“三供一业”供热分离移交改造中二次网自控系统的设计及应用

张圆圆

（太原市热力集团有限责任公司，山西 太原030000）

“三供一业”分离移交，有利于国有企业减轻负担，保障国企轻装前行，集中精力发展主营业务，也有利于整合资源，改造提升城市基础设施，实现城市公共事业的专业化和集约化管理，进一步改善职工居住环境[1]。在“三供一业”供热分离移交改造的过程中，实现了住户的分户采暖。为了更好地达到流量平衡和热量平衡，对改造后的二次管网安装自控系统。本文以太原市某小区为例，详细介绍了二次网自控系统的设计原理及方案。

1 热力站及小区基本情况

1.1 热力站基本情况

该小区所在热力站建于2014年，为散热器供热系统，设计供热面积1万m2，实际供热面积0.73万m2，高程791.22m。

1.2 小区基本情况

该小区建于1990年，未节能保温，且未分户控制。该小区建筑面积4088m2，设计热负荷261.63kW，1栋楼4个单元，层高6层，共计78户。

2 二次网自控系统设计

2.1 二次网平衡控制的基础理论

由稳态下的热平衡方程可知，散热器向房间的传热量应与房间向室外传热量相等，即：

式（1）中：Qs为建筑物吸收太阳辐射热；Qr为建筑物内部人员设备散热；Qg为供热系统供热量；Qq为来自相邻建筑物传导吸热；Qs′为建筑物对室外散热；Qf′为空气对流通风散热；Qq′为向其他相邻建筑物传导散热。

其中最主要的是：Qg（供热系统供热量）≈Qs′（建筑物对室外散热）。

式（2）中：KrFr为散热器的传热系数与传热面积的乘积，W/℃；KbFb为建筑物的传热系数与传热面积的乘积（包括冷风渗入的影响），W/℃；tg、th、ts、to分别为供水温度、回水温度、室内温度、室外温度，℃。

同一时刻，一定区域范围内的供水温度大致相同、室外温度也大致相同。因此，对于二次网平衡及负荷调控时，可以利用供热的回水温度来判断该用户室内的供热情况。

2.2 二次网自控系统设计原理

2.2.1 系统介绍

二次网自控系统如图1所示。

图1 二次网自控系统示意图

二次网自控系统由户用智能调节阀、温度采集面板、单元水力平衡阀、数据采集箱、平台软件组成。在采暖用户入户进水管上加装户用智能调节阀，楼栋单元回水立管上加装单元水力平衡阀，楼栋代表性用户家中加装室温面板，设备通过线缆接入数据采集箱，数据采集箱通过4G网络上传至总调中心，再通过平台软件实现远程对二次网的管理和调节。

2.2.2 设备说明

2.2.2.1 线材规格

单元干线、单元跨线MBUS信号线：RVVP2×1.0。单元干线DC24V电源线：RVV2×1.5。单元跨线DC24V电源线：RVV2×2.5。采集箱电源AC220V电源线：RVV3×2.5。

2.2.2.2 采集箱

无线电方式采集箱具有无线通讯模块，与运营商协议后的无线通讯方式需具有运营商认可的无线通讯模块，可直接传输数据至监控中心。采集箱用电由楼栋公共用电提供AC220V电压，同时需给相关远传阀门等供电。

采集箱上行数据传输LoRa/无线电/3G/4G/5G/以太网等，根据现场情况选择传输模式；下行数据传输采用M-bus。采集箱可对相关监控阀门进行控制并采集状态信息。

2.2.2.3 室温采集面板

室温采集面板具有温度数据采集和记录存储的功能，并且可以通过低功耗网络上报数据到服务器。室温采集面板由采集箱供电，可设置数据采集周期和上报周期。室温采集器具有防止移动报警功能，在用户私自拆卸移动时，平台会自动预警，保证室温采集数据的有效性、合理性[2]。

2.2.2.4 户控阀

户控阀是有线远传调节阀，可实现调节阀门开度，调节范围0～100%，可为每户单独调节不一样的开度。户控阀配有一个LED指示灯，不同颜色代表阀开、阀关、故障状态。户控阀通过现场总线传输信号至采集箱，由数据采集集中装置为其提供DC24V电源。

2.2.2.5 系统调节

二次网平衡监控系统基本功能：可以实时在线的监控与管理、诊断与报警、采集与报表、用户管理、历史数据存储与查询、趋势曲线、故障诊断分析、Web远程浏览等。系统提供实时的二次网平衡工况情况及评价，根据单元回水温度，对单元总管的调节阀进行动态调整，可有效地消除二次网的水力失调，实现回水温度趋于一致，保证各单元供热效果基本一致[3]。对于单元内垂直失调严重的，出现个别住户室温异常时，可对入户阀进行微调。配合二次网平衡情况，可以优化二次网运行工况。二次网平衡度改善后，可以以最低回水温度为限制值，降低二网循环量，拉大温差，从而降低换热站电耗。用户室温的统计结果，可以作为热负荷调度的优化修正指标。

3 小区二次网系统设计方案

小区二次网系统设计方案如图2所示。

图2 小区二次网系统设计方案

该小区共计1栋楼宇参与改造，共计78户。每户配备智能锁闭阀一块，部分锁闭阀配套温度采集面板，每单元配置远传智能水力平衡阀，每栋楼配置数据采集器。采集器配电由楼栋公用电提供，并由采集器为相应现场设备提供电源。采集箱通过4G网络实现与调度中心的数据传输，通过M-bus下行数据传输，实现对现场设备的控制监测。

根据该小区楼栋数、单元数、户数进行分析设计，该小区需安装自控设备如下：楼栋数据采集器安装1台，配套无线发射、接收一体机1套、楼栋电表1台；整个楼栋抽样安装温度采集面板，共计16台；每个单元安装远传智能水力平衡阀1个，共计4台；每户安装远传智能锁闭阀1个，共计78台。

全网平衡软件以该小区所属热力站为单位，根据该热力站供热范围内各远传智能水力平衡阀采集到的回水温度，统一设定温度目标，根据目标回水温度控制远传智能水力平衡阀的开度。

该栋楼前安装数据采集箱，用于采集该楼栋各阀门的状态、楼栋回水温度、用户温度、通断状态等各类情况，同时可以远程控制各阀门。每个单元前安装远传智能水力平衡阀，控制该栋楼4个单元的流量分配，以达到每个单元的所需流量。若一个单元流量远小于计算所需流量，则需要开大水力平衡阀；反之，则关小。每户安装户用通断控制阀，户控阀有3个指示灯，代表3种状态，其中：红灯表示关闭，黄灯表示无信号，绿灯表示开启。在供暖初期，供热公司可根据每户缴纳采暖费情况启闭通断阀门。在供热期间，根据户内温度采集面板信息，还可以通过户控阀对个别住户家中供热温度进行调节，温度过高闭阀，温度过低开阀。

在调度中心设立分户表阀联控系统，配备高性能工程师站、操作员站、服务器及相关组态软件，该系统具备阀门和热表数据采集功能、阀门调节和报警等功能。

4 应用效果

经过“三供一业”供热分离移交改造，更换了老旧小区的庭院管网、楼道立管、户内采暖系统，通过二次网平衡改造和调节，有效地改善了二次网的平衡状况，提高了供热效果，极大地降低了投诉率和能耗。

4.1 供热效果改善

在2019—2020采暖季，该小区因庭院管网老旧、阀门失灵，导致二次管网无法调节，各楼、单元之间流量分布不平衡，所以存在边户、底层因循环不畅，导致供热效果不良的情况。在2020—2021采暖季，经过二次网平衡的调节，各楼栋之间流量合理分布，每栋楼各单元之间流量分布均衡，实现回水温度趋于一致，保证各单元供热效果基本一致。对于个别不热的住户，还可以对每一户进行精准调节，确保每一户的供热质量。在本采暖季，该小区住户室温合格率达到100%，投诉量减少30%，供热效果得到极大的改善。

4.2 节能降耗

在2019—2020采暖季，该小区所属热力站初寒期循环泵频率在35Hz，严寒期循环泵频率在45Hz，整个采暖季的平均电单耗为1.33kW·h/m2，平均热单耗为1.19GJ/m2。在2020—2021采暖季，通过二次网平衡调节，消除了水力失调导致的末端管路的循环不畅，运行更加经济。在保证良好供热效果的前提下，本采暖季该小区所属热力站循环泵频率有所下降，平均热耗、电耗指标均降低，初寒期循环泵频率在32Hz，严寒期循环泵频率在43Hz，整个采暖季的平均电单耗为1.18kW·h/m2，平均热单耗为1.12GJ/m2。

5 结论

经过“三供一业”供热分离移交改造，实现了分户控制，并通过二次网自控系统对二次网进行实时监控和调节，消除了二次网的水力失调，基本保证各单元、各户的供热效果基本一致，基本消除了末端住户的不利情况，提高供热舒适度的同时，达到经济运行、节能增效的目的。