气候补偿器在供暖系统中的节能探讨

随着经济的迅速发展，人民的生活水平有了较大提高，我国建筑业得到突飞猛进的发展。目前，建筑能耗约占总能耗的30%，并且呈逐年上升趋势，而建筑消耗的能源大多是热能，其中采暖、空调、卫生热水等热能的消耗占主要部分。由于城市能源的供应越来越紧张，建筑节能问题日益成为人们所关注的焦点。GB50736-2012《民用建筑供暖通风空气调节设计规范》于2012年10月1日实施后，规范新增强制性条文8.11.14中有“锅炉房及换热机房，应设置供热量控制装置”。本条内容容易被设计人员忽视。而气候补偿器是供暖热源常用的供热控制装置。建筑系统中的供热、空调节能是建筑节能的重要部分，而可调节的供水温度是现代供热采暖节能技术的主要特征之一。供暖的最终目的是：不论冬季室外气温如何变化，都应使室内温度保持在一个舒适的范围内。温度随着室外温度的变化而变化：也就是室外温度高时室内温度也高，只好开窗降温；而室外温度低时室内也低。这种情况既浪费能源，又对人的身体健康不利。因此有关专家指出，冬季供热应让天气做主，不能再像原来一样“一根筋”，而应该根据天气情况，随时调整供水温度：室外温度高时，将水温适当调低；而室外温度低时，则相应调高，保证用户家中的温度达到18~20℃，从而达到节约能源，提高舒适度的目的。因此，热源就要能及时、灵活的调整供热量，以“变”求“不变”。现在很多城市都建立了供热企业与气象局、气象台的联系，全面推行气象节能技术，实行“看天烧火”，从气象角度实现节约能源，节约成本，减少污染排放，实现科学供暖。但这种节能控制，往往不能准确、及时地对供水温度进行调节。因此需要有更准确、及时的控制调节设备——气候补偿器。气候补偿器安装在锅炉房、换热站或换热机组上，它能够使热源出力根据室外温度和供暖系统回水温度的变化动态调节，实现按需求供热，避免发生用户室温过高的现象，造成能耗增加。如果不能实时根据室内、外温度情况调节热源出力，必然会造成热能浪费。气候补偿器可以针对这一点，根据供、回水温度与室外温度，随时控制出水温度，简单、准确地实现动态调节；最重要的是，它能够根据用户需要设定不同时间段的室温。例如对于办公楼、学校等，周一至周五的8:00~18:00需要室温20℃，而其他时间段只需防冻温度6℃即可，气候补偿器会自动根据室温设定值和室外温度调整供暖的出力水平，实现温度自动调节，从而达到节能降耗的目的。

1 气候补偿器的工作原理

当室外气候发生变化时，布置在建筑室外的温度传感器将室外温度信息传递给气候补偿器。气候补偿器根据其中固有的不同情况下的室外温度补偿经验曲线，输出调节信号控制电动调节阀开度，从而调节热源出力，使其输出供水温度符合调节曲线水温以满足末端负荷的需求，实现系统热量的供需平衡。在采用热计量的供热系统中，因为通过供热量控制要先要实现热量的“按需供应”，避免过度供应产生能源浪费；其次提高供热系统能效，例如根据室外温度变化及用户热负荷变化条件供热介质参数，实现合理的“低温供热”往往明显提高供热系统能效。

2 适用范围

气候补偿器一般用于供热系统的热力站中，或者采用锅炉直接供暖的供暖系统中，是局部调节的有力手段。气候补偿器在直接供暖系统和间接供暖系统中都可以应用，但在不同的系统中其应用方式有所区别。

2.1 热水直接供暖系统

在热水直供系统中，气候补偿器通过调节系统混水量来控制供水温度，其工作原理如图1所示。气候补偿器通过控制电动调节阀开度来调节锅炉进出水管道之间的旁通水量，从而实现对系统供水温度的控制。当温度传感器检测到的供水温度值在计算温度允许波动范围之内时，气候补偿器控制旁通阀门不动作；当供水温度值高于计算温度允许的上限值时，气候补偿器控制旁通阀门开大，增加进入系统供水中的回水流量，以降低系统供水温度；反之，将旁通阀门关小，减少进入供水中的回水流量，以提高系统供水温度。

图1 热水直接供暖系统中气候调节阀的工作原理

2.2 热水热源间接供暖系统

在热水间接供暖系统中，气候补偿器通过控制进入换热器一次侧的供水流量来控制用户侧供水温度，其工作原理见图2。气候补偿器通过控制换热器一次侧旁通管上的电动调节阀的开度来调节换热器的旁通水量，从而实现对系统用户侧供水温度的控制。当温度传感器检测到的二次侧（用户侧）供水温度值在计算温度允许波动范围之内时，气候补偿器控制旁通阀门不动作；当供水温度值高于计算温度允许的上限值时，气候补偿器控制旁通阀门开大，通过旁通管的供水流量增加，进入换热器的一次供水流量减少，从而减少系统的换热量, 在二次侧循环水流量不变的情况下，其供水温度会降低；反之，将旁通阀门关小，增大进入换热器的一次供水流量，增加系统的换热量，从而提高二次侧的供水温度。

图2 热水热源间接供暖系统中气候调节阀的工作原理

2.3 蒸汽热源间接供暖系统

在蒸汽间接供暖系统中，气候补偿器通过控制进入换热器一次侧的蒸汽流量来控制用户侧供水温度，其工作原理见图3。气候补偿器通过控制换热器蒸汽侧电动调节阀的开度来调节换热器的蒸汽量，从而实现对系统用户侧供水温度的控制。当温度传感器检测到的二次侧（用户侧）供水温度值在计算温度允许波动范围之内时，气候补偿器控制旁通阀门不动作；当供水温度值高于计算温度允许的上限值时，气候补偿器控制阀门关小，减小进入换热器蒸汽量，从而减少系统的换热量，在二次侧循环水流量不变的情况下，其供水温度会降低；反之，将旁通阀门开大，增大进入换热器的蒸汽量，增加系统的换热量，从而提高二次侧的供水温度。

图3 蒸汽热源间接供暖系统中气候调节阀的工作原理

3 气候补偿器的节能分析

在传统供热方式的设计中，通过围护结构的基本耗热量是按一维稳定传热过程进行计算的，即假设在计算时间内，室内、外空气温度和其他传热过程参数都不随时间变化。实际上，室外空气温度随季节和昼夜变化不断波动，这是一个不稳定传热过程，气温变化见图4。但由于不稳定传热过程计算复杂，而且实际运行中也难以控制，所以在传统工程设计中，对一般建筑物都采用稳定传热计算方法。

图4为一天的室外逐时温度，图5 为济南市11 月15 日至第二年3月15日（共121天，2904小时）的室外逐时温度，这里采用的气象数据来自清华大学开发的Medpha软件，该软件基于清华大学江亿院士多年来的理论研究成果，根据逐时气象模型原理以30年实测气象数据为基础，可以模拟全国193个城市（地区）的各种类型的逐时气象数据。从图4中可以看出，每天每时刻室外温度都在不断变化，而且温度往往都要高于室外供暖计算温度，这是因为我国的规范规定：“供暖室外计算温度，应采用历年平均不保证5天的日平均温度。”所以，按传统稳定传热方法计算的热负荷往往要大于实际需要的热负荷，于是就出现了室内温度过高，只好开窗降温的现象，不仅浪费能源，增加费用，同时也影响了室内舒适度和人体健康。

但是随着能源危机的出现以及人们对室内舒适度要求的提高，特别是现代高科技节能产品—气候补偿器的出现，所有按稳定计算出现的各种问题都将迎刃而解。气候补偿器能够根据安装在室外的温度传感器测量室外温度，根据室外气温的变化自动调节供水温度（见图6），以确保舒适的室内温度和最低的能耗，从而实现“按需供热”，既降低用户费用，又提高室内舒适度。

气候补偿器的作用就是通过调节电动阀的开度使供水温度始终随室外空气温度进行变化，从而保持室内温度恒定。

由图6可以看出，室外温度与供水温度正好相反，室外温度高时供水温度低，反之供水温度高，这既可以保证室内温度保持恒定，满足舒适性要求，又可实现节能降耗。

4 总结

气候补偿器是适用于二次网采用定流量质调节供热系统中的节能设备，其能根据不同室外温度条件下采暖用户的供水温度要求和室外温度补偿经验曲线自动控制电动调节阀开度，从而调节热源出力，进而实现系统热量的供需平衡。分户热计量可以合理地利用能源，提高用户的生活质量。当使用气候补偿器反馈系统时，该模式可以减少人为因素对管网系统稳定性的干扰，使室内温度及时随室外温度变化得以自动调整，有利于节能降耗，有利于调整室内温度的稳定性。