摘要：为了解决二次网“前端热、末端凉（水平失调），首层热、顶层凉（垂直失调）”的问题，构建新型数字化、智能化二次网热平衡系统，实现精准舒适供热，本文探讨了岳康园高区户间热平衡系统的架构、控制方案和室温估算技术，分析了户间热平衡系统的调控过程和运行效果，确定了后续完善方案。

关键词：热平衡；供热；调节；室温；节能降耗

0 引言

本公司于2019年10月对岳康园高区搭建了户间热平衡系统，开展户间热平衡的应用与研究。该系统由可调控热量表、集线器、集抄器和数据中心等部分组成，以热用户室温为最终调控目标。运行5个月以来，通过持续的调试和优化，已基本实现户间平衡，可随室外温度、二次供温等参数变化进行自动调整，运行稳定，节能效果显著，为后续精准舒适供热项目的升级优化提供了前提条件和实践经验。

1 背景简介

岳康园高区由3幢公寓的高层部分组成，共7层（11~17层），2009年建成，包含49户住宅，采用散热器散热，总面积4131.4 m2，其中正常用热45户，报停4户，实际供热面积3829.27 m2，采用独立的换热机组供热，循环泵功率2.2 kW,额定流量20.5 t/h，2018-2019采暖季运行方式为工频运行。

2 项目内容

2.1 系统架构

户间平衡系统由可调控热量表、集线器、集抄器和数据中心等部分组成，可调控热量表内置调节阀，通过设定，可自动调节入户流量。本系统共49只可调控热量表，作为末端调控设备（也可以作为热用户的热计量设备）安装于住户进水管，由Enbus数据总线和集抄器进行通讯。集抄器通过4G数据通讯模块和数据中心进行远程无线通讯，实现温度、流量、热量和指令等信息的传输。热量表集抄管理软件运行于数据中心的数据服务器，通过互联网和集抄器保持远程数据通讯，系统架构如图1所示。

图1 户间平衡系统架构

本系统的数据中心，用于可调控热量表的监控。数据中心安装热量表集抄管理软件、WEB服务模块、控制算法模块、室温软测量模块等，平台主页面如图2所示。

图2 软件监控平台主页面

本系统同时尝试采用室温软测量技术，即通过入户供回水温度、流量、房间供热功率和传热系数等参数与室内温度的内在关系，间接推算出用户室内温度，实现该技术在室温监控和户间平衡中的应用。

2.2 控制方案

供热的目的是要为用户提供舒适的室内温度。供热系统平衡是实现供热目的、节约运行的基础。各热力站（热用户）运行的实际热量与规定的热量不一致性称为热力失调[1]。为了尝试解决热力失调，本系统控制方案采用“质调节”和“量调节”相对独立运行的方式，由户间平衡系统实现“量调节”，由换热站二次供温自控系统实现“质调节”。同时，户间平衡系统提供流量指数和热量指数，指导换热站的经济运行。具体实施方案如下：

2.2.1 量调节

为了实现各住宅的室温均衡，对入户流量应进行平衡控制，本项目采用流量分配系数L进行调节。

    L=(T2-T)/(T1-T)                                                  （1）

式中：L——流量分配系数；                            

           T——室内期望温度，一般设置为22 ℃；

T1——热量表二次供水温度，℃；

T2——热量表二次回水温度，℃。

可调控热量表按事先设定的流量分配系数L调节阀门的开度，阀门开度1小时纠偏一次，使系数L保持稳定。L一般取值为0.5~0.9之间，极端的当L=1时，此时默认T1=T2,热量表阀门将全开，当L=0时，阀门大部分时间将处于关闭状态。为了寻找供热量值Q=室内需热量q时的L值，本项目需要在前期进行相应的L值系数修正和数据分析，如下图3~图5所示。

图3为岳康园10门1101室L值系数的修正过程与数据记录。该室在换热机组供热上游区域，且属于边户，流量较充足，初始设置系数L为0.80，经入户测温，室温可达25 ℃，经过多次修改后，最终设置系数L为0.75，后期运行数据变化见图4。

在2月22日将L值设定为0.75后，阀门开度在23%~30%之间动作。可以从图4看出，3月15日之前流量变化基本与阀门开度变化一致，3月15日之后流量变化对阀门开度变化较敏感。经分析，是因为3月15日之后受室外温度升高影响，各调节阀开度减小，且循环泵一直以45 Hz运行，导致流量富裕，压头增大所致。该房屋热量供应充足，室温均在24 ℃以上，目前户内期望温度为22 ℃。下一采暖季可尝试调降低L值设置、降低同环境下二次供水温度或降低循环泵频率等措施，探索更优化的运行方案。

图5所示9门1502室属于中间位置。上述调控数据说明，阀门开度的变化对流量的变化影响较大，且阀门开度在20%~25%之间动作，便可保证室内温度达到22 ℃，进一步说明该区域压头充足，供热效果好，同时对调节阀的测控精度要求也较高。目前该该户用调节阀可以满足测控要求，但后期对调节阀的控制算法还需进一步优化，以适应小开度下的调控相关要求。

2.2.2 质调节

二次网热平衡系统采用换热站平衡系统实现系统的质调节，即自动控制二次网供水温度。可调控热量表通过室温软测量获取每个住宅的室温估算值，并根据面积和室温设定值，计算小区的加权平均室温，并根据气象的室外温度给出温度指数，管理人员可参考该温度指数，确定二次网供温值。

本项目目前处于初期阶段，重点是对二次网的量调节、户间室温平衡和数据积累，后期将依据初期积累的数据完成对二次网的质调节。

2.3 室温软测量

室温软测量是内置在可调控热量表的一项重要功能，通过测量流速、供水温度、回水温度等数据，并结合建筑物特征、气候等参数，辅以入户测温、室温传感器的室温抽样，以及大数据回归分析等，对建筑物建立热传导模型，从而估测出室内的温度。

2.4 系统调控

岳康园高区换热机组供热区域为岳康园8号、9号和10号楼的11至17层共49户住宅，停供4户，实际参与调控的45户。本项目2019年11月4日投入运行，初期主要进行通讯网络的调试，安装和运行状态的排查，之后，设置每个住户的基本参数，设置室温设定值，设置流量调节系数L的初值、设置室温软测量参数初值等。

由于调控初期室温较高，室温设定值T按保守值设置，T=22 ℃。系数（L值）也按保守值设置，顶楼户为0.9，边户0.8，中间户0.7。室温软测量所需的参数均按二步节能建筑相关参数设置。

12月24-25日两天，户用热量表全开，平均室外温度为1.03 ℃，供水温度为44.58 ℃，回水温度为40.18 ℃，循环泵频率为45 Hz,日耗热量12.01 GJ,度日数热耗为1.77 W/(m2•℃)，户表的流量与回温分布不均匀。经过2019年12月25日实地考察并入户测温，测温结果如表1：

表1：12月25日岳康园入户测温记录

通过入户测温发现个别用户家中存在散热器改地暖现象（如8门1703、9门1502、10门1602等），各住宅温度差异较大，入户测温边户与顶户温度分布在18 ℃到22 ℃（采集自边户10门1201：21.9 ℃、边顶户10门1701：18.1 ℃、顶户9门1701：21 ℃、边户8门1103：20 ℃），中间户温度分布在21 ℃到24 ℃（采集自8门1301：21.5 ℃、9门1201：23.9 ℃、10门1602：24.5 ℃）。通过入户调查，部分住户对暖气阀门进行了调整（关阀），仅开启卧室、卫生间阀门，更有用户家中阀门基本全关。

入户流量和回水温度是户间平衡调节的重要依据，可以分析出户间平衡状况，以及给出对应的调整策略，直接指导户间平衡调节[2]。通过调控平台获取的各户流量和回水温度数据，经过整理分析发现，岳康园高区存在典型的流量分配不合理、回水温度参差不齐的现象，部分用户流量在0.9 m³/h以上（如8门1101、9门1201、10门1502等），而另有部分用户在0.1 m³/h以下（如9门1301、10门1602、10门1201等）。如图6为开启控制前各户流量分布，图7为开启控制前各户回温分布。

本项目自12月4日开启自动控制，可调控热量表根据设定的系数L，对每户的流速进行调节，达到流量调节系数L的要求。至12月28日顶户边户与中间户室温差异减少了2 ℃，顶楼住户平均室温提高了2 ℃左右，基本与预期效果一致。经过2019年12月28日实地考察并入户测温，测温结果如表2：

表2 12月28日岳康园入户测温记录

通过调控平台获取的各户流量和回水温度数据，中间户流量集中在0.3 m³/h以下，边户流量集中在0.6 m³/h以下，顶户流量基本在0.9 m³/h以上，二次总流量由18.5 m³/h降至16.5 m³/h，降幅为10.81%；中间户回温集中在38 ℃以下，边户回温在38 ℃到39 ℃，顶户回温在39 ℃以上，换热机组二次侧供回温差由5.2 ℃拉大至5.8 ℃，增幅为11.54%。经过以上测算，各户流量与回温分布已基本达到平衡，如图9为开启控制后各户流量分布，图10为开启控制后各户回温分布。

另外，图8中部分用户流量变化不明显，与调控预期相悖。经入户测温调查，发现存在自主关阀的现象（如8门1603，9门1602），主要原因是楼上住户为地采暖，地采暖传导辐射的温度，使楼下关阀户室内热功率充足或室温足够。

3 系统运行效果

3.1 设备与调控分析

岳康园高区在整个运行调控期间，49台热表上数率100%，自控率100%，设备运行稳定，计量准确。

根据室温软测量所估算出的室温以及抄表显示数据，小区已初步解决了垂直失调，基本实现了户间平衡的目标。本系统选取了两个不同时间的边、顶、中间户三个区域统计的供热数据如下表3、表4所示：

表3 岳康园高区边、顶、中间套三个区域用热分析表（2月13日）

表4 岳康园高区边、顶、中间套三个区域用热分析表（3月26日）

2月13日室外温度为1~12 ℃，供水温度为44.6；3月26日室外温度为8~20 ℃，供水温度为29.5 ℃。表3、表4中数据表明，中间户的供热情况最为良好，3月26日平均单位面积热负荷4.4 W，平均室温达到23.5 ℃；楼顶用户的热负荷是中间户2.5倍左右，平均室温达到22.7 ℃；边户的供热功率比中间套高10%左右，平均室温达到22.9 ℃；虽然顶户用户的控制阀已全部打开，控制系统给顶层调配的水量和热量都远高于小区平均值，但其室温在整个小区中仍然是最低的。造成此结果的主要原因是在于其特殊的房间位置和耗热特性，即使消耗了其他位置用户数倍热量，仍达不到小区平均室温。另外，室内温度平均在23 ℃，反应出系数L设定普遍偏高，还有进一步降低的空间。

综上，在开启了平衡控制以后，中间户和边户室内平均温度集中在23 ℃，边顶户温度平均提升了2 ℃，基本实现了户间平衡，避免了水平失调和垂直失调，达到项目预期效果。

3.2 耗电分析

从12月4日系统正式投用，循环泵45 Hz变频运行，截止至3月15日24点（100天），电耗共计2712.3 kW•h，0.274 W/m2，与去年同期（2018年12月4日-2019年3月15日）3 973.9 kW•h（0.401 W/m2）降低了1 374.6 kW•h,降幅为31.75%。若按一个采暖季150天计算，至少可节省电能1 989.4 kW•h，按0.65元/(kW•h)计算，可节省电能成本1230元。

电能节省的背后是二次流量的降低。通过计算可调控热量表累计流量，得出二次总流量变化曲线，该流量变化趋势与电量变化趋势基本一致，与室外温度变化趋势相反，如图10所示：

图10自动调控后二次流量、循环泵有功电能随室外温度变化曲线

图10说明了自动调控效果显现，符合调控逻辑，且室外温度越高，有功电能节省的空间越大。经统计，总流量下降16%，总电量下降7%。如果没有调控，二次流量将基本维持在红线值18 t左右，有功电能将无法被节约。      

3.3 热能分析

2019年12月4日到2020年3月15日总耗热量为869.1 GJ（24.35 W/m2），平均室外温度为2.686 ℃，度日数热耗1.701 W/(m2•℃)；去年同期总耗热量为1245.2 GJ（34.89 W），平均室外温度1.899 ℃，度日数热耗为2.015 W/(m2•℃)，总耗热量下降了376.1 GJ,降幅为30.20%,度日数热耗降幅为15.58%，若按一个采暖季150天计算，估算可节省热能564.1 GJ，按28元/GJ计算，可节省热量成本15 795元。

3.4 室温软测量效果分析

本次挑选了两户具有代表性的住户安装室内温度传感器，并将室温软测量所估算的温度与室温传感器所测温度进行对比修正。就目前和室温传感器的比对结果而言，室温软测量和室温传感器的测量结果具有高度的相关性，60～70%的住户测量误差小于±1 ℃，剩余住户一般误差在2 ℃左右，详见表5和表6。

表5 岳康园高区9门1701温度对比表

表6 岳康园高区10门1701温度对比表

综上，室温软测量在绝大多数的工况条件下估算出的室温是准确的，受外界因素影响时，就会造成一定的测量误差，如用户开窗、关闭阀门、暖气片遮挡和更改散热方式等等。

4 系统应用调试后续计划

（1）由于调控后系统采用大温差小流量运行，按每平方米的水量配比小于调控前系统，因此二次网循环水泵的运行频率还可以适当降低（目前为45 Hz)，以进一步节省电量。

（2）下一阶段将重点对采集数据进行收集、分析和迭代，寻找不同室外温度下各户的热功率变化。通过对比分析入户测温或室内测温单元测温值，持续优化各户流量调节系数L，进一步节省热能。

（3）不断提高室温软测量的准确度。针对个别户户用调节阀全关，但室内温度依然可达到20 ℃的现象，很难通过室温软测量来预测温度，我们将对这些特殊用户进行独立分析和研究，寻找更为科学的解决方案。

（4）通过历史运行数据分析建模，不断拟合出换热站二次所需流量和供温曲线。下一阶段，计划将户间平衡系统与二次供温调节系统相连接，实现无人智能化曲线下发。

（5） 精细化管理方面，本系统除了实现对整个楼宇的户间热平衡这一重要功能外，通过对流量和温度的分析比较，还可实时掌握用户的停用热状态，是否存在恶意放水窃热等情况，极大方便后续监控和失水治理。

5 结语

本系统自2019年11月份投入运行以来，通过5个月的持续调试和优化，已基本实现户间热平衡，运行稳定，节能效果显著，且该系统采用控温差调流量的方式，可随室外温度、二次供水温度等参数变化进行自动调整，减少了对二次供温的依赖性，仅就此项目而言，相同极寒天气下二次供水温度峰值可至少降低5 ℃，为未来实现二次网低供水温度、大温差、小流量的供热形式提供了技术支持，为后续精准舒适供热项目升级优化提供了前提条件和实践经验。

参考文献

[1] 方修睦.解决热水供热系统失调的技术发展历程及主要方法介绍.区域供热,2019.01期:58-65.

[2] 白卫东,梁育伟,等.热计量数据在二次网平衡调节中的应用.区域供热,2020.02期:9-13.