公共建筑供热系统分时分区节能改造方案

1、公共建筑供热系统分时分区节能改造方案一、现有技术方案供热系统的热惰性是制约按需供热的一个重要因素， 尤其对于按需供热中最重 要的间歇性供热需求，现有的技术方案难以满足节能运行的要求。对于公共建筑， 通常工作时间段要求正常供热、 而夜间维持防冻运行即可； 由 此产生了分时分区的节能运行方案，具体包括：1、末端变流量分时分区供热：在低负荷运行时，通过调节流量阀开度降低末 端系统流量以降低供热量；其优点是本钱低、结构简单、有一定的节能效果；缺 点是：不能改变系统供水温度；并容易造成水力失调、不利节点的管路有冻结风 险；2、通断时间控制分时分区供热：在低负荷运行时，通过通断阀定时开启或关 闭，降低供热

2、量；其优点是本钱低、结构简单、有一定的节能效果；缺点是：不 能改变系统供水温度；并且不适合应用于严寒地区；3、楼前混水系统分时分区供热：具体结构形式多种多样，共同点是其中至少 包括调节阀、控制系统和内部循环泵；通过内部循环泵维持内部水循环，通过调 节阀调整供热量；其优点是：能够改变系统供水温度、节能效果好；缺点是：系 统复杂、控制系统要求高、本钱较高。通过需求分析可以发现， 此类应用的特点是在某个时间点供热需求会发生由大 变小的突变、然后将维持一段较长时间的低负荷状态，但是供热系统的热惰性会 导致响应速度严重滞后，从而形成能源的浪费。根据参考资料可知，虽然规定的 夜间最低值班室温为5C,而现有

3、的分时分区系统的夜间室温那么通常为15C左右，其中仍有一定的节能空间。另外正常供热时，末端系统的管道和铸铁散热器中的平均水温为60C以上，切换到夜间低消耗运行状态后，平均水温逐渐下降为 30C以下。由此，对应的末 端散热器壳体和循环水都会产生至少 30K 的温差，现有技术方案中，这局部的温 差所对应的热量是无法被利用的、大局部被白白浪费掉。以较常见的四柱 760 铸铁散热器为例：散热器单片参数：重量5.2Kg、水容量0.93L、中心距600mm；通常单片对应 末端供热面积为 1.3 至 1.5 平方米。其中：铸铁的比热容为： 0.53kj/(kg*k) ；水的比热容为： 4.2kj/(kg*k

4、) 当发生需求突变后形成温差为 30K 时，所对应的热量损失为： 5.2*0.53*30+0.93*4.2*30=199.86kj (约 55.5wh) 即对应每平方米供热面积会产生约 40wh 的热量损失。二、改良技术方案为解决现有技术的问题， 本方案采用相变储能技术， 在末端系统负荷产生由大 变小的突变时，通过相变储能模块迅速从末端系统中提取热量储存起来、并加以 利用。同时，相变储能模块具有良好的降温输出能力，完全可以替代现有系统。具体方案：该系统包括热源侧系统 1、末端系统 2、相变储能模块 3 和内部循 环泵 4；在正常供热负荷工况下，热源侧系统 1 与末端系统 2 连接，由热源侧系统

5、 1 为末端系统 2 提供热量；当末端系统 2 的负荷发生由大变小的突变时 (此时， 末端系统 2 中的循环水的 温度高于相变储能模块 3 中的储能材料的相变温度) ，将热源侧系统 1 与末端系统 2 断开，并将末端系统 2 与相变储能模块 3、内部循环泵 4 相连接，由内部循环泵4驱动末端系统2中的水循环通过相变储能模块3的换热器5、使得循环水与储能 材料进行热交换，将水中的热量回收并储存到相变储能模块 3之中，同时使得循 环水的温度迅速下降、从而防止了热量的散失；然后，在末端系统2处于低负荷运行时，当末端系统2中的水温下降到低于相 变储能模块3中的储能材料的相变温度时，将末端系统2与相变储

6、能模块3、内部 循环泵4相连接，由内部循环泵4驱动末端系统2中的水循环通过相变储能模块 3 的换热器、使得循环水与储能材料进行热交换并输出温度较低的低品位热能，从 而维持末端系统的低负荷运行、即可维持夜间值班温度。需要指出的是，在夜间低负荷值班工况下，在末端系统中尽量降低供水温度并 维持一定流量的循环，是保证平安性的同时降低能耗的最正确手段。此时假设采用楼 前混水系统那么：末端负荷理论上最低可缩减为正常负荷的 1/5;热源侧的供水温度与末端侧供 水温度的差值较大30K、是正常运行温差的两倍以上；由此，其中关键的热源 测流量调节阀的开度将小于10%、甚至有可能低于5%，其可操作性大打折扣。以下是

7、几种方案的比照分析表:万案根底构成造价节能效果优缺点分析变流量系统流量阀 控制系统2元/tf<20%优点：结构简单； 缺点：存在运行风险；不能改变末端供水温度，节能率低；通断控制系统通断阀 控制系统2元/tf<20%优点：结构简单； 缺点：存在运行风险；不能改变末端供水温度，节能率低；楼前混水系统调节阀组合 控制系统内部循环泵4-10元/tf20-30%优点：可降低供水温度，节能率咼； 缺点：结构复杂，控制精度要求咼；相变储能系统相变储能模块 通断阀组合 控制系统 内部循环泵10元/tf>30%优点：结构简单，适用面广； 低负荷运行时，末端的供水温度最 低,节能率最高；缺点：

8、不适用于热源侧供水温度低于 55 C的应用。表1综上所述，本方案的优点是：1、热回收功能：当发生需求突变时，唯种可以低本钱、快速回收末端系统中的充裕热量的方案，消除末端系统的热惰性，有利于分时分区管理和行为节 能；2、缓释功能：当热源侧供水温度较高时，现有方案都无法为末端系统稳定的 提供很低的供水温度、因此节能效果受限；而通过相变储能模块可以为末端系统 稳定的提供低于30C的供水温度，因此末端系统对外散热的能力也大幅下降，从 而在满足低负荷运行的同时做到了热量的缓慢释放、夜间维持低负荷时几乎不额 外消耗热量；3、合理调配热能品位：通过储能模块快速吸收热量时储热温度相对较低、即 热能品位有较大损

9、失，因此所储存的热量难以直接用于正常负荷工况的供热，本 方案中由储能模块做为低品位的热源，恰好可以满足低负荷运行的应用需求，从 而直接变废为宝。三、具体案例分析以公共建筑供热系统案例为例，详见表 2其中耗热量相关数据按 1 平方米供 热面积对应计算，表中参数对应关系为：Q:耗热量wh; E:热负荷w; T:室内温度C;Ra热源侧供回水参数C / C ； Rb末端侧供回水参数C / C 0 首先，设定一个简化的 连续供热系统 作为参照:图 21、工作时间段上午 8点至晚间 20点之间为正常负荷，运行参数如下:热负荷E仁26w;耗热量Q仁26w*12h=312wh ;室内温度T仁20C；热源侧供回

10、水参数Ra1=70C/63C ;末端侧供回水参数 Rb1=70C/63C；2、休息时间段晚间 20 点至次日 8 点之间为正常负荷，运行参数如下:热负荷 E2=40w;耗热量 Q2=40w*12h=480wh ;室内温度 T2=20 C； 热源侧供回水参数Ra2=70C /60C ;末端侧供回水参数 Rb2=70C/60C； 然后，选取节能性能较好的 混水系统 作为比照项:1、工作时间段上午 8 点至晚间 20 点之间为正常负荷，运行参数与连续供 热模式相同;图 22、降温阶段晚间 20点至 24点:末端低负荷运行，此时末端中水温较高， 采取自然降温为主，少量辅助供热，室内温度逐渐降低;运行参

11、数如下:热负荷E3=4w;耗热量Q3=4w*4h=16wh ;室内温度T3=12 C；热源侧供回水参数Ra3=70C/69C ;末端侧供回水参数 Rb3=40C/35C； 降温阶段中，假设停止末端循环，四小时的周期较长，对于不利位置可能造成管 道冻结;因此需要适当启动末端循环，这样会导致散热量增加，因此需要从热源 侧系统补充少量热量;由于散热量的增加使得室内温度不能进一步降低、节能率 有所降低03、低负荷供热阶段凌晨 24点至次日 6点 :末端维持低负荷运行，此时末 端系统供水温度较低，室内温度维持在较低的水平;运行参数如下:热负荷E4=12w;耗热量Q4=12w*6h=72wh ;室内温度T

12、4=12 C；热源侧供回水参数Ra4=70C /67C ;末端侧供回水参数 Rb4=40C/35C；4、快速预热阶段次日 6 点至次日 8 点:末端系统与热源侧系统连通，处于 大温差、高负荷运行状态，快速提升室内温度至正常水平;运行参数如下:热负荷 E5=80w;耗热量 Q5=80w*2h=160wh ;室内温度 T5=18-20C；热源侧供回水参数Ra5=70C /35C ;末端侧供回水参数 Rb5=70C/35C； 最后，对本文介绍的 相变储能系统 进行介绍， 其中相变储能模块 3中的储能材 料 5 的相变温度 Tx 设计为 30C:1、工作时间段上午 8 点至晚间 20 点之间为正常负荷

13、，运行参数与连续供 热模式相同;图 22、热回收阶段晚间 20点至 22点:末端进入低负荷运行，将热源侧系统 1 与末端系统 1 断开，并将末端系统 1 与储能模块 3、内部循环泵 4相连接，由内部 循环泵 4驱动末端系统 2中的水循环通过储能模块 3的换热器 6、通过换热器 6使得循环水与储能材料5进行热交换，将水中的热量储存到储能模块3之中，并使得循环水的温度迅速下降、从而防止了热量的散失，室内温度同时下降；运行参 数如下：图3热负荷E6=0;耗热量Q6=-40wh 即回收热量值；室内温度T6=12°C； 热源侧为断开状态；末端侧供回水参数Rb6=65C /35C；3、自然降温阶

14、段晚间22点至23点：此时末端中水温约为35C，可采取 中断末端循环进行自然降温的方式，使得循环水温下降至 20C，室内温度逐渐降 低为8C；由于系统中断时间为1小时，时间较短、没有管道冻结的风险；4、低负荷供热阶段凌晨23点至次日6点：末端维持低负荷运行，此时末 端系统供水温度低，室内温度维持在值班温度水平；运行参数如下：热负荷E7=8w;耗热量Q7=8w*7h=56wh ;室内温度T7=8 C；末端侧供回水参数 Rb7=25C/20C；此时，优先使用相变储能模块3作为低品位热源，如图4所示，启动内部循环 泵4，由内部循环泵4驱动末端系统2中的水循环通过储能模块3的换热器6、通 过换热器6使

15、得循环水与储能材料5进行热交换，当末端系统2中的水循环通过 储能模块3的换热器6之后，水温升高为25C左右，而25C的出水温度足以满足 低负荷工况的要求，并且可以做到热量的缓慢释放；当相变储能模块3中储存的热量消耗殆尽时：即如图5所示，将相变储能模块 3与热源侧系统1连接，由热源侧系统1为相变储能模块3补充适当的热量；热源 侧系统1的供回水温度参数为70/35C ;由于换热温差较大，该热交换过程可以快 速完成。当完成热量补给后，将热源侧系统 1与储能模块3断开，再将末端系统1 与储能模块3内部循环泵4相连接即回到图4的状态，由相变储能模块3对水 进行循环加热，从而继续维持末端系统的低负荷运行；

16、5、快速预热阶段次日6点至次日8点：末端系统2与热源侧系统1连通， 处于大温差、高负荷运行状态，快速提升室内温度至正常水平；运行参数如下：热负荷 E8=90w;耗热量 Q8=90w*2h=180wh ;室内温度 T8=18-20C；热源侧供回水参数 Ra8=70C/25C ;末端侧供回水参数 Rb8=70C/25C。2-7or16OTCH2R364Rih时间段连续供热模式混水分时供热模式相变分时供热模式8-20持续供热：E1=26w; Q1=312wh ; T仁20 C；Ra1=Rb1=70 C /63 C20-21持续供热：E2=40w ; Q2=480wh ;T2=20 C；Ra2=Rb2

17、=70C /60 C降温阶段：E3=4w ；Q3=16wh ；T3=12 C；Ra3=70 C /69 C；Rb3=40 C /35C热回收阶段：E6=0w ； Q6=-40wh ；T6=12 C；21-2222-23自然降温阶段23-0低负荷供热阶段：E7=8w ；Q7=56wh ；T7=8 C；相变供热过程：Ra7:无；Rb7=25C /20 C；补充供热过程：Ra7:70C /35 C；Rb7=25C /20 C；0-1低负荷供热阶段：E4=12w ； Q4=72wh ；T4=12 C；Ra4=70 C /67 C；Rb4=40 C /35C1-22-33-44-55-66-8快速预热阶段：E5=80w ； Q5=160wh ；快速预热阶段：E8=90w ； Q8=180wh ；耗热量合计792wh/ m2560wh/ m2508wh/ m2