提高区域供热站效率的新策略.doc

1、1提高区域供热站效率的新策略关键词： 区域供热 控制 T 散热器系统 空间加热摘 要在本文中，我们描述了一个新的替代控制方法关于间接连接区域性供热站，模拟结果表明，这个新的方法能提高通过供热站的温差，结果显示对于理想和非理想运行状态的系统，可以用更少的水来泵送到整个区域供热网路中，同时一个更高的总体燃油效率可以在热电联产中获得。当一个更高的燃油效率出现时，可以减少燃料资源的使用。提高了效率也增加了集中供热系统的有效传导能力，允许更多的用户连接到已有的网路，在不增加供热厂或网络容量的情况下。另外，如果热电联产发电厂被用来产生热量，温差的增加将会进一步提高整体燃油效率，可以用冷却水产生更多的电力。

2、 新的控制方法的背后思路是考虑供给集中供热热变电站水的温度，通常称为最初供给温度。这是下一个步骤前提，因为目前,它是唯一的参数通常被考虑或测量控制混凝土温度水平的散热器电路当地的室外温度。在本文中我们展示了如何将最初供给温度与建筑热力学知识一起用来最大限度地提高整个区域供热站温差的。1.简介随着全球能源需求的增加，改善能源系统的效率是一个重要的问题。通过利用集中供热，在供热方面能源效率可以达到很大的改善。但是，在技术方面仍然存在着改进的余地以使其变得更加高效和环保。区域供热是一种技术，它通过热水或蒸汽的形式将能量从一个集中供热厂传递给用户。相关的技术在冷却区域中是用同样的方法，但以分配冷水来代

3、替分配热水或蒸汽。在本文中，我们着重在区域供热用热水作为分配介质。热量产生在一个高效率的中央工厂中，集中供热采暖是一个对环境友好的供热方式，相对于其他大多说供热形式有更小的影响对于环境。区域供热已经被用于商业用途从 1900 年初以来。在今天，区域供热网络可以被发现在整个北半球的大多数地方，但它在欧洲的最东部，中部和北部地区常见。通过集中和结合热能和电力生产的热电联产厂，整体燃油效率可超过 90。在传统的化石燃料的电力生产发电厂，燃料效率也很少超过 502；燃料的能源，其它部分都变成热量丢失或浪费。在热电联产中，废热的大部分可以被捕获和使用，例如：在区域供热系统中。通过这样做，整体燃油效率可以

4、达到 902,3。在丹麦，热电联产是非常常见的，有超过八成的集中供热能量由热电联产生产；在瑞典，这个数字大约是 305 。热电联产在瑞典产热比例相对较低，是有许多因素导致的。第一个原因是，税收法规没有作出有利的对于建立和运行热电联产。这也是有联系的电力价格低，这在瑞典有很长一段时间了。此外，工业废热利用率高作出了贡献，热电联产电厂在2瑞典的存在受到了限制。然而，今天，热电联产厂的数量在瑞典正在增长。图 1 显示了一个热电联产电站的概貌连接到区域供热网络。图 1 热电联产区域供热的过程一个热电联产连接到网络采用集中供热区域供热作为电力生产过程中的冷却水系统的大型散热器。这创建了一个双赢情况，电力

5、生产所产生的可作为集中供热出售多余的热量;这同时减少对环境的影响，因为减少了对第一能源的需要，也见 6。这也节省了电量在应用电力作为唯一可行的能源供应方面，如闪电，计算机和将来可能是汽车。为了最大限度地一个区域供热系统的燃油效率，这是非常重要的要有一个较大的温度跨区在区域供热网路中。通过保持单位的分布式水量高，更多的能量就会被利用。通过保持温差的升高，每单位体积的热量会被利用的更多。如果区域供热管网是由抽取冷量热电联产提供动力7，就是以朗肯循环的原则运作，温差也影响了电能的生产在热电联产中。由于集中供热回水用热蒸汽凝结从提取冷凝热电联产电力生产中返回，返回区较低的供热温度（较高温差）将增加冷凝

6、器的蒸汽冷凝能力。这个结果将产生一个较大的压力降对于涡轮，这是电力生产的先决条件。如果即将分离的分布介质温度也降低，发电量被进一步增加。烟气冷凝是一种技术，变的越来越普遍在供热和热电联产厂。烟气冷凝物是一种技术，在烟气中的气体燃料燃烧过程中产生的热量。该技术是特别有效当燃烧水分丰富的生物质燃料时。该技术还可用于天然气发电厂，但它往往联合一个空气加湿器增加烟气的阻尼，以使热量可以更容易在冷凝器提取。烟气冷凝可以增加一个热电厂整体最大效益达 30，根据燃料类型以及返回到冷凝器中加热介质的温度8。一个较低的区域供热网回水温度意味着更多的蒸汽在冷凝器中冷凝，这反过来，这个厂有一个更高的总体燃油效率。除

7、了上述的目标，增加系统温差的也有助于减少能源的使用，因为体积小，需要获得相同数量的能量。回水管系统损失也将减少，因为与周围环境温度梯度的降低。如果供给温度也降低，供水管系统损失也将减少。由于能源公司只能改变用户所使用的能量，多数的总温差应当被降低通过用户的集中供热站;在分配网络中丢失的能量也代表了经济损失。在本文中，我们指的是主干线（分配）和支线（房子内部空间加热和热水系统）的连接。我们专注于与两个（或3更多）单独处理热交换器主干线和支线之间的能量传递系统的间接连接，见图 2 典型的热电站连接方案。间接连接变电站在瑞典是最常见的，但是，丹麦，相反的经常采用直接耦合系统，其中集中供热热水直接通过

8、散热器。图 2 区域供热连接简示图1.热水入口 2.回水出口 3.自来水入口 4.热交换器 5.散热器 6.自来水水龙头在本文中，我们着重对散热系统的优化使t 有利于用户集中供热站。2.理论在本节中我们将解释如何控制一个间接耦合连接区域的采暖散热器系统，以及如何控制散热器对初级t 的影响。也简要给出了介绍模拟模型来测试的理论。我们还提出如何控制散热系统的新思路，其重点是增加初级t 。2.1 仿真设置为了评估我们的想法关于散热器系统控制与优化，我们使用了先前开发的连接到区域供热网络的仿真模型。该模型使用了 MathWorks 公司的 Simulink 软件，这让关键参数和模型设置的易编辑性成为了

9、可能性。4该参数，可以潜在地影响建筑物的热能消耗功率，如室外温度，热水供水温度，收集从一个单独的隔离的块，见图 3。有趣的结果都可以被看见在模拟运行或保存到文件进行后期处理。图 3 仿真模型示意图构建模块包括两个主要的基本块，集中供热站和建筑物本身。这些块能被进一步划分为若干的专业块，见图 4。图 4 组装建筑主要模块示意图基本热力学关系式管理换热器，散热系统，建筑幕墙之间的物质和能量流动，所有的块一起形成了一个完整的连接建筑区域采暖的热力学模型。本文中使用的模型是适应类似于真实世界的别墅，包括其安装的集中供热站，总散热系统的表面。为了验证对一个真实热力站和建筑模型，增加安装流量和温度仪表。该

10、模型的进一步详情能被找到在10-12 ；对仿真模型验证过程的详细信息可以13中找到。完整的仿真模型可以在14下载。2.2 空间加热控制的可能性在一个室外温度变化和建筑热工需求变化的情况下，为了维持稳定的室内温度，必须控制从散热系统到建筑物的热量传递。在散热系统中两个最容易控制的参数是散热器系统供应温度和散热器系统流量。这给了我们三个可能的控制策略，以维持一个稳定的室内温度。5固定散热器流量，改变散热器系统的供给温度。改变散热器流量，固定散热器系统的供给温度。改变散热器流量，改变散热器系统的供给温度。通过控制散热器系统供水温度和保持散热器系统流量不变，散热器热量转移是可以控制的。一个较高的散热系

11、统供水温度发出更多的热量相对于一个比较低的散热系统供水温度。热量从散热器系统转移到建筑，也可以通过改变散热器系统的流速和保持散热器系统供水温度恒定来控制。这两种方法都可以很容易地被解释通过公式（1）（1）trprsrt0q=cmdT当改变散热器系统流量和供水温度参数时，散热系统换热器一次侧的流量和温度会受到影响，见图 8 变电站示意图。更大可能性的冷却通过热交换器的戒指是目标，一次回水温度和散热系统供水温度和流量之间的关系被评价通过许多不同的外部条件。外部条件考虑初级供给温度和室外温度。要找到一个最小的回水温度为一对固定的外部参数，比如，一个室外温度 10和初级温度 95，我们使用这个模型来评

12、估不同的散热器流量和供应温度对一次回温的影响。为了找到散热器系统一个最可能低的一次回水温度参数，我们采用了沃尔撕得等人描述的方法。15。该方法如下：在室外和初次供应稳定的条件下，散热器系统控制被禁用，散热器系统流量手动缓慢下降。通过减少散热系统的流量，在散热器系统中的水将获得更多的时间通过换热器，并会因此回暖。同样的原则将被适用当水流经散热器时，以较低的流量，更多的热能会留在散热器的水里而从散热器出来较冷的水，所有的都符合公式（1 ）。当散热器系统回水温度（T rr）变得更冷时，它也将减少一次回水温度（ Tpr），这意味着初级流量也必须受到限制，以使热量的传递不会增加，这将导致过热的室内温度。

13、通过控制通过交换器的初级流量，以使从分配网路到散热器的热量传递保持不变，我们可以自由地改变流体速度和温度散热器电路中。由于热交换的非线性和事实上我们没有一个无限热初级供给温度，散热系统中流量不能被无限的限制。通过研究初级回水温度和观察散热器供水温度达到最低，理想的散热系统参数被发现在当前的外部条件。在图 5 中初级回水温度被描述为一系列的散热器系统流量和散热器系统供给温度在一个恒定的 10的室外温度下的不同的初级回水温度。最低的回水温度下，所有的初级供水温度被标记和连接形成了蓝线。从这个图中可以看出理想的散热器供给温度在 50和 70之间相应的流量在 0.039kg/s 和 0.083kg/s

14、 之间根据初级供给温度。这一结果证明，必须改变散热器流量和供给温度以实现一个更高的初级t 在一个恒定的室外温度和变化的初级供给温度下。6图 5 最小初级回水温度作为散热器系统供给温度和流量的功能。室外温度是-10 的常数。每一个模拟的初级供给温度是不变的，但每个模拟运行温度是在 70,80,90,95,100,110 和 120温度中变化的。与在一个恒定的室外温度下改变初级供给温度相对的是在一个恒定初级供给温度下改变室外温度。这在图 6 中可以看见，初级供给温度固定在 95，室外温度在-30和 10范围内浮动。根据图，我们能看出散热器供给温度仅仅从 57变到 64当室外温度从 10变换到 -3

15、0。当室外温度在-30和 10之间变化时，为了能处理较大变化的建筑热需求，它必须能够适应流量从 0.095 降到 0.016kg/s 以维持一个稳定的室内温度。图 6 最小初级回水温度作为散热器系统供给温度和流量的功能。初级供给温度是 95的常数。每个模拟运行室外温度是在-30,-20,-10,0 和 10温度中变化的。从图 5 和图 6 可以得出结论，散热器流量和供水温度必须调整在室外温度和初级供给温度的基础上。但是，初级供给温度对散热器的理想温度的影响比室外温度稍微大。这意味着，初级供给温度是更重要的比室外温度当在一个很大的初级t 下对散热器系统控制。2.3 传统系统的设计与控制在传统的散

16、热器系统，散热器系统供水温度是基于当地室外温度，见图 7 的 Trs 是7一个典型例子关于散热器供给温度是如何依赖对当地室外温度的。这条线（图 7 的 Trs线）被称为散热系统控制曲线16。为了实现正确的散热系统供水温度与变化的室外温度，通过换热器的一次侧流量被安装在同一个换热器的阀门控制（见图 8）。为了能够用此阀控制散热器电路的温度，散热器供水温度测量和用在控制反馈环路中。由于室外温度与热量需求的变化，控制曲线作为控制回路中的设置点。像这样通过控制散热器系统，没有必要调整散热系统泵的转速，这意味着便宜的定速泵都可以使用。这大概是最主要的原因为什么这种控制方法已被用于如此长的一段时间。图 7

17、 初级和散热器供给温度，其中 Tps 是初级供给温度和 Trs 是一个传统散热器控制系统的例子。图 8 室外温度依赖于散热器供水温度的传统区域控制然而，今天，泵往往配备了速度控制单元，而在大多数（最佳）的案例中仅用于初始流速校准，永不再次使用。此外，恒温阀通常紧密与散热器安装在一起，以进一步提高室内舒适性通过限制散热器的流量，进而是散热器的热传递。在更复杂的散热器控制系统，室内温度传感器也可以发现，这种传感器可以调节散热器控制曲线向上或向下弥补太暖或过冷的室8内气候。然而，散热系统控制曲线校正遗憾的是不能经常优化以获得更可能高的初级T。这将导致能源浪费，热量以非利用热的形式返回到生产厂，引起热

18、电联产厂和热厂较低的效率，这也造成了供水管道更高的能量损失。2.4 控制曲线传统的散热器室外温度控制的概念，效果最好的当室外温度下降时预期初级供给温度升高，。此过程通常也是大多数热厂运营商将如何避免高的流量在分配网路中一个低室外温度或高的系统负荷。一个典型的例子在瑞典北部的可以在图 7 看出，初级供给温度，T ps，开始从 70的基准温度增加到 120此时室外温度从 5变成-30 。为了得到一个大的T 在用户站，这是非常重要的调整散热器系统控制曲线，以弥补室外温度的变化，并间接地调整初级供给温度。这样做是为了利用在 2.1 节和10中描述的仿真模型。图 9 （a ）基于室外温度的散热器系统控制

19、曲线和（ b）基于初级供给温度的散热器控制曲线。通过建立一个仿真模型关于一个固定的室外温度和一个相应的初级供给温度（见图 7 的 Tps 线），我们发现散热器的供水温度能产生尽可能高的初级T.这个实验重复了几个不同的室外温度（和他们相应的初级供给温度）直到一个理想的控制曲线被发9现在给定的外部参数下；见图 9a 控制曲线（见表 1）表 1 随外部参数变化的最佳温度和流量Ext.parameters Resulting temperatures and flows at optimal conditionsTout Tps Tpr pmTrs Trr rmTp pQ-30 120.0 35.68

20、 0.0310 74.09 32.05 0.0621 84.31 10918-25 112.5 34.43 0.0302 70.17 31.12 0.0602 78.06 9843-20 105.0 33.15 0.0292 66.25 30.14 0.0580 71.85 8769-15 97.50 31.81 0.0280 62.25 29.14 0.0555 65.69 7697-10 90.00 30.41 0.0266 58.22 28.09 0.0525 59.59 6627-5 82.50 28.95 0.0248 54.14 26.98 0.0489 53.55 55590 7

21、5.00 27.42 0.0226 50.03 25.81 0.0443 47.58 44965 70.00 25.51 0.0185 46.83 24.32 0.0364 44.49 343610 70.00 23.17 0.0122 45.53 22.51 0.0245 46.83 238115 70.00 21.39 0.0065 44.10 21.23 0.0137 48.61 1329然而，这种传统的散热器控制方法假定初级供给温度可以选择基于当地的室外温度。这是可能的在一定程度上，但大幅温度波动可能发生在室外温度稳定均匀；见图10。图 10 在瑞典一个和热厂连接的区域供热的供回水温度

22、。注意供水温度在恒定的室外温度下有很大变化。本图数据描绘了一个位于瑞典南部的真实例子从供给和返回的温度在区域供热厂。黑线表示初级供给温度的理论方案，正如图中可以看出，真实的（红点）往往偏离理10论的。在控制连接到该区域供热系统热利用控制计划对本地测量室外温度和期望的初级供给温度将不会产生最佳的T，原因是初级供给温度偏差大。2.5 主电源的散热系统的温度控制代替用当地室外温度作为散热器系统供水温度的基础，我们建议的初级供给温度应该使用。根据图 6 理想散热器供水温度在模拟环境下只在 57和 64之间变化当室外温度变化 40（-30 至 +10）。这意味着，为了适应室外温度变化，散热器供水温度可保

23、持恒定在没有任何急剧变化的T 由因为初级供给温度保持恒定。不过，这需要散热器系统流量必须控制和调整，以维持一个稳定和舒适的室内温度。以同样的方式，以当地室外温度为基础的最理想的散热器控制曲线（图 9a）被发现在 2.4 节，以初级供给温度为基础的理想的散热器供水温度曲线被发现，见图 9b。用这条曲线来控制散热系统供水温度会使从散热器系统换热器初级回水温度不敏感，与期望的相比较有很大的偏差。这可以用图 6 解释，对于一个供热系统，例如，以56供水温度代替理想的 60，由于使用了在分配网路温度波动在一个 10恒定的室外温度，一次回温差非常小。因此，如果分配网路的温度波动，这些都是应该考虑在散热器控

24、制系统中，即使室外温度是恒定的，以达到尽可能大T。换句话说，从一个T 角度看，它是更重要的考虑分配网路的温度比室外温度在决定散热器的供水温度时。为了控制室内温度，从散热器的传热必须加以控制。这可以通过两种不同的方法。第一种方法要求对所有运行散热器和恒定压差控制水泵安装恒温阀。恒温阀将限制通过散热器流量以防室内温度太高，并打开如果室内温度过冷。另一种方法要求一个变动的散热器系统或泵的转速控制室内温度或可能室外温度，以弥补热量的需求波动。这两种方法的共同点是，它是控制散热器的流量来控制室内温度在一个恒定的初级温度。3.仿真结果一个新的控制策略的关键测试是用传统的方法比较各种方案的初级供给温度。因此，我们进行了一次基于对三个相同的住房使用三种不同的控制方法的模拟。第一家（房子 1），配备了一个完美的传统的控制系统，具有 60的散热器供水温度在 30室外温度下，参见图 7Trs 线。第二家（房子 2），用优化的控制方案与室外温度的相关性，见图 9a。第三家（房子 3）以初级供给温度为基础的最优控制曲线，参见图 9b。室外气候是相同对所有模拟的运行。室外温度的数学描述介绍见公式（2），也被绘制成了图 11。风和太阳的影响并没有考虑在这个模拟中。（2）out 22=sin4sin5360360T