高原地區(qū)某換熱站設計及節(jié)能分析

賀舒

中國建筑設計院有限公司

0 引言

隨著現(xiàn)代化城市及工業(yè)的發(fā)展，集中供熱系統(tǒng)愈趨大型化，對供熱的效果要求也更加嚴格，對系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性，安全性和可靠性的要求也越高。換熱站是連接熱源和熱用戶的重要環(huán)節(jié)，在整個供熱系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用，熱水管網(wǎng)又分為一次網(wǎng)和二次網(wǎng)，一次網(wǎng)是指連接于城市熱源管網(wǎng)和換熱站之間的管網(wǎng)，二次網(wǎng)是指連接于換熱站與熱用戶之間的管網(wǎng)，換熱站主要是指連接于一次網(wǎng)與二次網(wǎng)，并裝有與用戶連接的相關設備，儀表和控制設備的機房[1]。

本文通過對高原地區(qū)某換熱站工程設計和一次網(wǎng)和二次網(wǎng)供回水溫度進行測試、整理并分析，發(fā)現(xiàn)此集中供熱系統(tǒng)存在一些不節(jié)能的方面，并提出有效的建議，希望引起設計人員和管理人員的重視，為我國節(jié)能事業(yè)做一些貢獻。

1 換熱站工程設計

1.1 設計資料

換熱站修建地區(qū)氣象資料：采暖室外計算溫度tw為-20℃。冬季采暖天數(shù)N為156天。采暖室外平均溫度pt為7.6℃。最大凍土層深度為130 cm。室內(nèi)計算溫度為18℃。

本換熱站供熱網(wǎng)由東、西兩個供熱區(qū)域組成。東供熱區(qū)域為辦公區(qū)供熱面積達30多萬m2。西供熱區(qū)域主要為家屬區(qū)，供熱面積達20多萬m2。換熱站工作原理如圖1。

圖1 換熱站工作原理圖

1.2 換熱站能耗設計計算

采用建筑物供熱面積熱指標法，對換熱站全部建筑進行按原供熱方法全年能耗計算以及采用分時分區(qū)供熱后能耗計算，從而得出全年能耗總量。

1）傳統(tǒng)供熱方法全年供熱期熱負荷計算

利用建筑面積熱指標法，供熱量計算公式如下：

式中：Qn為建筑物全年供熱總能耗kJ；qf為建筑物供熱面積熱指標，取70W/m2；F為供熱建筑物的建筑面積；N為供熱期天數(shù)。

將需要冬季供熱的建筑物總面積563409m2代入式（1）可得到按傳統(tǒng)供熱方法全年總能耗Qn=132.7×109kJ。

2）分時分區(qū)供熱熱負荷分析

由于東部區(qū)域為辦公區(qū)，具有典型的辦公時間開啟供熱非辦公時間停止供熱的特點，因此，引入溫差修正系數(shù)Ф，Ф即為每天辦公樓辦公時間除以24小時，設每天辦公時間為08:00-18:00，即Ф=10/24=0.416，則東部區(qū)域熱能耗計算如下：

式中：Ф為溫差修正系數(shù)。

西部區(qū)域為家屬區(qū)，由于高原地區(qū)日照強烈，家屬樓都安裝了太陽能蓄熱裝置，在12:00-17:00中間5個小時停止供熱，因此，折合成停止供熱天數(shù)，5/24×165為35天，由于所在地供熱按照正常的建筑供熱能耗計算，熱能耗計算如下：

將建筑面積和每天所需的正常供熱時間分別代入式（2）和式（3）即可得到供熱的年能耗量。計算可得，采用傳統(tǒng)供熱方法，換熱站供熱區(qū)域全年供熱總能耗為132.7×109kJ，而采用分區(qū)域、分時段供熱方法，全年總能耗降低為97.5×109kJ。

1.3 換熱站一次網(wǎng)熱水流量節(jié)能控制系統(tǒng)設計

由于二級網(wǎng)側(cè)的供熱量是根據(jù)室外溫度變化和當?shù)責嶝摵汕€來確定的，實測供熱量和設定值相比較后，進行PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，控制器輸出信號至電動調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥的開度，從而改變一級網(wǎng)側(cè)的流量，滿足二次網(wǎng)供暖溫度的控制要求[2]。因此對一次網(wǎng)流量的控制系統(tǒng)必須是一個單閉環(huán)溫度系統(tǒng)，按照目前的控制技術(shù)以及高原地區(qū)的特定條件，采用電動閥門進行控制，盡管一次投入較大，但避免了人工操作誤差較大，為今后實現(xiàn)熱網(wǎng)遠程無線監(jiān)控打好基礎，是比較理想的方案。

本換熱站工程設計中，根據(jù)計算對照選型手冊選取一次網(wǎng)管道直徑為DN150，一次網(wǎng)熱水流量的自動控制系統(tǒng)主要由以下部件組成：西門子VVF41.1502型電動閥門；SKC62UA型執(zhí)行器，QAE2110.010型浸入式水溫傳感器，配套熱敏元件PT1000，具有兩個模擬量輸出點輸出DC 0…10 V信號的RWD6型控制器。系統(tǒng)具有如下功能。

1）電動調(diào)節(jié)閥門的標稱行程可達40mm，完全滿足調(diào)節(jié)一次網(wǎng)熱水流量的要求。

2）SKC62UA型執(zhí)行器具有可調(diào)節(jié)閥門開度起始點和工作范圍的順序控制；可進行閥門正反工作方向選擇，并且具有斷電時彈簧復位功能，保證來電后正常供暖。

3）閥門的開度控制除了具有線性或等比例調(diào)節(jié)外還有三種接線模式選擇，滿足設備調(diào)試、閥門完全開、閉的要求。

4）電動閥門安裝在一次網(wǎng)的回水管路，在加熱系統(tǒng)工作時，密封墊運行在較低的溫度，可以延長其壽命，同時為了增加電動閥門可靠性，在閥門入口前安裝了過濾器。

5）電動閥門操作在配套SKC62UA型執(zhí)行器的觸摸屏上，設置和調(diào)節(jié)非常方便。

2 供暖期內(nèi)一次網(wǎng)和二次網(wǎng)供回水溫度的測試

2.1 二次網(wǎng)供回水溫差測試

根據(jù)換熱站所在地區(qū)室外計算溫度為-20℃，查得最小供回水溫差為14.47℃，測試從2016年11月15日至2017年1月15日共計60天的供回水溫差，并對比當?shù)刈钚」┗厮疁夭?4.47℃，結(jié)果見圖2～4（縱坐標為換熱站實際的二次網(wǎng)供回水溫差相對于最小溫差14.47℃的差值，負數(shù)代表實際的二次網(wǎng)供回水溫差比最小溫差還要小，橫坐標表示測試日期）。

圖2 供回水溫差對比當?shù)刈钚」┗厮疁夭睿?016年11月15日-11月30日）

圖3 供回水溫差對比當?shù)刈钚」┗厮疁夭睿?016年12月1日-12月31日）

圖4 供回水溫差對比當?shù)刈钚」┗厮疁夭睿?017年1月1日-1月15日）

從圖2～圖4可以看出，在測試的供暖期一共60天內(nèi)，僅有5天的二次網(wǎng)供回水溫差滿足當?shù)刈钚〉墓┗厮疁夭?，僅占總測試天數(shù)的8.33%。說明，此換熱站的二次網(wǎng)供回水溫差在供暖期幾乎不滿足當?shù)刈钚〉墓┗厮疁夭畹囊蟆?/p>

3 一次網(wǎng)供回水溫度與室外溫度的關系

根據(jù)文獻[3]提供的計算方法可以得到間接供暖系統(tǒng)熱源供回水的溫度同供暖室外溫度的關系，那么采暖期按室外溫度提供熱源的供回水溫度以達到集中供熱節(jié)能的目的。集中供暖熱源的供回水溫度與室外溫度關系公式的編制條件[4]：

1）間接供暖的高溫水鍋爐房供回水溫度為130/80℃。

2）室內(nèi)采暖溫度均按18℃計算，散熱器采暖設備按全國通用的TZ4-6-8型鑄鐵散熱器計算。

3）傳熱系數(shù)

式中：A為常數(shù)；由實驗獲得b=0.287；熱水地面輻射供暖b=0；tpj為散熱器內(nèi)的熱媒平均溫度，℃；tn為供暖室內(nèi)計算溫度，℃。

間接供暖供回水溫度同室外溫度的關系：

隋煬帝沉溺游樂，為滿足自己的享樂要求，大肆建造龍舟，沿江賞玩，豈不知亡國之禍已見端倪，亡國之音不是偶然驟起，與當年不知亡國恨的陳后主無甚分別。意在借古喻今，規(guī)勸當權(quán)要以史為鑒，都對李商隱在詩中所要表露的含義給予了正確的揭示。集中有關諷喻的對象及事物或多或少都有揭露，這類詩的積極入選無不顯示著沈德潛對李商隱諷喻詩關注，在否定譏刺不好中更積極的解讀詩意，關注詩的本身，這無疑正是另一種形式的肯定。

式中：Tg為高溫側(cè)供水溫度，℃；Th為高溫側(cè)回水溫度，℃；tg為低溫側(cè)供水溫度，℃；th為低溫側(cè)回水溫度，℃；tw為室外溫度，℃；t'w為當?shù)囟臼彝庥嬎銣囟?，查?20℃。

圖5 供、回水溫度比較（2016年11月15日-11月30日）

根據(jù)上述公式，再結(jié)合實際供暖期的最高和最低的室外溫度，先算出最高室外溫度下的一次網(wǎng)最低供水溫度和最低室外溫度下的一次網(wǎng)最高供水溫度，進而算出最高室外溫度下的一次網(wǎng)最低回水溫度和最低室外溫度下的一次網(wǎng)最高回水溫度，再結(jié)合實際運行中一次網(wǎng)的供回水溫度，最終數(shù)據(jù)整理如圖5-7（橫坐標代表測試時間，h；縱坐標代表溫度，K）。綠色代表實際測試的供、回水溫度（每兩小時測一次），藍色代表高室外溫度下的供、回水溫度，紅色代表低室外溫度下的供、回水溫度。

圖6 供、回水溫度比較（2016年12月1日-12月31日）

圖7 供、回水溫度比較（2017年1月1日-1月15日）

從上述圖可以看出實際運行中的供水溫度幾乎都達不到在最高室外溫度下的最低供水溫度，說明了實際運行一次網(wǎng)供水溫度嚴重偏低的問題。

5 結(jié)束語

我國幅員廣闊，冬季采暖的地區(qū)占全國面積的4/5左右，對能源的需求是巨大的，而我國又是能源貧乏的國家之一，節(jié)能減排、降耗是國家長期的重點戰(zhàn)略任務，是政府和企業(yè)的重點考核指標。本文針對高原地區(qū)某換熱站的工程設計現(xiàn)狀，通過對換熱站中一次網(wǎng)和二次網(wǎng)的供回水溫度的測量、記錄和對比分析，發(fā)現(xiàn)存在以下問題。

1）此換熱站的二次網(wǎng)供回水溫差在供暖期合格率僅為8.33%，幾乎不滿足當?shù)刈钚〉墓┗厮疁夭畹囊蟆?/p>

3）換熱站的換熱器的對數(shù)平均溫差相對較小，導致?lián)Q熱面積將增大2～4倍。

以上問題也是換熱站實際使用過程中存在的普遍問題，針對以上問題，提出解決思路如下。

1）集中供熱系統(tǒng)中，在設計時應充分考慮二次網(wǎng)供回水溫差，提高系統(tǒng)二次網(wǎng)供回水溫差，使水泵能耗降低，達到系統(tǒng)節(jié)能和提高經(jīng)濟效益的目的。

2）在換熱站工程設計過程中，除了保證二次網(wǎng)供回水溫差外，一次網(wǎng)的供回水溫度也不能偏低，否則對二次網(wǎng)的供回水溫度、換熱器的換熱面積會有嚴重的影響。

換熱站和熱水管網(wǎng)是連接熱源和熱用戶的重要環(huán)節(jié)，在整個供熱系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用。換熱站的工程設計以及實際使用效果好壞，直接關系到居民的舒適度和能源的消耗程度，結(jié)合本文中的實際案例，我國的換熱站工程設計還有很大的節(jié)能和經(jīng)濟的空間，應該引起相關人員的高度重視。

[1] 章世斌.太陽能加熱站集中供暖系統(tǒng)分析[J].太陽能,2013,(11):43-46

[2] 王建成.換熱站節(jié)能控制系統(tǒng)的設計與應用[J].應用能源技術(shù),2012,(3):30-34

[3] 聶勇.集中供熱供回水溫度與室外溫度關系探討[J].節(jié)能,2014,(2):49-51.

[4] 曹宏麟.換熱站節(jié)能控制系統(tǒng)研究[J].山西建筑,2010,(1):207-208