调整、根据用户回水温度自动调整、根据人工输入的开度指令批量调整等。另外，阀门还可根据用户缴费情况控制其供热管网通断。

2.2 流量控制原理

无线电动流量调节阀主要由阀体、自动调节阀塞、感压膜片及设定流量的阀板及流量刻度盘构成。工作时，电动执行器将流量设定为所需值，当阀前后压差Δp=p1-p3增大时，由于内部压力p2增大使膜片带动自动阀塞，将节流孔减小，使出口处的压差p2-p3保持不变，原设定流量也恒定不变；当Δp减小时，原设定流量趋于减小，此时，由弹簧作用将自动阀芯节流孔增大，使出口处压差仍保持不变，原设定流量恒定不变。流量与阀前后压差的关系曲线图如图1所示。

图1 流量性能曲线图Fig.1 Flow performance graph

3 工程应用

3.1 工程概况

该项目为沧州市某小区供热工程，采用集中供热，二次管网安装自力式流量调节温控装置于2018～2019年供暖季开始供热。该小区共有住宅楼16栋，其中1～12号楼(无4号楼)采用地板辐射供暖的方式，其中1～9层为供暖低区，10～18层为供暖高区；13～17号楼采用散热器对流采暖的方式，其中1～6层为供暖低区，7～11层为供暖高区。该小区总建筑面积为137475.45m2，小区内建设一座换热站，站内共设置四个供暖管网环路，每个环路循环水泵均采用大、小泵配置。每个环路均配置电磁流量计、进回水温度及压力传感器，所有数据均传输至换热站监控平台。换热站具体参数如下：

13～17号住宅楼中采用对流供暖的部分热用户已将散热器改为地板辐射供暖，并加装部分管路，对整个小区二次管网的平衡有一定影响，在文中不再做重点分析，只对该小区的1～12号楼的地板辐射供暖部分的调控和平衡分析进行重点阐述。

表1 换热站设备参数表Tab.1 Equipment parameter table of heat exchange station

3.2 系统调试

该小区的地板辐射供暖部分经过三次系统调试均达到设计温度，满足用户需求。系统调试前，该换热站地板辐射供暖部分均为大泵运行，低区平均流量为210t/h，压差为0.06MPa，供水温度37℃，回水温度32.5℃，温差4.5℃，用户平均室温为16.06℃；高区流量为132t/h，压差为0.04MPa，供水温度37℃，回水温度30.9℃，温差6.1℃，住户平均室温为17.1℃。三次系统调试的具体操作如下所示。

初次调试：高低区循环水泵均保持原状态，供水温度提高至39℃，确保系统热源充足。在远程控制平台上批量下发指令，中间用户流量均调整到400kg/h，顶底层用户流量均调整到600kg/h。低区调试后循环水泵平均流量降至162t/h，压差升高至0.17MPa，用户平均室温升高到18.09℃。高区调试后循环水泵平均流量降至114t/h，压差升高至0.16MPa，热用户平均室温升高到19.97℃。

第二次调试：3天后将高低区供水温度继续提高至41℃。在远程控制平台上批量下发指令，继续下调每个热用户流量，基本原则为中间热用户流量为150kg/h，顶底层热用户流量250kg/h。调整完成后，低区循环水泵流量降至132t/h，压差升高至0.19MPa，热用户平均室温升高到19.74℃。高区循环水泵流量降至86t/h，压差升高至0.18MPa，热用户平均室温21.3℃。

第三次调试：经过前两次调试，高、低区系统运行状况接近理论值。其后根据用户室温情况进行微调，室温低于18℃的住户增加流量，室温高于22℃的住户减少流量。同时对回水温度过低的住户进行检测，清洗堵塞入户管过滤器。

3.3 工程分析

3.3.1 水力平衡分析

(1)平均回水温度分析

对地板辐射供暖高低区12栋住宅楼、总计26个单元的每日平均回水温度数据进行统计，曲线图如图2所示。

图2 单元平均回水温度及离散性示意图Fig.2 Schematic diagram of average backwater temperature and discreteness of the building unit

由图2可知，在调试前热用户回水温度集中在27℃到31℃之间，温度区间范围较大，其实质是存在着严重的水力失调现象。调试过程中用户回水温度趋于一致，调试完成后各个热用户回水温度集中在29.5℃到30.5℃之间，一致性较好，热用户取得了较为理想的平衡效果。

(2)楼宇管网末端调节

楼宇管网末端调节以位于小区供热管网末端的楼宇为研究对象进行分析。图3为该楼住户调试前后典型日的室温分布情况。

图3 调节前后末端楼宇住户室温分布对比图Fig.3 Comparison of the room temperature distribution before and after adjustment in terminal building

从图3可见调试前该楼宇26%的住户温度不达标，投诉率偏高。分析其主要原因有两个：一是由于该小区为第一供暖季，管网系统中杂物较多，入户管过滤器极易发生堵塞现象；二是因为管网出现水力失调现象所致。

经过多次过滤器清洗和水力调控后，该楼平均室温从低于小区平均室温0.63℃升高到高于小区平均室温0.27℃。图4为系统调试期间7号楼的温度变化。由图4可见调控三日后该楼室温即有明显提高，其后平均室温始终高于小区的平均室温。从典型日的室温分布可见整栋楼室温明显升高，75%的热用户室温超过20℃。

图4 小区整体与末端楼宇平均室温对比曲线图Fig.4 Comparison curve of the average room temperature between the whole and the terminal buildings

3.3.2 节能分析

经过水力平衡调节后，日循环水量大幅降低，水泵耗电量也随之下降，通过分析得出，调试前后，日循环水量从7425.50t下降到4409.79t，降幅为40.61%；日耗电量从1879.20kWh下降到1324.59kWh，降幅为29.51%。本小区实际供暖总面积为86267.90m2，折合单位面积小时循环水量从3.59kg降为2.13kg。图5为日循环水量及耗电量趋势图。

图5 日循环水量及耗电量趋势图Fig.5 Trend chart of daily circulating water and electricity consumption

从调试前后，地板辐射供暖区域总耗热量每天从272.27GJ降低到194.98GJ，降幅达到28.39%。期间日总耗热量最低日为172.85GJ，当冷空气来临时，换热站采用质调节集中提高供水温度，同时耗热量增加，但仍然明显低于调试前的耗热量。

4 结论

以沧州市某小区基于热用户流量控制的二次管网平衡调节为例，采用自力式流量控制阀调节各热用户流量的方法解决了二次管网的热力失调问题，达到了节能降耗的效果，提高了供热质量，降低了运行成本。

(1)基于热用户流量控制的二次管网平衡调节利用了先进的智能控制技术，可很好地解决二次热网水力失调问题，使各热用户均满足热量需求并实现了管网热力平衡。

(2)该系统通过对水温、耗热量、室内温度、流量等参数进行精确测量与采集，可实现远程控制，在系统调试完成后，热网循环水量和耗热量有了较大地降低，达到了节能降耗的目的。

(3)基于热用户流量控制的二次管网平衡调节满足了用户需求，提高供热质量的同时降低了运行成本，具有良好的节能降耗效果，为实现智慧热网提供了工程依据。