1、城市集中供暖系统的优化设计摘要：集中供暖是指以热水或蒸汽作为热媒，利用一个或多个热源通过供暖管网、热交换站等，向一个城市或城市中较大区域的各热用户提供热能的方式。集中供暖以其节能、环保和供暖质量好等优点，成为城市建设的重要基础设施。集中供暖系统的优化设计研究,对节约工程投资、降低供暖能耗、提高企业效益等有着重要的意义。本文主要根据作者近年来深入供暖公司和居民用热之间供暖热网的实践经验，提出城市集中供暖的优化设计方案。关键字：集中供暖 优化设计 节能1、前言随着供暖体制的改革,国家能源结构的调整和环境保护的要求提高,使供暖能源结构发生变化,推动了供暖模式的推陈出新,正确分析、评价和选择适合本地特
2、点的供暖模式尤为重要。实现供暖热源、供暖管网的优化设计及整个供暖系统的优化运行势在必行。虽然我国集中供暖发展迅速，但生产和输送的能耗仍很高在输送方面，大流量、小温差、高耗点的运行方式普遍存在，水泵电耗之大可想而知。对于热水供暖来说供暖经营单位的热成本组成，除购热（锅炉房生产热）费是主要外，水泵的电耗开支占重要份额，因此采用先进的使用技术，设计和改造管网系统，充分挖掘系统节能潜力，特别是降低水泵电耗是系统节能的重要途径。2、集中供暖基本概述 集中供暖以其节能、环保和供暖质量好等优点，成为城市建设的重要基础设施。而我国北方城镇采暖能耗是建筑能耗的最大组成部分，因此集中供暖运行状况的好坏对于我国的建
3、筑节能事业具有重要的影响。多热源集中供暖系统，利用大型燃煤锅炉或热电厂作为主热源承担城市集中供暖基础负荷，小型燃煤锅炉或燃气锅炉承担峰值负荷，可以使供暖设备更多时间在满负荷下运行，提高各热源的供暖效率。多热源联网运行可以提高集中供暖网的可靠性。当某一热源或某一管段出现故障时，只要通过正确调节调度，就可以满足热用户的需要。对于大型多热源集中供暖网来讲，如果由主热源按照运行调节曲线调节热网中的流量或温度，将会产生巨大的滞后性从而导致热网供暖的不均匀，因此应该按照各个换热站实际所需的热量进行调节，在热网供暖量充足的时候进行按需供暖，供暖量不足的时候进行均匀性调节。3、现代供暖系统消耗能量的环节和评估
4、 3.1.供暖系统消耗能量的环节 供暖系统由热源把热能送达热用户，一般都要经过热制备、转换、输送和用热这几个环节。我国城市集中供暖热制造主要来自燃烧化石燃料(煤、油、气)的区域锅炉房和城市热电厂。区域锅炉房的主要耗能设备是锅炉、燃料输送及灰渣清除机械、鼓风机和引风机、水制备和输配系统的水泵(循环水泵，补水泵和加压泵)；它们耗用的能源是燃料、电力、水和热；通常可以用单位供暖量的消耗量来评定耗能水平。热电厂是由抽凝式、或背压式(包括恶化真空)供暖机组排、(抽)汽通过热能转换装置(通常称 为首站热交换器)传递给热网系统；首站是供暖系统的热源，主要耗能设备是热交换器、输配系统的水泵，它们耗用的能源是蒸
5、汽、电力、水和热；通常可以用单位供暖量的消耗量来评定耗能水平。 热能输送由热网承担，供暖管道由钢管、保温层和保护层组成，其结构和材料选择依敷设而异。管道敷设有架空、管沟和直埋三种方式，它们的能量消耗是沿途散热的热损失和泄漏的水、热损失。一般可用热网热效率来表示其保温效果和保热程度；热网补水率来表示热网不泄漏的程度。在热网管线上有时还设置中间加压泵，以降低和改善系统水力工况(设置在非空载干线上，还能节省输送电耗)，它的能量消耗设备是水泵，可用单位供暖量的耗电来评定耗能水平。能量转换是通过热力站热交换器把一级网的热能传递给二级网，并由它输送到热用户。热力站是二级网的热源，主要耗能设备是热交换器、二
6、级网系统循环水泵和补水泵。它们耗用的能源是一级网高温水/蒸汽、电力、水和热；通常可以用单位供暖量的消耗量来评定耗能水平。用热即终端系统用热设备。城市集中供暖主要是建筑物内的采暖(为简化分析只谈最大热用户)。一般都是通过采暖散热器把热传给房间以保持舒适的室内温度。它的耗能设备是采暖散热器。其能量取决于建筑维护结构保温性能、保持的室内温度和外界环境的温度；其耗热量可通过计量进入的循环水量和供、回水温差积分获得。通常以单位供暖面积的耗热量来评定耗能水平。3.2.系统热耗的估计 供暖系统从热制备、转换、输送、用热环节的能量进入和输出必须相等，即： 输入能量=可用能量+能量损失 能源利用率=可用能量/输
7、入能量 可以这们认为：供暖系统是由多个子系统组成。热用户是终端，采暖散热器是终端用热设备。热力站、二级网和终端组成二级网子系统，热力站热交换器成为该子系统的能量转换点，一级网水则为它的热源。锅炉房(或热电厂首站)、一级网和热力站组成一级网子系统，势力站是该子系统的热用户，锅炉受热面(或首站热交换器)成为能量转换设备，锅炉(或热电厂经汽机的蒸汽)是热源。锅炉本体(或热电厂)自成一个子系统，称为热源子系统。若设采暖散热器耗热量为 N0，二级网管路热损失为 E1，泄漏热损失 E2。热力站内热损失 E3，二级网管路热损失为 E4，泄漏热损失 E5，锅炉房(首站)内热损失 E6。输入能量是燃料热 N3，
8、能量损失包括化不完全燃烧损失 E7、固体不完全燃烧损失 E7、飞灰热损失E8、灰渣热损失 E9，排烟热损失 E10、(热电厂还应增加一项：供暖分担的厂内热损失 E11)，输出则是二级网子系统的输入能量 N2。 则：一级网子系统的输入热量 N1=N0+E1+E2+E3 一级网子系统热能利用率 B1=100N0/N1(%)二级网子系统的输入热量 N2=N1+E4+E5+E6 二级网子系统的热能利用率 B2=100N1/N2(%) 热源子系统的输入热量 N3=N2+E7+E8+E9+E10(6E11) 热源子系统热能利用率 B3=100N2/N3 即锅炉热效率(热电厂热效率)(%) 供暖系统热能利用
9、率 B=B1B2B3(%) 3.3.系统电耗的估计 系统电耗评估与热能评估一样可以子系统计算后叠加。系统主要耗电设备有循环泵、补水泵、鼓风机和引风机等。它们单位供暖量的电耗由下式计算： (1)水泵耗电量s=(h0(GH)/(267.3)/N0 式中，G-水泵运行流量，！3/h ；H-水泵运行扬程 m；-水泵运行效率 ；N0-系统供暖量；h-有效小时数。 (2)风机耗电量可用同一个计算公式。此时 式中，G-风机运行风量；H-风机运行风压；-风机运行效率(对皮带传动应包括机械传动效率)；N0-系统供暖量。 3.4.系统泄漏损失的估计 系统泄漏损失导致水资源和热能两方面损失。 （1）水资源损失量可认
10、为等于系统补水量 BS。若系统运行循环水量为 G，则系统补水率 P=100BS/G (%) （2）系统泄漏热损失由下式计算： 单位供暖量的泄漏热损失 BR=PGC(t1-t0)/N0 式中 -水的密度，C-水的比热，t1-供水温度，t0-水源温度。 3.5.热水管道能源消耗的影响因素 (1) 管道外径。管道散失的热量随管道外径的增大而增加。管道外径越大，管道内水向管外传递的热量增多。 (2) 输水温度。在输水温度较低时，管道外径对管道散热损失的影响较大，反之，在输水温度较大时，管道输水温度对管道散热损失的影响较大。 (3) 管道热导率。当保温材质热导率较大时，管道散失的热量在不同管径处随保温材
11、质热导率的增大，其差距逐渐增大。 (4) 土壤热导率。管道散失的热量随土壤热导率的增大而增加。土壤热导率较小时，管道散失的热量在不同管径处随土壤热导率的降低，其差距逐渐减小，但减小的幅度不大。(5)保温层厚度。管道散失的热量随保温层厚度的增大而减小。保温层越厚，其传热热阻越大，传递到土壤的热量就越少。当保温层厚度较小时，管道散失的热量在不同管径处随保温层厚度的降低，其差距越来越大。对于当前国内供暖系统绝大多数采用的定流量质调节运行方式应装设自力式流量控制器，对于近期即将采用或正在采用的变流量调节的系统应装压差控制器。在用户楼栋入口装设流量控制设备，对各楼之间流量分配进行调节；在立管上装设平衡阀
12、平衡各立管之间的流量，这些措施可以有效地解决小区内建筑物之间和建筑物内部房屋冷热不均的问题。 4、优化设计 对于新建工程，设计者应仔细核算单体热负荷，校核系统管径和水力平衡，设计要经济、合理，能经得住多方的推敲。外网根据准确的热负荷，计算相应的循环水量。然后根据最不利环路的比摩阻应在 40-80Pam，确定最不利环路的各级管径，得出准确的最不利环路阻力损失。再根据其它支路的比摩阻应小于等于 300 Pam，同时循环水的流速小于等于 35ms，校核近端支路的管径，消耗掉过盈的资用压头。为了更加安全、妥当，在近端支路加装流量调节装置，合理匹配各分支的流量。热源设计参照单体热负荷汇总，合理确定锅炉容
13、量及循环水量，后根据单体资用压头及外网最不利环路阻力，合理考虑锅炉房内部系统阻力，确定循环水泵的扬程。只有这样的优化设计，才会避免大流量小温差的出现，达到管网系统经济、合理、平衡的运行。对于改造工程，要经过仔细核算，不管比原来管径小几号，都要经过科学计算，在近端支路加装变径短节，安装平衡阀门。只要大环节匹配得当，整个系统就会趋向平衡，大流量现象也会合理遏制。当然随着流量、系统管阻降低，循环泵也要随之调整，变频水泵已经很好地解决了这一问题，不必采用单纯关闭阀门来降低流量和扬程，那样会造成极大的浪费。对于板换的地板采暖系统，仔细核算分流管径，然后加装旁通管、平衡阀却是行之有效地解决方案，与前面锅炉
14、加装旁通管有截然不同的区别。5、优化设计的优点 优化设计可以避免系统大流量、小温差的不良运行，从而保证循环水泵在最佳效率点工作，直接可以节约大量电能。例如： 某采暖系统，设计者为求把握，系统的管径普遍加大，实选用水泵型号为IRGl25-160B。额定扬程为 24mH2O，额定流量为 138m3h，采暖系统的实际工况为： 采暖热负荷 Q=29MW 实际温差(70 -55)T=15 循环流量 G=166m3/h 实际(扬程) 阻力 H=20 mH2O 实际效率 =707 水泵的轴功率 N=16620(3670.707)KW=12.8KW 严格按规范设计时： 采暖热负荷 Q=2.9MW 设计温差(9
15、5 -70)T=25 设计循环流量 G=100 m3 h 设计系统的总阻力 H=5 mH2O 选定循环水泵型号为 IRGl00-100A，按流量 100 m3h 工 作时水泵的实际扬程为 9.5 mH2O，则： 水泵的轴功率 N=1009.5(3670.74)KW=1009.5(3670.74)=3.5KW 可以很清楚地看出：设计温度差由 15变成 25温差时，水泵的轴功率(每小时的耗电量)缩小倍数为 12.83.5=3.66。 如果按照采暖期 128 天计算：节约电能(12.8-3.5) 24128=28570KW，假设小区为 5.6万平米，每平米节约 0.51 度电能。如果大面积供暖采暖，
16、优化设计节约电能非常可观。6、结语 供暖系统水力平衡调整工作是一项细致而复杂的工作，应该组织专人负责。供暖系统水力平衡后，可使系统经济运行，起到节能降耗的作用。供暖系统水力平衡，流量在各用户之间合理分配，是实行量化管理、保证供暖质量的基本条件。 （1）利用科学技术提高能源利用率所谓节能潜力是预测一定时期内，耗能系统和设备的各个环节，利用当前科学技术，采取技术上可行、经济上合理、优化系统和设备以及用户能接受的措施后，可取得的节能效益（减少能耗量或降低能耗率） 。也就是说，预测通过技术改造和用户可接受的有效措施后，可取得的系统能源利用效率提高的程度。 （2）与先进评估指标的差距体现节能的潜力：节能
17、的潜力是通过分析对比得出的。目标是反各个耗能环节现有的耗能指标提高到先进水平，其运行评估指标的变化量则体现了节能潜力。因此，其潜力大小于对比对象和自身的基础有关，所以，各单位、各系统的潜力是不可能完全相同的。 各环节欲追求的先进评估指标可以选用： 历史 上最好的水平；国内先进水平； 全国平均水平； 国际先进水平； 理论上能达到的最高水平。而且，随着节能科学技术的发展，系统和设备的不断进步和完善，选择先进的评估指标也会不断变化。 （3）寻找能耗差距，制订可行措施，挖掘节能潜力：每个供暖低位要定期检测评估各耗能环节的能耗指标，对比先进指标寻找能耗差距，分析能耗差别的原因，结合实际情况，研究和提出为实现先进指标的可行（包括技术和管理等方面）方案，经技术经济论证认为技术可行且经济合理后才能（分期或一次）实施。实施后，在运行中再检验是否达到预测的应挖掘的节能潜力和经济效益。
