CN104990134B - 变流量与分户计量的集中供热系统及水力平衡调节方法 - Google Patents

Abstract

变流量与分户计量的集中供热系统及水力平衡调节方法，包括分户计量模块、供水测温模块、回水测温模块和热网监控管理平台，所述分户计量模块设于各用户位置，热网监控管理平台分别与所述分户计量模块和总循环泵通信连接，并通过所述供水测温模块和所述回水测温模块分别收集管网系统中的供水温度和回水温度，所述总循环泵上设有变频器。满足各用户的水量需要，在满足用户热舒适性要求的前提下，实现按需调节流量，降低能耗；不仅节约成本，而且具有较高的可靠性与稳定性，更适合长期使用。

Description

变流量与分户计量的集中供热系统及水力平衡调节方法

技术领域

本发明涉及供热技术系统领域，特别是一种变流量与分户计量的集中供热系统及水力平衡调节方法。

背景技术

水力失衡是集中供热系统中最常见的现象，引起系统水力失衡的原因很多，设计、施工、运行管理等环节都有可能导致水力失衡。设计时，考虑到管内水流速和管径限制，管网系统的沿程阻力损失可能无法在设计流量分配下达到平衡；施工过程中，由于现场条件的限制，往往不能完全按设计图施工，结果必然导致与设计的偏差，产生水力失衡；另外，集中供热系统中，由于建筑末端用户采用流量调节阀等装置改变进入用户换热器的流量，也将产生节流损失，导致水力失衡。

水力失衡将导致供热系统管网、末端设备的实际流量与设计流量不一致，使系统各用户的热量不均衡。工程应用中，为改善水力失衡问题，往往简单地采用加大循环流量的措施，不仅增加了输送能耗，还有可能使原本正常的回路变差，导致水力失衡更严重。这种现象既影响室内热舒适性，还直接导致系统能耗上升。

在集中供热系统中，水力失衡是一种无法完全避免的现象，尽管在集中供热系统设计和施工过程中，已经将控制水力失衡作为重要任务，但即便设计、施工都达到预期，毕竟还只是按静态的负荷条件完成的，理想的情况也只能解决静态水力失衡问题，无法解决动态水力失衡问题。

随着对节能工作的重视，为降低水力失衡导致的能源浪费，近年来，在供热管网干管、支管设置水力平衡阀，已经成为普遍措施，也有建议在用户末端设置各种水力平衡阀的方案；根据水力平衡阀的原理，静态平衡阀的原理是通过调整阀门的流通能力来改变流经阀门的流动阻力，达到调节流量的目的，主要用于解决静态水力失衡问题；动态流量平衡阀一般是根据系统压差变动而自动调整阻力系数，可在一定的压差范围内，使通过阀门的流量保持基本不变；从平衡阀基本原理和功能可以看到，使用平衡阀的目的是尽量保证管网的流量不受管网压力的变化，从而保证用户的热(水)量满足设计要求。按此目标分析，如果集中供热系统采用变质调节策略，则使用平衡阀可以改善系统水力平衡，获得较好的节能效果；但如果集中供热系统采用变量调节策略时，需要使系统流量随负荷变化而改变，即需要主动调节系统流量，而流量变化将改变系统的水力工况，采用平衡阀将会出现流量分配的混乱，即在变流量系统中采用平衡阀受到制约。

从运行节能的角度，供热系统同时采用变质调节和变量调节可以获得更好的节能效果，而且实际应用中，采用变量调节的方式愈来愈多，将动态平衡阀应用于变量调节系统时，存在明显的缺陷。

另外，由于流量平衡阀本身不能提供额外的压力，如果管网的压差小于或大于平衡阀的正常工作范围时，平衡阀将失去调节能力，即平衡阀应用仍然存在水力调节的死区。

再者，考虑到推广集中供热系统热量分户计量是节能减排的重要举措，目前实现热量分户计量有不同的方法，但实现这些方法的装置仅考虑计量的要求，并没有解决水力失衡的问题。

发明内容

针对上述缺陷，本发明专利的目的是提供变流量与分户计量的集中供热系统及水力平衡调节方法，采用这种系统，既可以满足末端用户根据室内负荷变化调节流量的要求，又可以有效解决水力失衡问题，同时还可以提供供热系统热量分户计费功能，即该方法将流量调节与热量分户计费功能集成为一体，有效降低系统成本与施工成本。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

变流量与分户计量的集中供热系统，包括换热站板换、总循环泵和连接换热站板换与各用户位置的管网系统，所述管网系统包括供水管道和回水管道，一个以上用户位置的进水管并联在所述供水管道，所述总循环泵将所述换热站板换内的热水通过所述供水管道压入各用户位置，换热完成后的水再通过所述回水管道回到所述换热站板换：

还包括分户计量模块、供水测温模块、回水测温模块和热网监控管理平台，所述分户计量模块设于各用户位置，热网监控管理平台分别与所述分户计量模块和总循环泵通信连接，并通过所述供水测温模块和所述回水测温模块分别收集管网系统中的供水温度和回水温度，所述总循环泵采用总循环变频器调节控制；

所述分户计量模块包括分户供水泵、驱动电机和MCU控制器，所述MCU控制器内设有MCU变频器和用于测量用户室内温度的室温监测模块；各用户位置的进水管分别通过所述分户供水泵接入所述供水管道，所述驱动电机驱动所述分户供水泵转动；所述MCU控制器通过所述MCU变频器与所述驱动电机电连接。

进一步的，所述供水测温模块测量用户位置的供水温度，所述回水测温模块用于测量用户位置的回水温度，所述供水测温模块和回水测温模块分别与所述MCU控制器电连接。

进一步的，所述供水测温模块用于所述供水管道内的供水温度，所述回水测温模块用于所述回水管道内的回水温度，所述供水测温模块和回水测温模块分别与热网监控管理平台电连接。

进一步的，还包括用于统计系统为用户供水时间的计时模块，所述计时模块与所述MCU控制器电连接。

进一步的，所述MCU控制器内设有人机通信模块，用户根据自身所需的室内温度通过所述人机通信模块给MCU控制器中发出温度设定信号，MCU控制器根据所设温度通过变频器调节所述分户供水泵的转速。

进一步的，所述驱动电机为永磁直流无刷直流电机。

变流量与分户计量的集中供热系统的水力平衡调节方法，其步骤如下：

A：在各用户位置通过MCU控制器中的供水测温模块和回水测温模块检测每个用户管网的供水温度T_gi和回水温度T_hi，并按照下列公式计算各用户消耗的热量H_i：

其中：H_i为用户消耗的热量，KW

c_p为流体介质的定压比热容，kJ/(kg·℃)

ρ为流体介质密度，kg/m3

L_N为对应于水泵额定转速时的流体体积流量，m³/h；

T_hi T_gi分别为用户换热器回水温度和供水温度，℃，由实际测量得到

n_i n_N分别为水泵实际转速与额定转速，rpm，n_i由控制器MCU计算得到；

MCU控制器算出用户位置所消耗的热量后，按照下列公式计算各用户所需的流量Q_i：

其中：Q_i为用户所需的流量，kg/h；

ρ为流体介质密度，kg/m³

n_i n_N分别为水泵实际转速与额定转速，rpm，n_i由控制器MCU计算得到。

B、各用户位置的MCU控制器通过网络将用户所需的流量Q_i发送给热网监控管理平台，热网监控管理平台将所接收到用户所需的流量Q_i按照下列公式计算得出整个管网系统的用户所需的流量:

Q＝K_q∑Q_i

其中：Q为换热站板所需提供的整个管网系统的用户所需的流量；

K_q为一个大于1的参数，为满足总循环泵提供的流量应略大于末端用户流量而设置的参数，可在热网监控管理平台统一设定和修改。

A步骤中MCU控制器计算得出各用户消耗的热量H_i通过网络发送给热网监控管理平台，在热网监控管理平台设置热量计算周期T和计费费率K_f，则在当前计算周期T内用户消耗的热量可按下述公式计算：

W_Ti＝k_fTTH_i

其中：k_fT，计算周期T内考虑管网损耗等因素的校正系数，H由换热站的热计量装置得出，∑H_i为所有末端用户计算热量之和。

将计算周期用户消耗的热量累计即可得到每个用户消耗的热量，再乘与计费费率即可实现供热系统分户计费，即：

F_i＝K_f∑W_Ti

其中：K_f为计费费率，F_i为分户供热计费值

本发明的有益效果：

(1)本技术方案的末端用户流量采用可变频的分户供水泵调节，不仅可以根据需求室内负荷变化自动调节流量，而且调节过程不产生节流损失，可以消除由于节流损失导致的供水支管压力变化产生的水力失衡影响；

(2)本技术方案基于网络控制，可以将末端用户流量、温度等信息上传给热网监控管理平台，由热网监控管理平台计算得出满足用户需求的热水量，输出换热站二次侧水泵的转速参数，调节换热站二次侧水泵转速，实现换热站二次侧水泵变流量调节，使系统总流量与末端用户流量按相同的变化规律同步匹配调节，以有效缓解供热系统二次管网和用户管网的水力失衡现象。

(3)本技术方案不仅适用定流量系统，也适用于变流量系统，可以通过变流量调节有效降低供热系统管网传输能耗，同时由于调节换热站二次侧水泵承担的扬程降低，可以降低节换热站二次侧水泵需要的功率；

(4)本技术方案将流量调节与供热系统热量分户计费功能集成为一体，有效降低供热系统直接成本与施工成本。

(5)本技术方案具备系统管理与控制功能，可以通过热网监控管理平台统一设定满足国家相关规定的室内温度目标值，根据温度目标值与实测温度的差值和对象的特性计算用户需要的热水量，并调节分户供水泵转速在满足用户热舒适性要求的前提下，实现按需调节流量，降低能耗。

(6)本技术方案的末端用户流量调节与热量计算装置具备用户人机操作界面，可为用户提供环境参数和运行参数和故障报警等信息。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的结构示意图；

图2是本发明的一个实施例的模块结构示意图；

图3是本发明中分户计量模块的一个实施例的结构示意图；

图4是本发明中流量Q计算流程图；

图5是本发明中供热系统分户热量计费流程图。

其中：换热站板换1，总循环泵2，供水管道3，回水管道4，分户供水泵5，驱动电机6，MCU控制器7，热网监控管理平台8。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1及图2所示，变流量与分户计量的集中供热系统，包括换热站板换1、总循环泵2和连接换热站板换1与各用户位置的管网系统，所述管网系统包括供水管道3和回水管道4，一个以上用户位置的进水管并联在所述供水管道3，所述总循环泵2将所述换热站板换1内的热水通过所述供水管道3压入各用户位置，换热完成后的水再通过所述回水管道4回到所述换热站板换1；还包括分户计量模块、供水测温模块、回水测温模块和热网监控管理平台8，所述分户计量模块设于各用户位置，热网监控管理平台8分别与所述分户计量模块和总循环泵2电连接，并通过所述供水测温模块和所述回水测温模块分别收集管网系统中的供水温度和回水温度，所述总循环泵2采用变频器调节控制；

如图2及图3所示，所述分户计量模块包括分户供水泵5、驱动电机6和MCU控制器7，所述MCU控制器7内设有变频器和用于测量用户室内温度的室温监测模块；各用户位置的进水管分别通过所述分户供水泵5接入所述供水管道3，所述驱动电机6驱动所述分户供水泵5转动；所述MCU控制器7通过所述变频器与所述驱动电机6电连接。

本技术方案中的供热系统为变流量调节系统，供水测温模块和回水测温模块采集实际系统中，供水管道3和回水管道4内的温度数据，并传递给热网监控管理平台8，热网监控管理平台8算出实际供热的数据，结合分户计量模块计量出的各用户位置所需的热量数据，根据两者的差值，通过变频器调节总循环泵2的转速，满足各用户的水量需要，在满足用户热舒适性要求的前提下，实现按需调节流量，降低能耗。

分户计量模块中，MCU控制器7中设定有相关规定下的标准温度，室温监测模块采集用户室内温度，MCU控制器7根据标准温度(或设定温度)和实测温度的差值，计算用户位置换热设备需要的热水流量，再将热水流量需求转变为分户供水泵5的转速，然后由MCU控制器7输出水泵变频信号，通过变频器8调节分户供水泵5的转速，在满足用户热舒适性要求的前提下，实现按需调节流量，降低能耗。

该装置与普通流量调节阀和平衡阀不同，不需要供热管网提供流量调节的压力，而是利用变频调节分户供水泵5提供动力，即末端用户流量调节所需要的压力可由用户位置设置的分户供水泵5提供，不受系统管网压力变化的影响，因此该装置不仅可以实现流量调节，还可以有效地消除集中供热系统末端用户水力失衡现象。

所述系统为一体化的末端用户流量调节与热量计算装置检测用户室内温度，MCU控制器内置PI调节算法，根据预先设定的用户室内目标温度与实际检测室内温度的差值，计算出需要提供给用户的流量，输出水泵转速信号，驱动水泵提供所需的流量，在满足用户舒适性要求的前提下，降低能耗：

关于本系统的使用方法，其步骤如下：

A：在各用户位置通过MCU控制器中的供水测温模块和回水测温模块检测每个用户管网的供水温度T_gi和回水温度T_hi，并按照下列公式计算各用户消耗的热量H_i：

其中：H_i为用户消耗的热量，KW

c_p为流体介质的定压比热容，kJ/(kg·℃)

ρ为流体介质密度，kg/m3

L_N为对应于水泵额定转速时的流体体积流量，m³/h；

T_hi T_gi分别为用户换热器回水温度和供水温度，℃，由实际测量得到

n_i n_N分别为水泵实际转速与额定转速，rpm，n_i由控制器MCU计算得到；

MCU控制器算出用户位置所消耗的热量后，按照下列公式计算各用户所需的流量Q_i：

其中：Q_i为用户所需的流量，kg/h；

ρ为流体介质密度，kg/m³

n_i n_N分别为水泵实际转速与额定转速，rpm，n_i由控制器MCU计算得到。

B、各用户位置的MCU控制器通过网络将用户所需的流量Q_i发送给热网监控管理平台，热网监控管理平台将所接收到用户所需的流量Q_i按照下列公式计算得出整个管网系统的用户所需的流量:

Q＝K_q∑Q_i

其中：Q为换热站板所需提供的整个管网系统的用户所需的流量；

K_q为一个大于1的参数，为满足总循环泵2提供的流量应略大于末端用户流量而设置的参数，可在热网监控管理平台8设定和修改，处理流程如图4所示。

供热系统分户热量计费(处理流程如图5所示)：A步骤中MCU控制器计算得出各用户消耗的热量H_i通过网络发送给热网监控管理平台，在热网监控管理平台设置热量计算周期T和计费费率K_f，则在当前计算周期T内用户消耗的热量可按下述公式计算：

W_Ti＝k_fTTH_i

其中：k_fT，计算周期T内考虑管网损耗等因素的校正系数，H由换热站的热计量装置得出，∑H_i为所有末端用户计算热量之和。

将计算周期用户消耗的热量累计即可得到每个用户消耗的热量，再乘与计费费率即可实现供热系统分户计费，即：

F_i＝K_f∑W_Ti

其中：K_f为计费费率，F_i为分户供热计费值。

实施例1

所述供水测温模块测量用户位置的供水温度，所述回水测温模块用于测量用户位置的回水温度，所述供水测温模块和回水测温模块分别与所述MCU控制器电连接。

通过供水测温模块和回水测温模块分别采集用户位置的供、回水温度，根据相似定律，用户流量与供水泵转速的平方成正比，供水泵的额定参数是已知的，水泵实际转速由MCU控制器7确定，即可以根据分户供水泵5额定参数与实际转速计算得出提供给用户的实际流量；MCU控制器7根据实际采集用户供、回水温度和计算得出的实际流量，由MCU控制器7记录。

本实施例中，将供水测温模块和回水测温模块设置在各用户位置，直接测量用户位置的进水温度和回水温度，测量数据准确，系统能准确地根据客户的热量需求进行供水调节，实现了节省能源的效果；且这种方式不需要流量传感器类的检测装置，不仅节约成本，而且具有较高的可靠性与稳定性，更适合长期使用。

实施例2

所述供水测温模块用于所述供水管道3内的供水温度，所述回水测温模块用于所述回水管道4内的回水温度，所述供水测温模块和回水测温模块分别与热网监控管理平台8电连接。

通过供水测温模块和回水测温模块分别采集供水管道3和回水管道4内的供、回水温度，根据相似定律，用户流量与分户供水泵5转速的平方成正比，分户供水泵5的额定参数是已知的，水泵实际转速由MCU控制器7确定，即可以根据分户供水泵5额定参数与实际转速计算得出提供给用户的实际流量；MCU控制器7根据实际采集用户供、回水温度和计算得出的实际流量，由MCU控制器7记录。

本实施例中，将供水测温模块和回水测温模块分别设置在供水管道3和回水管道4的干路管道上，对多个用户(整栋楼或者整个小区)的进水温度和回水温度进行集中测量，系统根据多用户总的热量需求进行供水调节，实现了节省能源的效果，更重要的是节省了布设供水测温模块和回水测温模块的成本；且这种方式不需要流量传感器类的检测装置，不仅节约成本，而且具有较高的可靠性与稳定性，更适合长期使用。

还包括用于统计系统为用户供水时间的计时模块，所述计时模块与所述MCU控制器7电连接。

通过计时模块统计用户使用热水的时间，并由MCU控制器7记录，根据这些参数，可以通过计算得到提供给用户热量，方便后续的收费管理。

所述MCU控制器7内设有人机通信模块，用户根据自身所需的室内温度通过所述人机通信模块给MCU控制器中发出温度设定信号，MCU控制器7根据所设温度通过变频器调节所述分户供水泵5的转速。

用户根据自身的温度需求，通过人机通信模块对MCU控制器7进行信号输入，完成分户供水泵5的频率设定，达到对分户供水泵5进行转速调节的目的后，控制到达家中的进水量，提高或降低换热的效率，从而满足自己的温度需求，使得系统的功能更具个性化。

所述驱动电机6为永磁直流无刷直流电机。

末端各用户水泵功率较小，本实施例中采用永磁直流无刷直流电机驱动水泵，提高了驱动的能效比。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.变流量与分户计量的集中供热系统的水力平衡调节方法，其特征在于：其步骤如下：

A：在各用户位置通过MCU控制器中的供水测温模块和回水测温模块检测每个用户管网的供水温度T_gi和回水温度T_hi，并按照下列公式计算各用户消耗的热量H_i：

<mrow> <msub> <mi>H</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>c</mi> <mi>p</mi> </msub> <mi>&amp;rho;</mi> <mfrac> <msub> <mi>L</mi> <mi>i</mi> </msub> <mn>3600</mn> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>h</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>g</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>c</mi> <mi>p</mi> </msub> <mi>&amp;rho;</mi> <mfrac> <msub> <mi>n</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>n</mi> <mi>N</mi> </msub> </mfrac> <mfrac> <msub> <mi>L</mi> <mi>N</mi> </msub> <mn>3600</mn> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>h</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>g</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中：H_i为用户消耗的热量，KW

c_p为流体介质的定压比热容，kJ/(kg·℃)

ρ为流体介质密度，kg/m³

L_N为对应于水泵额定转速时的流体体积流量，m³/h；

T_hi T_gi分别为用户换热器回水温度和供水温度，℃，由实际测量得到；

n_i n_N分别为水泵实际转速与额定转速，rpm，n_i由控制器MCU计算得到；

MCU控制器算出用户位置所消耗的热量后，按照下列公式计算各用户所需的流量Q_i：

<mrow> <msub> <mi>Q</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>&amp;rho;</mi> <mfrac> <msub> <mi>n</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>n</mi> <mi>N</mi> </msub> </mfrac> <msub> <mi>L</mi> <mi>N</mi> </msub> </mrow>

其中：Q_i为用户所需的流量，kg/h；

ρ为流体介质密度，kg/m³

n_i n_N分别为水泵实际转速与额定转速，rpm，n_i由控制器MCU计算得到；

B、各用户位置的MCU控制器通过网络将用户所需的流量Q_i发送给热网监控管理平台，热网监控管理平台将所接收到用户所需的流量Q_i按照下列公式计算得出整个管网系统的用户所需的流量:

Q＝K_q∑Q_i

其中：Q为换热站板所需提供的整个管网系统的用户所需的流量；

K_q为一个大于1的参数，为满足总循环泵提供的流量应略大于末端用户流量而设置的参数，可在热网监控管理平台统一设定和修改；

所述变流量与分户计量的集中供热系统包括换热站板换、总循环泵、连接换热站板换与各用户位置的管网系统、分户计量模块、供水测温模块、回水测温模块和热网监控管理平台，所述管网系统包括供水管道和回水管道，一个以上用户位置的进水管并联在所述供水管道，出水管并联在所述回水管道，所述总循环泵将所述换热站板换内的热水通过所述供水管道压入各用户位置，换热完成后的水再通过所述回水管道回到所述换热站板换；

所述分户计量模块设于各用户位置，热网监控管理平台与所述分户计量模块通过网络连接，与所述总循环泵电连接，并通过所述供水测温模块和所述回水测温模块分别收集管网系统中的供水温度和回水温度，所述总循环泵采用总循环变频器调节控制；

所述分户计量模块包括分户供水泵、驱动电机和MCU控制器，所述MCU控制器内设有MCU变频器和用于测量用户室内温度的室温监测模块；各用户位置的进水管分别通过所述分户供水泵接入所述供水管道，所述驱动电机驱动所述分户供水泵转动；所述MCU控制器通过所述MCU变频器与所述驱动电机电连接。

2.根据权利要求1所述的变流量与分户计量的集中供热系统的水力平衡调节方法，其特征在于：所述供水测温模块测量用户位置的供水温度，所述回水测温模块用于测量用户位置的回水温度，所述供水测温模块和回水测温模块分别与所述MCU控制器电连接。

3.根据权利要求1所述的变流量与分户计量的集中供热系统的水力平衡调节方法，其特征在于：所述供水测温模块用于测量所述供水管道内的供水温度，所述回水测温模块用于测量所述回水管道内的回水温度，所述供水测温模块和回水测温模块分别与热网监控管理平台电连接。

4.根据权利要求1所述的变流量与分户计量的集中供热系统的水力平衡调节方法，其特征在于：所述MCU控制器内设有人机通信模块，用户根据自身所需的室内温度通过所述人机通信模块给MCU控制器中发出温度设定信号，MCU控制器根据所设温度通过变频器调节所述分户供水泵的转速。

5.根据权利要求1所述的变流量与分户计量的集中供热系统的水力平衡调节方法，其特征在于：所述驱动电机为永磁直流无刷直流电机。

6.根据权利要求1所述的变流量与分户计量的集中供热系统的水力平衡调节方法，其特征在于：A步骤中MCU控制器计算得出各用户消耗的热量H_i通过网络发送给热网监控管理平台，在热网监控管理平台设置热量计算周期T和计费费率K_f，则在当前计算周期T内用户消耗的热量可按下述公式计算：

W_Ti＝k_fTTH_i

其中：k_fT，计算周期T内考虑管网损耗的校正系数，H由换热站的热计量装置得出，∑H_i为所有末端用户计算热量之和；

将计算周期用户消耗的热量累计即可得到每个用户消耗的热量，再乘与计费费率即可实现供热系统分户计费，即：

F_i＝K_f∑W_Ti

其中：K_f为计费费率，F_i为分户供热计费值。