下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
近年来，各国开始重视二氧化碳排放导致温室气体猛增的现象，气候变化这一全球性问题对生命系统产生威胁，减排温室气体也需要采用全球协同约定的方式。中国为此提出的目标是2030年前实现碳达峰和2060年前实现碳中和。在面对这一人类共同的困境时，节能减排是限制气候变化最快、最可行和最具效益的方法之一。
我校积极响应国家关于推动实现碳达峰碳中和目标的号召，不断推进绿色校园建设，技术管理齐头并进，以实际行动严格控制校园日常运行过程中的能耗指标和碳排放指标。在节能环保和运行经费的双重压力下，节约能源减少碳排放是我们应有的责任和担当，也是我们当下正在面对并亟须解决的现实问题。
供暖系统作为学校能源消耗大户，节能减排工作的成效也会在一定程度上影响到学校整体能耗指标的控制工作，在实际节能减排工作中需要技术和管理并重。最近几年，学校持续投入大量经费对供暖系统进行节能技改，取得了较为明显的效果。2018年至2021年的三个采暖季中，采暖季气耗总量因供暖面积增加在逐年增长，但单方气耗呈现出逐年下降的趋势，在同等规模高校中能耗管理水平处于靠前位置。因此，在供暖系统既有的节能措施和运行管理方式基础上，如何进一步有效挖掘节能方面的潜力，在教学科研的供暖保障和整体节能控制上找到最佳平衡点，从热源到换热站到末端用户，逐步实现按需供暖，值得进行深入探讨。
作为供热生产环节中最重要的热源侧，近些年已先后完成“煤改气”和低氮改造，燃气锅炉成为热源设备的主力军。随着自控技术和智能技术的不断发展，供热系统的调控策略也从简单粗放到规范精细。做好供热系统的节能降耗，应根据热源和管网系统的实际情况进行优化和升级，以确定整个系统的技术、经济效益最佳的运行参数（如供回水温度），争取达到更好的节能运行效果。
2021年，中国公布碳达峰碳中和时间表和路线图，提出“碳达峰和碳中和”行动目标。中国是世界上最大的发展中国家，碳排放强度降幅也是全球最高的，即力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和；中国也是全球在最短的时间内实现从碳达峰到碳中和的国家。实现这个目标需要付出艰苦努力，其中主要涉及经济体系的变革和能源体系变革等多方面因素，为此需要采取促进产业结构调整和转型升级、建成以新能源和可再生能源为主体的近零排放的能源体系等一系列解决办法。如今，通过节能减排和污染治理等终端治理技术措施的空间越来越小，如何从根本上控制化石能源消耗，是环境质量提升和保护生态环境的最根本性的措施。从现阶段看，要把化石能源（包括煤炭、石油、天然气等）的消费量控制在极低水平，才可以从根源上减少消费化石能源过程中产生的常规性污染物排放。
根据北京市发改委发布的《北京市2021年能源工作要点》，首都建设也在能源绿色转型方面持续加码，明确了八项重点任务，首先就是深入研究提升可再生能源消纳水平、供暖系统重构、电气热价格改革等关键问题，制定本市能源领域碳减排路径和方案。另外，该要点第五条要求提升能源系统集约高效利用水平，对供热分户计量和末端智能化控制进行大力推广，持续减少供暖能耗。北京市发改委下达的能源消耗的双控（能源消耗总量、消耗强度）指标，对我校来说，近年能耗指标要达到考核目标值存在一定的挑战性。
以2020年为例，全校能源消耗及供暖天然气比重如图1。全校（含医学部、昌平校区、圆明园校区）供暖天然气消费2812万立方米，占全校能源消费总量的64%，其中燕园校区供暖天然气消费占全校总体能源消费的比重超过50%。2020年全年供暖时间153天，平均每日供暖消费占全校年度能源消费总量0.4%。不管是从总量还是从每天的消费来看，都是学校能源消耗大户，存在着较大的节能潜力。
图1 全校能源消耗及供热用天然气比重（2020年）
高校的集中供热系统从20世纪90年代起，进入了大发展时期，但是集中供热系统快速发展之时，与之匹配的运行调节与优化控制却没能跟上前者的发展速度：一是没有先进科学的运行理念指导；二是没有做好系统能耗控制，无法提高能源利用率；三是热负荷变化调节和系统热力失调调节主要依靠运行人员经验。最近一段时间，高校积极响应国家关于实现“双碳”目标的号召，聚焦高校集中供热系统的运行调控策略优化，在保障温度的前提下，实施控制优化，做好节能减排，实现按需供热，并逐步走向智慧供热，业已成为高校供热系统的研究热点。
集中供暖系统是我校重要的动力保障设施。一方面，随着近些年基础设施建设步伐的加快，全校供热规模不断扩大，可以做到安全、经济、高效地向师生员工提供符合参数要求的热量；另一方面，近些年能源和环境方面的问题越来越突出，学校在对用能设施设备的管理上日益重视节能和环保工作，已在部分换热站采用分时分区控制技术，2021年公共教室换热站分时分区供暖的控制系统正式投入使用，这就要求集中供热锅炉房供热量，需要尽量适应该区域末端用户短时间内热负荷变化需求。也就是说外界温度较高或该区域不需要过多热量的时间段，集中供热锅炉房能够相应降低供热量，从而达到系统节能的目的。
我校的集中供热系统覆盖区域广，热负荷一直处于动态变化中，热源的调控受到水力工况、外界温度、太阳辐射和风速等多方面影响，非线性情况严重，还存在滞后性和热惯性大等问题，对供热量进行精准控制和调节十分困难，影响节能减排效果，容易造成经济损失和环保损失。因此，原有的运行控制模式已不适应大规模供热系统的节能要求，需要新的科学技术手段及新的管理方法，从简单粗放走向规范精细，精准选定运行参数科学调控热源工况，解决供热的节能减排问题。
本课题作为应用型研究，以前人研究成果为基础并进行总结和借鉴，同时尝试让集中供热系统在运行调节方面更加科学合理，提出一种基于历史运行数据的集中供热系统的优化和控制方法。对高校集中供热系统优化控制策略进行研究的科学意义，主要在于将过去通过运行人员经验调节供热系统工况的方法转变为通过大量的实际运行数据提出优化模型，以此提出连续性的优化和控制策略。我校集中供热系统的换热站数量较多，目前已有23座（套），面对复杂的系统性问题，应简化问题求解，验证预测模型应用效果。目前，高校中较少报道将此法应用于热网工况调节，本课题研究将热负荷预测模型如何应用在复杂控制系统中，对兄弟高校供暖运行控制策略的改进优化可以起到一定的借鉴作用。
本课题主要针对集中供热系统的供热量预测进行建模和研究。研究的详细内容及目标如下。
对现有的集中供热系统供热量预测研究进行简述，对集中供热系统热源、换热站、管网和用户进行理论上的分析，对外界温度、太阳辐射和风速等影响因素进行分析，建立气候模型后与历史运行数据进行比对分析。对几种供热负荷预测模型进行比较，选定适合于我校供暖系统情况的模型，进行匹配改造形成供热系统节能调控策略，指导实际运行。
通过大量实际运行数据建立供热系统短期热负荷预测的模型，对外界温度、太阳辐射和风速等影响进行考虑。
公共教室换热站承担着公共教室（二教）、三教、四教、电教等教学楼，教育学院大楼、对外汉语大楼、新传大楼、光华管理学院等院系大楼，新太阳学生活动中心、农园食堂、五四体育馆、资源东西楼等公共楼宇的供暖任务。分时分区改造完成后，在平常时段里，依据二、三、四教和农园食堂的作息时间，在分时分区系统里进行参数设定。完成设定后，夜间无人使用的楼宇在设定时间内自动转为节能模式运行；寒假时段里，无人使用的楼宇全部转为节能模式运行。节能模式下，室内值班温度目标值暂定为12℃，此温度可在后续根据运行情况进行及时调整，以期达到最佳节能效果。
对某区域（楼宇）供暖系统实施分时分区的节能控制，及在节能模式下对热源侧的总供热量产生的影响。
供热负荷影响因素众多，包括使用情况、建筑结构、天气情况等。教学楼、宿舍楼、办公楼的使用时间和室外气温，都会直接影响到用能需求。对用户的供热负荷进行预测，能够对当天用能需求提前做出判断。通过建立热负荷模型并结合实际运行，探索集中供热系统最佳节能运行策略。通过实践检验和优化修正模型，优化运行调度和供暖参数选择，将供热负荷预报与预测控制相结合，为操作人员提供有针对性的指导，提高供热质量并减少能源消耗，并根据当前系统的供热负荷，制定出合理、经济的运行策略。
对集中供热系统进行优化控制的最终目标，就是在保证师生（用户）供热量需求的前提下，尽可能降低能源消耗水平。
集中供热系统中，热源（锅炉房）、供热管网和末端用户是其重要的组成部分。在热源侧，由燃气锅炉提供高温热水，经换热器换热后输出低温热水，为全校集中供热系统提供所需的热量。换热设站是一次热网和二次热管网进行热量交换的地方。热源通过一次水泵把高温热水送到各个换热站，分布在学校的各个点位的换热站通过二次水泵将热量输送给末端用户。热用户即指室内的供暖系统（包括散热器、风机盘管等），是将热量最终消耗的设备。
高校集中供热系统通过热源产生热量，在高温水泵和低温水泵的帮助下，经由一次网、二次网和各种管道附属设备向末端用户输送热量。其系统复杂，既有多输入也有多输出，还有非线性、耦合性强、时变和惯性大等特点，若采用经典控制理论或现代控制理论，都难以获得理想效果。因此，针对该复杂系统，找到一种适合的优化控制方法，可以在集中供热发展过程中发挥重要作用。
燕园校区集中供热系统位于燕东园，其主体建筑为1997年建成的集中供暖锅炉房，2012年将其改造为燃气锅炉房。2011年冬季起，全校告别燃煤锅炉供暖的历史，全部采用清洁能源供暖。目前该系统主要为燕园、燕东园、中关园、中关新园、蓝旗营等区域的公共建筑和家属楼供热，现有燃气热水锅炉5台，换热站（系统）23座（套），末端用户的供热面积共计194万平方米。根据每年的能耗统计，目前冬季采暖是学校能源消耗大户，每年约占整体消耗的百分之五十，而集中供暖锅炉房又是冬季采暖的最主要热源，其系统运行情况将直接影响整体能源消耗。
（1）热源方面，该系统现有4台29 MW和1台46 MW燃气热水锅炉，3台一次水循环泵。2012年完成集中供暖锅炉房煤改气工程；2017年完成4台29 MW燃气锅炉低氮改造（低氮改造一期）；2019年拆除3台14 MW燃气锅炉，安装1台46 MW低氮燃气锅炉，完成低氮改造二期。
（2）热站方面，位于燕东园的集中供热系统共有23个（套）换热站（系统），部分换热站安装有换热站监控系统，对本站的一次水和二次水的流量、压力、温度进行监测，其中部分换热站可实现流量的远程调节，根据供暖负荷合理分配一次水流量，最大程度平衡一次管网系统。整个系统通过一次水泵和二次水泵形成循环，供热时各楼宇的用热需求主要通过控制二次水泵的流量来满足。目前部分二次水泵已完成变频改造，可配合分时分区控制系统，局部做到按需供热。
（3）末端用户方面，该供热系统承担的供暖面积从2012年的148万平方米增加到2022年的194万平方米，十年时间增加供暖面积46万平方米，管网的供热半径加大，调节难度随之增加。一方面学校大部分建筑的建成年代较早，其中部分古建保温效果较差，单位能耗较大；另一方面，还有部分建筑为近年新建，皆为节能建筑，能耗指标较低。其中家属区的居民建筑共计233936.5平方米，非节能建筑11230.3平方米，一步节能建筑139106.2平方米，二步节能建筑83600平方米。末端用户的采暖形式以散热器为主，地板敷设采暖和空调热风为辅。
集中供暖系统运行期间，运行和维修班组采取24小时值班制度。锅炉运行值班人员以小时为单位，对燃气消耗量、系统运行参数和故障情况作详细记录。其中运行参数的记录包括流量、压力、温度、当日最高最低温度、实时温度、当日天气情况（如大风、雨雪、晴天）等。该锅炉房的DCS建成时间较早，目前还不能做到数据的实时存储；需要收集好三个采暖季的纸质版运行记录后，进行电脑录入。然后对集中供热系统2019—2020、2020—2021、2021—2022三个采暖季的日运行数据分别进行整理，将明显不符合要求的数据筛选出来进行滤波处理，形成实际运行的总热负荷的曲线和单方能耗曲线。结合当日实时气温和天气状况，根据不同气候条件下的实际单方能耗，可以反映出这个时间段的节能运行水平。三个采暖季的供热运行曲线分别见图2～图4。
从每个采暖季的气温变化曲线、热负荷变化曲线和能源消耗曲线可以看出，供暖初寒和末寒期的实际气温振幅明显比严寒期大。末寒期这种现象更为明显，其应该是节能潜力最大的时间段：末寒期每日最高温度和最低温度差距较大，且气温回暖后，日照时间更加充足，体感温度往往比实际偏高。因此，根据当日实时气温，结合天气情况，加大调节频次，通过更加精细的调节，降低当日能源消耗量，从而达到节能降耗的目的。
天然气是全校能源消费第一大品类，占比超过全校能源消费总量的65% （2018年），其中燕园校区区域供暖天然气消费占全校能源消费比例超过46% （2018年）。2019—2022年的三个采暖季中，天然气消耗与室外天气情况密切相关，对三个采暖季的燃气消耗量进行整理所得每日耗气量曲线见图5。
图2 2019—2020采暖季供热运行曲线
图3 2020—2021采暖季供热运行曲线
图4 2021—2022采暖季供热运行曲线
图5 2019—2022采暖季耗气量对比
集中供热系统中，随着室外温度t w 的变化，供热量Q值也跟着发生明显的变化，故可根据室外气温的变化来调整供热总量，以此达到室内热量平衡和确保房间舒适度。
传统的热负荷预测公式为Q=Q j ×（t n -t w ）/（t nj -t wj ），式中：Q为负荷预测值；Q j 为设计条件下的热负荷值；t wj 为供热室外设计温度；t w 为未来的室外气温；t nj 为用户室内计算温度；t n 为用户要达到的室内温度。
室外温度（环境温度）所包括的天气变化部分，在不考虑外界气象因素（如刮风、太阳辐射等）对末端建筑造成热流失或进行加热的前提下，可根据预报气温和供热量的关系建立理想条件下的气候模型。参考供暖系统设计规范中关于北京市的参数，建立预报气温和总供热负荷之间关系
我校集中供暖系统一次侧（一次水，即高温水侧）目前采取的是质调节模式，整个采暖季基本保持定流量运行，通过对水温的控制，来实现供热量的实时调整，保持室内温度不低于18℃，满足末端用户的用热需求。
2021—2022采暖季的实际运行数据看，在历年运行经验的基础上加强了对运行参数的调整和控制。通过一个采暖季的运行实践，在供暖面积增加和供暖季时间更长的情况下，总能耗相比2020—2021采暖季略有下降。从实际运行数据来看，调控措施较为有效。通过2021—2022采暖季实际运行155天的逐时气温与总供热量的关系为基础来建立热负荷预测模型，并通过分析天气情况对供回水温度的影响，对供热量进行修正。计划在2022—2023供暖季中进行应用，检验其有效性，并对其进行进一步修正。
总热负荷Q与室外温度t w 之间的关系为
总回水温度t h 与室外温度t w 之间的关系为
图6 实际供热量、供回水温度与随气温的变化曲线
由热平衡理论可知，因为太阳的辐射、风雪和阴雨天等外界气象变化，建筑物会产生热流失或被加热。在我们的实际供热经验中，也较容易发现太阳辐射会导致靠南房间比北侧房间更热，而较大的风力或雨雪天气则会加剧房间热量的流失。想要做到更为精准的供热，在预测供热负荷时，这些因素影响都需要被认真考虑。
太阳辐射、风雪和阴雨天对供热的影响，可以采用系数法表示。第一步考虑太阳辐射对供热产生的影响，由于无法实时得到这项指标的数据（气象观测及预报中都没有），根据历年供暖运行实际，综合考虑雨雪天、连续阴天、雾霾天等气象情况，对供热指标进行修正，其系数均值分别为a l 、a 2 、a 3 、a 4 ，修正后的供热量能够更好地满足末端用户对室内温度的需求。综合各种气象因素，可得修正后的热负荷Q x
前文主要考虑固定供暖面积情况下热负荷预测模型的建立。实际上，近些年学校主校区供热面积逐年增加，预计将于5年内达到一个较为稳定的供暖面积。另外，随着分时分区控制技术在学校供暖系统的应用，供热面积在供热期内的变化也比较多，例如学校寒假期间部分教学楼保持低温运行，或者停止用热；周末办公区域用户停用热（低温运行）、临时性新入网建筑用热等。
实际运行中，集中供热面积往往也是有增有减。为了便于供热总量的实时调节，我们计划在供热调度系统中增加两项设置，用以实现面积申报（修正）和审核（确认）功能。每个发生变化的节能运行阶段（主要指分时分区的节能运行模式），由运行维修人员和供暖调度工程师输入当日（当前）发生变化的供热面积，以便及时根据需求调整供热总量。
考虑到公共教室换热站分时分区节能控制系统投运对总热负荷带来的影响，需要结合当前阶段的分时分区节能运行模式，根据确定的当日气温、某个时间段（学期阶段）的供热面积，利用位于控制中心的联网供热预测系统，预测总供热量。供回水温差的确定，需结合实际的高温水供水流量进行计算，再通过控制总回水温度，计算出供水温度等参数值，通过调整锅炉房单台锅炉的运行工况，影响一次水总的供水和回水温度。
预测热负荷后进行具体调节，通过对供回水温度的控制来实现，对于热源端来说，即时供热量Q=G/3600×（t g -t h ）×C p ，可知一次回水温度的控制值：
式中Q为负荷预测值；G为一次水实时流量；t g 为一次水供水温度；t h 为一次水回水温度；C p 为水的比热容，根据不同水温有对应值。
本课题从热源、管网和热用户方面对系统进行较为全面和有效的分析，将研究重点集中在构建供暖热负荷预测模型方面。由于外界温度、辐射和风力等因素的影响，集中供热系统热负荷也应随末端的需求变化而变化。天气恶劣、气温较低时，供热量应多一些；气温升高时，供热量应相应降低。结合历年供热实际，多次对供热季中气温与单方耗气量之间的关系进行深入探讨，并对气候模型进行修正，使其更加符合供热运行的实际情况。
集中供热系统管网纵横交错，作为一个复杂非线性系统，还存在一定滞后性，不容易建立模型，采取常用方法进行优化控制也非易事。本课题提出一种启发式动态预测的方法，通过大量的历史运行数据，建立集中供热系统的总热量预测模型，控制方式采用质调节，主要考虑回水温度总热负荷造成的影响。以此为依据对集中供热进行优化控制，优化运行调度和供暖参数选择，通过对比分析实际运行参数，形成科学系统的调控策略，为操作人员提供有针对性的指导，提高供热质量并减少能源消耗。
集中供热系统由多个换热站组成，各站距离远近不同、负荷面积不同、末端情况不同，以及分时分区运行（投运）状况不同，还会产生热量分配的问题。本文仅对供热总量问题进行了研究，热量分配因时间问题未能进行分析和研究；完善的集中监控系统还未建立，不能实时监测热网全面运行状态。还需要继续结合气象资料，并开展对用户室温的无线监测，从数据上支撑该方向的研究，以期制定出更符合实际需要的供热温度。如何结合更多实际运行情况，应用供热负荷总量控制模型优化运行参数还需进一步完善，希望在后续的工作和研究中能继续推进。
[1]
王宪辉，北京大学动力中心
何佳，北京大学动力中心