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能量平衡法在变流量热水采暖控制系统中 的应用研究 哈尔滨工业大学 刘明生 叶蕾 张承虎 摘要：本文提出了一种全新的变流量采暖系统自动控制方法——能量平衡法，并探讨了该控 制方法在热水采暖控制系统中的应用原理及使用优势。通过在实际改造工程中的运行测试分 析，证明了该方法不但能够有效的保证建筑室内平均温度，稳定运行，而且能够降低系统能 耗。本控制方法无需在用户末端设置温度调节装置或温度传感器等设备，通过能量关系的比 较间接得到室内实际温度与设定温度的大小关系，从而对系统进行调节。本控制方法适用于 现有采暖系统的自动控制工程改造。 关键词：能量平衡法 控制 变流量 变频调节 0 引言 我国北方地区城镇供暖消耗的燃煤占我国非发电用煤量的 15%—18%，建筑运行消耗的 能源占全国商品能源 21%—24%。其中大型公共建筑供暖空调电力消耗中，60%—70%由输 送和分配冷量热量的风机水泵所消耗[1]，由此可见，降低采暖系统中的水泵耗能具有重大意 义。由水泵相似定律可知，水泵运行时消耗的功率与转速的三次方成正比，当建筑热负荷改 变时，通过调节水泵的转速一方面可以保证室内人员的温度需求，另一方面可以降低系统能 耗，因此变流量采暖系统近年来颇受关注。 热水采暖系统的调节一般在热源或热力站进行，常用的调节方法有质调节、量调节、 分阶段改变流量的质调节和间歇调节[2]。传统的量调节采用改变循环水泵出口阀门的开度调 节供热介质流量，这种调节方法因节流的不可逆性会造成大量能量损失，使系统运行的经济 性下降。采用水泵变频调速技术不但可减少电能的消耗，而且可提高供热系统的经济性[3]。 1 几种控制方法的对比分析 空调水系统中对于变流量的控制方法研究较多，主要包括压差控制法、温差控制法和阀 位控制法[4]。而在集中供暖系统中，由于散热末端多为散热器或辐射板，传统的用户末端通 常没有可以自动调节的温控阀，所以压差控制法和阀位控制法在传统的采暖系统中很少应 用。温差控制法是根据干管内供回水温差来控制水泵变频调节。对于采暖系统，供回水温差 较大（散热器一般为 25℃），但是在实际运行过程中，很难达到标准的设计温差，而且其供 热量是供回水温差和流量的耦合，所以仅以供回水温差作为控制标准无法达到满意的效果 [5]。 最直接的控制方法就是通过室温对水泵进行调速，但是由于在用户房间安装温度传感器 布线等问题，使得这一方法难以实施。 针对以上问题，本文提出了一种全新的控制方法——能量平衡法。该方法结合了系统中 流量和供回水温差双重因素，即无需在用户末端安装温控阀，也不需在用户处安装温度传感 器，作为一种局部调节的控制方式，该方法能够解决建筑整体过冷或过热的现象，同时大大 的降低能耗。 2 能量平衡法原理分析 能量平衡法以采暖系统的热平衡关系为控制基础，系统向用户实际提供的热量为控制对 象，设定室温下散热末端向室内散出的热量为控制标准，通过调节系统中热媒的流量及温度， 对供热系统进行控制调节。采用此能量平衡法避免了在被控空间内安装温度传感器等设备， 同时保证了对空间温度的有效控制，而且能够大大降低水泵的运行能耗。 由于该控制方法无需在末端增加特殊的设备，所以适合在原有采暖系统中进行自动控制 改造时应用。 2.1 能量平衡法的控制对象 能量平衡法适用于一切集中供热系统，对二次网系统尤其适用，主要应用于热力站的局 部调节。使用该控制方法的目的是从整体提高建筑的热舒适性，控制对象是建筑室内的平均 温度，即从整体上降低或提高建筑室内平均温度。由于该控制方法不是用户末端的单独调节， 所以它更适合在系统进行完善的初调节基础之上使用。 2.2 能量平衡法的控制原理 对于供热系统，高温热水进入用户末端通过散热温度降低，系统向用户提供的热量为： Es ? C pQ(T1 ?T2 ) （1） 式中 Es ——系统向用户提供的热量，kW； C p ——水的质量比热，通常取 4.2kJ/(kg℃)； Q ——系统的循环水流量，kg/s； T1 ——系统供水温度，℃； T2 ——系统回水温度，℃。 以散热末端为研究对象，末端设备向室内散