公共建筑供熱系統(tǒng)分時(shí)分區(qū)節(jié)能改造方案

/公共建筑供熱系統(tǒng)分時(shí)分區(qū)節(jié)能改造方案一、現(xiàn)有技術(shù)方案供熱系統(tǒng)的熱惰性是制約按需供熱的一個(gè)重要因素，尤其對(duì)于按需供熱中最重要的間歇性供熱需求，現(xiàn)有的技術(shù)方案難以滿(mǎn)意節(jié)能運(yùn)行的要求。對(duì)于公共建筑，通常工作時(shí)間段要求正常供熱、而夜間維持防凍運(yùn)行即可；由此產(chǎn)生了分時(shí)分區(qū)的節(jié)能運(yùn)行方案，詳細(xì)包括：末端變流量分時(shí)分區(qū)供熱：在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，通過(guò)調(diào)整流量閥開(kāi)度降低末端系統(tǒng)流量以降低供熱量；其優(yōu)點(diǎn)是成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、有肯定的節(jié)能效果；缺點(diǎn)是：不能變更系統(tǒng)供水溫度；并簡(jiǎn)潔造成水力失調(diào)、不利節(jié)點(diǎn)的管路有凍結(jié)風(fēng)險(xiǎn)；通斷時(shí)間限制分時(shí)分區(qū)供熱：在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，通過(guò)通斷閥定時(shí)開(kāi)啟或關(guān)閉，降低供熱量；其優(yōu)點(diǎn)是成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、有肯定的節(jié)能效果；缺點(diǎn)是：不能變更系統(tǒng)供水溫度；并且不適合應(yīng)用于寒冷地區(qū)；樓前混水系統(tǒng)分時(shí)分區(qū)供熱：詳細(xì)結(jié)構(gòu)形式多種多樣，共同點(diǎn)是其中至少包括調(diào)整閥、限制系統(tǒng)和內(nèi)部循環(huán)泵；通過(guò)內(nèi)部循環(huán)泵維持內(nèi)部水循環(huán)，通過(guò)調(diào)整閥調(diào)整供熱量；其優(yōu)點(diǎn)是：能夠變更系統(tǒng)供水溫度、節(jié)能效果好；缺點(diǎn)是：系統(tǒng)困難、限制系統(tǒng)要求高、成本較高。通過(guò)需求分析可以發(fā)覺(jué)，此類(lèi)應(yīng)用的特點(diǎn)是在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)供熱需求會(huì)發(fā)生由大變小的突變、然后將維持一段較長(zhǎng)時(shí)間的低負(fù)荷狀態(tài)，但是供熱系統(tǒng)的熱惰性會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)速度嚴(yán)峻滯后，從而形成能源的奢侈。依據(jù)參考資料可知，雖然規(guī)定的夜間最低值班室溫為5℃，而現(xiàn)有的分時(shí)分區(qū)系統(tǒng)的夜間室溫則通常為15℃左右，其中仍有肯定的節(jié)能空間。另外正常供熱時(shí)，末端系統(tǒng)的管道和鑄鐵散熱器中的平均水溫為60℃以上，切換到夜間低消耗運(yùn)行狀態(tài)后，平均水溫漸漸下降為30℃以下。由此，對(duì)應(yīng)的末端散熱器殼體和循環(huán)水都會(huì)產(chǎn)生至少30K的溫差，現(xiàn)有技術(shù)方案中，這部分的溫差所對(duì)應(yīng)的熱量是無(wú)法被利用的、大部分被白白奢侈掉。以較常見(jiàn)的四柱760鑄鐵散熱器為例：散熱器單片參數(shù)：重量5.2Kg、水容量0.93L、中心距600mm；通常單片對(duì)應(yīng)末端供熱面積為1.3至1.5平方米。其中：鑄鐵的比熱容為：0.53kj/(kg*k)；水的比熱容為：4.2kj/(kg*k)當(dāng)發(fā)生需求突變后形成溫差為30K時(shí)，所對(duì)應(yīng)的熱量損失為：5.2*0.53*30+0.93*4.2*30=199.86kj（約55.5wh）即對(duì)應(yīng)每平方米供熱面積會(huì)產(chǎn)生約40wh的熱量損失。二、改進(jìn)技術(shù)方案為解決現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，本方案采納相變儲(chǔ)能技術(shù)，在末端系統(tǒng)負(fù)荷產(chǎn)生由大變小的突變時(shí)，通過(guò)相變儲(chǔ)能模塊快速?gòu)哪┒讼到y(tǒng)中提取熱量?jī)?chǔ)存起來(lái)、并加以利用。同時(shí)，相變儲(chǔ)能模塊具有良好的降溫輸出實(shí)力，完全可以替代現(xiàn)有系統(tǒng)。詳細(xì)方案：該系統(tǒng)包括熱源側(cè)系統(tǒng)1、末端系統(tǒng)2、相變儲(chǔ)能模塊3和內(nèi)部循環(huán)泵4；在正常供熱負(fù)荷工況下，熱源側(cè)系統(tǒng)1和末端系統(tǒng)2連接，由熱源側(cè)系統(tǒng)1為末端系統(tǒng)2供應(yīng)熱量；當(dāng)末端系統(tǒng)2的負(fù)荷發(fā)生由大變小的突變時(shí)（此時(shí)，末端系統(tǒng)2中的循環(huán)水的溫度高于相變儲(chǔ)能模塊3中的儲(chǔ)能材料的相變溫度），將熱源側(cè)系統(tǒng)1和末端系統(tǒng)2斷開(kāi)，并將末端系統(tǒng)2和相變儲(chǔ)能模塊3、內(nèi)部循環(huán)泵4相連接，由內(nèi)部循環(huán)泵4驅(qū)動(dòng)末端系統(tǒng)2中的水循環(huán)通過(guò)相變儲(chǔ)能模塊3的換熱器5、使得循環(huán)水和儲(chǔ)能材料進(jìn)行熱交換，將水中的熱量回收并儲(chǔ)存到相變儲(chǔ)能模塊3之中，同時(shí)使得循環(huán)水的溫度快速下降、從而避開(kāi)了熱量的散失；然后，在末端系統(tǒng)2處于低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，當(dāng)末端系統(tǒng)2中的水溫下降到低于相變儲(chǔ)能模塊3中的儲(chǔ)能材料的相變溫度時(shí)，將末端系統(tǒng)2和相變儲(chǔ)能模塊3、內(nèi)部循環(huán)泵4相連接，由內(nèi)部循環(huán)泵4驅(qū)動(dòng)末端系統(tǒng)2中的水循環(huán)通過(guò)相變儲(chǔ)能模塊3的換熱器、使得循環(huán)水和儲(chǔ)能材料進(jìn)行熱交換并輸出溫度較低的低品位熱能，從而維持末端系統(tǒng)的低負(fù)荷運(yùn)行、即可維持夜間值班溫度。圖1須要指出的是，在夜間低負(fù)荷值班工況下，在末端系統(tǒng)中盡量降低供水溫度并維持肯定流量的循環(huán)，是保證平安性的同時(shí)降低能耗的最佳手段。此時(shí)若采納樓前混水系統(tǒng)則：末端負(fù)荷理論上最低可縮減為正常負(fù)荷的1/5；熱源側(cè)的供水溫度和末端側(cè)供水溫度的差值較大（>30K）、是正常運(yùn)行溫差的兩倍以上；由此，其中關(guān)鍵的熱源測(cè)流量調(diào)整閥的開(kāi)度將小于10%、甚至有可能低于5%，其可操作性大打折扣。以下是幾種方案的對(duì)比分析表：方案基礎(chǔ)構(gòu)成造價(jià)節(jié)能效果優(yōu)缺點(diǎn)分析變流量系統(tǒng)流量閥限制系統(tǒng)2元/㎡<20%優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔；缺點(diǎn)：存在運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)；不能變更末端供水溫度，節(jié)能率低；通斷限制系統(tǒng)通斷閥限制系統(tǒng)2元/㎡<20%優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔；缺點(diǎn)：存在運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)；不能變更末端供水溫度，節(jié)能率低；樓前混水系統(tǒng)調(diào)整閥組合限制系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)泵4-10元/㎡20-30%優(yōu)點(diǎn)：可降低供水溫度，節(jié)能率高；缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)困難，限制精度要求高；相變儲(chǔ)能系統(tǒng)相變儲(chǔ)能模塊通斷閥組合限制系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)泵10元/㎡>30%優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，適用面廣；低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，末端的供水溫度最低，節(jié)能率最高；缺點(diǎn)：不適用于熱源側(cè)供水溫度低于55℃的應(yīng)用。表1綜上所述，本方案的優(yōu)點(diǎn)是：1、熱回收功能：當(dāng)發(fā)生需求突變時(shí)，唯一一種可以低成本、快速回收末端系統(tǒng)中的富余熱量的方案，消退末端系統(tǒng)的熱惰性，有利于分時(shí)分區(qū)管理和行為節(jié)能；2、緩釋功能：當(dāng)熱源側(cè)供水溫度較高時(shí)，現(xiàn)有方案都無(wú)法為末端系統(tǒng)穩(wěn)定的供應(yīng)很低的供水溫度、因此節(jié)能效果受限；而通過(guò)相變儲(chǔ)能模塊可以為末端系統(tǒng)穩(wěn)定的供應(yīng)低于30℃的供水溫度，因此末端系統(tǒng)對(duì)外散熱的實(shí)力也大幅下降，從而在滿(mǎn)意低負(fù)荷運(yùn)行的同時(shí)做到了熱量的緩慢釋放、夜間維持低負(fù)荷時(shí)幾乎不額外消耗熱量；3、合理調(diào)配熱能品位：通過(guò)儲(chǔ)能模塊快速汲取熱量時(shí)儲(chǔ)熱溫度相對(duì)較低、即熱能品位有較大損失，因此所儲(chǔ)存的熱量難以干脆用于正常負(fù)荷工況的供熱，本方案中由儲(chǔ)能模塊做為低品位的熱源，恰好可以滿(mǎn)意低負(fù)荷運(yùn)行的應(yīng)用需求，從而干脆變廢為寶。三、詳細(xì)案例分析以公共建筑供熱系統(tǒng)案例為例，詳見(jiàn)表2（其中耗熱量相關(guān)數(shù)據(jù)按1平方米供熱面積對(duì)應(yīng)計(jì)算），表中參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系為：Q：耗熱量（wh）；E：熱負(fù)荷（w）；T：室內(nèi)溫度（℃）；Ra熱源側(cè)供回水參數(shù)（℃/℃）；Rb末端側(cè)供回水參數(shù)（℃/℃）。首先，設(shè)定一個(gè)簡(jiǎn)化的連續(xù)供熱系統(tǒng)作為參照：（圖2）1、工作時(shí)間段（上午8點(diǎn)至晚間20點(diǎn)之間）為正常負(fù)荷，運(yùn)行參數(shù)如下：熱負(fù)荷E1=26w；耗熱量Q1=26w*12h=312wh；室內(nèi)溫度T1=20℃；熱源側(cè)供回水參數(shù)Ra1=70℃/63℃；末端側(cè)供回水參數(shù)Rb1=70℃/63℃；2、休息時(shí)間段（晚間20點(diǎn)至次日8點(diǎn)之間）為正常負(fù)荷，運(yùn)行參數(shù)如下：熱負(fù)荷E2=40w；耗熱量Q2=40w*12h=480wh；室內(nèi)溫度T2=20℃；熱源側(cè)供回水參數(shù)Ra2=70℃/60℃；末端側(cè)供回水參數(shù)Rb2=70℃/60℃；然后，選取節(jié)能性能較好的混水系統(tǒng)作為對(duì)比項(xiàng)：1、工作時(shí)間段（上午8點(diǎn)至晚間20點(diǎn)之間）為正常負(fù)荷，運(yùn)行參數(shù)和連續(xù)供熱模式相同；（圖2）2、降溫階段（晚間20點(diǎn)至24點(diǎn)）：末端低負(fù)荷運(yùn)行，此時(shí)末端中水溫較高，實(shí)行自然降溫為主，少量協(xié)助供熱，室內(nèi)溫度漸漸降低；運(yùn)行參數(shù)如下：熱負(fù)荷E3=4w；耗熱量Q3=4w*4h=16wh；室內(nèi)溫度T3=12℃；熱源側(cè)供回水參數(shù)Ra3=70℃/69℃；末端側(cè)供回水參數(shù)Rb3=40℃/35℃；降溫階段中，若停止末端循環(huán)，四小時(shí)的周期較長(zhǎng)，對(duì)于不利位置可能造成管道凍結(jié)；因此須要適當(dāng)啟動(dòng)末端循環(huán)，這樣會(huì)導(dǎo)致散熱量增加，因此須要從熱源側(cè)系統(tǒng)補(bǔ)充少量熱量；由于散熱量的增加使得室內(nèi)溫度不能進(jìn)一步降低、節(jié)能率有所降低。3、低負(fù)荷供熱階段（凌晨24點(diǎn)至次日6點(diǎn)）：末端維持低負(fù)荷運(yùn)行，此時(shí)末端系統(tǒng)供水溫度較低，室內(nèi)溫度維持在較低的水平；運(yùn)行參數(shù)如下：熱負(fù)荷E4=12w；耗熱量Q4=12w*6h=72wh；室內(nèi)溫度T4=12℃；熱源側(cè)供回水參數(shù)Ra4=70℃/67℃；末端側(cè)供回水參數(shù)Rb4=40℃/35℃；4、快速預(yù)熱階段（次日6點(diǎn)至次日8點(diǎn)）：末端系統(tǒng)和熱源側(cè)系統(tǒng)連通，處于大溫差、高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，快速提升室內(nèi)溫度至正常水平；運(yùn)行參數(shù)如下：熱負(fù)荷E5=80w；耗熱量Q5=80w*2h=160wh；室內(nèi)溫度T5=18-20℃；熱源側(cè)供回水參數(shù)Ra5=70℃/35℃；末端側(cè)供回水參數(shù)Rb5=70℃/35℃；最終，對(duì)本文介紹的相變儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行介紹，其中相變儲(chǔ)能模塊3中的儲(chǔ)能材料5的相變溫度Tx設(shè)計(jì)為30℃：1、工作時(shí)間段（上午8點(diǎn)至晚間20點(diǎn)之間）為正常負(fù)荷，運(yùn)行參數(shù)和連續(xù)供熱模式相同；（圖2）2、熱回收階段（晚間20點(diǎn)至22點(diǎn)）：末端進(jìn)入低負(fù)荷運(yùn)行，將熱源側(cè)系統(tǒng)1和末端系統(tǒng)1斷開(kāi)，并將末端系統(tǒng)1和儲(chǔ)能模塊3、內(nèi)部循環(huán)泵4相連接，由內(nèi)部循環(huán)泵4驅(qū)動(dòng)末端系統(tǒng)2中的水循環(huán)通過(guò)儲(chǔ)能模塊3的換熱器6、通過(guò)換熱器6使得循環(huán)水和儲(chǔ)能材料5進(jìn)行熱交換，將水中的熱量?jī)?chǔ)存到儲(chǔ)能模塊3之中，并使得循環(huán)水的溫度快速下降、從而避開(kāi)了熱量的散失，室內(nèi)溫度同時(shí)下降；運(yùn)行參數(shù)如下：（圖3）熱負(fù)荷E6=0；耗熱量Q6=-40wh（即回收熱量值）；室內(nèi)溫度T6=12℃；熱源側(cè)為斷開(kāi)狀態(tài)；末端側(cè)供回水參數(shù)Rb6=65℃/35℃；3、自然降溫階段（晚間22點(diǎn)至23點(diǎn)）：此時(shí)末端中水溫約為35℃，可實(shí)行中斷末端循環(huán)進(jìn)行自然降溫的方式，使得循環(huán)水溫下降至20℃，室內(nèi)溫度漸漸降低為8℃；由于系統(tǒng)中斷時(shí)間為1小時(shí)，時(shí)間較短、沒(méi)有管道凍結(jié)的風(fēng)險(xiǎn)；4、低負(fù)荷供熱階段（凌晨23點(diǎn)至次日6點(diǎn)）：末端維持低負(fù)荷運(yùn)行，此時(shí)末端系統(tǒng)供水溫度低，室內(nèi)溫度維持在值班溫度水平；運(yùn)行參數(shù)如下：熱負(fù)荷E7=8w；耗熱量Q7=8w*7h=56wh；室內(nèi)溫度T7=8℃；末端側(cè)供回水參數(shù)Rb7=25℃/20℃；此時(shí)，優(yōu)先運(yùn)用相變儲(chǔ)能模塊3作為低品位熱源，如圖4所示，啟動(dòng)內(nèi)部循環(huán)泵4，由內(nèi)部循環(huán)泵4驅(qū)動(dòng)末端系統(tǒng)2中的水循環(huán)通過(guò)儲(chǔ)能模塊3的換熱器6、通過(guò)換熱器6使得循環(huán)水和儲(chǔ)能材料5進(jìn)行熱交換，當(dāng)末端系統(tǒng)2中的水循環(huán)通過(guò)儲(chǔ)能模塊3的換熱器6之后，水溫上升為25℃左右，而25℃的出水溫度足以滿(mǎn)意低負(fù)荷工況的要求，并且可以做到熱量的緩慢釋放；當(dāng)相變儲(chǔ)能模塊3中儲(chǔ)存的熱量消耗殆盡時(shí)：即如圖5所示，將相變儲(chǔ)能模塊3和熱源側(cè)系統(tǒng)1連接，由熱源側(cè)系統(tǒng)1為相變儲(chǔ)能模塊3補(bǔ)充適當(dāng)?shù)臒崃?；熱源?cè)系統(tǒng)1的供回水溫度參數(shù)為70/35℃；由于換熱溫差較大，該熱交換過(guò)程可以快速完成。當(dāng)完成熱量補(bǔ)給后，將熱源側(cè)系統(tǒng)1和儲(chǔ)能模塊3斷開(kāi)，再將末端系統(tǒng)1和儲(chǔ)能模塊3內(nèi)部循環(huán)泵4相連接（即回到圖4的狀態(tài)），由相變儲(chǔ)能模塊3對(duì)水進(jìn)行循環(huán)加熱，從而接著維持末端系統(tǒng)的低負(fù)荷運(yùn)行；5、快速預(yù)熱階段（次日6點(diǎn)至次日8點(diǎn)）：末端系統(tǒng)2和熱源側(cè)系統(tǒng)1連通，處于大溫差、高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，快速提升室內(nèi)溫度至正常水平；運(yùn)行參數(shù)如下：熱負(fù)荷E8=90w；耗熱量Q8=90w*2h=180wh；室內(nèi)溫度T8=18-20℃；熱源側(cè)供回水參數(shù)Ra8=70℃/25℃；末端側(cè)供回水參數(shù)Rb8=70℃/25℃。

時(shí)間段連續(xù)供熱模式混水分時(shí)供熱模式相變分時(shí)供熱模式8-20持續(xù)供熱：E1=26w；Q1=312wh；T1=20℃；Ra1=Rb1=70℃/63℃20-21持續(xù)供熱：E2=40w；Q2=480wh；T2=20℃；Ra2=Rb2=70℃/60℃降溫階段：E3=4w；Q3=16wh；T3=12℃；Ra3=70℃/69℃；Rb3=40℃/35℃熱回收階段：E6=0w；Q6=-40wh；T6=12℃；21-2222-23自然降溫階段23-0低負(fù)荷供熱階段：E7=8w；Q7=56wh；T7=8℃；相變供熱過(guò)程：Ra7:無(wú)；Rb7=25℃/20℃；補(bǔ)充供熱過(guò)程：Ra7:70℃/35℃；Rb7=25℃/20℃；0-1低負(fù)荷供熱階段：E4=12w；Q4=72wh；T4=12℃；Ra4=70℃/67℃；Rb4=40℃/35℃1-22-33-44-55-66-8快速預(yù)熱階段：E5=80w；Q5=160wh；快速預(yù)熱階段：E8=90w；Q8=180wh；耗熱量合計(jì)792wh/㎡560wh/㎡508wh/㎡節(jié)能率無(wú)30%36%表2綜合分析：雖然表中混水系統(tǒng)的節(jié)能率達(dá)到30%，