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可再生能源
摘要
迄今为止在中国集团变电站有统治区加热（DH）系统。
为了探索建设变电站适用于中国DH系统,中国团队对在乌兰浩特的情况进行了研究，综合比较能源消耗成本组和建设变电站系统。
首先，建立模拟是用来帮助设计变电站和DH网络和分析操作考虑变流的操作和假期的控制，体现了节能的优点和建设变电站系统的灵活性。
其次，利用建筑模拟的结果对建筑变电所的出户网络结构进行了重新设计。
然后，该集团的总能源消耗和建设变电站系统，包括供热能量，抽运能量和热损失，是模拟和比较并且考虑到调节的水温。
根据变电站系统的运行数据，在过去的两个采暖期，模拟的总能量的相对误差为6.8%。
最后，每年的成本方法采用经济分析法，显示了该建筑变电站的优越性，随着每年的成本降低为5.7%和5.9%之间的一个10~30年寿命范围的系统。
关键词：
集中供热变电站能源消耗经济分析建筑模拟
1、简介
在我国的应用DH技术起源于上世纪50年代前苏联。
随后，所谓的第三代DH技术[1]广泛传播于北欧国家自上世纪80年代。
目前的DH系统在中国是苏联和北欧技术结合，高水的温度（100℃），简单的调节（多级）恒流量控制，和大集团的变电站（中央变电所）。
许多新技术已经被介绍和测试除建筑变电所（个人或房屋分—车站）。
因此，本文重点从集团的改革变电站和变电站的适用性探讨中国供热市场的变电站。
在我国，传统的集团化变电站的供热面积一般在50000㎡到300000㎡之间。
自1988以来，有超过二十篇研究论文讨论他们的最佳能力。
中国城市群变电站长期应用的原因是中国城市的建筑密度高，认为是低投资集团变电站，考虑经济的成本，安装在建筑界面这是不高效装置（连接网络和建筑供暖系统）。
因此，只有集中控制的群变电站是不可能实现的，在建筑物之间的水力是依赖于平衡。
可怜的平衡，随后与异常运行补偿，低温度的差异和高流速，导致高的泵浦能量和大部分中国DH系统加热质量差。
一个建筑变电所常与一座建筑物相连。
它是在北欧国家，特别是瑞典和芬兰推广。
其他国家主要经营集团变电站或德国两级变速器和变电站。
在德国，随着制造技术的发展，预制紧凑型变电站，由于其低成本和灵活的安装和操作成为流行（50%降低成本与设计能力小于200千瓦原变电站）。
新系统已经取代了昂贵的和过时的传输变电站[2]。
爱沙尼亚的改造后的建筑变电所据估计，平均减少了24%[3]。
其他报道的在莫斯科居住区也采用能有效修复DH系统的自动化变电站[4]，实现了DH系统加热能耗降低60%。
伊莉斯伊夫[5]推荐建筑变电站因为方便与空间供暖和生活热水一二管网一四管DH网络改造的成本降低。
变电站已表现出一些优势。
然而，在我国的应用消除疑虑中国供热企业和投资者对于变电站建设的效益，几乎没有研究。
为了开发建设变电站的应用，本研究集中在一个具体的案例，设计和操作的DH系统以不同的方式和建筑集团下面的子站。
最后，提出了能源消耗和成本的比较。
2、方法论
这项研究分为2个部分，系统的计算和能源消耗和经济分析（图1）。
在整个过程中，给出的详细介绍可用于建筑围护结构和功能，建立仿真起着重要的作用。
它提供DH系统能源消耗的比较分析的结果和操作的设计价值。
最后，经济分析提出了应用建筑变电站的经济观点。
2.1、建筑模拟
建筑模拟已成为加热，通风和空调（交流）系统设计的有力工具。
许多受欢迎的建筑能耗模拟程序，本文采用DeST。
自1992成立以来，[6]它已被验证的几种方法和应用，被证明是一个可靠的程序[7]。
建筑模拟任务是提供热量需求估计在后续步骤中，设计和运行，以及能量分析（图1）。
目的采用中国标准气象数据的基础上，从中国气象局得到的1971~2003时期的记录。
从建筑模拟CON学派建筑围护结构的热容量，热辐射，以及内部的传热传质的建筑、室内和室外环境[8]之间精确的结果，使它有可能可以替代传统设计的DH系统稳定的方法。
有辅助交流系统[9]设计仿真的应用很多，但他们不能直接应用到DH系统设计。
为了保证DH系统、能满足低室外温度下的热需求，大部分住宅和商业建筑，不包括室内自由热量从居住者设计热负荷照明系统和其他设备[10]。
因此，一个建筑模拟必须至少两次实施：
一为室内无自由热设计和其他免费的热操作。
2.2、设计
基于建筑模拟建筑物的设计热要求，变电站的容量直接决定设计流速泵和管道的尺寸,并属于分组网络可以利用水力计算结果设计。
水力计算一般采用基于图论的液压矩阵方程[11]。
理想情况下，一块网络通常在饲料或返回侧无环。
现在的流量分布可以用连续性方程很容易解决的，这决定了网络中每个顶点的质量平衡。
获取流量分配后，各管段的压力降可以计算[12]，和压力梯度的内德如下[1]：
R=ΔP/l
（1）
其中R是压力梯度、PA／m；DP表示管段，Pa是压降；L为管道的长度，m.
DH系统[13]在流动方向的压力梯度有限和小学和阻止网络流速设计的中国标准。
干线上的压力梯度是在30~70Pa／m范围内原网络和60~100Pa/m分组网络。
压力梯度的树枝不大于300Pa/m原网络和400Pa/m分组网络。
每个管不能超过3.5米/秒的速度，一个DH网络合适的尺寸可设计以下这些指导方针。
2.3、DH操作
2.3.1、水温调节
虽然已经有许多方法和大量的研究[14]DH系统的优化运行，本文的研究重点是改造变电站在DH系统而不是最优运行。
为了完成一个公平的比较，在这种情况下的研究中所取代的一组变电站，主系统的操作是保持不变。
在中国，调节水的温度一种流行的理论方法称为恒流（定性）调控[15]。
因此热平衡稳态理论，结合饲料和中小两侧温度的回归方程。
原边的方程如下：
图1个案研究程序
（2）
其中T是水的温度，°C；下标1和2表示的变电站系统的多种情况进行比较。
每年的初级和次级侧，F和R表示进回水；总理（）为设计参数，而其他方面的运行参数；和DT是对数平均温度，°C。
这可以计算，
（3）
为次要的一面：
（4）
在设计室内温度、温度、乙是一个散热器的实验参数，这是等于0.3°一般为一个经常使用的散热器在中国，和问是相对热负荷的因素后的公式：
（5）
t0为室内温度，单位°C。
根据该方法，在加热周期内恒定的流量是站得住脚的只有热需求成正比的室外温度。
在实际应用中，热需求与室外温度之间的关系更为复杂和非线性。
随着自动控制技术的帮助下，该流量实际上是可变恒流调节下。
在北欧国家，水的温度调节在相同的方式或简化流量ED随着室外温度的线性函数[16]。
这项研究中，以满足波动的热需求的流量被认为是可变的。
因此，在这种情况下，调节方法仍然存在。
2.3.2。
热损失
从室外管道热损失通常是6至17%的总热量送入一个DH系统[17]。
多年来研究人员一直在研究从提高性能[18]和结构的绝缘降低DH系统[19]水的温度减少热损失的方法。
考虑到同一结构和尺寸的给水和回水管铺设平行的地下，从一对饲料和回流管段的热损失计算的基础上的多极方法[20]
2.3.3、泵浦能量
虽然在DH系统抽水能源仅占能源消费总量的一小部分，但是电力是必要的，这比在管的热能源更加昂贵。
一种能量分数（通常是一半以上）在泵内叶轮箱管道通过管壁摩擦加热水。
有一个大的潜力，节省泵送能源，特别是对系统的流量控制。
在案例研究中，一个抽运能量与常量和变量的流量控制提出了比较系统的消耗。
2.4。
能源消耗与经济分析
在以前的步骤，建筑物的热需求，热损失的管道，和泵送能源的群体和建筑变电站系统进行比较的几种情况。
以时间价值理论为基础，以经济分析为基础，建立了一种基于时间价值理论的年成本法。
每年的成本包括经营成本和初始投资成本，贴现的年金因素，如图所示：
（6）
在Ca，Cin，Cnm润股份表示年、初投资、运行费用，分别为元/个；一个是年金系数，考虑到项目的寿命与内部收益率[22]。
（7）
我指你是一辈子的是内部收益率；在本文，改革的对象是变电站和块的网络，因此经济分析只包括计算和主要的可变成本。
维护和未成年人的成本分析。
3、病例信息
现有的DH系统（包括一组变电站和一块网络）服务在乌兰浩特的高级中学，位于内蒙古，被选定为案例研究。
DH子系统与总流量地板面积52469.6米十七楼仅提供空间加热。
图2所示的校园地图和网络结构的结构，其中，该组变电站是一个独立的房子位于校园东部的中心。
3.1、气象资料
在乌兰浩特，设计室外温度À20.5_c室外平均温度是7.8À_c供暖期从10月17日至4月10日（176天或4224小时）。
加热德格力天（HDD）[23]109408_ch。
对一个典型气象年数据不可用。
支持建设的模拟，对周边城市的大学生，拜城（北纬44_14-046_18），作为乌兰浩特的一个近似。
拜城的残疾大学生硬盘是108370°ch。
两个硬盘值之间的比率是1.4%。
这个错误的限制被认为是可以接受的，残疾大学生对周边城市（佰程）是用来模拟建筑物的热需求。
3.2、建筑和DH系统细节
建筑供暖系统配备了散热器，设计了不同的室内温度（表1）。
对于每一个建筑，设计室内温度（表1）的目的是在主房间（例如，接待室，办公室和教室的教学楼）。
卫生间、设备间、与其他空间在16°C设计。
学校寒假从1月22日持续到3月4日。
因此，采暖期分为2个采暖期，即秋、春季两个时段的交叉点和采暖期。
第一次运行从10月17日到1月21日，从3月5日到4月10日（图3）。
在假日期间，除了安全屋外，校园内几乎是空荡荡的，除了24小时的保安外，还有一个监控系统。
图2DH分组网络学校的地图。
加热时间（h）
图3在采暖期和冬季假期时每小时室外温度。
假期控制的目的是通过减少的空置建筑物室内温度工作温度节约能源。
工作温度设定8°C（表1）防止霜冻。
仓库A和B是例外，它被设计为整个采暖期保持温度10°C。
DH的主要系统，它以校园组变电站供给热量，以130和70_c饲料回水设计温度下分别操作。
二次系统，包括分组网络和建筑采暖系统，是专为80和60_c温度。
主系统和辅助系统的调节：
水的温度曲线（图4）。
每个建筑界面配备了限流器来平衡流速之间的建筑。
然而，在接口的设备没有足够有效的辅助变流控制和动态平衡。
在开始每个采暖期，接口的设备必须调整以保持设计的流量每个建筑达到水力平衡。
室外温度（°）
图4主、次侧的进料和回水温度曲线。
4、结果与讨论
4.1、建筑模拟的热需求
4.1.1、设计热需求
首先模拟获得各建筑物的设计热需求。
这个模拟过程不包括免费的热量（2.1节），没有假期控制。
在整个采暖期内，设计室内温度恒定，每栋楼的设计要求2。
4.1.2、操作热需求
在建筑模拟中，对室内自由热进行了测量分析，并对室内自由热进行了测量。
例如，当考虑在安全和接待室的模拟从居住者的自由热，那里的住户和他们的工作表数和流量证明，全量纳入。
然而，房间里很难确定入住信息准确（例如，对流动CE室、教室、和青少年）认为只有一半乘员数和短距离的时间安排。
建筑类型的每小时的每小时的热量要求累积在图5。
在节假日期间，没有假期控制的总热量需求量大约是假日控制的两倍，如图5所示。
在整个采暖期，节假日控制可以减少18.1%的年热需求。
然而，在这种情况下，不建议夜间设置的控制。
这是因为在这样一个寒冷地区的建筑物的热容量是大的，它需要很长的时间来加热建筑物从低室内温度开始，并会要求大量的即时功率[24]。
4.2、DH的系统规模
设计了三盘换热器。
为保证供热可靠性，按中国标准[13]的要求，可接受的水平，换热器的容量必须达到75%的总热量。
因此，每个热交换器的容量为900千瓦，该组的总容量为2700千瓦，这是300千瓦以上的设计需求的热量。
然而，对于建筑的变电站系统，一座变电站故障会影响fl只有它的建筑。
因此，一个建筑变电站设计容量取决于设计的热需求不加保护区能力建设。
流量分布的网络块体不仅取决于建筑物的网络结构和热需求，而且还取决于设计进料和回水温度。
在集团的变电站系统，分组网络属于次级侧，在建设变电站20C的温度差的大小，它是在原边和60°C差异大小。
设计温度之间的巨大差异，导致了不同大小的块网络在集团和建筑变电站系统（图6）。
大尺寸的管道用于组变电站系统，包括一个165.05米和长度50.76米DN150管道管道DN200管道长度。
在流量影响初投资和年费用挡网的尺寸（4.4节）。
4.3、能耗比较
4.3.1、流量和节假日控制对泵送能量的影响
流和假日控制应用在DH系统单独和组合探讨其fl影响泵浦能量。
恒流量控制不能再流动等各建筑物的实际热耗回DH系统立即通过流量的流量波动。
根据液压分析，该块网络的设计流量为28.66公斤/秒。
当考虑恒流量，假期控制的目的是降低总流量到一个较低的水平在假期。
假期比定义假日设计流量之间。
方程采用的是类似式（5），和如下：
哪里是假期比TD是8°C.设计工作温度。
对于每一个建筑，最大的价值是选定的建筑物的假期比。
根据表1，分别有三个不同的节日比，0.8，0.76，0.73和16，18室内设计温度的建筑，和20°C，。
最后，假期总流量为21.60公斤/秒，总假期比例为0.75。
图7显示加热期间的恒定流速。
与恒流控制相比，变流量控制能有效地保持在设定值（图4）中的水化温度，使之有效地满足需求。
在可变流量控制下，假期控制很容易满足每一个建筑的需求。
图7所示为在加热条件下，变流量率很少能达到设计值。
它不会发生在假期，因为恒定的假期流量比采用的最大值，每个建设没有考虑同时出现。
对于群变电站系统，四种不同的控制策略下的抽运能量如图8所示。
图5建筑类型的逐时热需求。
图6群和建筑变电系统中的块网络的管道长度。
图7流量变化对流量和节假日控制的影响。
图8不同控制策略下的群和建筑变电系统的泵浦能量。
在恒流控制下的年度抽运能量，无节假日控制，达到72239千瓦时的最大值。
节假日控制将原来的调节改为两级恒定流，并节省了8%的抽气能量。
如果DH系统，特别是建筑物的接口，能够很好的支持可变流量控制，泵浦能量将下降35.6%（无假日控制）和45.5%（与假控制）。
这说明了变流量和节假日控制节能在群变电站系统中的程度。
在楼宇变电系统中，主侧的给水通过分块网络传输到变电站。
块的阻力成为网络的一次侧泵的责任，而需要克服的阻力与换热器的建筑供暖系统的二次侧泵只。
在主侧的压力差的电位克服的块网络的电阻取决于一个具体的情况下，一个具体的系统的水力分析。
在这种情况下，虽然增加了一块网络86.21kPa的最大阻力主要DH系统，它还可以增加的压力差。
这是因为校园是在原DH系统前端的位置。
然而，一个场景，需要额外的泵的主侧的建设变电站系统，以弥补不足的压力差，仍然假定。
额外的泵将不设置在主要的DH系统源但分散在各建筑变电站一次侧。
这种方式，分布式泵满足的流量和压力的要求，为服务的建筑，以避免浪费能源[25]。
建设变电站系统只采用可变fl流量控制，和泵浦能量如图8所示。
虽然考虑了泵浦能量补偿原DH系统，总抽水建筑的变电站系统能量仍低于集团变电站系统，有或没有假期的控制。
.
4.3.2、加热能
加热能直接影响室内自由热。
如果没有设备充分利用室内自由热，这将导致室内温度升高和加热能量的浪费。
温控器是不是在原来的组变电站系统，但他们可以用在改造节省取暖能源成本。
除了建设变电站系统，一个先进的集团变电站系统正在考虑提供一个改变本地。
在高级组的变电站系统，必要的设备不仅包括恒温器也动平衡装置，它被纳入到支持变流量控制。
如表3所示，该集团的变电站系统有潜力，以减少加热能源的4.4%。
4.3.3、年能源消耗量
在这个案例中，该集团变电站系统恒定流量控制下操作，而高级组和建设变电站系统跟着变fl流量控制。
假期控制设置在每个系统，但以不同的方式（第4.3.1节）。
主要的DH系统提供足够fi有效压差将水建设变电站。
列于表3的加热能量消耗，能量损失，泵，并为每个系统的总和值。
建设变电站系统降低泵浦能量在很大程度上是因为变fl流量控制和高温度的差异，但它增加热损失由于在分组网络的水温高水平。
然而，热损失只有在总能源消费的边际影响由于泵浦能量比例低。
因此，在主要的影响流量加热能源，先进集体和建设变电站系统具有几乎相同的总能量消耗水平，即低于集团变电站系统4.5%。
建设变电站系统不会出现比较先进的集团变电站系统的节能优势。
然而，如第4.3.2讨论，高级组变电站系统需要更高的价格支付节省取暖能源。
在第4.4节中详细分析了经济比较。
4.3.4、仿真结果验证
在最后的两个采暖期，即操作的数据，从2013到2014和从2014到015，被用来验证模拟的能量消耗。
操作数据组包括变电站和泵站节能的循环泵的控制器，从热量表的热量供应，和fl流量的由次级侧上的流量计水。
在表4中列出了该组变电站系统的仿真结果和运行数据之间的比较。
在2个加热期间的抽运能量均高于模拟的，主要是因为操作流量大于设计值。
模拟供热的供热节能和热损失的信息，并没有考虑补给水的热损失，从而导致相对的À12.7%平均运行之间的误差和模拟一个吃供应。
根据计量的化妆水上6563和5333T为两个采暖期，分别热损失的化妆水估计和移除，从运行的总能量。
因此，当比较模拟的总能量与使用的平均从2013到2015，相对误差不超过他从À10%到10%。
不幸的是，对建设变电站系统的改革还没有进行。
然而，根据验证组的变电站系统的仿真结果，仿真的能耗的先进系统比较可靠。
4.4、经济分析
经济分析是基于第4.3.3的前提条件。
建设变电站是唯一的进口设备，它的价格在芬兰进行了调查。
管道工程的成本，包括预制管道、附件和劳动，都来自于市政工程的投资指标[26]。
指定fiC电价0.0966元/千瓦时，4.83元/热GJ。
所有费用包括税金。
绝缘管的使用寿命为10年，在中国27年。
然而，在欧洲国家，一般来说是30年[28]以上，变电站的一生是在20~30年[29]范围。
根据表5，该变电站系统增加了变电站的初始投资，但减少了管道工程。
此外，建筑变电所包括的平衡设备，以保持液压和热平衡的每一个建筑，而不是额外的投资在接口。
温控器必须在每一个先进的系统供热节能。
总体上，它需要的是一个初始投资比该组变电站系统，而是提供一个更先进的控制系统。
变流量控制在变电站系统中节省了抽运成本，降低了年运行成本。
假设该项目的寿命为10，20，30年，该比例为每年的建筑变电系统的成本减少5.7至5.9%。
作为一种替代方案，先进的群变电系统具有集团和变电站系统的年成本。
总之，随着寿命的增加，建筑变电系统的年成本降低。
变电站系统的进一步的优点是：
（1）分散式变电站建设发布原组变电站的房屋和建筑物的大部分变电站利用楼梯间由于其体积小，产生大量的空间。
2）建设变电站代替原来的完全配置接口和维护液压和热平衡的理想性能。
（3）一对一的服务是适合不同功能的建筑物，并提供足够的设备和灵活地实施个性化控制。
（4）从内部建筑供暖系统中分离出来，阻止网络可以保持较高的水质，从而延长了管道的使用寿命，降低了维修成本。
（5）它还提供了一个机会，建立一个高效、经济的国内热水系统。
5。
结论
在这项研究中，建筑模拟调查的设计和操作的热量需求。
DH的系统设计和运行分析后，年度成本法估算初始成本和运行成本。
通过近似的气象数据从邻近的一个城市，建筑模拟在变流量控制分析能力。
泵浦能量的比较表明，变流量控制有明显的优势，在DH系统具有最大的节能率60.3%。
建筑变电所节省的系统的灵活性，即使在包括主侧的补偿能量。
由于室内自由热的保守估计，建筑变电系统的节能比仅为4.4%然而，分析仍然突出的经济特点，建立变电站系统，每年的成本减少5.7和10之间，在5.9%和30年的寿命。
尽管结果显示优势的《建筑变电站系统在这一案例，完全拒绝银行集团变电站系统会不会是减少。
然而，建设变电站的优势我国DH系统进步的潜力。
致谢
作者非常感谢中国对王鹏对芬兰技术研究中心学术委员会支持访问。
专门研究基金，高等学校博士学科点（20132302120071号）和国家科学和技术在第十二个五年计划期间支柱程序（第2012baj04b01）也承认。
命名：
b…….散热器试验参数
Ca……年成本，元/美元
Cin……..CIN的初始投资成本，元/个
Cnm……..CIN的初始投资成本，元/个
g……..假日比
I……..我内部收益率
L…..管的长度，米
n……..一辈子，一
q……..相对热负荷系数
R…..压力梯度，坝/米
t……..水的温度，ºC
td……..设计工作温度
ti……..室内设计温度，ºC
to……..室外温度，ºC
……..DP的管压降，PA
……..DT对数平均温度，ºC
上标设计参数
下标
1……初级侧
2……初级侧
f……食水
r……回水
希腊字母
…….年金因素
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