城鎮(zhèn)建筑集中供熱系統(tǒng)換熱站節(jié)能優(yōu)化分析

文／渠義杭 天津能源投資集團(tuán)有限公司 天津 300041

引言：

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，我國已經(jīng)成為世界能源生產(chǎn)和消費(fèi)的第二大國。我國建筑能耗約占社會(huì)總能耗的21.10%,其中北方采暖能耗占建筑總能耗的22.91%左右。集中供熱行業(yè)存在巨大的節(jié)能潛力,同時(shí)我國提出碳達(dá)峰及碳中和目標(biāo),其中供暖碳排放占運(yùn)行碳排放的近70%(居住建筑)和43%(公共建筑),是建筑碳中和需要解決的最大問題。資料顯示，建筑能源約占全國能源總消耗量的24.9%，供熱能源消耗占城市建筑總能耗的40%～60%。截至2015年底，我國的供熱面積已經(jīng)達(dá)到61.7 億m2，預(yù)計(jì)到2025年供熱面積將達(dá)到152.07 億m2，年均增速高達(dá)9.44%。

1、相關(guān)概述

我國的建筑能耗約占社會(huì)總能耗的33%，但是供熱系統(tǒng)能源綜合利用率只有35%～55%，說明我國供熱系統(tǒng)在能源消耗方面存在巨大的節(jié)能潛力。對(duì)供熱系統(tǒng)熱力站能耗數(shù)據(jù)合理分析，掌握供熱系統(tǒng)能耗現(xiàn)狀，可促進(jìn)節(jié)能減排。采用數(shù)據(jù)分析可以對(duì)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)劃，得到能耗特征及影響因素，現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征分析多采用一種聚類算法，并沒有對(duì)各種聚類算法對(duì)數(shù)據(jù)特征分析進(jìn)行對(duì)比研究。因而本文基于層次聚類算法、密度聚類算法及劃分聚類算法分別對(duì)大型供熱系統(tǒng)熱力站耗熱量數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，對(duì)比得到基于實(shí)際數(shù)據(jù)的熱力站耗熱量的最佳聚類模型及能耗分類結(jié)果。為后續(xù)熱力站能耗基準(zhǔn)模型建立，確定能耗基準(zhǔn)，分析熱力站熱耗影響因素，促進(jìn)節(jié)能運(yùn)行提供前期研究基礎(chǔ)。

1.1 集中供熱系統(tǒng)

一般情況下，集中供熱系統(tǒng)具有較高的復(fù)雜性，同時(shí)具有識(shí)別性的特點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)按需供熱的同時(shí)，還需要確保管網(wǎng)熱力水力平衡。在集中供熱規(guī)模不斷拓展的過程中，國內(nèi)外專家對(duì)各類供熱系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究，在我國城鎮(zhèn)現(xiàn)代化建設(shè)中，集中化供暖是其非常重要的一項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施，也是提高建筑居住舒適性的重要方式。集中供熱系統(tǒng)主要包括熱源、熱網(wǎng)、熱力站和熱用戶四個(gè)部分。而熱網(wǎng)是指從熱源輸送熱能到熱力站的管線，換熱站是其非常重要的一個(gè)組成，可以將熱網(wǎng)輸送的熱水或蒸汽通過熱交換、調(diào)節(jié)，分配熱量到熱用戶。最后，熱用戶是對(duì)其熱量進(jìn)行消耗和使用的場所。

1.2 熱力站供熱系統(tǒng)簡介

換熱站的一次側(cè)、二次側(cè)供熱系統(tǒng)之間利用板式換熱器實(shí)現(xiàn)熱交換，二次側(cè)幾個(gè)支路的回水在經(jīng)過集水器混合之后，由循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)到板式換熱器內(nèi)部予以加熱處理。之后再流經(jīng)分水器，分成幾條不同的支路到各個(gè)建筑當(dāng)中實(shí)現(xiàn)供熱。

2、城鎮(zhèn)集中供暖現(xiàn)存問題

首先，需要優(yōu)化節(jié)能技術(shù)，雖然在我國現(xiàn)階段，北方城市集中供暖已經(jīng)實(shí)現(xiàn)初步普及，但是其節(jié)能效果相對(duì)落后，節(jié)能理念和節(jié)能技術(shù)的落后對(duì)集中供暖效果具有嚴(yán)重的影響。就節(jié)能設(shè)備而言，需要合理優(yōu)化各系統(tǒng)設(shè)計(jì)，強(qiáng)化城市集中供暖，可以為城市所有用戶提供熱能，此時(shí)需要科學(xué)改進(jìn)水循環(huán)技術(shù)和供暖管道。年久失修對(duì)部分供暖管道熱水循環(huán)供暖造成了很大的影響，甚至還會(huì)進(jìn)一步影響用戶用熱體驗(yàn)。與此同時(shí)，部分城市使用相對(duì)落后的集中供暖技術(shù)，沒有對(duì)其進(jìn)行及時(shí)有效的更新?lián)Q代，會(huì)在很大程度影響供熱系統(tǒng)節(jié)能效果，進(jìn)而影響供熱系統(tǒng)的節(jié)能性。其次，缺乏完善的管理體系，城市集中供暖發(fā)展規(guī)模具有一定的局限性，部分供暖企業(yè)在進(jìn)行節(jié)能設(shè)備更新時(shí)，具有較高的成本需求。用戶數(shù)量也會(huì)對(duì)其造成一定的制約，使其產(chǎn)出和投入無法形成正比，使其節(jié)能具有一定的形式化，無法融入企業(yè)實(shí)踐，很難進(jìn)行有效的管理，對(duì)供暖企業(yè)實(shí)施節(jié)能概念造成嚴(yán)重的制約。與此同時(shí)，在具體進(jìn)行供暖工作時(shí)，部分操作人員對(duì)節(jié)能技術(shù)的要求和操作標(biāo)準(zhǔn)缺乏了解，導(dǎo)致無法真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果，所以，相關(guān)部門需要高度重視管理體系，在成本和收入上進(jìn)行合理疏導(dǎo)，確保供熱企業(yè)能夠積極更新使用節(jié)能技術(shù)，人員能夠合理規(guī)范進(jìn)行節(jié)能操作，進(jìn)而保障企業(yè)發(fā)展的可持續(xù)性和城鎮(zhèn)集中供暖節(jié)能理念的普及。

3、換熱站節(jié)能指標(biāo)的選取

通過對(duì)國家規(guī)范要求的研究，將安全指標(biāo)、能效指標(biāo)選為換熱站節(jié)能評(píng)價(jià)指標(biāo)。（1）安全指標(biāo)。對(duì)于換熱站來說，不管系統(tǒng)如何優(yōu)化，最基礎(chǔ)的是要保證供熱質(zhì)量不受影響，控制供熱品質(zhì)，滿足熱用戶的熱舒適度。選取室溫合格率和系統(tǒng)可靠性兩大指標(biāo)作為換熱站的基礎(chǔ)指標(biāo)。（2）能效指標(biāo)。能效指標(biāo)是節(jié)能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的重要組成部分，熱站內(nèi)的能耗主要包括熱耗、電耗、水耗。能效指標(biāo)包含:單位面積電耗、換熱有效利用率、單位面積水耗、單位面積熱耗、單位面積綜合耗能。

4、集中供熱系統(tǒng)換熱站節(jié)能優(yōu)化措施分析

4.1 熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)

熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)即用計(jì)算機(jī)或其他的智能控制設(shè)備完成對(duì)熱力系統(tǒng)的自動(dòng)的檢測與控制的一體系統(tǒng)。主要使用“熱網(wǎng)數(shù)字化管理”，把所有的換熱站現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)與現(xiàn)代通信技術(shù)相結(jié)合并上傳至數(shù)據(jù)庫，運(yùn)用遠(yuǎn)程控制手段，通過分析數(shù)據(jù)并及時(shí)調(diào)控，從而達(dá)到“節(jié)能降耗”目的。在使用熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，能夠及時(shí)查看到參數(shù)的變化情況，了解系統(tǒng)的工作狀態(tài)，隨時(shí)做出調(diào)整。熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)還有很多優(yōu)勢：第一，能夠解決熱網(wǎng)的運(yùn)行失調(diào)情況，保持熱網(wǎng)運(yùn)行平衡從而提高供熱的效果；第二，可以做到節(jié)能降耗，它能夠根據(jù)室外溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)供水溫度；第三，熱網(wǎng)監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)幾乎與現(xiàn)場數(shù)據(jù)保持同步，這是以往熱網(wǎng)運(yùn)行中投入多大的人力及物力都不可能實(shí)現(xiàn)的。

4.2 換熱站的優(yōu)化

換熱站是集中供熱系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，是處理水力平衡的關(guān)鍵。它主要是對(duì)熱源過來的熱進(jìn)行了一次換熱，并不生產(chǎn)熱。然后，通過水泵將熱量輸送到居民住戶。在集中供暖過程中的具體應(yīng)用主要體現(xiàn)在：各換熱站信息數(shù)據(jù)的備份、維護(hù)和管理，各換熱站工作情況統(tǒng)計(jì)、分析。其工作原理為：板式換熱站把一次網(wǎng)得到熱量，自動(dòng)連續(xù)的轉(zhuǎn)換為用戶需要的生活用水和采暖用水。即熱水（或蒸汽）從機(jī)組的一次側(cè)入口進(jìn)入板式換熱器進(jìn)行熱交換后，從一次側(cè)出口流出；二次側(cè)回水經(jīng)過過濾器除去污垢后，通過二次側(cè)循環(huán)水泵進(jìn)入板式換熱器進(jìn)行熱交換，生產(chǎn)出與采暖、空調(diào)、地板采暖或生活用水等不同溫度的熱水，以滿足用戶的需求。為了更好地發(fā)揮集中供熱系統(tǒng)的作用，應(yīng)該對(duì)換熱站進(jìn)行優(yōu)化。從設(shè)備方面出發(fā)：第一，在額定出力以及設(shè)計(jì)好的熱負(fù)荷基礎(chǔ)上，選擇出換熱器，再根據(jù)供熱系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計(jì)情況對(duì)換熱器的熱力能力開始校核；第二，選擇合適的循環(huán)泵，因?yàn)樗鼘?duì)供熱系統(tǒng)的運(yùn)行有很大的影響；第三，注意熱網(wǎng)水力失調(diào)的相關(guān)影響，確保其造成的損失盡量最小。

4.3 熱負(fù)荷預(yù)測

供熱負(fù)荷的準(zhǔn)確預(yù)測可以為供熱系統(tǒng)的科學(xué)合理運(yùn)行調(diào)度提供數(shù)據(jù)支持,是實(shí)現(xiàn)按需供熱的前提和基礎(chǔ);按需供熱既保證用戶的用熱需求,又從源頭上控制耗熱量,從而達(dá)到節(jié)能減排目的。集中供熱系統(tǒng)具有強(qiáng)非線性、長時(shí)滯性、大慣性、供熱管網(wǎng)內(nèi)部相互耦合性強(qiáng)等特定。同時(shí)供熱負(fù)荷受到室外溫度、室外風(fēng)速、太陽輻射強(qiáng)度、建筑類型、建筑保溫情況等多種因素影響,很難建立定量數(shù)學(xué)模型進(jìn)行精準(zhǔn)熱負(fù)荷預(yù)測。目前,各供熱企業(yè)已經(jīng)意識(shí)到熱負(fù)荷預(yù)測工作的重要性和其預(yù)測的合理性。經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者的不斷研究,熱負(fù)荷預(yù)測發(fā)展迅速,在預(yù)測理論和技術(shù)創(chuàng)新上都取得巨大突破,從傳統(tǒng)熱負(fù)荷預(yù)測方法,如采用最小二乘法建立建筑物的熱負(fù)荷預(yù)測模型,到人工智能理論作為新技術(shù)引入到熱負(fù)荷預(yù)測中,如應(yīng)用比較廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、遺傳算法及大數(shù)據(jù)等方式的介入進(jìn)行自學(xué)習(xí)自診斷形成熱負(fù)荷預(yù)測模型。綜合看來,熱負(fù)荷預(yù)測向著穩(wěn)定、準(zhǔn)確和快速的方向進(jìn)行發(fā)展。無論是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)擬合方式的熱負(fù)荷預(yù)測還是人工智能大數(shù)據(jù)介入后的智慧化負(fù)荷預(yù)測模型,其共同點(diǎn)是理論性專業(yè)性極強(qiáng),需要投入大量的科研工作進(jìn)行研發(fā)和培訓(xùn)學(xué)習(xí)。目前仍有很多供熱企業(yè)不具備此種條件,都以粗放式進(jìn)行熱負(fù)荷預(yù)測,此時(shí)在合同能源管理機(jī)制下,通過節(jié)能服務(wù)公司提供相關(guān)的技術(shù)支持,直接實(shí)現(xiàn)熱負(fù)荷的精準(zhǔn)預(yù)測,實(shí)現(xiàn)在供熱系統(tǒng)源頭進(jìn)行節(jié)能降耗目標(biāo)。同時(shí)節(jié)能服務(wù)公司通過與供熱企業(yè)合作產(chǎn)生的節(jié)能效益不斷進(jìn)行科學(xué)研究和技術(shù)創(chuàng)新,推動(dòng)供熱技術(shù)的發(fā)展。

4.4 氣候補(bǔ)償器

氣候補(bǔ)償器的工作原理為:通過測量供暖期內(nèi)的室外溫度并在程序內(nèi)得出適當(dāng)?shù)墓┗厮疁囟确秶瑢⒊绦虻贸龅倪m當(dāng)?shù)墓┗厮疁囟扰c二次網(wǎng)溫度進(jìn)行對(duì)比，最終通過調(diào)節(jié)一級(jí)網(wǎng)的流量來調(diào)節(jié)二次網(wǎng)的供回水溫度，實(shí)現(xiàn)按需供熱，達(dá)到節(jié)約能源的目的。根據(jù)室外氣象溫度將供暖分成3 個(gè)階段，分別為初寒期、嚴(yán)寒期、末寒期，并對(duì)系統(tǒng)制定供回水溫度曲線并輸入氣候補(bǔ)償器．氣候補(bǔ)償器能夠根據(jù)測定的隨著室外溫度變化，氣候補(bǔ)償器將調(diào)節(jié)一次網(wǎng)調(diào)節(jié)閥的開度大小，從而達(dá)成二次網(wǎng)供水溫度隨室外氣溫變化的實(shí)時(shí)智能調(diào)節(jié)。

4.5 選擇調(diào)節(jié)參數(shù)

針對(duì)二級(jí)網(wǎng)水力平衡調(diào)節(jié)來講，其最終目標(biāo)是將用戶層面的室溫調(diào)節(jié)到比較相近的數(shù)值，而直接將室溫當(dāng)作調(diào)節(jié)目標(biāo)則不確定性比較顯著，因此需要尋找其他目標(biāo)對(duì)室溫進(jìn)行代替。調(diào)節(jié)的目標(biāo)通常涵蓋單位面積流量、回水溫度以及單位面積供熱量等等。對(duì)于以上因素與室溫二者之間的關(guān)聯(lián)性，最后將單位面積流量選作調(diào)節(jié)目標(biāo)。

調(diào)節(jié)步驟：(1)繪制出熱力站供熱詳細(xì)的平面圖。(2)記錄熱力站初期的實(shí)際運(yùn)行工況。(3)計(jì)算各個(gè)支路中的目標(biāo)流量大小。(4)借助于過渡系數(shù)針對(duì)目標(biāo)流量做出修正，接著在修正目標(biāo)流量基礎(chǔ)之上，和實(shí)測流量偏差值對(duì)比，編制出調(diào)試表。(5)依據(jù)調(diào)試表開展具體的流量初調(diào)節(jié)工作。(6)測量初調(diào)節(jié)完成之后，各個(gè)支路的實(shí)際流量。(7)將測量流量和目標(biāo)流量二者做出相應(yīng)的對(duì)比。如果偏差過小，那么需要開展局部修正工作。如果偏差過大，則需要重復(fù)以上步驟（4）到步驟（6），直至平均水力失調(diào)度保持在±0.1，并且水力離散度在0.5 以下為止。

5、集中供熱節(jié)能運(yùn)行管理措施

5.1 室外溫度補(bǔ)償運(yùn)行管理措施

隨著室外溫度變冷，供暖主干管的供／回水管道上的熱負(fù)荷增加，用戶需要更多的熱量，以維持室內(nèi)溫度的要求，這時(shí)候供暖系統(tǒng)應(yīng)提供較高溫度的循環(huán)水或更大的水流量以滿足系統(tǒng)各用戶的用熱需求。反之，隨著室外溫度升高，供暖系統(tǒng)可適當(dāng)降低系統(tǒng)供熱溫度。通過繪制“室外溫度／熱力出水溫度”的供暖曲線，系統(tǒng)按照此曲線供暖，不但能夠滿足用戶需求，也可以節(jié)約大量能源。這種通過室外溫度的變化，帶有預(yù)測性地調(diào)整系統(tǒng)供熱溫度的控制方法稱為室外溫度補(bǔ)償運(yùn)行?？梢姡彝鉁囟妊a(bǔ)償運(yùn)行方案是熱力管網(wǎng)調(diào)質(zhì)調(diào)節(jié)運(yùn)行的一種具體運(yùn)行調(diào)節(jié)形式。

5.2 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制節(jié)能技術(shù)

為進(jìn)一步節(jié)省能源消耗，集中供熱系統(tǒng)的循環(huán)水泵建議采用變頻器調(diào)節(jié)控制以適合調(diào)節(jié)系統(tǒng)總流量，節(jié)約能源輸送運(yùn)行成本。在燃?xì)忮仩t上設(shè)置鍋爐煙氣余熱回收裝置以提高鍋爐熱能利用效率，加強(qiáng)熱力管網(wǎng)的保溫性能減少管道熱損失，建筑物增加保溫層以增加建筑物保溫性能，進(jìn)一步降低由圍護(hù)結(jié)構(gòu)引起的熱量損失。上述措施的實(shí)施也相應(yīng)減少了熱力系統(tǒng)能耗，達(dá)到進(jìn)一步節(jié)能運(yùn)行的目的。

6、實(shí)施供熱碳中和的主要路徑

6.1 建筑與供熱系統(tǒng)節(jié)能提效

堅(jiān)持節(jié)能優(yōu)先的方針,將建筑與供熱系統(tǒng)節(jié)能提效作為供熱行業(yè)永恒的主題,納入實(shí)現(xiàn)零碳供熱目標(biāo)重要的路徑之一,其重點(diǎn)是要在新技術(shù)、新材料、新設(shè)備不斷創(chuàng)新的支撐下,通過推進(jìn)供熱資源整合以及建筑與供熱系統(tǒng)節(jié)能改造,提升按需精準(zhǔn)供熱能力,面提升供熱能效,提高能源利用率,降低能源消耗,助力零碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

6.2 基于分散供熱實(shí)施電氣化實(shí)施路徑

建立在綠電資源與區(qū)域電力輸配安全、穩(wěn)定保障能力基礎(chǔ)上,以綠電為主,新能源、可再生能為輔多能互補(bǔ)的方式,采用“+熱泵”技術(shù)路線,對(duì)城市分散化石燃料供熱鍋爐進(jìn)行能源替代,同時(shí)對(duì)建筑與供熱系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能提效改造,實(shí)現(xiàn)零碳供熱目標(biāo)。第一,分散供熱需關(guān)注和把控的要點(diǎn)是:一是電力行業(yè)綠電資源與電力運(yùn)行是否具備安全、穩(wěn)定、靈活的設(shè)施與運(yùn)行保障能力;二是電力供應(yīng)是否具備冬季供熱調(diào)峰與電力系統(tǒng)應(yīng)急狀態(tài)下的保障能力;三是供熱系統(tǒng)電氣化改造須正確選“+熱泵”技術(shù)路線的具體模式,可以適應(yīng)電氣化的方式;四是:供電和供熱系統(tǒng)雙項(xiàng)改造的經(jīng)濟(jì)性與可行性應(yīng)保證項(xiàng)目在改造費(fèi)用方面可承受,在后期運(yùn)行費(fèi)用方面可持續(xù)。第二,基于電氣化路徑適用分散于城市或大型區(qū)域集中供熱管網(wǎng)之外獨(dú)立的燃煤、燃?xì)?、燃油鍋爐房供熱以及燃?xì)獗趻鞝t自采暖的能源替代。

結(jié)語：

集中供熱一直是北方采暖的重要節(jié)能手段，對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行研究的目的也是為了減少能耗，提高用戶的使用舒適度，實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)的“清潔低碳，高效節(jié)能”。當(dāng)前“智慧供熱”已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展共識(shí)，智慧供熱基于信息化和自動(dòng)化，再結(jié)合大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，在供熱系統(tǒng)的“源—網(wǎng)—荷—儲(chǔ)”全過程進(jìn)行模擬仿真分析，運(yùn)用模型對(duì)系統(tǒng)各部分的不同需求進(jìn)行預(yù)測，從而達(dá)到對(duì)供熱系統(tǒng)各部分的調(diào)控與優(yōu)化，進(jìn)化成新一代的智慧供熱系統(tǒng)。但是由于我國城市供熱系統(tǒng)的構(gòu)建時(shí)間不一樣，地理位置存在差異，管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)形式也存在多樣性，不論是對(duì)于熱網(wǎng)建模的仿真分析，還是對(duì)于整個(gè)供熱過程分布進(jìn)行建模仿真分析，仍存在許多問題需要解決，在進(jìn)行建模時(shí)還需注意系統(tǒng)的適用性。未來研究方向可以從以下幾方面入手：（1）在新能源不斷應(yīng)用的背景下，以往系統(tǒng)建模不能滿足實(shí)際需求，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性都產(chǎn)生相應(yīng)的波動(dòng)，關(guān)于供熱系統(tǒng)建模的問題需要綜合考量。（2）研究總結(jié)的內(nèi)容都是在系統(tǒng)設(shè)備正常運(yùn)行、管網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對(duì)完好的前提下，但是實(shí)際運(yùn)行過程中，常出現(xiàn)很多無法預(yù)料的問題，如何應(yīng)對(duì)突發(fā)情況、如何修系統(tǒng)模型，都是富有挑戰(zhàn)的研究。