供熱運(yùn)行調(diào)節(jié)及熱網(wǎng)平衡

山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院 樊慶波

濟(jì)南市熱電總公司 王慶云

供熱運(yùn)行調(diào)節(jié)及熱網(wǎng)平衡

山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院 樊慶波

濟(jì)南市熱電總公司 王慶云

一、熱負(fù)荷

建筑物采暖熱負(fù)荷同室外氣溫、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等因素有關(guān)，室外氣溫有決定作用，在理論上，把熱負(fù)荷看作室外溫度的函數(shù)，即Q=f(tw)=K·F(tn-tW)。

供熱過程就是維持建筑物室內(nèi)氣溫適宜人們工作、生活，維持建筑物得熱與失熱始終處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡的過程。即熱平衡方程式：

Q=KF(tn-tw)=G·C(tg-th)·ρ/3600

Q，熱負(fù)荷W；K，建筑物傳熱系數(shù)W/m2·℃；F，建筑物外表面積m2；tn，室內(nèi)氣溫℃；tw，室外氣溫℃；C，水的比熱J/kg·℃；G，采暖循環(huán)水流量m3/h；tg，供水溫度℃；th，回水溫度℃；ρ，水的密度kg/m3。

二、供熱節(jié)能

熱網(wǎng)總能耗包括2部分：一是供熱量；二是輸送熱量所消耗的電能。熱網(wǎng)節(jié)能有以下途徑。

1．減少供熱量。熱網(wǎng)熱負(fù)荷隨著室外氣溫變化而變化，每一時(shí)刻為滿足采暖建筑的采暖要求(室溫18℃)所供熱量的為最小值，即總供熱恰好等于基本的總需求。供小于需則供熱不達(dá)標(biāo)，供大于需則用戶過熱室溫過高，熱能浪費(fèi)。結(jié)合供熱區(qū)域的供熱半徑熱惰性情況，需分時(shí)段預(yù)測性的對(duì)熱網(wǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使供求熱量保持平衡，維持在最小值。

2．熱量分配均衡。熱量分配力求熱網(wǎng)上各用戶室溫均衡，避免因熱網(wǎng)的水平失衡，用戶垂直失衡，而造成用戶冷熱不均現(xiàn)象。即避免冷的用戶達(dá)標(biāo)，而熱的用戶超溫，熱能浪費(fèi)。熱網(wǎng)的平衡是熱網(wǎng)節(jié)能的基礎(chǔ)，是供熱調(diào)節(jié)的前提。室內(nèi)散熱器恒溫溫控閥調(diào)節(jié)是按需分配的重要手段。調(diào)節(jié)恒溫控制閥可使房間的供熱需求最大化節(jié)能。

3．節(jié)省熱量輸送電耗。

熱量的輸送是消耗電能的過程，所耗有效功率：N e=V·△P·ρ·g/3 6 0 0 （2）熱量輸送所消耗有效功率Ne同流量V成正比，同系統(tǒng)阻力△p成正比。

式中：Ne，有效功率W；V，循環(huán)水流量m3/h；△p，系統(tǒng)阻力m；ρ，水密度kg/m3；g，常數(shù)N/Kg。由熱水網(wǎng)路的水力特性可知：

△P=S·V 2 （3）

將 （3）式代入（2）式可得：N=S·V3·ρ·g/3600(4)?？芍行Чβ蔔e只同流量V的立方成正比，其它為常數(shù)(S值在熱網(wǎng)閥門不操作時(shí)也為常數(shù))，減少熱網(wǎng)流量V將降低電耗。

當(dāng)熱網(wǎng)采用水泵調(diào)速改變流量運(yùn)行時(shí)也可從水泵相似理論獲得。由熱平衡方程Q=KF(tn-tW)=G·C·(tg-th)·ρ/3600可知，當(dāng)室外溫度tw一定時(shí)，建筑物耗熱Q為一定值，即供熱量G·C·(tgth)·ρ/3600為一定值，此時(shí)可以通過增大(tg-th)，降低熱網(wǎng)循環(huán)流量G，從而降低輸熱電耗。

三、供熱調(diào)節(jié)

散熱器供暖系統(tǒng)供熱調(diào)節(jié)的基本公式為：

Q=Q/Qj=K·F·(tn-tw)/K·F·(tn-twj)=Ks·Fs·(tp-tn)/Ksj·Fs·(tpj-tn)=G·C·(tg-th)·ρ/3600/Gj·C·(tgj-thj)·ρ/3600

即Q=Q/Qj=(tn-tw)/(tn-twj)=(tg＋th－2tn)1+B/(tgj＋thj－2tn)1+B=G·(tg-th)·/Gj·(tgj-thj) （4）

式中，2Q—相對(duì)熱量比；Fs—用戶系統(tǒng)內(nèi)散熱器的散熱面積，m2；Ks，Ksj—散熱器的供熱系數(shù)，W/m2·℃；tp，tpj—散熱器內(nèi)載熱介質(zhì)的平均溫度，℃；B—為常數(shù)，與散熱器構(gòu)造有關(guān)。由此方程可知：

1 . 當(dāng)（室）外溫度tw變化時(shí)，熱網(wǎng)各用戶樓需求熱量及熱網(wǎng)總需求熱量按同一比例變化。

2. 用戶的耗熱量Q隨著用戶室內(nèi)溫度tn的升高而增加，當(dāng)室內(nèi)溫度tn等于設(shè)計(jì)的18℃時(shí)的耗熱量，為建筑物基本耗熱量，即保證建筑物供熱質(zhì)量下的最少耗熱量。

四、熱網(wǎng)與熱用戶整體關(guān)系

供熱調(diào)節(jié)包括質(zhì)調(diào)節(jié)、量調(diào)節(jié)、分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)和間歇調(diào)節(jié)。上述方法作為補(bǔ)充條件，代入供熱調(diào)節(jié)的基本方程式得各調(diào)節(jié)方法的調(diào)節(jié)公式。

1．質(zhì)調(diào)節(jié)(常用于熱水網(wǎng))。循環(huán)水流量保持不變而只改變供水溫度。適用于一、二級(jí)熱網(wǎng)，為國內(nèi)采用的調(diào)節(jié)方法。優(yōu)點(diǎn)為水力工程穩(wěn)定，熱網(wǎng)易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化調(diào)節(jié)，便于熱源廠及熱網(wǎng)的安全連續(xù)運(yùn)行。缺點(diǎn)為只節(jié)熱，不節(jié)電。熱網(wǎng)遠(yuǎn)、近端用戶溫度有時(shí)間差。

2．量調(diào)節(jié)（常用于水熱網(wǎng)、汽熱網(wǎng)）。保持供水溫度不變，只改變循環(huán)水流量。適用于一級(jí)熱網(wǎng)，且因目前熱網(wǎng)平衡控制方面存在困難，所以在國內(nèi)較少應(yīng)用。二級(jí)熱網(wǎng)采用量調(diào)節(jié)在技術(shù)上難以實(shí)現(xiàn)，原因有以下幾個(gè)方面。

二級(jí)熱網(wǎng)存在平衡控制方面的困難；隨著室外氣溫升高，網(wǎng)路水流量迅速減少，使室內(nèi)供暖系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的垂直熱力失調(diào)。量調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)為節(jié)熱，節(jié)電。流量在管道中變化是以壓力變化來實(shí)現(xiàn)的，水又是不可壓縮的，傳遞速度非?？?，因而此種調(diào)節(jié)可消除熱網(wǎng)遠(yuǎn)近兩端在調(diào)節(jié)上的時(shí)間差，達(dá)到調(diào)節(jié)上的同步。

3．分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)，把整個(gè)供熱期按室外溫度的高低分幾個(gè)階段，在熱負(fù)荷大時(shí)采用大流量，在熱負(fù)荷小時(shí)采用小流量，流量變化不超過3～4個(gè)階段，在每一個(gè)階段采用流量不變的質(zhì)調(diào)節(jié)。適用于一、二級(jí)熱網(wǎng)，應(yīng)用僅次于質(zhì)調(diào)節(jié)。

在每一個(gè)階段內(nèi)，水力工況穩(wěn)定，熱網(wǎng)遠(yuǎn)近端用戶溫度存在時(shí)間差。在熱網(wǎng)平衡控制上較量調(diào)節(jié)稍易實(shí)現(xiàn)，比質(zhì)調(diào)節(jié)稍難。流量變化不連續(xù)，只分幾段，故節(jié)熱同時(shí)只能部分節(jié)電。一級(jí)網(wǎng)使用少，二級(jí)網(wǎng)可推廣。

4．間歇調(diào)節(jié)（蒸汽熱網(wǎng)和熱水熱網(wǎng)都可以采用這種調(diào)節(jié)方式）。它不改變網(wǎng)絡(luò)的循環(huán)水量和供水溫度，只減少每天的供熱時(shí)間，只能作為一種輔助調(diào)節(jié)措施。優(yōu)點(diǎn)是根據(jù)熱用戶需求進(jìn)行供熱，適用辦公等間歇用熱的熱用戶，因供熱熱惰性，供熱啟停需要統(tǒng)籌安排。

5．熱水供暖系統(tǒng)的最佳調(diào)節(jié)工況（質(zhì)和量的綜合調(diào)節(jié)）。上述4種調(diào)節(jié)方法，都是從熱網(wǎng)與熱用戶整體關(guān)系的角度來討論熱量的供求調(diào)節(jié)關(guān)系。它只能保證用戶整體在某一室外溫度下的耗熱量，只能保證用戶整體的平均室內(nèi)溫度等于設(shè)計(jì)值，不能保證用戶內(nèi)各個(gè)房間的室內(nèi)溫度都符合設(shè)計(jì)值。從單個(gè)用戶樓室內(nèi)采暖系統(tǒng)角度來考慮，供熱調(diào)節(jié)不僅應(yīng)滿足用戶整體在某一室外溫度下的耗熱量，保證用戶整體的平均室內(nèi)溫度等設(shè)計(jì)值，而且應(yīng)保證用戶每個(gè)房間的室內(nèi)溫度都等于設(shè)計(jì)值，即隨著室外溫度tw的變化，不但熱網(wǎng)總熱負(fù)荷與各用戶樓的熱負(fù)荷按相同的比例進(jìn)行變化，而且應(yīng)使用戶每個(gè)房間的散熱設(shè)備的放熱量也按相同的比例變化。由此可得出熱水供暖系統(tǒng)的最佳調(diào)節(jié)工況，公式如下：

雙管系統(tǒng)： G=G/Gj=Q1/3=(tn-tw/tn-twj)1/3

tg=tn+(1/2)·(tgj+thj-2tn)·(tn-tw/tn-twj)1/1+B+(1/2)·(tgjthj)·(tn-tw/tn-twj)2/3

th=tn+(1/2)·(tgj+thj-2tn)·(tn-tw/tn-twj)1/1+B-(1/2)·(tgjt h j)·(t n-t w/t n-t w j)2/3 （5）

單管系統(tǒng)： G=G/Gj=QB/1+B=(tn-tw/tn-twj)B/1+B

tg=tn+(tgj-tn)·(tn-tw/tn-twj)1/1+B

th=tn+(thj-tn)·(tn-tw/tn-twj)1/1+B （6）

由公式可知，不論是單管還是雙管熱水供暖系統(tǒng)，其最佳調(diào)節(jié)工況均是質(zhì)和量的綜合調(diào)節(jié)。隨著室外氣溫tw的升高，不但應(yīng)降低供水溫度tg，而且還應(yīng)逐步減少網(wǎng)路的循環(huán)水流量G。同一供熱系統(tǒng)中，熱網(wǎng)循環(huán)水總流量與各用戶樓及用戶各房間的循環(huán)水流量的變化比例是一致的。(假定同一供熱系統(tǒng)中，各用戶樓室內(nèi)采暖系統(tǒng)的型式完全相同)。對(duì)于二級(jí)熱水網(wǎng)來講，此法供熱質(zhì)量最好，既節(jié)電又節(jié)熱。因?yàn)榇朔N調(diào)節(jié)方法流量的變化也是連續(xù)的同量調(diào)節(jié)一樣，也存在熱網(wǎng)平衡控制上的困難，所以雖然國內(nèi)供熱行業(yè)在二級(jí)熱網(wǎng)實(shí)施循環(huán)泵變頻調(diào)速變流量運(yùn)行，進(jìn)行質(zhì)和量并調(diào)的工程實(shí)踐項(xiàng)目也較多，但效果不好。流量的變化幅度不大，降不下來，運(yùn)行中流量多數(shù)都是始終高于設(shè)計(jì)狀態(tài)下的計(jì)算流量，沒有達(dá)到最佳調(diào)節(jié)工況的參數(shù)狀態(tài)。

在供熱設(shè)備與熱網(wǎng)負(fù)荷匹配，同時(shí)熱網(wǎng)也平衡的理想狀況下，二級(jí)熱網(wǎng)循環(huán)泵變頻調(diào)速的節(jié)電效益是很高的。正因?yàn)闊峋W(wǎng)的不平衡，導(dǎo)致二級(jí)熱網(wǎng)循環(huán)泵變頻調(diào)速變流量運(yùn)行節(jié)能效益不高，阻礙了此項(xiàng)節(jié)能技術(shù)的推廣。因此，首先要對(duì)換熱站設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，站內(nèi)設(shè)備嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)工況下進(jìn)行選型，實(shí)現(xiàn)最大節(jié)能效果。同時(shí)質(zhì)、量調(diào)節(jié)的前提是二級(jí)網(wǎng)的水力平衡和熱力平衡，站內(nèi)加裝自控裝置，二級(jí)網(wǎng)加裝必要的調(diào)控裝置及溫控裝置，在確保熱用戶用熱效果前提下，通過質(zhì)和量調(diào)節(jié)運(yùn)行，達(dá)到最佳節(jié)能效果。