集中供熱系統(tǒng)的節(jié)能分析和優(yōu)化設(shè)計

孔 德 辰

(太原市熱力公司城南供暖分公司，山西 太原 030006)

?

集中供熱系統(tǒng)的節(jié)能分析和優(yōu)化設(shè)計

孔 德 辰

(太原市熱力公司城南供暖分公司，山西 太原 030006)

結(jié)合太原市集中供熱的現(xiàn)狀，分析了城區(qū)中某些老舊小區(qū)建筑物室內(nèi)溫度偏低的原因，并從確定實際供暖熱負(fù)荷、實現(xiàn)供熱管網(wǎng)內(nèi)動態(tài)水力平衡、調(diào)整換熱站供熱溫度等方面，闡述了相應(yīng)的改進(jìn)措施，使集中供熱系統(tǒng)更節(jié)能、高效、環(huán)保。

集中供熱，管網(wǎng)，節(jié)能，換熱站

太原市供暖氣候條件屬于寒冷地區(qū)，冬季室外采暖設(shè)計溫度為-11 ℃；主城區(qū)已全部實現(xiàn)集中供熱，每年供暖時間為11月1日至次年3月31日；5個月的時間供暖總能耗占城市全年總能耗的比重很大，供熱系統(tǒng)的能耗降低，將在綠化環(huán)境和節(jié)能減排方面做出巨大貢獻(xiàn)。

在城區(qū)新建商業(yè)和住宅項目中，建筑物體形系數(shù)的限制、圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫措施的改善、門窗氣密性的提高、建筑群整體布局規(guī)劃的完善和建筑物從朝向、間距、形體上受到太陽輻射面積和日照時間的優(yōu)化，使新建項目建筑物單體的能耗已經(jīng)滿足節(jié)能需求，并且大部分建筑物室內(nèi)溫度高于22 ℃，甚至有些高層住宅項目中間層因為室溫超過30 ℃需要關(guān)閉供暖閥門并且打開門窗來降低室溫；但城區(qū)中與之形成鮮明反差的老舊小區(qū)建筑物室內(nèi)溫度無法達(dá)到基本供熱要求，有的還不到14 ℃甚至更低。造成這種現(xiàn)象的原因筆者認(rèn)為主要為水力失調(diào)和管網(wǎng)老化：其中管網(wǎng)老化需要供熱公司在供暖季到來前及時修復(fù)和更換管道；集中供熱管網(wǎng)水力失調(diào)現(xiàn)象普遍存在于一次網(wǎng)和二次管網(wǎng)內(nèi)，并且在集中供熱系統(tǒng)的熱源總量沒有增加的情況下，新建項目和改造項目使水力失調(diào)現(xiàn)象進(jìn)一步加劇，造成能源的浪費(fèi)。筆者認(rèn)為需從以下三方面來實現(xiàn)供熱系統(tǒng)運(yùn)行期的節(jié)能。

1)確定建筑物的實際供暖熱負(fù)荷；計算負(fù)荷參數(shù)來源見表1。

表1 計算負(fù)荷參數(shù)來源

建筑物單體熱負(fù)荷在工程設(shè)計階段有兩種方法確定：一種為熱負(fù)荷指標(biāo)法，另一種根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，建筑物內(nèi)部產(chǎn)熱量和冷風(fēng)滲透量來確定，前者是由“三北地區(qū)”實測資料實驗而來，地域跨度大，指向性差，總熱負(fù)荷比后者高出0.5倍～0.8倍[1]，實際中第二種方法更加準(zhǔn)確，有針對性，可作為管網(wǎng)選型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)使用。

根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)計算建筑物采暖熱負(fù)荷主要由以下幾個方面組成：

a.建筑物基本耗熱量Qj：Qj=KF(tn-tw)α；

b.建筑物附加耗熱量Q1：Q1=Qj(1+βch+βf+βli+βm)(1+βfg)(1+βj);

c.通過外窗滲透冷風(fēng)耗熱量Q2：Q2=0.28cpρ(tn-tw)V;

d.通過外門開啟耗熱量Q3：Q3=Qj×βkq。

建筑物采暖熱負(fù)荷經(jīng)計算后匯總確定，并考慮建筑物朝向，層高等多種因素的影響，對建筑物采暖總熱負(fù)荷進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整；新入網(wǎng)的小區(qū)在第一年供暖季開始供熱后，當(dāng)?shù)丶泄峁緫?yīng)實際入戶考察小區(qū)供熱情況，確定管網(wǎng)選型是否滿足或者超過實際用熱需求，為供暖系統(tǒng)運(yùn)行實行動態(tài)調(diào)整提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

2)通過對集中供熱管網(wǎng)整體設(shè)置自力式壓差控制閥實現(xiàn)供暖季管網(wǎng)內(nèi)動態(tài)水力平衡；集中供熱系統(tǒng)中的水力失調(diào)現(xiàn)象主要體現(xiàn)為水力運(yùn)行工況失衡，流量分配不均，造成部分供熱區(qū)域溫度過低；如果只是通過增加流量和提高水泵揚(yáng)程的方式來解決[1]，無法從根本上解決水力失衡的問題，甚至引起管道超壓、倒空、氣化的危險；筆者認(rèn)為解決水力失衡的有效方案之一便是整體規(guī)劃和設(shè)計供熱管網(wǎng)，在小區(qū)建筑物管網(wǎng)入口處添加自力式壓差控制閥，將動態(tài)水力失調(diào)通過自力式壓差控制閥轉(zhuǎn)化為靜態(tài)水力平衡狀態(tài)，實現(xiàn)水力平衡。

自力式壓差控制閥主要由一個自動平衡閥和一個手動調(diào)節(jié)閥組成，設(shè)定好流量后，通過自動平衡閥控制節(jié)流后壓力與出口壓力的差值不變，通過手動調(diào)節(jié)閥控制閥體開度，實現(xiàn)消除采暖系統(tǒng)富裕壓頭的作用；供熱系統(tǒng)中采用自力式壓差控制閥來進(jìn)行水力平衡的調(diào)節(jié)，必然會增加熱力施工的建造成本，但從投資收益的角度分析：在供暖期自力式壓差控制閥在節(jié)電，節(jié)煤，節(jié)水方面都能帶來很好的節(jié)能效益；并且熱力管網(wǎng)達(dá)到水力平衡后，不僅能有效改善管網(wǎng)運(yùn)行情況，還可以提高熱用戶的室內(nèi)溫度，滿足熱用戶的需求，減少用戶投訴，提高熱用戶的滿意度。

實際施工時，由于采暖系統(tǒng)設(shè)計軟件存在局限性，并且受到實際施工質(zhì)量的影響，集中供熱管網(wǎng)投入使用初期，需要實際檢驗供熱管網(wǎng)的水力工況，并且對自力式壓差控制閥進(jìn)行微調(diào)。

3)根據(jù)居住建筑與商業(yè)類建筑負(fù)荷峰值差異，調(diào)整換熱站供熱溫度；城區(qū)的集中供熱已經(jīng)實現(xiàn)，并且在節(jié)能和環(huán)保方面也發(fā)揮出應(yīng)有的作用；集中供熱系統(tǒng)由于供熱面積大，造成供暖區(qū)域內(nèi)建筑物功能的多樣性，實際供熱中，考慮是否可以根據(jù)建筑物功能，實現(xiàn)模塊化供熱。

集中供熱一般由熱源，一次供熱管網(wǎng)，換熱站，二次供熱管網(wǎng)和熱用戶組成；現(xiàn)在太原市熱力公司正在建設(shè)三級供熱系統(tǒng)，雖然還在試行階段，但已經(jīng)在國際上取得技術(shù)的認(rèn)可和肯定；三級供熱系統(tǒng)比二級供熱系統(tǒng)所帶面積更大，熱網(wǎng)區(qū)域內(nèi)熱用戶更多，熱力交換所需要的時間也更長，因此對于熱力管網(wǎng)穩(wěn)定性要求更高；如果天氣改變或者其他外界原因影響，需要臨時調(diào)整供熱溫度，供熱管網(wǎng)的熱交換時間的增加，管網(wǎng)內(nèi)的水無法及時調(diào)整，很容易造成能源的浪費(fèi)，降低用戶體驗和能源的浪費(fèi)。筆者認(rèn)為三級供暖系統(tǒng)所帶區(qū)域極大，需要借鑒模塊化系統(tǒng)的優(yōu)勢來調(diào)整供暖策略，換熱站后二次網(wǎng)管線按建筑物功能劃分開，比如住宅類建筑白天負(fù)荷低，夜間負(fù)荷高；商業(yè)類建筑(除醫(yī)院、旅館等夜間開放的建筑外，下同)恰恰相反，一般白天負(fù)荷較高，夜間熱負(fù)荷低；供暖需求峰值不同，換熱站供熱溫度可根據(jù)功能調(diào)整供水溫度，如果將多種功能建筑由同一條管網(wǎng)供熱，將造成能源的浪費(fèi)；供熱公司一般根據(jù)日照和氣溫的變化，在白天供熱溫度低，夜間供熱溫度高；供水溫度白天滿足商業(yè)類建筑升溫，夜晚由于同一管線內(nèi)住宅建筑而供熱升溫，而商業(yè)類建筑此時熱負(fù)荷很低，而且商業(yè)類建筑一般都采用空調(diào)采暖，夜間如果供水溫度很高，為了防止供熱系統(tǒng)管道內(nèi)壓力過高，只能在夜間被迫的情況下開啟空調(diào)散熱，以防止管道因為高溫高壓爆管，造成電能和熱能的雙重浪費(fèi)。換熱站采用模塊化供暖管網(wǎng)設(shè)計時，可根據(jù)峰值不同分別調(diào)整供熱溫度，白天降低對住宅類建筑的供水溫度，升高商業(yè)類建筑的供水溫度，夜晚升高住宅類建筑的供水溫度，降低商業(yè)類建筑的供水溫度，可有效實現(xiàn)錯峰填谷，提高集中供暖系統(tǒng)的供熱效率。

模塊化供暖系統(tǒng)，從現(xiàn)在的技術(shù)和費(fèi)用角度來看，是一種半理想化的系統(tǒng)狀態(tài)，實際中由于各種因素的限制，往往無法根據(jù)建筑物的功能實現(xiàn)，但筆者在這里建議熱力公司在換熱站設(shè)計時，將建筑物功能作為一種考慮標(biāo)準(zhǔn)，對商業(yè)類建筑與住宅類建筑分別調(diào)控，更好的實現(xiàn)供暖系統(tǒng)的節(jié)能。

供熱系統(tǒng)作為耗能大戶，在環(huán)境問題日益突出的今天，節(jié)能減排勢在必行；采暖系統(tǒng)的設(shè)計者首先需要確定建筑物實際負(fù)荷，因為熱負(fù)荷是供熱管網(wǎng)選型的基礎(chǔ)；只有在正確數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，才能做出最節(jié)能高效的選型；供暖系統(tǒng)的水力工況決定供暖系統(tǒng)的穩(wěn)定和末端熱用戶體驗，采用自立式平衡閥可有效實現(xiàn)水利平衡；最后就是要根據(jù)建筑物功能和天氣變化等綜合條件來確定供熱溫度變化，而不僅僅是室外溫度單一變量。通過在集中供暖運(yùn)行中各個環(huán)節(jié)的把控，才能使集中供熱系統(tǒng)更節(jié)能、更高效、更環(huán)保。

[1] 李德英.建筑節(jié)能技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2] 賀 平，王 飛.供熱工程[M].第4版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

Energy saving analysis and optimal design of central heating system

Kong Dechen

(Taiyuan Thermal Power Corporation Chengnan Heating Branch Company, Taiyuan 030006, China)

Combining with central heating status of Taiyuan city, the thesis analyzes low indoor temperature cause of the old community building, and describes corresponding improving measures from aspects of determining actual heating load, realizing dynamic water stress balance of the internal heating pipe network, and adjusting heating temperature of the heat-exchange station, so as to make the central heating system more energy saving, high efficient and environment protection.

central heating, pipe network, energy saving, heat-exchange station

1009-6825(2017)08-0189-02

2017-01-05

孔德辰(1989- )，女，助理工程師

TU995

A