区域供热系统用户侧热负荷影响因素分析

区域供热系统用户侧热负荷影响因素分析

程晓航

沈阳建筑大学

摘要：

我国集中供热系统现阶段仍然采用热电联产或大型锅炉房作为其主要热源形式，同时我国城镇供热具有热负荷密度大、集中程度高等特点，在未来很长时间内将延续这种热源形式，短时间内实现清洁能源替代较为困难。本文针对现有供热系统普遍存在的供热量与热负荷匹配效果差、室内热舒适性差等问题，调研了典型供热系统基本数据，分别从定性和定量两个角度具体分析了不同影响因素对于用户侧热负荷的影响。结果表明，二次网供回水温度具备较强的正相关影响，Pearson系数均在0.8以上，而室外温度具有较强的负相关影响，Pearson系数普遍低于-0.7，其他因素对热负荷影响较弱，该结论对系统供热量的优化调控提供理论依据。

关键词：

供热系统；热负荷；影响因素；相关系数

引言

在我国北方，集中供热是重要的民生基础设施，对于保障人民正常生产生活、提高生活水平有着无可替代的作用。现阶段集中供热系统仍然采用热电联产或大型锅炉房作为其主要热源形式，供热燃煤带来的碳排放和环境污染问题已经成为亟待解决的社会热点问题。在我国实现“碳达峰”和“碳中和”的未来进程中，供热系统节能减碳是无法避开的关键环节。在这种大背景下，本文以严寒地区某城市供热系统为研究对象，通过对典型供热系统的现场调研，获取供热系统运行的基础数据，并对室外温度、室外风速、二次网供水温度和流量等影响因素进行定性分析和定量评价，以便用于进一步指导供热量的运行调节。

1 项目调研

该供热系统位于严寒地区，每年供暖期162天，采暖设计室外计算温度为-13.1℃，冬季室外平均风速3.2m/s，现有供热面积4330万m2，供热管网平面图如图1所示。

图 1 集中供热系统平面图

该供热系统通过换热站连接一二次网，将一次网高温水热量传递给二次网低温水，同时由于末端用水压力的区别，二次网可分成高中低不同压力的供水支路。为满足末端的负荷需求，通过调节一次网回水上的阀门开度，调节换热站对外输出的供热量。本文调研收集了19个换热站的运行数据，具体数据从2018年10月25日到2019年4月4日共162天，以及2018年至今的总体数据。从过去四年的总供热量数据可以看到，系统总供热量呈现明显的季节差异，如图2所示。在采暖的前期和后期，供热量较小，而在室外温度较低的采暖中期，系统总供热量呈现峰值状态。同时，不同年份由于室外温度变化趋势不同，供热量存在小幅差异。

图2 过去四年总供热量

选取部分换热站进行具体分析，单位面积供热量如图3所示，可以看到换热站的供热量变化趋势与室外温度的变化相符，前期和后期热负荷较小，1月至2月室外温度较低的时候，热负荷较大。在供暖期间，由于系统检修和运行调度，系统存在若干次停供状态。另外，可以看到不同换热站的面积热指标差异较大，指标较大的换热站接近100W/m2，较小的换热站仅10W/m2。这一方面取决于供热区域的建筑类型、保温情况等用户侧因素，另一方面也受到换热站自身运行调节水平的影响。

图 3 换热站单位面积热负荷

2 热负荷影响因素定性分析

选取东方银座、老长湖和锦联三个换热站为分析对象，研究不同影响因素与热负荷变化之间的关系，包括室外温度、室外风速、二次网流量和供回水温度等影响因素。

2.1室外温度

如图4所示，热负荷与室外温度有较强的相关性，随着室外温度的降低，热负荷逐渐增大。将其拟合成一次函数，R2数值普遍在0.5以上，说明热负荷与室外温度之间呈现较明显的线性关系。不同区域建筑热力特性的区别，热负荷变化幅度有所不同，导致拟合曲线斜率的差异。

图4 室外温度对热负荷影响

2.2 室外风速

从图5可以看到，随着室外风速的变化，热负荷变化较小。但从拟合曲线与数据的匹配程度来看，R2普遍小于0.1，热负荷与室外风速的线性相关性较弱。

图5 室外风速对热负荷影响

2.3 二次网供水温度

二次网供回水温度对热负荷的影响，如图6和图7所示。由于换热站普遍采用质调节的运行方式，热负荷与二次网供回水温度线性相关性明显，R2大多在0.9以上。

a) 供水温度

b) 回水温度

图 6 二次网供回水温度对热负荷影响

2.4二次网流量

由于大多数换热站运行过程中几乎不调节流量，导致热负荷与流量的相关性不强，如图7所示。由于不同末端形式和调节策略的差异，导致不同换热站的流量变化差异较大。

图 7二次网流量对热负荷影响

3 热负荷相关系数定量评价

通过定性分析可以看到热负荷随各实测参数的变化趋势，但无法明确量化各影响参数对于供热负荷的影响，需进一步通过相关系数对各影响因素进行量化评价。相关分析是指对两个或多个具备相关性的变量元素进行分析，从而衡量两个因素的的相关密切程度。本研究采用Pearson系数，该系数一般用于分析两个连续变量之间的关系，是一种线性相关系数，定义如式(1)：

                                                         (1)

Pearson相关系数的取值范围为 ，其中根据数值大小可进一步判断变量之间的相关关系，即为正相关，r<0为负相关，表示不存在线性相关，表示完全线性相关。本文选择东方银座住宅、老长湖和锦联三个换热站为例，计算包括二次网流量、二次网回水温度、二次网供水温度、室外风速、室外温度等各影响因素的相关系数，Pearson相关系数计算结果如图8所示：

图 8 换热站相关性系数

通过相关系数分析可以看到，室外温度具备最强的负相关影响，室外风速具备较弱的负相关影响，Pearson相关系数在-0.7以下，而二次网供回水温度、流量都具备正相关影响，Pearson系数在0.8以上。在这些影响因素中，二次网供回水温度很大程度上取决于换热站的调控策略，具备很强的主观性。因此，在供热量调节中，需重点考虑室外温度客观因素的影响，同时兼顾二次网供回水温度等人为因素。

4 结语

本文在供热系统数据调研的基础上，研究不同因素对于热负荷的影响，获得以下结论：

(1) 调研供热系统的热负荷呈现明显的季节性特点，不同换热站的运行水平差异较大，导致单位面积热负荷存在明显差异，有较大提升空间。

(2) 从实测数据可以看到，在影响供热量的诸多因素中，室外温度有较强的相关性，室外风速影响较小，而供水温度、回水温度和供水流量的影响取决于换热站的运行调节策略。

(3) 从Pearson相关系数分析，可以看到，二次网供回水温度和流量都对供热量有较强的正向影响，相关系数在0.8以上，而室外温度有较强的负相关影响，相关系数低于-0.7。

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作者简介：程晓航，男，沈阳建筑大学非全日制硕士研究生在读，就职于盘锦市高质量发展服务中心，研究方向为建筑能源系统的数值模拟和优化控制以及建筑节能、建筑经济等。