阅读说明：本技术 供热管网水力调控系统及其智能控制和供热计费的方法 (Heat supply pipe network hydraulic regulation and control system and intelligent control and heat supply charging method thereof ) 是由 李明甲 于 2020-04-23 设计创作，主要内容包括：本发明的供热管网水力调控系统及其智能控制和供热计费的方法涉及一种对供热系统中的水力进行智能调控、控制以及对供热用户的计费方法,目的是为了克服现有很多供热系统产生供热管网水力失调、楼宇水力失调和用户水力失调,以及收费不够精准的问题,其中,供热管网水力调控系统,包括一级网供水调节阀、二级网供水压力感应器、二级网变频循环泵、楼前供水变频循环泵、楼前供水流量计、楼前供水温度感应器、楼前回水温度感应器、室内供水调节阀、室内温度感应器、楼前压差传感器、楼前计量控制装置和远程调控装置。(The invention discloses a heat supply pipe network hydraulic regulation and control system and an intelligent control and heat supply charging method thereof, and relates to a method for intelligently regulating, controlling and charging heat supply users of hydraulic power in a heat supply system, aiming at overcoming the problems of hydraulic imbalance of the heat supply pipe network, hydraulic imbalance of buildings and users and inaccurate charging caused by a plurality of existing heat supply systems.)

供热管网水力调控系统及其智能控制和供热计费的方法

技术领域

本发明涉及一种供热系统，具体涉及对供热系统中的水力进行智能调控、控制以及对供热用户的计费方法。

背景技术

供热企业普遍存在挂片和地热两种供热方式，一个换热站两种不同供热方式可能同时存在。但是运行参数恰好相反，挂片式楼宇供热需要高温小流量，地热式楼宇供热需要低温大流量，一套供热机组难以满足两种形态的供热方式。

现有很多供热片区内都是挂片式楼宇和地热式楼宇并存，因此在对两种楼宇进行供热时，不同供热方式需要的不同参数，容易产生供热管网水力失调、楼宇水力失调和用户水力失调等问题。

并且，由于热量是商品，展示交易公平的前提是计量，实现交易双方满意的必要条件是精准计量。目前供热企业与用户之间90％以上采用面积计费法，这种“估堆”粗略计量法，不能显示公平，很难让用户满意。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有很多供热系统产生供热管网水力失调、楼宇水力失调和用户水力失调，以及收费不够精准的问题，提供了一种供热管网水力调控系统及其智能控制和供热计费的方法。

本发明的供热管网水力调控系统，包括一级网供水调节阀、二级网供水压力感应器、二级网变频循环泵、楼前供水变频循环泵、楼前供水流量计、楼前供水温度感应器、楼前回水温度感应器、室内供水调节阀、室内温度感应器、楼前压差传感器、楼前计量控制装置和远程调控装置；

一级网供水调节阀设于一级供热管网上，用于调节一级网供水流量，进而调节一级供热管网向二级供热管网输送的供热量；

二级网供水压力感应器设于供热站内的二级网供水管上，用于采集二级网供水压力；

二级网变频循环泵设于供热站内的二级网回水管上，用于调节二级供热管网的循环水量；

楼前供水变频循环泵设于楼前供水管上，用于调节楼宇供热管网的循环水量；

楼前供水流量计设于楼前供水管上，用于采集楼宇供热管网的供水流量；

楼前供水温度感应器设于楼前供水管上，用于采集楼宇供热管网的供水温度；

楼前回水温度感应器设于楼前回水管上，用于采集楼宇供热管网的回水温度；

室内供水调节阀设于室内供水管上，用于通过调节阀门开度改变室内供热管网的循环水量，进而调节供热用户室内温度；

室内温度感应器为至少两个，分布于供热用户室内，用于采集供热用户室内各区域温度，进而得到供热用户室内温度，用户室内温度为供热用户室内各区域温度的平均温度；

楼前压差传感器设于楼前供水管和楼前回水管之间，用于采集楼宇供热管网的供水和回水之间的水压差；

楼前计量控制装置，用于接收楼宇供热管网数据，并上传至远程调控装置，以及根据远程调控装置发送的频率控制信号改变楼前供水变频循环泵的工作频率；楼宇供热管网数据包括的楼宇供热管网的供水流量数据、供水温度数据、回水温度数据、水压差数据、用户室内温度数据和阀门开度数据；

远程调控装置，用于接收二级网供水压力数据和楼宇供热管网数据，并根据二级网供水压力数据和楼宇供热管网数据调节一级网供水调节阀的阀门开度、二级网变频循环泵的工作频率和楼前供水变频循环泵的工作频率。

本发明的利用供热管网水力调控系统进行智能控制的方法，方法步骤如下：

步骤一、二级供热管网的注水压力升高至注水压力阈值以上时，启动二级网变频循环泵令二级供热管网进行供热循环；同时将各项二级供热管网供热数据上传至远程调控装置；二级供热管网供热数据包括二级供热管网内各节点的温度数据、压力数据和流量数据；节点包括阀门、弯头、补偿器和变径；

启动楼前供水变频循环泵令楼宇供热管网进行供热循环；同时将楼宇供热管网的供水流量数据、供水温度数据、回水温度数据和水压差数据上传至远程调控装置；

室内供热管网进行供热循环时，将用户室内温度数据和阀门开度数据上传至远程调控装置；

步骤二、根据室外温度、用户室内温度和楼宇供热面积，计算对应楼宇的供热指标，根据供热指标确定二级供热管网的供水温度；

步骤三、令采用挂片式供热装置的楼宇的供水温度等于二级供热管网的供水温度，并且根据楼宇在额定运行流量的实际阻力，设置第一压差值使供水和回水之间的水压差保持在楼宇额定运行流量的第一压差运行；

令采用地热式供热装置的楼宇，通过楼宇前的混水管和电动调节阀降低供水温度等于二级供热管网的供水温度0.75倍，根据楼宇在额定运行流量的实际阻力，设置第二压差值使供水和回水之间的水压差保持在楼宇额定运行流量的第二压差运行；

本发明的利用供热管网水力调控系统进行供热计费的方法，方法如下：

步骤一、通过室内温度感应器采集供热用户室内各区域温度，进而得到供热用户室内温度，将供热用户室内温度上传至远程调控装置；

用户室内温度为供热用户室内各区域温度的平均温度；

步骤二、计算供热用户室内温度累计量，并调用远程调控装置中预存储的对应的用户供热面积和计费公式，得到供热费用。

本发明的有益效果是：本系统不仅从根本上解决不同供热方式需要的不同参数的问题，还可以解决供热管网水力失调、楼宇水力失调和用户水力失调问题，克服了调节困难、冷热不均、能耗量大，为普及户端热计量实现按需用热奠定了良好基础。本系统节约电能20～35％，节约热能10％以上，降低了工作人员的劳动强度，减少了能源的浪费。

采用温度面积计量法，根据住户面积室内温度进行收费，简单直观用户好接受，不同房屋结构、不同室内温度收取不同热费，用户根据自己的舒适度调节用热量，与现有供热系统用热量比节约热量10％以上。

附图说明

图1为本发明的二级供热管网水力调控系统结构示意图；左边的楼宇为地热式楼宇，右边的楼宇为挂片式楼宇。

具体实施方式

具体实施方式一，本实施方式的供热管网水力调控系统，包括一级网供水调节阀9、二级网供水压力感应器10、二级网变频循环泵11、楼前供水变频循环泵12、楼前供水流量计13、楼前供水温度感应器14、楼前回水温度感应器15、室内供水调节阀16、室内温度感应器17、楼前压差传感器18、楼前计量控制装置19和远程调控装置20；

一级网供水调节阀9设于一级供热管网上，用于调节一级网供水流量，进而调节一级供热管网向二级供热管网输送的供热量；

二级网供水压力感应器10设于供热站内的二级网供水管1上，用于采集二级网供水压力；

二级网变频循环泵11设于供热站内的二级网回水管2上，用于调节二级供热管网的循环水量；

楼前供水变频循环泵12设于楼前供水管4上，用于调节楼宇供热管网的循环水量；

楼前供水流量计13设于楼前供水管4上，用于采集楼宇供热管网的供水流量；

楼前供水温度感应器14设于楼前供水管4上，用于采集楼宇供热管网的供水温度；

楼前回水温度感应器15设于楼前回水管5上，用于采集楼宇供热管网的回水温度；

室内供水调节阀16设于室内供水管6上，用于通过调节阀门开度改变室内供热管网的循环水量，进而调节供热用户室内温度；

室内温度感应器17为至少两个，分布于供热用户室内，用于采集供热用户室内各区域温度，进而得到供热用户室内温度，用户室内温度为供热用户室内各区域温度的平均温度；

楼前压差传感器18设于楼前供水管4和楼前回水管5之间，用于采集楼宇供热管网的供水和回水之间的水压差；

楼前计量控制装置19，用于接收楼宇供热管网数据，并上传至远程调控装置20，以及根据远程调控装置20发送的频率控制信号改变楼前供水变频循环泵12的工作频率；楼宇供热管网数据包括的楼宇供热管网的供水流量数据、供水温度数据、回水温度数据、水压差数据、用户室内温度数据和阀门开度数据；

远程调控装置20，用于接收二级网供水压力数据和楼宇供热管网数据，并根据二级网供水压力数据和楼宇供热管网数据调节一级网供水调节阀9的阀门开度、二级网变频循环泵11的工作频率和楼前供水变频循环泵12的工作频率。

上述的管网包括二级供热管网、多组楼宇供热管网和多组室内供热管网；且每栋楼宇对应一组楼宇供热管网，每供热用户对应一组室内供热管网，每栋楼宇内包括多个供热用户；

二级供热管网包括二级网供水管1和二级网回水管2，一级供热管网通过换热器3向二级供热管网传递热量；

楼宇供热管网包括楼前供水管4和楼前回水管5，楼前供水管4的一端与二级网供水管1连通，楼前回水管5的一端与二级网回水管2连通；

室内供热管网包括室内供水管6和室内回水管7，室内供水管6的一端与楼前供水管4的另一端连通，室内供水管6的另一端通过室内供热装置8与室内回水管7的一端连通，室内回水管7的另一端与楼前回水管5的另一端连通；

二级供热管网的供水依次经由二级网供水管1、楼前供水管4、室内供水管6和室内供热装置8后降温变为回水，回水依次经由室内回水管7、楼前回水管5、二级网回水管2和换热器3后升温变为供水，形成供热循环。

进一步地，室内供热装置8为挂片式供热装置。

进一步地，室内供热装置8为地热式供热装置；

调控系统还包括混水阀门21，混水阀门21设于混水管26上，混水管26连通楼前供水管4和楼前回水管5，且混水管与楼前供水管4连通的一端位于楼前供水变频循环泵12的入口前。

进一步地，还包括补水管网；

补水管网包括补水箱22、补水管路23和补水泵24；

补水箱22的通过补水管路23与站内的二级网回水管2连通，补水泵24设于二级网回水管2。

进一步地，还包括气象数据采集模块25；

气象数据采集模块25用于检测并输出气象数据至远程调控装置20，气象数据包括室外温度、日照辐射量、风向和风速。

具体实施方式二，本实施方式的利用供热管网水力调控系统进行智能控制的方法，方法步骤如下：

步骤一、二级供热管网的注水压力升高至注水压力阈值以上时，启动二级网变频循环泵令二级供热管网进行供热循环；同时将各项二级供热管网供热数据上传至远程调控装置；二级供热管网供热数据包括二级供热管网内各节点的温度数据、压力数据和流量数据；节点包括阀门、弯头、补偿器和变径；

启动楼前供水变频循环泵令楼宇供热管网进行供热循环；同时将楼宇供热管网的供水流量数据、供水温度数据、回水温度数据和水压差数据上传至远程调控装置；

室内供热管网进行供热循环时，将用户室内温度数据和阀门开度数据上传至远程调控装置；

步骤二、根据室外温度、用户室内温度和楼宇供热面积，计算对应楼宇的供热指标，根据供热指标确定二级供热管网的供水温度；

步骤三、令采用挂片式供热装置的楼宇的供水温度等于二级供热管网的供水温度，且供水和回水之间的水压差保持在楼宇额定运行流量的实际阻力运行，优选为，供水和回水之间的水压差保持在0.01Mpa；

令令采用地热式供热装置的楼宇的供水温度等于二级供热管网的供水温度0.75倍，且供水和回水之间的水压差保持在楼宇额定运行流量的实际阻力运行，优选为，供水和回水之间的水压差保持在0.05MPa。

并且，挂片式供热装置流量是地热式供热装置流量的0.75倍。

进一步地，注水压力阈值为0.3MPa。

进一步地，阀门开度0～100％对应用户室内温度为8℃～28℃；

进一步地，步骤三还包括利用气象数据对楼宇的用热量进行补偿的方法，方法如下：

当日照辐射量增加时，降低二级网变频循环泵的转速，使得二级供热管网循环水量减少，供水温度升高，当供水温度高出温度设定值时，令一级网供水调节阀的开度减小，使得一级供热管网的供水流量减少，进而减少一级供热管网向二级供热管网输送的供热量，令二级供热管网的供水温度保持温度设定值不变；

当日照辐射量减小或/和风力增大时，提高二级网变频循环泵的转速，使得二级供热管网循环水量增加，供水温度降低，当供水温度低于温度设定值时，令一级网供水调节阀的开度增大，使得一级供热管网的供水流量增加，进而增加一级供热管网向二级供热管网输送的供热量，令二级供热管网的供水温度保持温度设定值不变。

具体实施方式三、本实施方式的利用二级供热管网水力调控系统进行供热计费的方法，方法如下：

步骤一、通过室内温度感应器采集供热用户室内各区域温度，进而得到供热用户室内温度，将供热用户室内温度上传至远程调控装置；

用户室内温度为供热用户室内各区域温度的平均温度；

步骤二、计算供热用户室内温度累计量，并调用远程调控装置中预存储的对应的用户供热面积和计费公式，得到供热费用。

具体地，对本系统阐述如下：

一、系统的结构和作用

(一)、换热站内部结构

1、在换热站内一级供热管网的一级供水管道上安装一级网供水调节阀9，调节一级供热管网向二级供热管网输送的热量。

2、换热站内换热器3出口与二级网变频循环泵11入口处安装耦合管27，与换热站外二级供热管网连通，二级网变频循环泵11的扬程与原有供热方式相比低很多，只要克服换站内换热器、阀门、除污器和管道阻力即可。

(二)、楼宇供热管网结构

1、楼前安装楼前计量控制装置19，按照楼宇或者用户需求调整每栋楼或者每一个用户的热量，将信号反馈到远程调控装置20，进而调整一级供热管网供热量。

2、在楼前供水管4上安装楼前供水变频循环泵12，楼前供水变频循环泵12的功率根据楼宇所处位置的二级供热管网阻力、楼宇自身阻力和热负荷选取。

3、地热式楼宇在楼前供水变频循环泵12入口和楼前回水管5之间安装混水管26和混水阀门21，用于调节地热式楼宇供水温度；挂片式楼宇不需要。

4、楼宇供热管网还可以安装热量表用于计量楼宇的实际用热量，也可以通过供水流量、供水温度和回水温度计算得到楼宇的实际用热量。

(三)、室内供热管网结构

1、原有室内供暖设施不变，依据房屋结构室内安装多个温度测点(室内温度感应器17)上传供热用户室内温度；室内配置温度遥控器，也可以采用智能家居控制，用于通过控制室内供水调节阀16的阀门开度来设定供热用户室内温度。

2、室内供水管6安装可遥控的室内供水调节阀16。

(四)、远程调控装置

1、远程调控装置20位于中控室，包括服务器(或者云服务器)、控制台和控制软件，是实现水力平衡自动调节之魂；采集供热网络数据上传服务器或者云端，实时分析供热数据，寻找调节控制规律，做到按需供热减少能源浪费。

2、气象数据采集模块25为在城市合理位置安装的卫星气象站或其他气象数据采集装置等，采集光照度、风向、风速等气象数据信息上传到远程调控装置20，将大自然赋予的热能加入到供热网络之中。

二、系统的控制逻辑与原理

1、热网运行调整原则：

供热网络采用在最小循环流量下有最高供水温度的原则，阶段式质调整(减少管网的膨胀收缩次数)、供温不变实时调整流量(节省电能)。

2、系统控制逻辑说明：

复合式供热用户水力平衡分步智能调控系统控制逻辑，由前至后最大限度贯穿着节约能源理念，控制实现自动化、分析实现智能化。供热系统分步加装循环泵(即分步式)，减小供热站内循环泵功率、取消楼前调节阀门减少管网阻力是节约电能的最好方法；坚持“供热网络最小循环流量下的最高供水温度”原则也是节省电能有利措施；应用气象站数据做调控信号，将大自然能量加入供热网络之中是减少能源消耗的好办法；采用人工智能分析供热数据寻找调控规律是实现按需供热的最佳方案。

3、供热控制原理

(1)二级供热管网水力智能调控与户端热计费系统(简称系统)

二级供热管网注水压力升至0.3MPa后，启动供热站内的二级网变频循环泵。供热站内设备运行数据上传至平台(远程调控装置20)，供热管网和各个节点(阀门、弯头、补偿器、变径)温度、压力、流量等运行参数上传平台。气象站(气象数据采集模块25)的室外温度、日照辐射度、风力、风速等信息传至平台，远程调控装置20读取用户面积和室内温度。

(2)楼前自动控制装置

楼前计量控制装置19启动楼前供水变频循环泵12，楼宇供热压力、流量、温度、热量通过楼前自动控制装置传回远程调控装置20。

(3)用户自动控制采集装置

供热用户室内温度、室内供水调节阀16d开度等运行参数，通过楼前计量控制装置19传回远程调控装置20。

(4)自动控制逻辑

根据室外温度与室内供温的关系，计算出挂片式楼宇所需要的供水温度，挂片式楼宇的供水温度是二级供热管网的供水温度。

根据供热用户室内温度(用户室内温度依据需求自行设定)计算出楼宇的平均温度，楼宇热计量表提供楼宇耗热量(或通过供水流量、供水温度和回水温度计算得到楼宇耗热量)，气象站(气象数据采集模块25)提供室外平均温度，远程调控装置20提供楼宇供热面积，计算出楼宇的供热指标。

计算公式如下：

W＝GJ/m²/0.0036/负荷比/24*1000

上述的，W为供热指标、m²为供热面积、GJ为热量。

负荷比＝(室内温度-室外温度)/(室内温度+室外温度)

远程调控装置20依据气象数据采集模块25提供的日照辐射度、风力和风向等信息，对楼宇用热量进行补偿。日照辐射量增大时，降低供热站内二级网变频循环泵11转数，二级供热管网的循环水量减少、供水温度升高，当二级供热管网的供水温度高出温度设定值时，一级供热管网上的一级网供水调节阀9关小，一级供热管网的供水流量减少，二级供热管网的供水温度回到温度设定值，减少热源供热量。

日照辐射量减小或者风力增大，供热站内二级网变频循环泵11的转数增大，二级供热管网的循环水量增大，二级供热管网的供水温度降低，当二级供热管网的供水温度低于温度设定值时，一级供热管网的一级网供水调节阀9开大，增加一级供热管网，使二级供热管网的供水温度回升到温度设定值，热源供热量增加。

由于室外温度、阳光、风力等因素的变化，二级供热管网的供水温度随之变化，一级供热管网的一级网供水调节阀9随之联动，保证二级供热管网的供水温度维持在温度设定值不变，从而实现了外部能源的有效利用。

挂片式楼宇的楼前供水变频循环泵12理论应保持供水和回水之间的水压差在0.01MPa运行；地热式楼宇的楼前供水变频循环泵12理论保持供水和回水之间的水压差在0.05MPa运行(运行的水压差可根据楼宇实际阻力设置)。当用户调整供热用户室内温度时楼宇的循环水量会跟随供水和回水之间的水压差自动调整，保证用户的循环水用量，从而保障用户所需热量。而选用楼前供水变频循环泵12的原则是流量大扬程小。

地热式楼宇的供水温度保持在二级供热管网的0.75倍运行，楼宇供温高于二级供热管网供水温度的0.75倍时，楼宇供热管网的混水阀门21开度开大；楼宇的供水温度低于二级供热管网供水温度的0.75倍时，楼宇供热管网的混水阀门21开度关小。使地热式楼宇始终保持在二级网供温的0.75倍运行，地热式楼宇的二级供热管网供水温度通过混水阀调整不超过55℃运行，地热管超过55℃长期运行会减少使用寿命。挂片式供热楼宇供温与二级供热管网供水温度相同，不安装混水阀门21。

用户通过温度控制器(如遥控器、智能家居的控制面板等)控制供热用户室内温度，通过调节室内供水调节阀16开度实现供热用户室内温度的控制。温度控制器的调整范围8～28℃,对应供水调节阀16开度为0～100％。用户将供水调节阀16关至0位，楼宇阻力增加，楼前供水变频循环泵12出口压力升高，当供水与回水之间的水压差超出设定值时，楼前供水变频循环泵12的变频器自动降低楼前供水变频循环泵12的电机转数，使供水与回之间的水压差下降回到设定值；用户将室内供水调节阀16开至100％时楼宇阻力减少，楼前供水变频循环泵12出口压力下降，供水与回水之间的水压差低于设定值时，楼前供水变频循环泵12的变频器自动升高楼前供水变频循环泵12的电机转数，使供水与回水之间的水压差升高回到设定值；无论哪个用户调节自家的室内供水调节阀16开度，都不会影响其他用户的正常流量，供热用户室内温度根据自己需要的舒适度自行控制，从而实现按需用热。

4、二级供热管网的供水温度确定

二级供热管网的供水温度确定原则是“供热网络最小循环流量下的最高供水温度”。挂片式楼宇供水温度与二级供热管网的供水温度相同，地热式楼宇的供水温度按供热规程确定，由楼前的混水阀门21根据预设的控制逻辑自动调节。

5、用户室内温度确定

用户可以根据自己的舒适度自行调整用户室内温度，在总的温度范围内，不受供热系统的控制。

6、换热站供热量的控制

换热站供热量根据用户需要按需供给，根据气象数据采集模块25(气象站)传回气象数据(日照辐射量、风力、室外温度等)进行热量补偿，受风力影响用户的通风系数增大，换热站自动增加热量进行补偿；日照辐射量的热量使用户室内温度升高，换热站自动减少热量保持用户室温不变。

三、基于温度面积的计费方法

采用温度面积的计费方法而不是采用热表法分户热计量的主要原因：

一、用户调节室内温度时，造成供热管网水力失调难以解决；

二、热产品传导特殊性户间热量难以分割；

三、边楼顶楼用热量是中间住户的1.5～2倍，同样温度用热量不同收取相同热费无法展示公平。

具体于温度面积的计费方法如下：

1、计量方式

相同房间相同位置安装温度测点(室内温度感应器17)，提取用户室内温度(平均温度)的累积量和面积作为收费依据，用户室内温度、面积信息上传到远程调控装置20的热费自动核算系统，可以在楼梯道内安装计费器实时展示热用户信息便于用户查看。

2、用户计量调节设备

每户回水管道安装电动调节阀一个，根据房屋结构安装几个温度测点(室内温度感应器17)，遥控器一个。并且还可以在每户增设一个智能控制箱用于数据采集。

3、控制方式

在个人终端(手机等)或者遥控器上显示室内温度，用户在手机或者遥控器上可调节室内温度，室内温度调整范围是8℃至28℃，对应室内供水调节阀16开度0至100％。用户不在家时可以用手机调低室内温度，回家前用个人终端(手机)调高室内温度。