既有居住建筑供熱改造方案研究及效果分析

陳軻 許娜

中國建筑科學(xué)研究院天津分院

1 引言

目前我國北方地區(qū)大多實(shí)現(xiàn)了集中供熱，為改善人民生活和推動(dòng)城市的經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)[1]。集中供熱系統(tǒng)因其環(huán)保節(jié)能、供熱質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)在我國迅速發(fā)展。而部分集中供熱系統(tǒng)由于設(shè)計(jì)與管理不專業(yè)、不合理，造成供熱系統(tǒng)運(yùn)行不暢、舒適性差，老百姓的供熱需求得不到保障。依據(jù)國家出臺(tái)的節(jié)能減排發(fā)展戰(zhàn)略，在供熱管網(wǎng)改造的過程中須以節(jié)能為設(shè)計(jì)和施工的原則將供熱資源不斷整合，系統(tǒng)不斷優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)城市現(xiàn)代化建設(shè)和供熱設(shè)施節(jié)能改造步伐的加快，促進(jìn)能源利用效率和供熱保障能力的提高[2]。

天津市某小區(qū)的供熱系統(tǒng)由于換熱站循環(huán)水泵選型不合理、同程式管網(wǎng)難以平衡調(diào)節(jié)、飄窗設(shè)計(jì)散熱量過大、用戶盤管間距不合理長度不均勻等問題使得住戶冷熱不平衡現(xiàn)象逐年嚴(yán)重，存在重大供熱隱患，不滿足居民冬季取暖需求，造成民生問題。為此，項(xiàng)目所屬的熱力公司積極組織運(yùn)行管理人員對(duì)小區(qū)住戶進(jìn)行連續(xù)測溫，確認(rèn)存在嚴(yán)重不熱情況后，經(jīng)技術(shù)人員進(jìn)場診斷、檢測，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)及結(jié)果進(jìn)行分析，給出了相關(guān)改進(jìn)方案。經(jīng)過全面的供熱診斷和節(jié)能改造，該供熱系統(tǒng)換熱站供熱量大大提升，水泵節(jié)電約達(dá)到15%，入戶供水溫度滿足供暖要求。不僅解決了供熱民生問題，也減少了維修站的工作量。因此，將此次供熱診斷和改造的經(jīng)驗(yàn)做簡單的介紹和總結(jié)，以期對(duì)之后的居住建筑供熱系統(tǒng)節(jié)能改造具有工程實(shí)際參考價(jià)值。

2 項(xiàng)目概況

天津市某小區(qū)由天津市寶坻區(qū)恒安供熱有限公司所屬城南供熱站供熱（圖1），竣工于2013 年。換熱站位于小區(qū)內(nèi)，供熱面積為112337 m2。供熱系統(tǒng)一次網(wǎng)設(shè)計(jì)供回水溫度80℃/60℃，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為5218.67 kW，設(shè)計(jì)工作壓力0.6 MPa。二次網(wǎng)供回水設(shè)計(jì)溫度50℃/40℃，系統(tǒng)末端分高低區(qū)，室內(nèi)采暖末端為地板輻射采暖。

圖1 改造前小區(qū)供熱二網(wǎng)路由布置圖

3 問題診斷

3.1 診斷方法

集中供熱系統(tǒng)是一種涉及多專業(yè)的復(fù)雜系統(tǒng)，它的每一部分都對(duì)供熱質(zhì)量和供熱能耗有著不同程度的影響[3]。因此，筆者在項(xiàng)目改造的問題診斷中采用了圖紙核查與現(xiàn)場調(diào)研相結(jié)合的方式，結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)對(duì)換熱站，建筑末端及末端典型房間的熱負(fù)荷進(jìn)行復(fù)核。根據(jù)二管網(wǎng)設(shè)計(jì)圖紙和換熱站設(shè)計(jì)負(fù)荷，分別對(duì)高低區(qū)二次管網(wǎng)進(jìn)行了水力，流量和板換選型核算。并通過現(xiàn)場換熱站核查，對(duì)建筑末端進(jìn)行實(shí)際調(diào)研，得出實(shí)際所需耗熱量。通過此供熱診斷模式在該項(xiàng)目的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，該診斷方法能夠?qū)崿F(xiàn)全方面的供熱復(fù)核，體現(xiàn)出多因素、復(fù)雜的綜合性供熱問題。

3.2 診斷結(jié)果

3.2.1 換熱站

1）二級(jí)泵流量選型偏小。兩臺(tái)二級(jí)泵并聯(lián)工頻運(yùn)行下實(shí)際流量為142.61 m3/h，較理論設(shè)計(jì)所需流量190.63 m3/h 偏小25.19%。

2）高低區(qū)循環(huán)水泵選型不合理。高低區(qū)循環(huán)泵流量普遍過大，富裕系數(shù)分別達(dá)到1.22 和1.28。而實(shí)際運(yùn)行流量偏?。ǖ蛥^(qū)445 m3/h、高區(qū)106 m3/h），無法滿足設(shè)計(jì)所需流量（低區(qū)448 m3/h、高區(qū)130 m3/h）。

3）根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，高低區(qū)采暖熱負(fù)荷分別為1500 kW、5200 kW，在室外氣溫-7.5℃、入住率100%的情況下，當(dāng)前換熱站高區(qū)實(shí)際供熱量為1387 kW，低區(qū)實(shí)際供熱量為4609 kW。因此，換熱站實(shí)際的供熱量比末端需要的熱量少約10%～20%的供熱量。

3.2.2 二次管網(wǎng)

1）管網(wǎng)設(shè)計(jì)為同程式，不易達(dá)到水力平衡，且項(xiàng)目建設(shè)運(yùn)行時(shí)未進(jìn)行水力平衡調(diào)試，尤其結(jié)合住戶私加泵的情況，使得項(xiàng)目的冷熱不平衡現(xiàn)象逐年嚴(yán)重。

2）管網(wǎng)管徑設(shè)計(jì)不合理。低區(qū)比摩阻相對(duì)較大，多數(shù)管段實(shí)際比摩阻為135 Pa/m，遠(yuǎn)超規(guī)范推薦值50～80 Pa/m。

3）管網(wǎng)水力計(jì)算不準(zhǔn)確。高低區(qū)環(huán)路阻力分別為41.2 與24.5 m，而循環(huán)泵實(shí)際選型揚(yáng)程均為33.6 m，導(dǎo)致低區(qū)水泵揚(yáng)程選型偏低，高區(qū)揚(yáng)程偏高。

3.2.3 熱力入口及末端用戶

1）部分樓棟熱力入口無壓差閥和靜態(tài)平衡閥，個(gè)別入口管路缺少蝶閥，無法進(jìn)行全網(wǎng)水力平衡調(diào)節(jié)，過濾器前后無法管段，也無法及時(shí)清理，對(duì)管網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)及過濾器清洗帶來嚴(yán)重影響。

2）末端各支路長度分布不均勻。不同分支之間的阻力差異相對(duì)過大，形成戶內(nèi)水力失調(diào)，造成戶內(nèi)部分房間冷熱分布不均。

3）飄窗設(shè)計(jì)散熱量過大。北側(cè)臥室設(shè)計(jì)為飄窗，由于在施工過程中未重視窗臺(tái)板下的保溫工作，出現(xiàn)冷熱橋現(xiàn)象（圖2），飄窗下沿溫度過低。加之盤管存在的設(shè)計(jì)、施工等方面的問題，導(dǎo)致目前北側(cè)小臥室溫度普遍過低。

圖2 16#1602 室飄窗冷橋熱成像圖

4）末端用戶私加管道循環(huán)泵現(xiàn)象嚴(yán)重。造成二次管網(wǎng)總體平衡破壞，戶內(nèi)搶水現(xiàn)象且難以調(diào)節(jié)。管網(wǎng)供回水串流、降低熱品質(zhì)，部分用戶供回水逆流。且各用戶私加泵型號(hào)和位置不一增大了管網(wǎng)阻力，導(dǎo)致?lián)Q熱站循環(huán)水泵流量無法明顯提升，從而影響換熱站的總供熱量。

4 改造方案

4.1 室外管網(wǎng)改造方案

1）對(duì)原系統(tǒng)大環(huán)路進(jìn)行分路設(shè)環(huán)。在管網(wǎng)中間位置增加一供一回兩根管道并將換熱站出口處管道進(jìn)行適當(dāng)改造調(diào)整，將原有大環(huán)路拆分為三個(gè)小環(huán)路。

2）針對(duì)既有建筑整體布局為各支路選擇合適的系統(tǒng)形式。如圖3 所示，二次網(wǎng)供熱管線自換熱站引出后分為三路：支路1 供給換熱站旁的14#、15 #、19 #、20#、24 #，此部分為異程式系統(tǒng)。支路2 沿原有供水管線，供給下部1# 至11#、16 #、26 # 至28# 之后，流經(jīng)新加回水管直接返回?fù)Q熱站，此部分形成同程式系統(tǒng)。支路3 從換熱站出來后引供水管至12#樓，之后沿原有供水管路，供給上部12#至13#、17 #至18#、21 #至23#、25 #，回水仍沿原管路返回，此部分形成了同程式系統(tǒng)。

圖3 室外管網(wǎng)改造方案

對(duì)此方案在末端設(shè)計(jì)負(fù)荷及按照實(shí)際測溫結(jié)果核算的保證末端22℃的校核負(fù)荷兩種狀態(tài)下的情況進(jìn)行水力計(jì)算，各支路最不利環(huán)路管網(wǎng)部分阻力損失結(jié)果如表1 所示。

表1 各支路最不利環(huán)路管網(wǎng)部分阻力損失計(jì)算結(jié)果

在此改造方案下，整個(gè)系統(tǒng)最不利環(huán)路為支路2，經(jīng)計(jì)算最不利用戶為25#，按照校核負(fù)荷計(jì)算得到的管網(wǎng)所需揚(yáng)程為33.1 m，與原方案相比所需揚(yáng)程降低了8.1 m。

4.2 二級(jí)泵改造方案

在設(shè)計(jì)階段，往往設(shè)計(jì)人員從計(jì)算熱負(fù)荷開始，到設(shè)備選型，會(huì)有層層設(shè)置保險(xiǎn)系數(shù)的問題，到設(shè)備選型時(shí)再進(jìn)行放大選型，導(dǎo)致設(shè)備選型不合適，設(shè)備額定出力偏離實(shí)際運(yùn)行工況，設(shè)備不能在效率高的區(qū)間運(yùn)行，造成能源的浪費(fèi)。從設(shè)計(jì)階段應(yīng)盡量避免此問題出現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)綜合考慮建筑節(jié)能情況，以及在此計(jì)算的前面已經(jīng)考慮的富裕量，避免最終富裕量留的過高[4]。

通過診斷分析可知，本項(xiàng)目換熱站內(nèi)兩臺(tái)二級(jí)泵并聯(lián)工頻運(yùn)行實(shí)際流量比理論設(shè)計(jì)所需流量小25.19%，而換熱站變壓器富裕容量有限，一次網(wǎng)二級(jí)泵需要根據(jù)一次側(cè)實(shí)際運(yùn)行溫差35℃進(jìn)行選型。為了保證末端熱負(fù)荷需求，需要對(duì)二級(jí)泵進(jìn)行改造。改造前后的設(shè)備工況及型號(hào)參數(shù)如表2。

表2 二級(jí)泵各工況型號(hào)

4.3 水力平衡調(diào)試方案

二級(jí)網(wǎng)供熱系統(tǒng)的各個(gè)熱力入口的水力平衡度，室外供熱管網(wǎng)各個(gè)熱力入口處的水力平衡度應(yīng)為0.9～1.2[5]。該規(guī)定的目的在于通過水力平衡調(diào)節(jié)使得各供熱管網(wǎng)的實(shí)際循環(huán)流量為設(shè)計(jì)循環(huán)流量的90%～120%[6]。經(jīng)過室外管網(wǎng)改造后，該供熱熱網(wǎng)的各管徑及流量均發(fā)生變化，因此需要根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)及具體情況進(jìn)行調(diào)試。

本供熱管網(wǎng)水力平衡調(diào)試流程為：調(diào)試前對(duì)現(xiàn)有未安裝靜態(tài)平衡閥的熱力入口進(jìn)行排查，關(guān)閉全部的戶用加壓泵，避免影響測試參數(shù)的準(zhǔn)確度。依據(jù)換熱站改造后實(shí)際情況，進(jìn)行現(xiàn)場勘察測試，對(duì)供熱系統(tǒng)進(jìn)行分析診斷。根據(jù)核算的各熱力入口的設(shè)計(jì)流量和供回水溫度，選定最不利環(huán)路，校核計(jì)算出各熱力入口所需實(shí)際流量，制定現(xiàn)場調(diào)試方案。

進(jìn)入調(diào)試現(xiàn)場，使用調(diào)試工具進(jìn)行項(xiàng)目供熱系統(tǒng)管網(wǎng)的調(diào)試。調(diào)試的具體方法為：按復(fù)核后的調(diào)試數(shù)據(jù)和回水溫度，分別調(diào)試了各熱力入口的自力式可調(diào)壓差控制閥等調(diào)節(jié)閥，以確保各支環(huán)路的阻力與流量平衡。

5 改造效果分析

5.1 供熱量提升分析

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙可知低區(qū)采暖熱負(fù)荷為5200 kW（室外溫度：-7.0℃[7]），根據(jù)改造前換熱站的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)核算，換熱站低區(qū)實(shí)際供熱量為4592.43 kW，為設(shè)計(jì)負(fù)荷的88%，負(fù)荷略微偏低。根據(jù)改造后換熱站的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)核算，換熱站低區(qū)實(shí)際供熱量為5746.1 kW，為設(shè)計(jì)負(fù)荷的110%，基本滿足負(fù)荷要求。通過現(xiàn)場測得的供回水溫度、流量等數(shù)據(jù)，可計(jì)算出供熱改造前后的供熱量，具體數(shù)據(jù)如表3。

表3 改造前后供熱量計(jì)算表

在循環(huán)水泵頻率低于改造前3.5 Hz 的情況下，改造后低區(qū)換熱站的流量仍然提升了7%，換熱量提高了1154 kW。若將循環(huán)水泵運(yùn)行頻率提高到50 Hz，低區(qū)換熱站的總換熱量可進(jìn)一步得到提高，且約有20% 的供熱量提升空間。

5.2 水泵節(jié)能分析

對(duì)循環(huán)水泵效率進(jìn)行分析可知：改造前效率60.3%（水泵頻率48.4 Hz）、改造后效率61%（水泵頻率44.9 Hz），兩者基本相當(dāng)。由此可知，由于原系統(tǒng)大環(huán)路的拆分，低區(qū)管網(wǎng)阻力明顯減小，若將水泵頻率提升至改造前的運(yùn)行頻率，水泵的效率能夠得到進(jìn)一步提升。

目前，低區(qū)換熱站的總流量提高了28 m3/h，循環(huán)水泵的揚(yáng)程下降了6 m。在滿足末端需求情況下，循環(huán)泵頻率下降了7.2%，循環(huán)泵功率降低了7.7 kW，節(jié)約了大量的電能。以目前循環(huán)泵45 Hz 情況與改造前48.5 Hz 情況相比，水泵節(jié)電達(dá)到約15%，節(jié)電的效果明顯。

5.3 末端效果提升分析

針對(duì)末端16#、8#、18#、22#部分不熱用戶的情況原因進(jìn)行分析，提出了整改措施，改造后對(duì)抽檢用戶進(jìn)行了入室檢查。下面以22#不熱用戶為例，與去年調(diào)研情況進(jìn)行對(duì)比分析，具體情況如表4 和圖4、5 所示。

表4 改造前后22#樓調(diào)研數(shù)據(jù)

圖4 22#2-201 客廳溫度

圖5 22#2-2401 北臥溫度

改造前由于202 室私加水泵，201 室反映不熱。改造后，201 室的室內(nèi)溫度在六天內(nèi)基本保持在19.9℃，滿足供熱標(biāo)準(zhǔn)。改造前由于飄窗、地板盤管、供熱量、水力不平衡等問題，存在大量不熱住戶，2017 年12 月進(jìn)行現(xiàn)場核查時(shí)投保修訴量高達(dá)300 戶。通過本次供熱改造，供熱效果得到提升，基本做到了“零投訴”，僅個(gè)別住戶存在報(bào)修的情況。

6 結(jié)論

本項(xiàng)目通過供熱改造，在管網(wǎng)中間外置增加一供一回兩根管道并將換熱站出口處管道進(jìn)行適當(dāng)改造調(diào)整，將原有的大環(huán)路拆分為三個(gè)小環(huán)路?；窘鉀Q了住戶所面臨的不熱問題，滿足了供暖設(shè)計(jì)指標(biāo)，使供熱系統(tǒng)用能過程整體優(yōu)化，達(dá)到大幅的節(jié)能減排的目的。實(shí)現(xiàn)了以提升熱用戶的滿意度為目標(biāo)的，以節(jié)能減排為原則，供熱管網(wǎng)系統(tǒng)的節(jié)能性和持續(xù)性的發(fā)展[8]。主要效果總結(jié)如下：

①改造后低區(qū)換熱站的供熱量得到了提高，目前循環(huán)泵45 Hz 情況下已經(jīng)滿足了設(shè)計(jì)要求，嚴(yán)寒期供熱量還有進(jìn)一步增大空間。

②改造后系統(tǒng)阻力減小，循環(huán)泵揚(yáng)程降低6 m，水泵效率得到提升，循環(huán)水泵節(jié)電達(dá)到15%，效果較好。

③末端回水溫度、流量都有明顯的提高，根據(jù)檢測的室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)，基本都能保持在20℃左右，供熱效率明顯得到提升。

④本次改造后小區(qū)報(bào)修量大量減少，為供熱企業(yè)節(jié)省了大量的人力物力，同時(shí)極大的提高了老百姓用熱滿意度，解決了供熱民生問題。

供熱作為一項(xiàng)民生工程，其安全、高效、穩(wěn)定運(yùn)行應(yīng)受到重點(diǎn)關(guān)注[9]。供熱企業(yè)首先在認(rèn)識(shí)上需要進(jìn)行調(diào)整，避免“頭疼醫(yī)頭，腳疼醫(yī)腳”的思維出現(xiàn)。供熱是系統(tǒng)性工程，亟需通過系統(tǒng)分析診斷，從全局性去著手制定系統(tǒng)的解決方案，同時(shí)要吸收類似項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，把握好新建項(xiàng)目，逐步改善優(yōu)化既有供熱問題。