基于热计量表与室温采集的二次网数据分析与调控方法

2017-07-01

随着国家对节能减排、治理污染重视程度的不断提高,多个地区的供热企业进行了一次管网的智能化改造,并获得了较好的节能效果。为了进一步降低能耗,提高用户满意度,就需要进行换热站到用户端的二次管网改造。与一次网不同,二次网情况复杂,而且不同小区差异大,难以找到非常行之有效的调控方法。近年来的热计量改造为每户安装了热计量表,提供了供回水温度、流速等重要的供热参数,也为二次网的量化调整提供了数据支撑。同时,热力企业也在小区内选择部分住户安装了室温采集装置,从而精确了解供热质量情况。所有这些举措提供了大量数据,给了我们了解二次网供热情况的机会。

我们在2016-2017采暖季进行了山东省某居民小区的热计量数据远传及室温采集设备安装、远传项目。该项目采集了1338户居民住宅的热计量表数据。同时,每户住宅安装了三只温度采集设备,分别安装在客厅和两个卧室中。所有的热量表和室温数据每小时上传一次,达到了较高的数据分辨率。这个项目可以有效地把供热参数(供回水温度、流速)与达到的供热质量(住户室温)联系起来,给了我们前所未有的数据量,为二次网供热分析提供了数据支持。

为了满足居民的用热要求,供热企业摸索总结了大量一手的调控经验数据和方法。例如,每栋楼的顶层和底层为低温户,入住率低对供热质量有负面影响。另外,回水温度和流量与室温有着直接的对应等等。但是这些经验数据只有一个模糊的对应概念,无法得出准确的量化指标。具体到不同的小区和不同的楼宇,情况也有所不同。因此在实际调控中,一般采取反复试验的方式调节,通过积累经验达到调节效果。在学术界也有较多的理论研究对供热参数、楼宇保温情况和室温的关系进行了建模、仿真和实验验证。但是很多学术研究都基于相对理想的实验条件,即室内无人居住、室内散热器状态良好无遮挡覆盖和堵塞,室温采集设备没有受到干扰,没有主动散热降温行为等。在实际的居民小区里这些理想情况基本不满足,使得理论结果不能完全预测实际情况。本文对一个小区实际的运行数据进行分析,在实际运行数据基础上分析供热参数和室温的对应关系。同时,本文甄别了失真数据的存在,提出了数据失真的真实案例和排查、剔除方法。在这些数据分析的基础上,我们可以量化得到二次网节能的巨大空间,进而提出了二次网管控的一些思路。

一、小区概况

小区总共26栋楼,1338户。小区楼宇均为五到六层的多层,均为两室一厅房型,且都为节能建筑结构。小区建于上个世纪90年代,供热均采用散热器供热方式。

                                               

1 小区外景图

小区分户热计量采用热量表法,配套热计量远传系统。小区内每个住户供暖管道入口处安装一只热计量表,每栋楼安装一台无线集抄器。小区所有集抄器通过无线自组网络汇集后,在基站通过GPRS网络方式将数据送入热力公司监控平台服务器。每户每居室内及客厅安装一只智能温度采集器,共安装三只。每个温度采集器每小时采集并无线发送用户实时室内温度。在数据统计中,如果没有特别说明,每个住户的室内温度值为户内三只温度采集器上传温度的平均值。

二、小区整体数据汇总

首先对小区整体数据进行汇总,通过统计平均室温和平均流速,得出如下图表。

2 住户平均室温统计对比

3 住户平均流速统计对比

根据以上统计可以看出:

同一栋楼内、楼宇之间,住户的流速存在较大差异,分布不均。流速与室温分布有一定的对应关系。以1号楼和10号楼为例,1号楼有56.1%的住户流量偏低(小于0.3立方米每小时),有40%住户温度偏低(低于21度);而10号楼仅有5.8%的住户流量偏低,有15.4%住户温度低于21度。

同一栋楼内,不同住户的室温存在较大差异。即便是整体温度偏低的一号楼(40%住户室温20度以下),依然有20%左右的住户室温偏高(室温平均24度)。从小区整体来看,大约30%住户室温偏低,30%住户室温偏高。二次网平衡调节的目标就是使得小区内的住户室温都控制在合理、均匀的范围,消除投诉,减低超温户数量,实现用户满意、热企节能、社会减少污染的三赢目标。

三、供热参数与室温的关系

为了获得供热参数(流速、回水温度)与室温的关系,我们进行了住户的数据分析,希望能够解答以下的问题:供回水温度、流速是否与室温有着直接对应的关系?以回水温度来判断室内温度是否可行?

我们选取了10号楼2单元顶楼住户进行了分析。下图为601户和602户的回水温度、流速和室内温度数据。

4 10号楼2单元顶楼回水温度对比

5 10号楼2单元顶楼平均流速对比

6 10号楼2单元顶楼平均室温对比

601户相比,602户流速低、回水温度低、室温平均低2度。因此,对于这两户来说,流速低、回水温度低的住户室温也相应低一些。尽管602户室温低于601户,但是依然在21-23度的舒适温度范围。而601户的室温相对偏高,在2月份甚至到了25度左右。因此,为了节能目的可以考虑降低601室的流速到602室的水平,温度虽然降低但也在舒适温度范围内,而且节约了热量消耗。

尽管2单元顶层的数据支持了我们的回水温度、流速与室温相关的假设,但是当户型位置不同时,回水温度无法反映室温的情况,即高回水温度不一定对应高室温。下图是整个单元02户的整体回水温度、流速和室温数据。由此数据可见尽管6层住户处于顶层,而且流速、回水温度均最低,但是户内温度却处于中间合理水平。该单元102户流速最高,回水温度也较高,但是室温却是最低的,基本在20-22度之间。中间户(302502户)温度最高,402户处于中间位置,但是其温度反而偏低。鉴于其楼上、楼下两户温度均较高,该户可能存在开窗散热行为。

由以上分析可见回水温度不能作为判定室内温度的唯一依据。由于户内换热器换热效率的局限性,户内可供热量有一个上限值。这时即便回水温度一致,但是由于户型位置不同导致的散热速度不同,室内温度也可能有较大差异。因此,只有当户型位置、户内散热器情况基本一致时,回水温度高的基本可以判定室内的温度也较高。但是当户型位置不一致时,回水温度高的住户室温不一定高。

当然,尽管回水温度无法唯一反映室内温度,但是供水温度和流速反映了供热企业可以提供的热量服务水平。在供水温度和流速均满足要求、回水温度也较高的条件下,室温依然偏低可能是住户室内的散热器等设备存在管路堵塞、遮挡或者覆盖的情况而导致的消费能力不达标。

以下是该单元六户住户整个采暖季的用热量统计,由该表可见尽管102户的用热量是最高的,但是由于其处于冷端,室温依旧较低。

1 10号楼2单元02户累计用热

户号

采暖季总用热量(kwh/平米)

102

106.53

202

88.74

302

77.69

402

81.56

502

89.05

602

89.59

 

7 10号楼2单元02户回水温度对比

8 10号楼2单元顶楼平均流速对比

9 10号楼2单元02户室温对比

四、失真室温测量数据的检测

在理想没有人为干扰的情况下,室温测量设备可以真实有效地反映户内的实际室温。但是在实际应用中,户内温度受到人的活动影响的情况非常普遍。这些活动包括开门关门带来的热量损失和温度下降、开窗透气带来的温度下降,以及一日三餐做饭导致温度上升等等。这些人为活动带来的住户室温升降不能真实反映供热企业的供热质量。在衡量二次网供热状况时,需要对室温数据进行筛查,并剔除失真的数据。

以上一节讨论的10号楼2单元02户为例。该单元302502户温度均较高,但是402户流量、回水温度均较高,但是室内温度为本单元第二低,存在异常。我们把该户三个测温节点20171月份的数据进行对比。从下图可见三号测温节点的温度在1月中旬发生了异常,最低达到8度左右。在1月下旬也出现了锯齿状的波动,周期性地从24度降低到17度,再回升到24度。因此,该户可能对三号测温点所在的房间有开窗散热降温的行为。

 

 


10 402户异常温度展示

对于异常温度的检测,可以采用平均温度的方法进行初步筛查。即每一户的温度可以与其楼上、楼下住户的平均室温对比。如果偏离量超过一定的门限值,且供热情况正常时,再进一步对其室温测点的详细数据进行分析。开窗散热等行为一般会使室温呈现锯齿状波动,即开窗时温度下降,关窗后温度迅速回升。另外一种长时间开窗的行为则会使温度异常低,甚至远低于供热18度达标线。出现这两种情况时均可判定为温度异常,对数据予以剔除。以402户为例,其楼上楼下的平均温度超过25度,但是402户的平均温度仅为21度,偏离4度以上,就可怀疑为温度异常住户。

五、供热状况动态变化对室温的影响

在供热过程中,由于住户情况变化和管网调节,会影响住户室温随之发生变化。本节以一栋楼单个单元在采暖期室温与流速的联动情况说明。

我们选取15号楼2单元的01户进行分析。该单元为大户型,户内面积为124平方米。该单元整个采暖季的平均流速与室温的曲线图如下所示。在供暖开始时,该单元的平均流速在0.4-0.68立方米每小时之间,室温在21度到25度之间,601温度最低,201温度最高。在12月中旬,由于501户报停,热力公司关闭其暖气供应,流量降到零。501户的报停对其楼上(601)和楼下(401)影响显著,图中可以看到这两户温度下降2度左右,而报停户的温度基本维持在16度以上。在12月底整栋楼流量调低,高温户温度下降1-2度,低温户温度基本保持不变。2月初整栋楼流量调高,所有住户温度均上升,报停户的温度也达到了20度左右。

由此可见报停户对楼上、楼下将造成较大影响。在本例中楼上和楼下温度均下降了2度左右。因此,不但底层和顶层可能成为一栋楼里的低温户,报停户周边也可能造成楼里的低温户。流量的小幅降低(0.1立方每小时)对于高温户有较为明显的降温作用,而对本来温度就比较低的住户影响不明显。流量的大幅度上升(0.2立方每小时以上)使得平均温度得到12度的提升。

11 15号楼2单元东户流速-室温对比

六、基于大数据的末端调控方案

从前面讨论可以看到,不同的楼宇都有各自的特殊情况,导致其低温户位置不同、供热参数与室温的关系不同、达到的供热效果也不一样。这些独特性是由楼宇位置、朝向、保温效果,甚至居民的年龄、职业构成都有直接关系。一个小区随着建筑年限的增加、管网的老化,每栋楼的情况也会随着时间发生缓慢变化。这些特殊性使得我们无法得到一个普遍适用于所有小区建筑的二次网调控计算公式。尽管每栋楼具有特殊性,但是这栋楼特定的供热特性却是相对固定的。也就是说,我们可以通过对一栋楼历史数据的掌控而进行不断改进的调节,使得总体情况趋于最优。很多新建小区需要几年的时间才能把供热情况调平衡,原因也在于热力企业调节人员需要根据以往的经验不断摸索试验,才能逐步趋于合理的情况。在缺乏数据支撑的条件下,供暖期间调试人员为了实现居民满意而较少考虑能源节省大流量供热,使得小区里经常存在温度过高、住户开窗散热的情况,热量供过于求,造成浪费。在国家倡导节能减排的大环境下,热源供应逐步趋紧,新能源供热成本高企不下,在二次网调节中,我们不但需要降低投诉率,更需要将节能列为重要指标。

为了解决这个问题,我们提出基于智能流量调节阀的二次网平衡调节系统。该系统采用自力式流量调节阀解决传统入户阀门互相干扰的问题,通过平台软件实现远程调节,将二次网调节系统推进到户端,直接精准控制每一户的流量,由流量的调节实现热量的分配。该系统可获取每户的室温、回水温度等信息,对住户当前的供热情况作出准确判断,并根据管网供热情况、小区所有住户供热情况作出最佳判断并将流量调控值下发到户端调节阀。本系统通过限制超温户流量、提升低温户流量,实现了整个小区的均匀、合理的室温调节,达到显著的节能目标。

以本文分析的10号楼案例来看,10号楼2单元602户在小流量的情况下实现了23度的平均温度,而601户在大流量的情况下室温达到25度。根据我们分析的相似户型位置可采用相似供热参数的情况,可以大幅度降低601户的流量从而实现节水节电的目标。从整个采暖季的热量表数据对比来看,601室采暖季共消耗7651.83kwh热量,1367.32吨流量;602室采暖季共消耗6974.68kwh热量,701.62吨流量。因此,如果把601户按照602户数据进行调控,则预计可节约677.15kwh热量(8.85%),665.7吨流量(48.7%)。

同样对于15号楼,我们看到原来的整体流量调控导致整个单元的温度均受到影响。高温户温度降低时低温户接近不达标,而流量调升后低温户达标了高温户又过热,造成浪费。如果可以仅调节低温户的流量则可以实现显著的节能效果。

按照这样的思路,我们针对10号楼和15号楼特提出如下流量调节策略,并结合实际供暖数据为体现数据准确合理性,特选取供暖稳定的2016年12月21日至2017年3月15日期间数据。与模拟流量调节后数据对比。

 

2 流量调节策略及数据对比

10号楼2单元02户

15号楼2单元01户

楼层

流量调节

策略

调节后

总水量

本采暖季

实际总水量

楼层

流量调节

策略

调节后

总水量

本采暖季

实际总水量

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

报停

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号楼2单元西户本采暖季实际总流量为6111.57 m3,模拟流量调节后总流量为3468 m3,总节流43.26%;15号楼2单元东户本采暖季实际总流量为5231.3 m3,模拟流量调节后总流量为3978 m3,总节流23.96%。

七、总结

本文对山东省某个小区一个采暖季的供热参数、室温数据进行了分析。根据分析结果,楼宇内、楼宇间的供暖差异较大,户间不平衡现象显著。供热参数与室温的关系因楼宇、住户户型位置等情况而各不相同。因此,楼宇内的低温户位置也不一致,部分在顶层,部分在底层。同时,报停户也对周边住户有影响,可能形成低温户。供热参数与室温之间的对应关系因住户、楼宇、小区不同而不同,具有个体化、差异化的特征。

在以上观察结果基础上,本文提出了末端调控调控的思路,根据楼宇、住户实现因楼而异、因户而异,达到精准到户端的调控技术与策略。同时,依托可靠的数据传输实现供热情况的实时监控,实现最优的节能调整策略。


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