北方城市集中供暖系統(tǒng)能耗與過量供熱案例分析

種道坤 周海珠 李曉萍 李以通

中國建筑科學(xué)研究院有限公司

0 引言

過量供熱會加劇集中供暖系統(tǒng)的能耗水平，其原因可分為以下三點(diǎn)：供暖系統(tǒng)熱惰性[1]、建筑熱工性能差異[2]、人員用熱行為[3]。相關(guān)學(xué)者開展了大量研究，但仍存在以下問題：一是，對于過量供熱問題大多為定性描述，過熱程度的評價(jià)也是基于主觀感受，缺乏準(zhǔn)確定量評估。二是，集中供暖是一個(gè)復(fù)雜的多因素、多環(huán)節(jié)耦合系統(tǒng)，應(yīng)從源頭出發(fā)對整個(gè)系統(tǒng)層面的過量供熱問題進(jìn)行研究。

因此，本文選取了不同城市的三個(gè)大規(guī)模集中供暖系統(tǒng)，基于實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)總能耗以及熱源、輸配管網(wǎng)、建筑末端的分項(xiàng)能耗進(jìn)行了分析。分別提出了描述時(shí)間和空間過量供熱程度的量化方法，對其中一個(gè)系統(tǒng)的過量供熱程度進(jìn)行了評估，將時(shí)間因素和空間因素進(jìn)行了獨(dú)立分析。

1 系統(tǒng)介紹

本文所選取的三個(gè)集中供暖系統(tǒng)分別位于哈爾濱市、天津市、青島市，覆蓋嚴(yán)寒和寒冷氣候分區(qū)，且都是采用燃煤鍋爐作為熱源，但天津市和青島市的系統(tǒng)為熱電聯(lián)產(chǎn)形式，三個(gè)系統(tǒng)的情況介紹如表1 所示。我國北方城市大規(guī)模區(qū)域集中供暖仍存在大量傳統(tǒng)燃煤鍋爐形式，由于經(jīng)濟(jì)成本、現(xiàn)場條件等原因，目前此類燃煤鍋爐并無法被完全替代，因此在現(xiàn)有基礎(chǔ)上如何最大程度地進(jìn)行節(jié)能改造，從而提升其節(jié)能低碳水平，是需要重點(diǎn)研究的問題[4]，系統(tǒng)1 即為典型代表。對于條件允許的地區(qū)，傳統(tǒng)燃煤鍋爐應(yīng)轉(zhuǎn)型為熱電聯(lián)產(chǎn)，而對于新建項(xiàng)目則優(yōu)先考慮熱電聯(lián)產(chǎn)形式，因此，本文選取了系統(tǒng)2 和系統(tǒng)3。

表1 集中供暖系統(tǒng)介紹

2 分析方法

2.1 能耗分析

本文采用 GB/T 51161-2016《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》中嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)建筑供暖能耗的計(jì)算方法，對三個(gè)系統(tǒng)的供暖綜合能耗指標(biāo)、熱源能耗指標(biāo)、輸配系統(tǒng)能耗指標(biāo)（包含管網(wǎng)熱損失率和管網(wǎng)水泵電耗）以及建筑耗熱量指標(biāo)進(jìn)行了計(jì)算，原始數(shù)據(jù)來源為各熱電廠的自動監(jiān)控平臺以及能耗臺賬。最后，所有能耗指標(biāo)均與表2[5]列出的標(biāo)準(zhǔn)約束值和引導(dǎo)值進(jìn)行了對比分析。

表2 三個(gè)城市的集中供暖能耗指標(biāo)約束值與引導(dǎo)值

2.2 過量供熱分析

建筑理論熱負(fù)荷應(yīng)作為是否過量供熱的評判基準(zhǔn)，而理論熱負(fù)荷可假設(shè)與室內(nèi)外溫差存在線性關(guān)系[6]，最大熱負(fù)荷應(yīng)為供暖季最冷天的實(shí)際熱負(fù)荷。因此，室內(nèi)理論熱負(fù)荷可由式（1）計(jì)算得出：

式中：Qt為建筑理論熱負(fù)荷，W/m2；Qd為建筑設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，W/m2；Ti,d為供暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，℃；To為室外氣溫，℃；To,min為最低室外氣溫，℃。

對于過量供熱率，目前專業(yè)領(lǐng)域并未形成統(tǒng)一的計(jì)算方法和標(biāo)準(zhǔn)，本文將其定義為實(shí)際供熱量與理論熱負(fù)荷的相對差異率。因此，對于某一供暖時(shí)間段，通過計(jì)算平均室內(nèi)溫度，則可得出過量供熱率ε，如式（2）所示：

式中：Ti,a為供暖平均室內(nèi)溫度，℃。

3 分析結(jié)果

3.1 系統(tǒng)能耗水平

3.1.1 供暖綜合能耗

供暖綜合能耗指標(biāo)是以一個(gè)完整的供暖期單位建筑面積供暖系統(tǒng)能耗量作為指標(biāo)的表現(xiàn)形式，并應(yīng)包括供暖系統(tǒng)的熱源所消耗的能源和供暖系統(tǒng)的水泵輸配電耗。其中輸配電耗按照供電煤耗320 gce/kWh 折合為標(biāo)煤計(jì)入供暖能耗。

按照 GB/T 51161-2016《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》中的計(jì)算方法，所選取的三個(gè)集中供暖系統(tǒng)的供暖綜合能耗指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)約束值、引導(dǎo)值的對比情況如圖1 所示。哈爾濱、天津、青島三個(gè)系統(tǒng)的供暖綜合能耗指標(biāo)分別為18.5 kgce/m2、7.0 kgce/m2、9.4 kgce/m2，系統(tǒng)1 和3 均高于標(biāo)準(zhǔn)約束值，而系統(tǒng)2 高于引導(dǎo)值低于約束值。其中，系統(tǒng)1 能耗水平最高，高出約束值60.7%，由于該系統(tǒng)為傳統(tǒng)燃煤熱水鍋爐，建成時(shí)間較長，與另外兩個(gè)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相比，在能源利用效率上處于劣勢。系統(tǒng)3 的能耗水平最低，略微低出約束值4.1%，而系統(tǒng)2 處于中間地位，高出約束值51.6%。然而，總能耗不能反應(yīng)出系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的能耗水平，還需要對系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)單獨(dú)分析。

圖1 各系統(tǒng)供暖綜合能耗指標(biāo)

3.1.2 熱源能耗指標(biāo)

三個(gè)系統(tǒng)的熱源能耗指標(biāo)如圖2 所示，數(shù)值依次為51.0 kgce/GJ、26.8 kgce/GJ、41.4 kgce/GJ，分別超出了標(biāo)準(zhǔn)約束值131.8%、21.8%、88.2%。由此可見，三個(gè)系統(tǒng)熱源總體能耗水平欠佳，其中系統(tǒng)1 的傳統(tǒng)燃煤熱水鍋爐能耗最高，效率低下，經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)鍋爐采用老式鏈條爐排，相對于往復(fù)式爐排，熱效率較低，同時(shí)尾部受熱面積灰嚴(yán)重，使得排煙阻力增大，排煙溫度升高。系統(tǒng)2 和系統(tǒng)3 為熱電聯(lián)產(chǎn)形式，均采用燃煤蒸汽鍋爐，類型包含循環(huán)硫化床鍋爐、煤粉鍋爐以及水煤漿鍋爐，內(nèi)部采取了一些有效的節(jié)能改造技術(shù)，例如安裝了高效省煤器和脈沖吹灰器，因此在熱源效率上高于系統(tǒng)1，而系統(tǒng)2 的能耗指標(biāo)比系統(tǒng)3 進(jìn)一步低出35.3%。

圖2 各系統(tǒng)熱源能耗指標(biāo)

3.1.3 輸配系統(tǒng)能耗指標(biāo)

所選案例均為城市大型集中供暖系統(tǒng)，管網(wǎng)規(guī)模非常巨大，其中系統(tǒng)2 的管網(wǎng)總長度更是高達(dá)1087 km，勢必會造成大量的管網(wǎng)熱損失。如圖3 所示，各系統(tǒng)的管網(wǎng)熱損失率均超出了標(biāo)準(zhǔn)約束值，數(shù)值依次為6.8%、15.0%、9.1%，分別超出約束值36.0%、200.0%、82.0%。系統(tǒng)1 的管網(wǎng)長度相對最小，僅為78 km，所以熱損失率也最小，系統(tǒng)3 處于中間位置。而系統(tǒng)2 的管網(wǎng)熱損失顯著高于其他系統(tǒng)，原因主要是管網(wǎng)長度非常大、覆蓋范圍廣、維護(hù)難度高，經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，由于涉及大面積老舊街道和小區(qū)，二次網(wǎng)保溫性能下降且存在跑冒滴漏現(xiàn)象。此外，即使管網(wǎng)熱損失控制在5%以下，長距離輸送的正常管道熱損失也相當(dāng)大，因此合理的管網(wǎng)設(shè)計(jì)布局與優(yōu)化的運(yùn)行策略對于集中供暖系統(tǒng)節(jié)能十分重要。

圖3 各系統(tǒng)管網(wǎng)熱損失率

輸配系統(tǒng)水泵電耗也是系統(tǒng)總能耗不可忽視的一部分，各系統(tǒng)的管網(wǎng)水泵電耗指標(biāo)如圖4 所示。系統(tǒng)1 和系統(tǒng)2 分別高于約束值12.0%和33.3%，而系統(tǒng)3 的數(shù)值相對最低，低出約束值14.3%。

圖4 各輸配系統(tǒng)水泵電耗指標(biāo)

3.1.4 建筑耗熱量指標(biāo)

建筑耗熱量指標(biāo)是對建筑本體節(jié)能性能以及建筑樓內(nèi)運(yùn)行調(diào)節(jié)性能的綜合評價(jià)，是指為滿足冬季室內(nèi)溫度舒適性要求，在一個(gè)完整供暖期內(nèi)需要向室內(nèi)提供的熱量除以建筑面積所得到的能耗指標(biāo)[7]。各系統(tǒng)建筑耗熱量指標(biāo)如圖5 所示，雖然供暖范圍都覆蓋了一部分老舊小區(qū)，但其中大部分已經(jīng)過節(jié)能改造，所以三個(gè)系統(tǒng)的建筑耗熱量指標(biāo)均低于標(biāo)準(zhǔn)約束值，分別為0.35 GJ/m2，0.20 GJ/m2和0.19 GJ/m2，相對于熱源和輸配系統(tǒng)而言，建筑末端的能耗水平最低。

圖5 各系統(tǒng)建筑耗熱量指標(biāo)

3.2 過量供熱程度

針對過量供熱問題的分析需要較為全面的供暖季建筑室內(nèi)溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，由于系統(tǒng)2 的室內(nèi)熱環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)較為齊全，共涉及10 個(gè)換熱站，對應(yīng)10 個(gè)住宅小區(qū)，因此選取系統(tǒng)2 進(jìn)行過量供熱程度的案例分析。這10 個(gè)住宅小區(qū)包含了74%的三步節(jié)能建筑、16%二步節(jié)能建筑以及10%的非節(jié)能建筑。此外，天津市供暖室外計(jì)算溫度為-7℃，該系統(tǒng)的供暖時(shí)長為5 個(gè)月。

3.2.1 時(shí)間過量供熱

時(shí)間過量供熱指的是由于系統(tǒng)熱惰性造成的建筑末端整體供熱過量，往往是因?yàn)橄到y(tǒng)無法根據(jù)天氣變化及時(shí)作出響應(yīng)而造成的[8]。若要僅從時(shí)間維度進(jìn)行分析，則需要盡量消除管網(wǎng)空間差異所帶來的影響，因此，在進(jìn)行不同建筑之間的室內(nèi)溫度對比時(shí)，應(yīng)選取同一換熱站下，同一支路上的不同建筑。在此條件下，選取的居住建筑包括三步節(jié)能10 棟、二步節(jié)能10 棟、非節(jié)能6 棟，它們在供暖季每月的平均室內(nèi)溫度如圖6 所示。從圖中可以看出三步和二步節(jié)能住宅在整個(gè)供暖期的室內(nèi)平均溫度顯著高于非節(jié)能住宅，同時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能越好，月平均溫度之間的差異越小，室內(nèi)熱環(huán)境越穩(wěn)定。以供熱公司20℃的室內(nèi)溫度標(biāo)準(zhǔn)來衡量，三步和二步節(jié)能住宅室溫明顯偏高。此外，三類建筑的最大月平均室內(nèi)溫度差異分別為0.8℃、1.7℃、3.2℃，二步節(jié)能和非節(jié)能住宅的最高室內(nèi)氣溫出現(xiàn)在供暖初期和末期，而三步節(jié)能住宅出現(xiàn)在中期的1 月份。經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，三步節(jié)能住宅室內(nèi)人員在供暖初期和末期的開窗時(shí)間顯著增大，造成溫度變化趨勢與二步和非節(jié)能住宅相反，同時(shí)也印證了三步節(jié)能住宅在供暖初期和末期存在較為嚴(yán)重的過量供熱現(xiàn)象。最后，根據(jù)式（2）計(jì)算得到三步、二步和非節(jié)能住宅建筑的過量供熱率分別為22%、17% 和5%。

圖6 不同節(jié)能程度居住建筑平均室內(nèi)溫度

由于設(shè)備、人員等條件限制，無法對所有的建筑室內(nèi)溫度進(jìn)行測量，因此若想了解系統(tǒng)更大范圍內(nèi)的過量供熱程度，可計(jì)算建筑理論熱負(fù)荷并與實(shí)際供熱量進(jìn)行對比而得出。此處以2 號換熱站為例，利用式（1）計(jì)算該換熱站覆蓋的所有建筑的理論熱負(fù)荷，再與實(shí)際供熱量進(jìn)行對比，如圖7 所示。可以看出，在室外氣溫相對較高時(shí)，建筑的實(shí)際供熱量普遍高于理論需熱量，圖中所有點(diǎn)與直線的累計(jì)總差異率即為2 號換熱站的過量供熱率。然后利用此方法，可以分別得到系統(tǒng)2 的10 個(gè)換熱站的過量供熱程度，具體如圖8 所示。

圖7 2號換熱站建筑理論需熱量與實(shí)際供熱量

圖8 系統(tǒng)2 所選取的區(qū)域換熱站過量供熱率

3.2.2 空間過量供熱

空間過量供熱指的是，由于管網(wǎng)水利失調(diào)而導(dǎo)致處于不同管網(wǎng)位置建筑的供熱量具有顯著差異，從而造成部分建筑室內(nèi)溫度過高。供熱站往往為了保證最不利末端建筑的室內(nèi)溫度達(dá)標(biāo)，而加大整體供熱量，使得那些室溫已經(jīng)較為舒適的住宅變得過熱[9]。為了排除時(shí)間因素，此處選取1 月份的平均室內(nèi)溫度進(jìn)行分析，將每個(gè)小區(qū)處于不同支路的建筑進(jìn)行對比，如圖9 所示。其中，不同建筑室內(nèi)溫度差異最大值為4.1℃，出現(xiàn)在5 號換熱站，而該換熱站所對應(yīng)的小區(qū)均為非節(jié)能住宅建筑。差異最小值為0.7℃，出現(xiàn)在9 號換熱站，此換熱站對應(yīng)的小區(qū)為三步節(jié)能住宅。

圖9 系統(tǒng)2 所有區(qū)域換熱站中不同建筑一月份平均室內(nèi)溫度

進(jìn)一步對差異最大的5 號換熱站所對應(yīng)的小區(qū)進(jìn)行分析，所選取的不同支路的住宅樓一共有12 棟，根據(jù)熱力入口的監(jiān)測數(shù)據(jù)，將每棟住宅樓的實(shí)際供熱量進(jìn)行對比，如圖10 所示。其中6、7 號樓的實(shí)際供熱量高達(dá)35 W/m2，是1 號樓的1.5 倍，由此可見小區(qū)管網(wǎng)的供熱不平衡問題十分明顯。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該小區(qū)于90 年代建成，供熱管網(wǎng)缺乏自動監(jiān)控系統(tǒng)，熱力調(diào)節(jié)手段為基于經(jīng)驗(yàn)的人工調(diào)節(jié)，在供需匹配方面具有明顯不足。

圖10 5號小區(qū)換熱站不同建筑一月份供熱量與平均室內(nèi)溫度

4 結(jié)論

本文選取了位于哈爾濱、天津、青島的三個(gè)大型燃煤集中供暖系統(tǒng)作為研究對象，通過對實(shí)測數(shù)據(jù)的分析，分別計(jì)算出了熱源、輸配系統(tǒng)、建筑末端以及綜合供暖能耗指標(biāo)，并與國標(biāo)約束值和引導(dǎo)值進(jìn)行了對比，從而評估每個(gè)系統(tǒng)的能耗水平，再進(jìn)一步選取位于天津的2 號系統(tǒng)為典型案例，對普遍存在的過量供熱問題進(jìn)行了量化分析，得到了如下結(jié)論：

1）哈爾濱、天津、青島三個(gè)系統(tǒng)的供暖綜合能耗指標(biāo)分別為18.5 kgce/m2、7.0 kgce/m2、9.4 kgce/m2，系統(tǒng)1 和3 均高于標(biāo)準(zhǔn)約束值，而系統(tǒng)2 低于約束值。其中系統(tǒng)1 能耗高出約束值60.7%，由于該系統(tǒng)為傳統(tǒng)燃煤熱水鍋爐，建成時(shí)間較長，與另外兩個(gè)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相比，在能源利用效率上處于劣勢。

2）對于分項(xiàng)能耗，三個(gè)系統(tǒng)在熱源和輸配系統(tǒng)環(huán)節(jié)的能耗水平均高于標(biāo)準(zhǔn)約束值，而在建筑耗熱量方面均低于約束值。結(jié)合系統(tǒng)建設(shè)情況可知，得益于老舊小區(qū)節(jié)能改造效果，三個(gè)系統(tǒng)在建筑末端能耗表現(xiàn)良好，但熱源效率和輸配系統(tǒng)效率仍需進(jìn)一步提升。

3）不同節(jié)能水平的住宅建筑具有不同的過量供熱率，圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能越高，過熱程度越大，本文所選取的三步、二步和非節(jié)能住宅建筑的過量供熱率分別為22%，17 %和5%。系統(tǒng)2 中的10 個(gè)換熱站的平均過量供熱率為15.8%，在時(shí)間維度上，由于室外氣溫較高，供暖初期和末期的過量供熱率明顯高于中期。

4）同一換熱站的小區(qū)管網(wǎng)內(nèi)不同建筑的供熱量差異明顯，小區(qū)管網(wǎng)水力失調(diào)造成了建筑之間熱量分布不均勻，從而導(dǎo)致了空間過量供熱問題，在系統(tǒng)2 的10 個(gè)換熱站中，不同住宅樓平均室內(nèi)溫度差異最大達(dá)到了4.1℃。