基于熱計量表與室溫采集的二次網數據分析與調控方法

2017-07-01

隨著國家對節能減排、治理污染重視程度的不斷提高,多個地區的供熱企業進行了一次管網的智能化改造,并獲得了較好的節能效果。為了進一步降低能耗,提高用戶滿意度,就需要進行換熱站到用戶端的二次管網改造。與一次網不同,二次網情況復雜,而且不同小區差異大,難以找到非常行之有效的調控方法。近年來的熱計量改造為每戶安裝了熱計量表,提供了供回水溫度、流速等重要的供熱參數,也為二次網的量化調整提供了數據支撐。同時,熱力企業也在小區內選擇部分住戶安裝了室溫采集裝置,從而精確了解供熱質量情況。所有這些舉措提供了大量數據,給了我們了解二次網供熱情況的機會。

我們在2016-2017采暖季進行了山東省某居民小區的熱計量數據遠傳及室溫采集設備安裝、遠傳項目。該項目采集了1338戶居民住宅的熱計量表數據。同時,每戶住宅安裝了三只溫度采集設備,分別安裝在客廳和兩個臥室中。所有的熱量表和室溫數據每小時上傳一次,達到了較高的數據分辨率。這個項目可以有效地把供熱參數(供回水溫度、流速)與達到的供熱質量(住戶室溫)聯系起來,給了我們前所未有的數據量,為二次網供熱分析提供了數據支持。

為了滿足居民的用熱要求,供熱企業摸索總結了大量一手的調控經驗數據和方法。例如,每棟樓的頂層和底層為低溫戶,入住率低對供熱質量有負面影響。另外,回水溫度和流量與室溫有著直接的對應等等。但是這些經驗數據只有一個模糊的對應概念,無法得出準確的量化指標。具體到不同的小區和不同的樓宇,情況也有所不同。因此在實際調控中,一般采取反復試驗的方式調節,通過積累經驗達到調節效果。在學術界也有較多的理論研究對供熱參數、樓宇保溫情況和室溫的關系進行了建模、仿真和實驗驗證。但是很多學術研究都基于相對理想的實驗條件,即室內無人居住、室內散熱器狀態良好無遮擋覆蓋和堵塞,室溫采集設備沒有受到干擾,沒有主動散熱降溫行為等。在實際的居民小區里這些理想情況基本不滿足,使得理論結果不能完全預測實際情況。本文對一個小區實際的運行數據進行分析,在實際運行數據基礎上分析供熱參數和室溫的對應關系。同時,本文甄別了失真數據的存在,提出了數據失真的真實案例和排查、剔除方法。在這些數據分析的基礎上,我們可以量化得到二次網節能的巨大空間,進而提出了二次網管控的一些思路。

一、小區概況

小區總共26棟樓,1338戶。小區樓宇均為五到六層的多層,均為兩室一廳房型,且都為節能建筑結構。小區建于上個世紀90年代,供熱均采用散熱器供熱方式。

                                               

1 小區外景圖

小區分戶熱計量采用熱量表法,配套熱計量遠傳系統。小區內每個住戶供暖管道入口處安裝一只熱計量表,每棟樓安裝一臺無線集抄器。小區所有集抄器通過無線自組網絡匯集后,在基站通過GPRS網絡方式將數據送入熱力公司監控平臺服務器。每戶每居室內及客廳安裝一只智能溫度采集器,共安裝三只。每個溫度采集器每小時采集并無線發送用戶實時室內溫度。在數據統計中,如果沒有特別說明,每個住戶的室內溫度值為戶內三只溫度采集器上傳溫度的平均值。

二、小區整體數據匯總

首先對小區整體數據進行匯總,通過統計平均室溫和平均流速,得出如下圖表。

2 住戶平均室溫統計對比

3 住戶平均流速統計對比

根據以上統計可以看出:

同一棟樓內、樓宇之間,住戶的流速存在較大差異,分布不均。流速與室溫分布有一定的對應關系。以1號樓和10號樓為例,1號樓有56.1%的住戶流量偏低(小于0.3立方米每小時),有40%住戶溫度偏低(低于21度);而10號樓僅有5.8%的住戶流量偏低,有15.4%住戶溫度低于21度。

同一棟樓內,不同住戶的室溫存在較大差異。即便是整體溫度偏低的一號樓(40%住戶室溫20度以下),依然有20%左右的住戶室溫偏高(室溫平均24度)。從小區整體來看,大約30%住戶室溫偏低,30%住戶室溫偏高。二次網平衡調節的目標就是使得小區內的住戶室溫都控制在合理、均勻的范圍,消除投訴,減低超溫戶數量,實現用戶滿意、熱企節能、社會減少污染的三贏目標。

三、供熱參數與室溫的關系

為了獲得供熱參數(流速、回水溫度)與室溫的關系,我們進行了住戶的數據分析,希望能夠解答以下的問題:供回水溫度、流速是否與室溫有著直接對應的關系?以回水溫度來判斷室內溫度是否可行?

我們選取了10號樓2單元頂樓住戶進行了分析。下圖為601戶和602戶的回水溫度、流速和室內溫度數據。

4 10號樓2單元頂樓回水溫度對比

5 10號樓2單元頂樓平均流速對比

6 10號樓2單元頂樓平均室溫對比

601戶相比,602戶流速低、回水溫度低、室溫平均低2度。因此,對于這兩戶來說,流速低、回水溫度低的住戶室溫也相應低一些。盡管602戶室溫低于601戶,但是依然在21-23度的舒適溫度范圍。而601戶的室溫相對偏高,在2月份甚至到了25度左右。因此,為了節能目的可以考慮降低601室的流速到602室的水平,溫度雖然降低但也在舒適溫度范圍內,而且節約了熱量消耗。

盡管2單元頂層的數據支持了我們的回水溫度、流速與室溫相關的假設,但是當戶型位置不同時,回水溫度無法反映室溫的情況,即高回水溫度不一定對應高室溫。下圖是整個單元02戶的整體回水溫度、流速和室溫數據。由此數據可見盡管6層住戶處于頂層,而且流速、回水溫度均最低,但是戶內溫度卻處于中間合理水平。該單元102戶流速最高,回水溫度也較高,但是室溫卻是最低的,基本在20-22度之間。中間戶(302、502戶)溫度最高,402戶處于中間位置,但是其溫度反而偏低。鑒于其樓上、樓下兩戶溫度均較高,該戶可能存在開窗散熱行為。

由以上分析可見回水溫度不能作為判定室內溫度的唯一依據。由于戶內換熱器換熱效率的局限性,戶內可供熱量有一個上限值。這時即便回水溫度一致,但是由于戶型位置不同導致的散熱速度不同,室內溫度也可能有較大差異。因此,只有當戶型位置、戶內散熱器情況基本一致時,回水溫度高的基本可以判定室內的溫度也較高。但是當戶型位置不一致時,回水溫度高的住戶室溫不一定高。

當然,盡管回水溫度無法唯一反映室內溫度,但是供水溫度和流速反映了供熱企業可以提供的熱量服務水平。在供水溫度和流速均滿足要求、回水溫度也較高的條件下,室溫依然偏低可能是住戶室內的散熱器等設備存在管路堵塞、遮擋或者覆蓋的情況而導致的消費能力不達標。

以下是該單元六戶住戶整個采暖季的用熱量統計,由該表可見盡管102戶的用熱量是最高的,但是由于其處于冷端,室溫依舊較低。

1 10號樓2單元02戶累計用熱

戶號

采暖季總用熱量(kwh/平米)

102

106.53

202

88.74

302

77.69

402

81.56

502

89.05

602

89.59

 

7 10號樓2單元02戶回水溫度對比

8 10號樓2單元頂樓平均流速對比

9 10號樓2單元02戶室溫對比

四、失真室溫測量數據的檢測

在理想沒有人為干擾的情況下,室溫測量設備可以真實有效地反映戶內的實際室溫。但是在實際應用中,戶內溫度受到人的活動影響的情況非常普遍。這些活動包括開門關門帶來的熱量損失和溫度下降、開窗透氣帶來的溫度下降,以及一日三餐做飯導致溫度上升等等。這些人為活動帶來的住戶室溫升降不能真實反映供熱企業的供熱質量。在衡量二次網供熱狀況時,需要對室溫數據進行篩查,并剔除失真的數據。

以上一節討論的10號樓2單元02戶為例。該單元302、502戶溫度均較高,但是402戶流量、回水溫度均較高,但是室內溫度為本單元第二低,存在異常。我們把該戶三個測溫節點20171月份的數據進行對比。從下圖可見三號測溫節點的溫度在1月中旬發生了異常,最低達到8度左右。在1月下旬也出現了鋸齒狀的波動,周期性地從24度降低到17度,再回升到24度。因此,該戶可能對三號測溫點所在的房間有開窗散熱降溫的行為。

 

 


10 402戶異常溫度展示

對于異常溫度的檢測,可以采用平均溫度的方法進行初步篩查。即每一戶的溫度可以與其樓上、樓下住戶的平均室溫對比。如果偏離量超過一定的門限值,且供熱情況正常時,再進一步對其室溫測點的詳細數據進行分析。開窗散熱等行為一般會使室溫呈現鋸齒狀波動,即開窗時溫度下降,關窗后溫度迅速回升。另外一種長時間開窗的行為則會使溫度異常低,甚至遠低于供熱18度達標線。出現這兩種情況時均可判定為溫度異常,對數據予以剔除。以402戶為例,其樓上樓下的平均溫度超過25度,但是402戶的平均溫度僅為21度,偏離4度以上,就可懷疑為溫度異常住戶。

五、供熱狀況動態變化對室溫的影響

在供熱過程中,由于住戶情況變化和管網調節,會影響住戶室溫隨之發生變化。本節以一棟樓單個單元在采暖期室溫與流速的聯動情況說明。

我們選取15號樓2單元的01戶進行分析。該單元為大戶型,戶內面積為124平方米。該單元整個采暖季的平均流速與室溫的曲線圖如下所示。在供暖開始時,該單元的平均流速在0.4-0.68立方米每小時之間,室溫在21度到25度之間,601溫度最低,201溫度最高。在12月中旬,由于501戶報停,熱力公司關閉其暖氣供應,流量降到零。501戶的報停對其樓上(601)和樓下(401)影響顯著,圖中可以看到這兩戶溫度下降2度左右,而報停戶的溫度基本維持在16度以上。在12月底整棟樓流量調低,高溫戶溫度下降1-2度,低溫戶溫度基本保持不變。2月初整棟樓流量調高,所有住戶溫度均上升,報停戶的溫度也達到了20度左右。

由此可見報停戶對樓上、樓下將造成較大影響。在本例中樓上和樓下溫度均下降了2度左右。因此,不但底層和頂層可能成為一棟樓里的低溫戶,報停戶周邊也可能造成樓里的低溫戶。流量的小幅降低(0.1立方每小時)對于高溫戶有較為明顯的降溫作用,而對本來溫度就比較低的住戶影響不明顯。流量的大幅度上升(0.2立方每小時以上)使得平均溫度得到12度的提升。

11 15號樓2單元東戶流速-室溫對比

六、基于大數據的末端調控方案

從前面討論可以看到,不同的樓宇都有各自的特殊情況,導致其低溫戶位置不同、供熱參數與室溫的關系不同、達到的供熱效果也不一樣。這些獨特性是由樓宇位置、朝向、保溫效果,甚至居民的年齡、職業構成都有直接關系。一個小區隨著建筑年限的增加、管網的老化,每棟樓的情況也會隨著時間發生緩慢變化。這些特殊性使得我們無法得到一個普遍適用于所有小區建筑的二次網調控計算公式。盡管每棟樓具有特殊性,但是這棟樓特定的供熱特性卻是相對固定的。也就是說,我們可以通過對一棟樓歷史數據的掌控而進行不斷改進的調節,使得總體情況趨于最優。很多新建小區需要幾年的時間才能把供熱情況調平衡,原因也在于熱力企業調節人員需要根據以往的經驗不斷摸索試驗,才能逐步趨于合理的情況。在缺乏數據支撐的條件下,供暖期間調試人員為了實現居民滿意而較少考慮能源節省,大流量供熱,使得小區里經常存在溫度過高、住戶開窗散熱的情況,熱量供過于求,造成浪費。在國家倡導節能減排的大環境下,熱源供應逐步趨緊,新能源供熱成本高企不下,在二次網調節中,我們不但需要降低投訴率,更需要將節能列為重要指標。

為了解決這個問題,我們提出基于智能流量調節閥的二次網平衡調節系統。該系統采用自力式流量調節閥解決傳統入戶閥門互相干擾的問題,通過平臺軟件實現遠程調節,將二次網調節系統推進到戶端,直接精準控制每一戶的流量,由流量的調節實現熱量的分配。該系統可獲取每戶的室溫、回水溫度等信息,對住戶當前的供熱情況作出準確判斷,并根據管網供熱情況、小區所有住戶供熱情況作出最佳判斷并將流量調控值下發到戶端調節閥。本系統通過限制超溫戶流量、提升低溫戶流量,實現了整個小區的均勻、合理的室溫調節,達到顯著的節能目標。

以本文分析的10號樓案例來看,10號樓2單元602戶在小流量的情況下實現了23度的平均溫度,而601戶在大流量的情況下室溫達到25度。根據我們分析的相似戶型位置可采用相似供熱參數的情況,可以大幅度降低601戶的流量從而實現節水節電的目標。從整個采暖季的熱量表數據對比來看,601室采暖季共消耗7651.83kwh熱量,1367.32噸流量;602室采暖季共消耗6974.68kwh熱量,701.62噸流量。因此,如果把601戶按照602戶數據進行調控,則預計可節約677.15kwh熱量(8.85%),665.7噸流量(48.7%)。

同樣對于15號樓,我們看到原來的整體流量調控導致整個單元的溫度均受到影響。高溫戶溫度降低時低溫戶接近不達標,而流量調升后低溫戶達標了高溫戶又過熱,造成浪費。如果可以僅調節低溫戶的流量則可以實現顯著的節能效果。

按照這樣的思路,我們針對10號樓和15號樓特提出如下流量調節策略,并結合實際供暖數據為體現數據準確合理性,特選取供暖穩定的2016年12月21日至2017年3月15日期間數據。與模擬流量調節后數據對比。

 

2 流量調節策略及數據對比

10號樓2單元02戶

15號樓2單元01戶

樓層

流量調節

策略

調節后

總水量

本采暖季

實際總水量

樓層

流量調節

策略

調節后

總水量

本采暖季

實際總水量

6

0.3   m3/h

612   m3

495.82   m3

6

0.6 m3/h

1224m3

1170.33 m3

5

0.2   m3/h

408   m3

1068.57   m3

5

報停

0m3

0 m3

4

0.15   m3/h

306   m3

1216.36   m3

4

0.6 m3/h

1224 m3

1270.29 m3

3

0.15   m3/h

306   m3

911.92   m3

3

0.2 m3/h

408 m3

742.98 m3

2

0.3   m3/h

612 m3

1081.03 m3

2

0.15   m3/h

306 m3

790.58 m3

1

0.6   m3/h

1224 m3

1337.87   m3

1

0.4 m3/h

816 m3

1257.12 m3

10號樓2單元西戶本采暖季實際總流量為6111.57 m3,模擬流量調節后總流量為3468 m3,總節流43.26%;15號樓2單元東戶本采暖季實際總流量為5231.3 m3,模擬流量調節后總流量為3978 m3,總節流23.96%。

七、總結

本文對山東省某個小區一個采暖季的供熱參數、室溫數據進行了分析。根據分析結果,樓宇內、樓宇間的供暖差異較大,戶間不平衡現象顯著。供熱參數與室溫的關系因樓宇、住戶戶型位置等情況而各不相同。因此,樓宇內的低溫戶位置也不一致,部分在頂層,部分在底層。同時,報停戶也對周邊住戶有影響,可能形成低溫戶。供熱參數與室溫之間的對應關系因住戶、樓宇、小區不同而不同,具有個體化、差異化的特征。

在以上觀察結果基礎上,本文提出了末端調控調控的思路,根據樓宇、住戶實現因樓而異、因戶而異,達到精準到戶端的調控技術與策略。同時,依托可靠的數據傳輸實現供熱情況的實時監控,實現最優的節能調整策略。


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