冬季供暖优化设计

供电与|配」电冬季供暖优化设计严志明黄大坤 (江西工程学院，江西省新余市338000)张秀彬(上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海市200240)Optimal Design for Winter HeatingYAN Zhiming HUANG Dakun (Jiangxi College of Engineering， Xinyu 338000, Jiangxi Province, China)ZHANG Xiubin (School of Electronic Information and Electrical Engineering ,Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240， China)Abstract: The paper proposes an optimal design有60%的区域冬季气温在0C以下。较为典型的是method for winter heating on the basis of extensive淮河流域以北地区，特别是黄河以北地区都需要供research and in-depth analysis， which can minimize暖，而东北地区每年供暖时间长达5~6个月。由此he investment and operation costs\obvious可见，我国冬季需要室内供暖的居民和单位用户数量technological economy advantages and environmental极大。protection，by adoptinghe system design and传统的燃煤锅炉供暖方式存在的最大问题:operation technology of optimal combination of heatingof gas and electricity.a. 燃煤锅炉在消耗宝贵煤炭资源的同时，向Key words: winter heating; operating cost ;空气中排出大量的烟尘给城市的空气造成严重的technological economy; electric heating technology ;thermal conversion efficiency ; environmental protectionb. 燃煤锅炉结构、管道散热、传导热阻、延期and energy saving; optimal design; temperature control排放等问题都会使燃烧效率下降和传输过程中的热力损失增加，在这些因素的共同影响下，整个锅炉的热摘要:在广泛调研与深入分析的基础上提出.效率相当低下(只能达到35%左右)，这是矿石燃料.一种冬季供暖的优化设计方法。该方法采用气、电热值转换效率的最大缺陷口。优化组合供暖的系统设计与运行技术，能够在环保从供暖的角度出发，燃气与电能供热能够满足环条件下将投资和运行成本降到最低水平，具有明显保的要求，但是，这两类供热方式又涉及到系统技术的技术经济性优势。设计与经济核算问题3。关键词:冬季供暖;运行成本;技术经济性;1燃 气锅炉供热优缺点电热取暖技术;热转换效率;环保节能;优化设计;温度控制燃气锅炉供热的最大优点4:中图分类号: TK-9文献标识码: Aa.天然气是 矿物燃料中最清洁的燃料。b.由于天然气在燃烧过程中对流管束内不易结渣，也不存在腐蚀伤害，从而提高了燃气锅炉炉膛的0引言容积热强度，传热效果较好。我国幅员辽阔，气候条件变化复杂。全国大约由于燃气锅炉没有受热面结渣、磨损等问作者信息严志明，男，江西工程学院，讲师。中国煤化工黄大坤，男，江西工程学院，副教授。YHCNMH G张秀彬，男，上海交通大学电子信息与电气工程学院，教授,博士生导师。冬季供暖优化设计(严志明黄大坤 张秀彬)47http: /www. jxdq. net. cn597建筑电气°BUILDING2014年第9期| ELECTRICITY题的困扰，能够明显减少对流受热面的尺寸，缩小交变涡流电磁线圈交变电流 金属管炉膛体积;通过合理配置对流管束，燃气锅炉结构比燃煤锅炉显得更加紧凑，无须配置吹风机、除尘器等设备，因此具备体积小、重量轻的技术经济性传热工质U∪∪∪U功率转换器百优势。而且，天然气是通过管道输送，既节省燃料的存放场地，又无需进行燃烧前的加工，因此整体图1电磁加热原理图设施十分简洁。Fig. 1 Electromagnetic heating principled. 燃气启动快速，流量控制极为方便，因此能电流时，在金属管壁上就会产生一股沿着周边环流的够显著减少能量的“无谓损耗”。交变涡流。由于金属导电的电阻非常小，致使金属管然而，燃气锅炉供热也存在一些缺点:a. 天然气具有易燃、易爆的特点，而且有一定壁中形成一种极大的交变涡流。该涡流迅速转换成金属分子的内热(即涡流热效应)，并将金属内热通过的毒性。一旦发生泄漏，很有可能会引发爆炸事故。传导的方式传递给金属管内的传热工质。随着传热工b. 热泵启动以及火焰燃烧时，噪音较大，存在质(如:水)的流动，在将热量带走的同时，又加速- 定污染问题。了金属管对热量的吸收[6]c.燃气锅炉供热，平均单位面积耗气量偏高，3.2电磁加热取暖的技术特点且耗气量差别很大。当前的电磁加热采用变频技术，在频率为d. 天然气价格有上涨趋势,势必会增大用户的20k~ 25kHz的交变磁通作用下，使缠绕于金属管导经济负担。体外的导电线圈对导体产生强大的涡流，致使金属2电热取暖技术的发展趋势导体被加热，迅速升温。因此，它具有如下极为突当前已经被采用的电热取暖方式大体上包括:以电出的技术特点。阻丝为电热转换元件的电热风、以红外加热管为电热转3.2.1热转换效率高热效率高达98%。以带动(10~60片)暖气片换元件的电热器、以红外辐射膜为加热元件的电热器、散热为例，在足够大的电功率作用下，3 min之内即以油为介质的电暖器、电磁加热取暖器等15。前4种可使水管出口温度达到60C以上。相对燃油、燃气被称为“传统电热取暖”，其电热转换效率较低。具体和其他电供暖设备可节能35%以上。地说，电能转换成红外线辐射能约占消耗电能的40%，如:将电磁加热与电加热管进行比较，根据电磁辐射能约占消耗电能的5%，而其中红外辐射能只实际测试，加热1L水每提升1C温度，前者耗电能对有吸收红外辐射波的物体进行加热，却无法转换成1. 19kWh;后者却耗电2. 94kWh。两相比较，前者加热能，更不能加热空气。电能直接转换成热能的部比后者节电率γ达:分，实际上仅占电能的55%左右。这就意味着有将近= 2.94-1.19 x 100%45%的“无谓损耗”。因此，传统电热取暖方式至今2.94无法在我国北方冬季供暖中得到普遍采用。≈59. 5%(1)因此，电磁取暖因其独特的技术优势得到业内人3.2.2安全可靠士普遍关注。在系统装置中，加热核心部件内部走水，外部走电，水、电相互隔离，导电线圈与金属水管之间具有3电磁加热取暖的技术优势十分良好的绝缘隔离。电磁加热取暖是通过电磁/热能的转换技术取其3.2. 3维护简便所生成的热能实现室内冬季供暖。导热水质中国煤化工1热后的水质3.1电磁加热取暖技术基本原理也被磁化，因YHCNM H G统免于维护。如图1所示，当金属管外缠绕的线圈通以交变的通过变频脉宽调整，电压高时电流会自动下调，电压48L Sep.2014 Vol 33 No.9598 htp: /www. jzdq. net. cn供电与|配」电5低时，电流会自动上调，保证电功率恒定，确保加热的线性递增函数，因此，可以在给定供暖温度及其波器使用寿命和用户供暖的良好效果。动幅度的情况下，对各类供暖方式所消耗能源的大小进行比较，从而得出性能指标的最优值。4高效节能供暖的优化设计4. 1 J的前项计算方法在满足环保的条件下，节能供暖的边界条件与能当电磁加热具有足够大的功率时，[0, πi]源总消耗可以表达为:∈[lo, t] ([to, 4]为谷段电价区间), J的前项为:u= [u;]ixm>0u (1)dty= Au=[a;]1xM [u;J1xM(2)T=」。μuqiP'dt(3)J=|。 bu(t)dt+”cmu() di式中: u一-控制向量,其元素u; (i=1, 2, .... M)式中: μ-电热转换效率;. 电热转换系数;代表所采用的特定类型能源，如燃气电功率的一-阶导数, u (t)=P'。和电能等;4.2 J的后项计算方法. 能源种类数;以初始加热后的第-次维持加热所需要的能源消向量u中元素均为不小于0的数;耗计算，同时考虑到实际维持取暖温度的过程是间歇输出向量;进行的，也就是说，在J的后项积分区间[0, τ2]内A--传递系数向量，q、u;分别为向量A与存在多次间歇的零被积函数，因此J的后项一般情况u的元素，i=1, 2，.... M下为离散函数，运行周期T =lt-to1+1t2-t1=24 h,J-一能源消耗总量，其前项为初始能源消即:耗，后项为区间[0, T2]内的维持温度所需要能源累积消耗量;h2=|。 cu(t)dt+| C2u2(t)dt-时间参变量;b--初始能源的传递系数;=。μq|P'd+|_ μ2q2V'dtc;--后续能源传递系数。供暖优化的目标就是在符合边界条件下，追求能=〉|,μqiP'dt + 2μzq2V'dt4)源消耗总量J为最小。显然，采用天然气、高温地热、太阳能、风能与(或) 电能供暖都是可行之策。此时，- 燃气消耗体积的一阶导数，即单位时公式(2) 中的能源种类数M=5。由于地理环境与技术间消耗燃气体积;条件的限制，- -般只会选择其中的1种或2种(最多RI、R2.两类供热源各自间歇运行总次数,3种)来实现冬季供暖。这是因为，我国北方地区由- - 般可以取Rk=180n，, n为第k于地处北半球高纬度，冬季太阳光照不足，因此要实类供热源每天运行次数，此处，现太阳能取暖，缺少天然条件;直接通过风能转换成h=1，2,冬季6个月以180天计;空气热，目前尚存技术难关(尤其是转换效率低)有lo---谷段电价的起始时间点;待攻克;同时，并非所有地区均有高温地热可供开采。t-谷段电价的终止时间点，也是峰段电价综合各种条件与因素，采用天然气与电能联合供的起始时间点;暖的方式切合实际且便于推广。此时, M=2。同时，tr-峰段电价的终止时间点，也是谷段电价利用分时电价的谷段电能，将会使其更具技术与社会中国煤化工经济的推广价值。μ.MHCNMHG鉴于公式(2) 中的能源消耗总量J是一个典型气热转换系数。冬季供暖优化设计(严志明黄大坤 张秀彬)49http: /www. jxdq. net. cn599建筑电气°BUILDING2014年第9期| ELECTRICITY5应用实例必须指出，将回水温度作为控制量是因为当暖气片进水温度很高，进出水温差较大、回水温度却较低5.1系统结构设计时，说明暖气片里面水流量较小，上水压力不足。这该供暖系统的整体结构如图2所示。时就需要加大上水压力，因此需要实时启动压力泵加系统主要包括:电磁加热器、燃气炉、智能控制压以加大水流循环流量。器、温度传感器、储热水箱、溢流箱和散热器等。其5. 3节能效果中，电磁加热器采用最优参数设计和变频高效节电运5.3.1基本运算行方式;燃气炉接受天然气或人工煤气均可;电磁加取q1=3 600kJ/kWh、q2= 38 000kJ/m3. μ1=0. 98、热器与燃气炉的水管采用串联方式进行连接;智能控μ2= 0.90。制器能够根据储热水箱温度(即供水温度)、回水温假定，1kg水升高1 C需要4.2kJ的热量; 1m3度、溢流箱水位、压力等参数信息，实施对电磁加热天然气价格为3.00元; 1kWh电价格: 谷段0.30元、器、燃气炉、压力泵(补充给水)的最优控制，达到峰段0.60元。最佳的高效节能效果，并能通过远程通信实现无人值以10层楼、60户、平均每户住宅面积为100m2、守和中控室的智能化管理。冬季供暖6个月为例。5.2系统运行控制策略燕汽安全阀5.2.1溢流箱的作用与液位高程控制压力传感水位传感调压阀令, h为溢流箱液位高程，则:供水温度传感a.当hho且Ih-hol≥δ时， 溢流箱图2高效节能供暖优化设计原理结构示意图Fig. 2 Structure diagram for optimal design principle能够通过减压阀自动向外泄流，直至水位.of the energy - fficient heating system减至ho为止，实现无源控制，起到节能的效果。是Po-p≤8)f压力反馈15. 2.2温度控制<谷段电价2[启动电磁加热如图3所示，其中，电磁加热器的电热管H储热水箱H溢流箱]否[启动燃气炉 1流、燃气炉的燃气流量和管道水流压力为否系统控制量;储热水箱温度(即供水温度)-p[回水温度反馈 ]T、回水温度T2 和溢流箱液面蒸汽压力ppo+→≥2> ←H供水温度反馈[ 泵加压循环为检测反馈量;热水循环系统温度为被控是L→热源停是≥12制量。图中，po、to 分别为压力与温度的设中国煤化工_ ]否计稳定工况参数; ε为判定阈值，即压力THCNMHG图3刑尿瑾性图控制余量参数。Fig. 3 Block diagram of temperature control principle of the system50L Sep. 2014 Vol33 NO. 9600 htp: //www. jzdq-. net. cn供」电与|配」电计算条件:循环水总量为5t;起始加热水温为整个冬季以6个月计算。5~75C;在供暖期间水管温度的变化为区间表2同类供暖方 式经济技术比较[60,75]，单位:C;在维持供暖期间，热源每小时Tab. 2 Comparison of economic technology of运行一次。计算结果如表1所示。similar heating methods换热效率取暖费用表1 技术经济性效果供热方式1%1(元/m2)Tab. 1 Effect of technological economy燃煤30~4530. 50燃油60~ 7(33. 00运行方式6个月实测总能耗用户每月承担费用/元燃气80 ~9019. 92~31.50单独使用燃气|燃 气39 830. 18 m3331. 92传统电加热70~9835. 00~ 40.00单独电磁加热|电 能386 149. 47 kWh536. 10燃气26 524.80m2电磁加热98~ 10032. 17~33.00两者优化组合+电能128 994.27 kWh328. 54气/电组合19. 68~20.30注: 1)单独电磁加热时，白天(峰段电价时) 以16h计,夜7结论间(谷段电价时)以8h计。2)两者优化组合时，即利用夜间谷段电价， “- -次性”电磁加热5t吨水从0C至75C;白天由天然气单独该节能供暖技术创新之处在于:维持供热;夜间(谷段电价时)由电磁加热单独维持a. 能源利用方式与众不同，能起到高效节能的供热，谷段以8h计。效果;而且，电磁加热是吸收电网的无功功率，实际5.3. 2附加费用计算上还潜存更大的节能空间。根据热水压力泵基本参数: 25 m2/h (6. 94L/s)、b. 系统结构紧凑，清洁环保。效率58%、电机功率7.5kW.转速2900r/min、汽能够通过智能化控制使系统进一步提高节能蚀余量2.5m、使用温度< 120 C，以上述供暖系统效果。水容量、每小时运行一次、冬季供暖6个月计算得:A.能够实现无人值守和科学管理。①每户每月平均附加费用为: 3110.4/60/6=8.64 元。因此，该供暖技术具有理念的前瞻性、系统技术②考虑其他电气用电费用，总附加费用平均每户每的创造性、节能环保的高效性。鼻月为: 8.64x1.2= 10.37元。参考文献5.3.3系统辅助节能措施a. 系统中的热水在常规状态下，采用自然循环[1] 王莹， 高温热泵热扩 容技术及其在集中供热系统方式实现用户取暖。仅当溢流箱液位高程h低于设定中的应用[D].天津: 天津大学，2012.2]黄世斌.我国冬季室内取暖设备的现状与发展趋值时才启动压力泵，而且是采用变频调速启动的方式。势[J].中国住宅设施，2003 (8): 34-35.b. 系统的局部调节器尽量采用无源器件，如:[3] Mudathir Funsho Akorede，Hashim Hizam， Edris溢流箱的安全阀、储热水箱的溢流调压阀和溢流箱的Rouresmaeil. Distributed energy resources and benefits to theenvironment [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews,泄流调压阀等。2010，14 (2): 724- 734.c.电磁加热 器还采用模块集成。在与燃气炉串[4] Christianne D. Aussant, AlanS. Fung， V. Ismet联的同时，还可以根据取暖热值增长的要求，可以通Ugural， et al. Residential application of intermal combustion过两台(或多台)电磁加热器的串联来提高取暖容engine based cogeneration in cold climate - Canada [J].量。同时，机组的轮番运行，使得供热机组得到自然Energy and Buildings, 2009, 41 (12): 1288- 1298.[5]李光复、 李庆繁、高娉婷、科学有序地推行民用冷却，有效避免机组“疲劳”， 方便维修与保养,进建筑电采暖[J].电力需求侧管理，2002， 4 (5): 47--步延长动力设备使用寿命。-48，62.6] 张秀彬中国煤化工术[M].上6同类供暖方式经济技术比较F:上海交通大学MHCNMH G，201+-01-26 来稿与同类技术的比较见于表2。表中,取暖费用指2014- 08- 20修回51冬季供暖优化设计(严志明黄大坤张秀彬)http: /www. jxdq. net. cn601