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；其优点是成本低、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，降低供热量；其优点是成本

2、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、成本较高。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5，而现有的分时分区系统的夜间室温则通常为

3、15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60以上，切换到夜间低消耗运行状态后，平均水温逐渐下降为30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，这部分的温差所对应的热量是无法被利用的、大部分被白白浪费掉。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)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.

4、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、改进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

5、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、从而避免了热量的散失；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

6、的低负荷运行、即可维持夜间值班温度。图1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，是保证安全性的同时降低能耗的最佳手段。此时若采用楼前混水系统则：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。以下是几种方案的对比分析表：方案基础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/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

7、统2元/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：不适用于热源侧供水温度低于55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，唯一一种可以低成本、快速回收末端系统中的富余热量的方案，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30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

8、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（）；Ra热源侧供回水参数（/）；Rb末端侧供回水参数（/）。首先，设定一个简化的连续供热系统作为参照：（图2）1、工作时间段（上午8点至晚间20点之间）为正常负荷，运行参数如下：热负荷E1=26w；耗热量Q1=

9、26w*12h=312wh；室内温度T1=20；热源侧供回水参数Ra1=70/63；末端侧供回水参数Rb1=70/63；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；热源侧供回水参数Ra2=70/60；末端侧供回水参数Rb2=70/60；然后，选取节能性能较好的混水系统作为对比项：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2）2、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

10、参数如下：热负荷E3=4w；耗热量Q3=4w*4h=16wh；室内温度T3=12；热源侧供回水参数Ra3=70/69；末端侧供回水参数Rb3=40/35；降温阶段中，若停止末端循环，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。3、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T4=12；热源侧供回水参数Ra4

11、=70/67；末端侧供回水参数Rb4=40/35；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=18-20；热源侧供回水参数Ra5=70/35；末端侧供回水参数Rb5=70/35；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30：1、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2）2、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

12、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、从而避免了热量的散失，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；热源侧为断开状态；末端侧供回水参数Rb6=65/35；3、自然降温阶段（晚间22点至23点）：此时末端中水温约为35，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20，室内温度逐渐降低为8；由于系统中断时间为1

13、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；末端侧供回水参数Rb7=25/20；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25左右，而25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

14、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70/35；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；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

15、；室内温度T8=18-20；热源侧供回水参数Ra8=70/25；末端侧供回水参数Rb8=70/25。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；T1=20； Ra1=Rb1=70/6320-21持续供热：E2=40w；Q2=480wh；T2=20；Ra2=Rb2=70/60降温阶段：E3=4w；Q3=16wh；T3=12；Ra3=70/69；Rb3=40/35热回收阶段：E6=0w；Q6=-40wh；T6=12；21-2222-23自然降温阶段23-0低负荷供热阶段：E7=8w；Q7=56wh；T7=8；相变供热过程：Ra7:无；Rb7=25/20；补充供热过程：Ra7:70/35；Rb7=25/20；0-1低负荷供热阶段：E4=12w；Q4=72wh；T4=12；Ra4=70/67；Rb4=40/351-22-33-44-55-66-8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/560wh/508wh/节能率无30%36%表2综合分析：