供電與|配」電冬季供暖優(yōu)化設(shè)計(jì)嚴(yán)志明黃大坤 (江西工程學(xué)院，江西省新余市338000)張秀彬(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)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%的區(qū)域冬季氣溫在0C以下。較為典型的是method for winter heating on the basis of extensive淮河流域以北地區(qū)，特別是黃河以北地區(qū)都需要供research and in-depth analysis， which can minimize暖，而東北地區(qū)每年供暖時(shí)間長(zhǎng)達(dá)5~6個(gè)月。由此he investment and operation costs\obvious可見(jiàn)，我國(guó)冬季需要室內(nèi)供暖的居民和單位用戶數(shù)量technological economy advantages and environmental極大。protection，by adoptinghe system design and傳統(tǒng)的燃煤鍋爐供暖方式存在的最大問(wèn)題:operation technology of optimal combination of heatingof gas and electricity.a. 燃煤鍋爐在消耗寶貴煤炭資源的同時(shí)，向Key words: winter heating; operating cost ;空氣中排出大量的煙塵給城市的空氣造成嚴(yán)重的technological economy; electric heating technology ;thermal conversion efficiency ; environmental protectionb. 燃煤鍋爐結(jié)構(gòu)、管道散熱、傳導(dǎo)熱阻、延期and energy saving; optimal design; temperature control排放等問(wèn)題都會(huì)使燃燒效率下降和傳輸過(guò)程中的熱力損失增加，在這些因素的共同影響下，整個(gè)鍋爐的熱摘要:在廣泛調(diào)研與深入分析的基礎(chǔ)上提出.效率相當(dāng)?shù)拖?只能達(dá)到35%左右)，這是礦石燃料.一種冬季供暖的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。該方法采用氣、電熱值轉(zhuǎn)換效率的最大缺陷口。優(yōu)化組合供暖的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行技術(shù)，能夠在環(huán)保從供暖的角度出發(fā)，燃?xì)馀c電能供熱能夠滿足環(huán)條件下將投資和運(yùn)行成本降到最低水平，具有明顯保的要求，但是，這兩類供熱方式又涉及到系統(tǒng)技術(shù)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)核算問(wèn)題3。關(guān)鍵詞:冬季供暖;運(yùn)行成本;技術(shù)經(jīng)濟(jì)性;1燃 氣鍋爐供熱優(yōu)缺點(diǎn)電熱取暖技術(shù);熱轉(zhuǎn)換效率;環(huán)保節(jié)能;優(yōu)化設(shè)計(jì);溫度控制燃?xì)忮仩t供熱的最大優(yōu)點(diǎn)4:中圖分類號(hào): TK-9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: Aa.天然氣是 礦物燃料中最清潔的燃料。b.由于天然氣在燃燒過(guò)程中對(duì)流管束內(nèi)不易結(jié)渣，也不存在腐蝕傷害，從而提高了燃?xì)忮仩t爐膛的0引言容積熱強(qiáng)度，傳熱效果較好。我國(guó)幅員遼闊，氣候條件變化復(fù)雜。全國(guó)大約由于燃?xì)忮仩t沒(méi)有受熱面結(jié)渣、磨損等問(wèn)作者信息嚴(yán)志明，男，江西工程學(xué)院，講師。中國(guó)煤化工黃大坤，男，江西工程學(xué)院，副教授。YHCNMH G張秀彬，男，上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，教授,博士生導(dǎo)師。冬季供暖優(yōu)化設(shè)計(jì)(嚴(yán)志明黃大坤 張秀彬)47http: /www. jxdq. net. cn597建筑電氣°BUILDING2014年第9期| ELECTRICITY題的困擾，能夠明顯減少對(duì)流受熱面的尺寸，縮小交變渦流電磁線圈交變電流 金屬管爐膛體積;通過(guò)合理配置對(duì)流管束，燃?xì)忮仩t結(jié)構(gòu)比燃煤鍋爐顯得更加緊湊，無(wú)須配置吹風(fēng)機(jī)、除塵器等設(shè)備，因此具備體積小、重量輕的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性傳熱工質(zhì)U∪∪∪U功率轉(zhuǎn)換器百優(yōu)勢(shì)。而且，天然氣是通過(guò)管道輸送，既節(jié)省燃料的存放場(chǎng)地，又無(wú)需進(jìn)行燃燒前的加工，因此整體圖1電磁加熱原理圖設(shè)施十分簡(jiǎn)潔。Fig. 1 Electromagnetic heating principled. 燃?xì)鈫?dòng)快速，流量控制極為方便，因此能電流時(shí)，在金屬管壁上就會(huì)產(chǎn)生一股沿著周邊環(huán)流的夠顯著減少能量的“無(wú)謂損耗”。交變渦流。由于金屬導(dǎo)電的電阻非常小，致使金屬管然而，燃?xì)忮仩t供熱也存在一些缺點(diǎn):a. 天然氣具有易燃、易爆的特點(diǎn)，而且有一定壁中形成一種極大的交變渦流。該渦流迅速轉(zhuǎn)換成金屬分子的內(nèi)熱(即渦流熱效應(yīng))，并將金屬內(nèi)熱通過(guò)的毒性。一旦發(fā)生泄漏，很有可能會(huì)引發(fā)爆炸事故。傳導(dǎo)的方式傳遞給金屬管內(nèi)的傳熱工質(zhì)。隨著傳熱工b. 熱泵啟動(dòng)以及火焰燃燒時(shí)，噪音較大，存在質(zhì)(如:水)的流動(dòng)，在將熱量帶走的同時(shí)，又加速- 定污染問(wèn)題。了金屬管對(duì)熱量的吸收[6]c.燃?xì)忮仩t供熱，平均單位面積耗氣量偏高，3.2電磁加熱取暖的技術(shù)特點(diǎn)且耗氣量差別很大。當(dāng)前的電磁加熱采用變頻技術(shù)，在頻率為d. 天然氣價(jià)格有上漲趨勢(shì),勢(shì)必會(huì)增大用戶的20k~ 25kHz的交變磁通作用下，使纏繞于金屬管導(dǎo)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。體外的導(dǎo)電線圈對(duì)導(dǎo)體產(chǎn)生強(qiáng)大的渦流，致使金屬2電熱取暖技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)導(dǎo)體被加熱，迅速升溫。因此，它具有如下極為突當(dāng)前已經(jīng)被采用的電熱取暖方式大體上包括:以電出的技術(shù)特點(diǎn)。阻絲為電熱轉(zhuǎn)換元件的電熱風(fēng)、以紅外加熱管為電熱轉(zhuǎn)3.2.1熱轉(zhuǎn)換效率高熱效率高達(dá)98%。以帶動(dòng)(10~60片)暖氣片換元件的電熱器、以紅外輻射膜為加熱元件的電熱器、散熱為例，在足夠大的電功率作用下，3 min之內(nèi)即以油為介質(zhì)的電暖器、電磁加熱取暖器等15。前4種可使水管出口溫度達(dá)到60C以上。相對(duì)燃油、燃?xì)獗环Q為“傳統(tǒng)電熱取暖”，其電熱轉(zhuǎn)換效率較低。具體和其他電供暖設(shè)備可節(jié)能35%以上。地說(shuō)，電能轉(zhuǎn)換成紅外線輻射能約占消耗電能的40%，如:將電磁加熱與電加熱管進(jìn)行比較，根據(jù)電磁輻射能約占消耗電能的5%，而其中紅外輻射能只實(shí)際測(cè)試，加熱1L水每提升1C溫度，前者耗電能對(duì)有吸收紅外輻射波的物體進(jìn)行加熱，卻無(wú)法轉(zhuǎn)換成1. 19kWh;后者卻耗電2. 94kWh。兩相比較，前者加熱能，更不能加熱空氣。電能直接轉(zhuǎn)換成熱能的部比后者節(jié)電率γ達(dá):分，實(shí)際上僅占電能的55%左右。這就意味著有將近= 2.94-1.19 x 100%45%的“無(wú)謂損耗”。因此，傳統(tǒng)電熱取暖方式至今2.94無(wú)法在我國(guó)北方冬季供暖中得到普遍采用。≈59. 5%(1)因此，電磁取暖因其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)得到業(yè)內(nèi)人3.2.2安全可靠士普遍關(guān)注。在系統(tǒng)裝置中，加熱核心部件內(nèi)部走水，外部走電，水、電相互隔離，導(dǎo)電線圈與金屬水管之間具有3電磁加熱取暖的技術(shù)優(yōu)勢(shì)十分良好的絕緣隔離。電磁加熱取暖是通過(guò)電磁/熱能的轉(zhuǎn)換技術(shù)取其3.2. 3維護(hù)簡(jiǎn)便所生成的熱能實(shí)現(xiàn)室內(nèi)冬季供暖。導(dǎo)熱水質(zhì)中國(guó)煤化工1熱后的水質(zhì)3.1電磁加熱取暖技術(shù)基本原理也被磁化，因YHCNM H G統(tǒng)免于維護(hù)。如圖1所示，當(dāng)金屬管外纏繞的線圈通以交變的通過(guò)變頻脈寬調(diào)整，電壓高時(shí)電流會(huì)自動(dòng)下調(diào)，電壓48L Sep.2014 Vol 33 No.9598 htp: /www. jzdq. net. cn供電與|配」電5低時(shí)，電流會(huì)自動(dòng)上調(diào)，保證電功率恒定，確保加熱的線性遞增函數(shù)，因此，可以在給定供暖溫度及其波器使用壽命和用戶供暖的良好效果。動(dòng)幅度的情況下，對(duì)各類供暖方式所消耗能源的大小進(jìn)行比較，從而得出性能指標(biāo)的最優(yōu)值。4高效節(jié)能供暖的優(yōu)化設(shè)計(jì)4. 1 J的前項(xiàng)計(jì)算方法在滿足環(huán)保的條件下，節(jié)能供暖的邊界條件與能當(dāng)電磁加熱具有足夠大的功率時(shí)，[0, πi]源總消耗可以表達(dá)為:∈[lo, t] ([to, 4]為谷段電價(jià)區(qū)間), J的前項(xiàng)為: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-電熱轉(zhuǎn)換效率;. 電熱轉(zhuǎn)換系數(shù);代表所采用的特定類型能源，如燃?xì)怆姽β实囊?階導(dǎo)數(shù), u (t)=P'。和電能等;4.2 J的后項(xiàng)計(jì)算方法. 能源種類數(shù);以初始加熱后的第-次維持加熱所需要的能源消向量u中元素均為不小于0的數(shù);耗計(jì)算，同時(shí)考慮到實(shí)際維持取暖溫度的過(guò)程是間歇輸出向量;進(jìn)行的，也就是說(shuō)，在J的后項(xiàng)積分區(qū)間[0, τ2]內(nèi)A--傳遞系數(shù)向量，q、u;分別為向量A與存在多次間歇的零被積函數(shù)，因此J的后項(xiàng)一般情況u的元素，i=1, 2，.... M下為離散函數(shù)，運(yùn)行周期T =lt-to1+1t2-t1=24 h,J-一能源消耗總量，其前項(xiàng)為初始能源消即:耗，后項(xiàng)為區(qū)間[0, T2]內(nèi)的維持溫度所需要能源累積消耗量;h2=|。 cu(t)dt+| C2u2(t)dt-時(shí)間參變量;b--初始能源的傳遞系數(shù);=。μq|P'd+|_ μ2q2V'dtc;--后續(xù)能源傳遞系數(shù)。供暖優(yōu)化的目標(biāo)就是在符合邊界條件下，追求能=〉|,μqiP'dt + 2μzq2V'dt4)源消耗總量J為最小。顯然，采用天然氣、高溫地?zé)?、太?yáng)能、風(fēng)能與(或) 電能供暖都是可行之策。此時(shí)，- 燃?xì)庀捏w積的一階導(dǎo)數(shù)，即單位時(shí)公式(2) 中的能源種類數(shù)M=5。由于地理環(huán)境與技術(shù)間消耗燃?xì)怏w積;條件的限制，- -般只會(huì)選擇其中的1種或2種(最多RI、R2.兩類供熱源各自間歇運(yùn)行總次數(shù),3種)來(lái)實(shí)現(xiàn)冬季供暖。這是因?yàn)?，我?guó)北方地區(qū)由- - 般可以取Rk=180n，, n為第k于地處北半球高緯度，冬季太陽(yáng)光照不足，因此要實(shí)類供熱源每天運(yùn)行次數(shù)，此處，現(xiàn)太陽(yáng)能取暖，缺少天然條件;直接通過(guò)風(fēng)能轉(zhuǎn)換成h=1，2,冬季6個(gè)月以180天計(jì);空氣熱，目前尚存技術(shù)難關(guān)(尤其是轉(zhuǎn)換效率低)有l(wèi)o---谷段電價(jià)的起始時(shí)間點(diǎn);待攻克;同時(shí)，并非所有地區(qū)均有高溫地?zé)峥晒╅_(kāi)采。t-谷段電價(jià)的終止時(shí)間點(diǎn)，也是峰段電價(jià)綜合各種條件與因素，采用天然氣與電能聯(lián)合供的起始時(shí)間點(diǎn);暖的方式切合實(shí)際且便于推廣。此時(shí), M=2。同時(shí)，tr-峰段電價(jià)的終止時(shí)間點(diǎn)，也是谷段電價(jià)利用分時(shí)電價(jià)的谷段電能，將會(huì)使其更具技術(shù)與社會(huì)中國(guó)煤化工經(jīng)濟(jì)的推廣價(jià)值。μ.MHCNMHG鑒于公式(2) 中的能源消耗總量J是一個(gè)典型氣熱轉(zhuǎn)換系數(shù)。冬季供暖優(yōu)化設(shè)計(jì)(嚴(yán)志明黃大坤 張秀彬)49http: /www. jxdq. net. cn599建筑電氣°BUILDING2014年第9期| ELECTRICITY5應(yīng)用實(shí)例必須指出，將回水溫度作為控制量是因?yàn)楫?dāng)暖氣片進(jìn)水溫度很高，進(jìn)出水溫差較大、回水溫度卻較低5.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，說(shuō)明暖氣片里面水流量較小，上水壓力不足。這該供暖系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。時(shí)就需要加大上水壓力，因此需要實(shí)時(shí)啟動(dòng)壓力泵加系統(tǒng)主要包括:電磁加熱器、燃?xì)鉅t、智能控制壓以加大水流循環(huán)流量。器、溫度傳感器、儲(chǔ)熱水箱、溢流箱和散熱器等。其5. 3節(jié)能效果中，電磁加熱器采用最優(yōu)參數(shù)設(shè)計(jì)和變頻高效節(jié)電運(yùn)5.3.1基本運(yùn)算行方式;燃?xì)鉅t接受天然氣或人工煤氣均可;電磁加取q1=3 600kJ/kWh、q2= 38 000kJ/m3. μ1=0. 98、熱器與燃?xì)鉅t的水管采用串聯(lián)方式進(jìn)行連接;智能控μ2= 0.90。制器能夠根據(jù)儲(chǔ)熱水箱溫度(即供水溫度)、回水溫假定，1kg水升高1 C需要4.2kJ的熱量; 1m3度、溢流箱水位、壓力等參數(shù)信息，實(shí)施對(duì)電磁加熱天然氣價(jià)格為3.00元; 1kWh電價(jià)格: 谷段0.30元、器、燃?xì)鉅t、壓力泵(補(bǔ)充給水)的最優(yōu)控制，達(dá)到峰段0.60元。最佳的高效節(jié)能效果，并能通過(guò)遠(yuǎn)程通信實(shí)現(xiàn)無(wú)人值以10層樓、60戶、平均每戶住宅面積為100m2、守和中控室的智能化管理。冬季供暖6個(gè)月為例。5.2系統(tǒng)運(yùn)行控制策略燕汽安全閥5.2.1溢流箱的作用與液位高程控制壓力傳感水位傳感調(diào)壓閥令, h為溢流箱液位高程，則:供水溫度傳感a.當(dāng)hho且Ih-hol≥δ時(shí)， 溢流箱圖2高效節(jié)能供暖優(yōu)化設(shè)計(jì)原理結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Structure diagram for optimal design principle能夠通過(guò)減壓閥自動(dòng)向外泄流，直至水位.of the energy - fficient heating system減至ho為止，實(shí)現(xiàn)無(wú)源控制，起到節(jié)能的效果。是Po-p≤8)f壓力反饋15. 2.2溫度控制<谷段電價(jià)2[啟動(dòng)電磁加熱如圖3所示，其中，電磁加熱器的電熱管H儲(chǔ)熱水箱H溢流箱]否[啟動(dòng)燃?xì)鉅t 1流、燃?xì)鉅t的燃?xì)饬髁亢凸艿浪鲏毫榉裣到y(tǒng)控制量;儲(chǔ)熱水箱溫度(即供水溫度)-p[回水溫度反饋 ]T、回水溫度T2 和溢流箱液面蒸汽壓力ppo+→≥2> ←H供水溫度反饋[ 泵加壓循環(huán)為檢測(cè)反饋量;熱水循環(huán)系統(tǒng)溫度為被控是L→熱源停是≥12制量。圖中，po、to 分別為壓力與溫度的設(shè)中國(guó)煤化工_ ]否計(jì)穩(wěn)定工況參數(shù); ε為判定閾值，即壓力THCNMHG圖3刑尿瑾性圖控制余量參數(shù)。Fig. 3 Block diagram of temperature control principle of the system50L Sep. 2014 Vol33 NO. 9600 htp: //www. jzdq-. net. cn供」電與|配」電計(jì)算條件:循環(huán)水總量為5t;起始加熱水溫為整個(gè)冬季以6個(gè)月計(jì)算。5~75C;在供暖期間水管溫度的變化為區(qū)間表2同類供暖方 式經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較[60,75]，單位:C;在維持供暖期間，熱源每小時(shí)Tab. 2 Comparison of economic technology of運(yùn)行一次。計(jì)算結(jié)果如表1所示。similar heating methods換熱效率取暖費(fèi)用表1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性效果供熱方式1%1(元/m2)Tab. 1 Effect of technological economy燃煤30~4530. 50燃油60~ 7(33. 00運(yùn)行方式6個(gè)月實(shí)測(cè)總能耗用戶每月承擔(dān)費(fèi)用/元燃?xì)?0 ~9019. 92~31.50單獨(dú)使用燃?xì)鈢燃 氣39 830. 18 m3331. 92傳統(tǒng)電加熱70~9835. 00~ 40.00單獨(dú)電磁加熱|電 能386 149. 47 kWh536. 10燃?xì)?6 524.80m2電磁加熱98~ 10032. 17~33.00兩者優(yōu)化組合+電能128 994.27 kWh328. 54氣/電組合19. 68~20.30注: 1)單獨(dú)電磁加熱時(shí)，白天(峰段電價(jià)時(shí)) 以16h計(jì),夜7結(jié)論間(谷段電價(jià)時(shí))以8h計(jì)。2)兩者優(yōu)化組合時(shí)，即利用夜間谷段電價(jià)， “- -次性”電磁加熱5t噸水從0C至75C;白天由天然氣單獨(dú)該節(jié)能供暖技術(shù)創(chuàng)新之處在于:維持供熱;夜間(谷段電價(jià)時(shí))由電磁加熱單獨(dú)維持a. 能源利用方式與眾不同，能起到高效節(jié)能的供熱，谷段以8h計(jì)。效果;而且，電磁加熱是吸收電網(wǎng)的無(wú)功功率，實(shí)際5.3. 2附加費(fèi)用計(jì)算上還潛存更大的節(jié)能空間。根據(jù)熱水壓力泵基本參數(shù): 25 m2/h (6. 94L/s)、b. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，清潔環(huán)保。效率58%、電機(jī)功率7.5kW.轉(zhuǎn)速2900r/min、汽能夠通過(guò)智能化控制使系統(tǒng)進(jìn)一步提高節(jié)能蝕余量2.5m、使用溫度< 120 C，以上述供暖系統(tǒng)效果。水容量、每小時(shí)運(yùn)行一次、冬季供暖6個(gè)月計(jì)算得:A.能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人值守和科學(xué)管理。①每戶每月平均附加費(fèi)用為: 3110.4/60/6=8.64 元。因此，該供暖技術(shù)具有理念的前瞻性、系統(tǒng)技術(shù)②考慮其他電氣用電費(fèi)用，總附加費(fèi)用平均每戶每的創(chuàng)造性、節(jié)能環(huán)保的高效性。鼻月為: 8.64x1.2= 10.37元。參考文獻(xiàn)5.3.3系統(tǒng)輔助節(jié)能措施a. 系統(tǒng)中的熱水在常規(guī)狀態(tài)下，采用自然循環(huán)[1] 王瑩， 高溫?zé)岜脽釘U(kuò) 容技術(shù)及其在集中供熱系統(tǒng)方式實(shí)現(xiàn)用戶取暖。僅當(dāng)溢流箱液位高程h低于設(shè)定中的應(yīng)用[D].天津: 天津大學(xué)，2012.2]黃世斌.我國(guó)冬季室內(nèi)取暖設(shè)備的現(xiàn)狀與發(fā)展趨值時(shí)才啟動(dòng)壓力泵，而且是采用變頻調(diào)速啟動(dòng)的方式。勢(shì)[J].中國(guó)住宅設(shè)施，2003 (8): 34-35.b. 系統(tǒng)的局部調(diào)節(jié)器盡量采用無(wú)源器件，如:[3] Mudathir Funsho Akorede，Hashim Hizam， Edris溢流箱的安全閥、儲(chǔ)熱水箱的溢流調(diào)壓閥和溢流箱的Rouresmaeil. Distributed energy resources and benefits to theenvironment [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews,泄流調(diào)壓閥等。2010，14 (2): 724- 734.c.電磁加熱 器還采用模塊集成。在與燃?xì)鉅t串[4] Christianne D. Aussant, AlanS. Fung， V. Ismet聯(lián)的同時(shí)，還可以根據(jù)取暖熱值增長(zhǎng)的要求，可以通Ugural， et al. Residential application of intermal combustion過(guò)兩臺(tái)(或多臺(tái))電磁加熱器的串聯(lián)來(lái)提高取暖容engine based cogeneration in cold climate - Canada [J].量。同時(shí)，機(jī)組的輪番運(yùn)行，使得供熱機(jī)組得到自然Energy and Buildings, 2009, 41 (12): 1288- 1298.[5]李光復(fù)、 李慶繁、高娉婷、科學(xué)有序地推行民用冷卻，有效避免機(jī)組“疲勞”， 方便維修與保養(yǎng),進(jìn)建筑電采暖[J].電力需求側(cè)管理，2002， 4 (5): 47--步延長(zhǎng)動(dòng)力設(shè)備使用壽命。-48，62.6] 張秀彬中國(guó)煤化工術(shù)[M].上6同類供暖方式經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較F:上海交通大學(xué)MHCNMH G，201+-01-26 來(lái)稿與同類技術(shù)的比較見(jiàn)于表2。表中,取暖費(fèi)用指2014- 08- 20修回51冬季供暖優(yōu)化設(shè)計(jì)(嚴(yán)志明黃大坤張秀彬)http: /www. jxdq. net. cn601