哈爾濱工業大學：姜永成，高惠娜，顧冬明，鄭瑞蕓，王昭俊，方修睦，趙華
1、概述
供熱用戶實行供熱計量收費[1]以后，必須要有相應的熱量可調節的手段，否則不能實現真正的節能。目前實現用戶熱量可調節的技術主要是在用戶室內的各散熱器支管上安裝自力式溫度調節閥，用戶可以根據個人生活習慣及經濟條件在調節閥上設定所需溫度。調節閥的安裝與調節方式主要有雙通閥和三通閥兩種方式，針對這兩種方式供熱系統也要采取相應的調節方案。
2、熱力運行分析
2.1 用戶分析
2.1.1 安裝雙通閥的室內系統
每一臺散熱器都裝有一只自力式雙通溫控閥，如圖1（a）所示，此系統適用于分戶供熱的室內水平式系統。采用雙通溫控閥后，室內供熱系統就成為了變流量系統。根據流體因磨擦阻力所造成的能量損失可得：
（1）式中：、供、回水壓力；流體密度；摩擦系數；管路直徑；供、回水平均流速。變換（1）式則可得：（2）。式中：是供、回水壓差；是局部阻力系數；是供回水流量。根據室內供熱系統的運行情況結合（2）式進行分析，可以看出供回水流量的變化是用戶系統的主動調節作用，而且是在主動調節局部阻力系數后變化的。供回水壓差的變化則取決于熱網循環泵的運行狀態，循環泵恒速運行時的變化較小，循環泵變速運行時的變化則會較大。
2.1.2 安裝三通閥的室內系統
每一臺散熱器都裝有一只自力式三通溫控閥，如圖1（b）所示，此系統適用于室內垂直系統，也適用于分戶供熱的室內水平式系統。采用三通溫控閥后，室內供熱系統的流量變化很小，可以認為是恒流量系統。但是要有部分高溫供水直接流入熱網回水管，造成一定的能量浪費。
下面針對以上兩種室內系統的熱量調節方案對熱網的運行工況進行分析。
2.2 熱網分析
輸送熱力的熱網循環泵按兩種運行方案進行討論，一種是恒轉速運行，另一種是變轉速運行。熱網循環泵的運行方案與室內系統的運行方案進行組合就會產生四種運行方案。
2.2.1 室內系統變流量熱網循環泵恒轉速
室內系統變流量運行、熱網循環泵恒轉速運行。由于室內散熱器溫控閥阻力的變化，使得管網的
基金項目：國家“十一五”重點科技攻關項目。
阻力特性發生變化，從而使得熱網的流量發生變化，量為時，熱網阻力系數會變化為，循環泵出口揚程也會增加到。顯然系統的工作點是沿著水泵的工作
特性曲線變化的，在最低供熱負荷時熱網的流量可能會變得很小，流量太小熱源是否能夠承受需進行綜合分析研究。
另外從節能的角度研究，恒轉速水泵在循環泵流量減小后，電動機的負載變小，其消耗的電能量也會減小。參考文獻[2]中給出了節流方式調節離心式泵類負載時的電機輸入功率計算公式，如下式所示：
（3）式中：是流量為時循環泵電動機消耗的功率，是循環泵的額定流量，是循環泵電動機的額定功率。由（3）式可以推出其節能率公式（4）式：
（4）式中：是流量為時循環泵電動機節電的功率。根據（4）式可計算出幾種流量下水泵電機的節能率，當時，節電率為；當時，節電率為。
此種方案也是節能的，但是流量越小其節能效果越不明顯，理論上計算零流量時的節能率為0.55。
2.2.2 室內系統變流量熱網循環泵變轉速
室內系統變流量運行、熱網循環泵變轉速運行。室內散熱器溫控閥調節后其阻力發生變化，使得管網的阻力特性發生變化，從而使得熱網的流量發生變化，如圖2所示。此時熱網循環泵應該改變轉速，使得循環泵的工作特性平行下移，下移的最佳工作點應該使得管網阻力特性恢復至點，如圖3所示。此種調節方案同樣存在系統最小流量限制的問題。
下面也從節能的角度研究變轉速水泵在循環泵流量減小后，電動機的節能問題。改變離心式水泵電機的頻率進行調速，目前是最佳的循環泵變速調節的方案，在參考文獻[2]中給出了節能率公式如（5）式：
（5）式中各符號含義同（4）式。根據（5）式計算出的節能率則是很可觀的，當時，節電率為；當時，節電率為。
顯然此種方案流量越小其節能效果越明顯，因此在流量變化范圍較大時選擇變轉速運行要比恒轉速運行更為節能。
2.2.3 室內系統恒流量熱網循環泵恒轉速
室內系統恒流量運行、熱網循環泵恒轉速運行。由于室內散熱熱器溫控閥的調節，使得回水溫度發生變化。熱源只能進行質調節，調節方式在后面探討。
此種調節方式水力工況穩定，但是熱網的輸送能耗最大。
2.2.4 室內系統恒流量熱網循環泵變轉速
室內系統恒流量運行、熱網循環泵變轉速運行。由于室內散熱器溫控三通閥的調節，使得回水溫度發生變化。熱源可以進行質調節或者量調節（循環泵變轉速調節），但是采用量調節的調節范圍不會太大，否則容易引起系統的水力工況失調。只有在系統循環泵的揚程選擇較大時，系統才會存在較大的量調節的空間。
此時循環泵變轉速調節只是在系統循環泵的揚程選擇較大時才具有意義。如果系統流量的調節范圍較小時，采用循環泵變轉速調節就不如采用調節閥調節流量更為經濟了。因此此種方案不宜采用。
2.3 熱源分析
針對熱網和熱用戶的特點，目前熱源主要有以下幾種運行調節方案：質調節運行；量調節運行；分階段改變流量質調節運行；綜合調節運行。
2.3.1 熱源質調節與分階段改變流量質調節運行
針對目前的熱用戶多為恒流量系統，因此采用此種調節方案的系統居多，調節運行的經驗已經相當成熟。但是當用戶進行熱計量以后，就不能再采用此方案了，否則不能實現最佳節能運行。
2.3.2 熱源量調節運行
針對目前的恒流量熱用戶，采用此種調節方案的不多，尤其是只采用熱源量調節運行的幾乎沒有。當用戶進行熱計量后，尤其是用戶為變流量系統后，熱源也要采取相應的調節對策，才能實現真正的節能。針對變流量用戶系統的熱源、熱網等的調節運行經驗還很缺乏，這也是我們要重點解決的問題。
2.3.3熱源綜合調節運行
針對目前的恒流量熱用戶，采用此種調節方案的有一些，但是流量的變化調節范圍一般都比較小，質調節的變化范圍較大。用戶進行熱計量以后，怎樣進行調節還要進行研究解決。
顯然熱源、熱網及熱用戶的運行調節方式應該進行綜合分析，以保證供熱指標、節能效果最佳為目標函數，確定一套完整的運行調節方案，才能實現供熱適量調節的目標。
3、熱力運行適量調節
本文主要針對具有熱計量和散熱器安裝有溫控閥的系統進行討論，研究針對這樣的用戶怎樣進行用戶、熱網及熱源的系統調節。
3.1 用戶調節
以熱源、熱網及用戶為一個整體考慮，用戶系統采用雙通閥調節散熱器（或是其他末端散熱裝置）的散熱量，系統的整體節能效果最明顯。但是如果有的用戶系統不允許采用雙通閥調節散熱器（末端裝置）的散熱量時，則應該設置用戶入口裝置將熱網和室內系統隔離開。室內系統可以采用恒流量運行，熱網系統采用變流量運行，也能獲得較好的節能效果，而且對熱網的運行穩定性也會更為有利，用戶入口裝置也要采取一定的調節方案，構成獨立的調節單元，在此不做闡述。
3.2 熱源與熱網調節
熱用戶安裝有三通閥或者雙通閥后，已經具備了自調節能力。此時在熱源處的負荷預報就變得很有意義了。根據熱網運行參數預報的供熱負荷，就是用戶在下一個時間段所需要的熱負荷。因此提高預報精度，保證預報控制穩定性成為主要的問題。供熱負荷預報的方法[3,4,5]很多，在此不做研究。
3.2.1 循環泵恒轉速時的預測控制
如果熱用戶是恒流量運行，則循環泵應該是恒轉速運行，熱源應該是質調節運行。控制系統應該根據熱源出口處的參數，如：熱網供回水溫度、室外溫度、熱網供回水流量（主要是監視異常情況），預測熱源的供回水溫度，并且進行反饋調節。如圖4所示。
3.2.2 循環泵變轉速時的預測控制
由前面的分析可知，熱力系統采用變流量運行方式輸送熱量是節能的。在較大范圍內變化流量調節時，采用變頻變循環泵轉速則是最節能的。因此如果熱用戶是變流量運行，則循環泵應該采用變頻變轉速運行，熱源則應該采用質調節與量調節相結合的綜合調節運行方案。
控制系統應該根據熱源出口處的參數（如：熱網供回水溫度、熱網供回水壓力、熱網供回水流量、室外溫度），以滿足供熱用戶需求、系統整體能耗最小為預測控制的最優目標函數，預測熱源的供回水溫度、熱網供回水壓力、熱網供回水流量，并且進行反饋調節。控制系統原理方框圖如圖5所示。
3.2.3 循環泵調節
循環泵應該按照預測控制系統預報的供回水流量和壓力參數，在保證系統水力工況穩定的前提下進行反饋調節。
3.2.4 熱源調節
熱源應該按照預測控制系統預報的循環流量和供回水溫度進行調節，在保證控制指標的前提下，鍋爐采用最佳燃燒尋優調節。
4、結論
供熱系統適量供熱調節是實現供熱節能的關鍵技術之一。但是面對各種不同的用戶系統及供熱方式，需制定相對應的整體綜合調節策略。根據我國供熱系統的現狀，應該針對新型供熱系統和舊有供熱系統制定相應的方案。
4.1 新型建筑
針對新型建筑小區，室內系統都應該按照分戶供熱、分戶計量設計，每一臺終端散熱設備都應該安裝雙通溫控閥調節室溫。熱源與熱網應該采取綜合調節策略，以保證供熱指標和系統能耗最低為目標函數，以熱源、熱網及熱用戶為綜合調節對象，進行預測、優化和專家智能的控制策略。
4.2 舊有建筑
針對舊有建筑，可以采用多種室內供熱系統并存，在不同建筑物的熱力入口處安裝不同的入口裝置。入口裝置既要滿足原有室內供熱系統的供熱需求，又要滿足熱源、熱網系統綜合調節的供熱需求。這樣就形成了建筑物入口裝置分散調節，熱源與熱網集中控制的集散式控制系統。
