1、哈尔滨工业大学市政环境工程学院建筑热能工程系教授 盛晓文个人简介1980 年在原哈尔滨建筑工程学院热能工程热系供热教研室从事教学工作。1984 年哈尔滨建筑工程学院改为哈尔滨建筑大学，2000 年与哈尔滨工业大学合并，原热能工程系与环境工程系合并成立现在的市政与环境工程学院。在校工作期间，曾先后任供热教研室副主任、主任，建筑热能工程系副主任等职。主要社会兼职：中国建筑学会暖通空调分会委员中国城镇供热协会技术委员会委员黑龙江省城镇供热协会技术委员会主任委员黑龙江省暖通空调学会主任委员黑龙江省土木建筑学会常务理事黑龙江省能源发展战略研究会常务理事黑龙江省热电工程专家委员会委员黑龙江省暖通空调专家委
2、员会委员黑龙江省安全预评价报告办公室技术专家等前 言近几年，每逢高考填报志愿的时候，杂志社总能收到许多业内朋友了解关于各高校暖通专业招生情况的电话及邮件，希望借助我们来深入了解各院校暖通专业的信息。对此，杂志社全体同仁感谢业内朋友对我们的信赖，同时我们也乐意为学子们提供服务，希望能够有更多的人才加盟暖通行业；另一方面也向业界传递了一个重要的信号，暖通专业的高就业率已使其成为热门专业。哈尔滨工业大学，一个令众多学子梦寐以求的学府。前不久，我们在上海见到了哈尔滨工业大学市政与环境工程学院建筑热能工程系盛晓文教授。盛教授是供热方面的专家，在业内享有很高的话语权，曾为很多大型的城市作过外网设计。我们就
3、他任教的学院以及哈尔滨地区现行热力网和热力站等话题进行了请教。关于供热工程设计的要点一、关于无补偿直埋现行的城市热力网，尤其是热水网，绝大多数采用直埋敷设。90 版的城市热力网设计规范（CJJ34-90）推荐采用无补偿直埋，02 版的城市热力网设计规范（CJJ34-2002）相关条款修改为“经计算允许时宜采用无补偿直埋”的内容。但在近年来的实际工程中，大多直埋敷设都采用有补偿直埋。主要原因如下：应用弹性理论的直埋技术需要对管道预热安装。采用移动锅炉房现场加热，其设备庞大，安装复杂；而采用一次性补偿覆土预热方式，在管道大部分处于土壤约束的条件下加热，管道热伸长受限，预热量的确定不易掌控，而且安装
4、工艺也很复杂。应用弹塑性理论直埋的管道，计算复杂，在相当长的时间内设计人员没有实用便捷的手册做参考，设计很少采用。而且这种敷设方式管道的埋深比普通直埋方式要深很多，在地下管线和构筑物较多的大中城市市区，施工相当困难。近年来从国外引进的电预热管道设备已经在国内投入使用。与移动锅炉房预热相比，这种加热方式具有明显的优势，由于采取了相应的措施，解决了管道热伸长受限的问题，给无补偿直埋敷设提供了一个很好的契机。椐北京某公司的介绍，该设备在西北某工程对1 000 mm 管道预热施工，每公里安装造价增加约 40 万元左右（该项费用不含正常安装费）。预热方式是采用管长三分之二覆土预热。由于直埋技术已经日益成
5、熟，对于直埋敷设的热网，应采用 CJJ/81-98 规程有关方法进行应力验算，在具备条件的长直管线上充分利用驻点或 Z 型弯管的处理方式，尽量增大管道跨距，减少固定点和补偿器数量，在保证安全运行条件下节约投资。对于具有较好施工条件的城市热网输送干线，在其地下土质较好，地势平坦的地方，经过充分地计算可以有限的加大固定点的跨距。大大减少了固定点和补偿器数量，节约了大量投资。实际工程已经验证，DN600 的管道，最大跨距增大至 200300 米左右是完全没有问题的。对于低温水热网，在敷设条件允许并经科学合理的计算条件下，可以采用无补偿直埋。直埋敷设的固定点设计，如果按正常的固定墩没有移动的设计，则固
6、定墩的混凝土量相当大。东北某工程项目中，设计人员通过优化计算，允许固定点位移 3040 mm，从而可以释放大量的推力。由于位移可能引起的不利变化通过采取相应的措施解决，可大大减少固定墩的混凝土量。二、基础数据的确定1. 热负荷的确定热负荷是供热工程设计中一个最基础的数据。它涉及到项目实施后的使用效果和经济效益。在热网工程设计时，如果热网承担的所有建筑供暖已经完成了热负荷计算，则采用每个建筑的供暖热负荷作为基础依据是最科学合理的。当没有具体的建筑供暖热负荷资料时，可以采用面积热指标计算热负荷。合理的做法是区分不同功能的建筑物（如一般住宅，节能住宅以及公共建筑等）采用不同的热指标进行热负荷计算。只
7、有当无法区分各不同建筑物的功能时，才可以采用综合热指标计算。目前相当多的设计者设计采用的热指标值偏高，这主要是传统的设计保守因素造成的。城市热力网设计规范给出的热指标值已经考虑了 5%的热损失在内，设计时不必再进行的附加，否则会造成设备、管道选择过大，投资增大，而设备管道又长期达不到使用能力。2. 设计水温参数的确定热水热网的设计水温参数，应根据不同的热源形式以及不同的连接方式选取，同时也受直埋管道保温材料的限制。目前北方地区高温水作为热媒采用较多的供水温度是 120或 110，也有的系统采用 115或 105。上述水温参数主要是考虑国内目前预制保温直埋管道的聚胺脂保温材料耐温限度多数为 12
8、0而选取的。某些项目在设计时选取了 130的设计水温，最近某些工程开始采用了 140的设计供水温度，这就需要对预制保温管道的保温材料耐温性能提出更高的要求。目前，国内很多生产企业都可以生产耐高温的聚氨脂保温材料，但是很难说是否都能达到规定耐温要求，因此应该慎重选择。采用间接连接的高温水热网的回水温度一般多采用 80或 70。具体的参数选择视二级网的水温参数而定。一般情况下，一级热网的回水温度要高于二级网设计回水温度的10，以保证换热器足够的传热温差。采用低温热水做热媒的热网和高温水做热媒的间接连接的二级网，其设计水温参数多采用 95/70、85/60。提高供水水温度,增大供回水温差,相同管道直
9、径的情况下可以减少循环水量,节电效果明显。但是提高供水温度受管道保温材料的限制，也受热电厂机组抽汽压力和运行方式的限制。而为了增大供回水温差而降低回水温度，又受二级网回水温度和换热器换热温差的限制。目前对于间接连接的高温水热网，设计的供回水温度大多采用的是 120/70，二级网 85/60；130/70，二级网 85/60或者 130/80，二级网 95/70。三、主要设备选择1.循环水泵（1）关于选择余量现行的城市热力网设计规范（CJJ34-2002）中没有要求循环水泵的流量必须留有余量，因此在选择循环水泵时，只需按照实际的流量、扬程去选择。但是目前相当多的工程项目中，选择循环泵时总要预留一
10、些富裕量，某些系统参数余量过大，甚至高达原有参数的 2 倍之多。对于采暖系统循环泵，根据热负荷计算流量时，热负荷计算已经预留了必须的余量，计算流量后又乘以 1.11.2 甚至更大的系数，然后按水泵样本选择水泵。在目前水泵系列不完善时，难于找到十分接近的水泵，于是只好选择大一号的水泵。这样选下来的水泵，层层加码，最后达到实际需要的 2 倍以上也就不奇怪了。水泵流量的增大，一方面破坏了原有水力工况（流量增大势必使供回水温差减小），另一方面，又增加了运行的电耗。根据水泵轴功率与流量的关系可知，水泵电耗与流量的立方成正比。当水泵流量增加一倍时，电耗将增至原有电耗的 8 倍。（2）关于水泵并联在实际工程
11、中，常采用多台水泵联合运行的办法来增大流量或扬程。工程中以并联运行为多见，对于并联运行，大概可分如下 3 种情况：1）完全并联。两台同型号水泵并联时，对于同一管路系统，流量增加。2）部分并联。两台型号不同水泵并联，只有在较小水泵扬程高于较大水泵扬程时并联才能增加流量。3）无效并联。两台参数相差较大的水泵并联时，当较小水泵的最大扬程低于较大水泵的最小扬程时，则两台水泵没有并联工作曲线，此时两台水泵并联是没有意义的，并联后流量仍为较大水泵的流量。通过上述分析，认为在单台水泵工作可以满足使用要求时，不要采用多台并联运行的方式。多台并联后的总流量不可能达到各水泵单台流量的总和，而并联工作后却增加了水泵
12、的无效能耗，显然是不经济的。对于需要并联工作的水泵，则应选择性能曲线相同的水泵并联，而且要绘制出并联运行条件下的水泵和网路的性能曲线，核对其工作点是否满足设计参数要求。2.中继泵中继泵实际上是在热水管道上与热网循环泵串联的一个加压泵。一般说来，城市热网中当供热系统较大、管线较长、首站循环泵扬程无法满足使用要求时应当考虑设置中继泵站，或者首站循环泵虽然可以满足使用要求但是系统压力过高对管道材料要求较高时也可以通过设置中继泵使系统压力水平降低。对于原有的中小型热网在改造中，在某种特定条件限制下，设置中继泵站在技术上同样也是一种适宜的措施，在经济上可取得明显效益。中继泵可以设在供水管上，也可以设在回
13、水管上，根据需要也可以同时设在供水管和回水管上。当工程需要设置中继泵站时，应首先考虑把中继泵设在回水管上，以降低系统工作压力，改善水泵的工作条件。中继泵的扬程与热源、热网、热用户的阻力损失以及首站循环泵扬程有关。当首站循环泵选定以后，对一定的热网，中继泵的扬程是固定值。它只与热网的阻力损失有关，而与中继泵站的位置无关。中继泵的流量与中继泵站的位置有关，泵站位置越靠近热网干线末端，其额定流量越小，当然其运行电耗也就越低；因此在满足实用条件的情况下，中继泵站位置应尽量设在热网末端，以节约运行电耗。中继泵的参数确定，应首先依热网（含热源、用户）总阻力损失和首站循环泵扬程确定准确的扬程值，然后再依该处
14、热网干线循环水量确定中继泵的流量。中继泵站的位置受很多条件制约，当中继泵设在回水管时，必须满足：中继泵进口处的回水管压力应不低于静压线高度，以防该处用户倒空；中继泵进口处的回水管压力与该处供水管压差应保证该处用户的资用压头；中继泵出口处的回水管压力应保证低于该处用户设备的承压能力。3.补偿器目前城市热网补偿器，除管道自然转弯的自然补偿之外，基本上采用波纹管补偿和套管补偿两大类。但是自从前些年东北某地在严寒期出现较严重的波纹管爆裂事故后，02 版规范改写了相关条款。考虑波纹管补偿器事故维修的需要，要求设置波纹管补偿器的地方也应设置检查室（井）。事故发生后，波纹管补偿器的使用锐减，相应的新型套管补
15、偿器的开发应用逐渐增加。新型的套管补偿器主要是有针对性的对其密封材料进行开发研制。改善了密封性能的套管补偿器，由于宣称可以“完全免维护”，很快的进入了供热市场。事实上，波纹管补偿器多年的使用证明了其优越性，事故虽然较严重，但只是个案。而且事故也与使用条件和管理水平有关，不能因噎废食，何况目前也采取了相应的改进措施。所以波纹管补偿器仍然可以正常应用。目前改进后的套管补偿器已经开始在一些工程中采用，通过近一两年的运行表现出了其优于传统的套管补偿器的性能。但是是否“完全免维护”，或“终身免维护”，还要经过实践的检验。02 版规范实施后，要求套管补偿器、波纹管补偿器设置时均需设置检查井。按规范要求，原
16、来采用较多全直埋型补偿器，都不该采用了。 4.自力式流量控制阀（自力式流量调节阀）近年来很多热网，包括新建和改造热网都较多采用自力式流量控制阀，该阀的特点是可以根据用户的实际需要保持恒定流量。最初该阀多在热网改造中应用，尤其是控制近热源端用户的流量恒定和改善热网的水平失调效果非常明显。但是对于新建热网，很多工程设计也大量采用自力式流量控制阀，就不是那么必要了。新建热网的支线（含支干线和分支线），应该按允许压力降通过水力计算确定管径。尤其是对近端用户，剩余的作用压头大多可以通过选择较小管径平衡掉。只有在限制流速条件下无法平衡的管段，才可以采用必要的调节装置。而目前相当多的新建热网，分支线和支干线
17、的管径选择没有按允许压力降确定，对于剩余压头较大的用户，全部采用自力式流量控制阀。因此造成了建设投资的增加。应该说这种做法是不适宜的。建议新建热网严格按规范要求通过合理的水力计算确定管径，对于剩于压头较大的管段设置流量调节装置。流量调节装置可以有很多选择，最简单的节流孔板、手动流量调节阀完全可以满足使用要求，而不一定非要选取造价很高的自力式流量调节阀。四、关于水力计算水力计算是热网设计的一个重要工作。02 版规范规定在确定热水网主干线管径时“宜采用经济比摩阻”，并推荐主干线比摩阻采用 3070Pa/m 。应该说经济比摩阻是主干线管径确定的最合理依据，经济比摩阻应该根据不同地区不同工程特点确定。
18、而推荐的 3070 Pa/m 比摩阻值，是参考我国采暖地区的平均价格并考虑水力稳定性因素而估算的数值。并不是真正意义的经济比摩阻。实际工程设计中，条件符合时，主干线平均比摩阻采用的数值完全可以突破此限。具体的经济比摩阻值与热网的供热规模有关。有关研究成果提供的数据显示：供热规模越小，计算得出的经济比摩阻越大，当供热规模在 100 万 m2 时，平均经济比摩阻为 174Pa/m；供热规模在 200 万 m2 时，平均经济比摩阻为 122Pa/m；供热规模在 300 万 m2 时，平均经济比摩阻为 99Pa/m；供热规模在 400 万 m2 时，平均经济比摩阻为 85Pa/m；只有当供热规模达 5
19、00 万 m2 时，平均经济比摩阻才接近规范推荐的比摩阻范围 72Pa/m。因此在新建的热网设计中，供热规模小于 500 万 m2 时，主干线管径计算时完全可以采用较大的平均比摩阻。关于支线和支干线比摩阻的选择，已经在上一节介绍过，此处不再赘述。市政与环境工程学院和建筑环境与设备专业介绍哈尔滨工业大学市政环境工程学院成立于 1996 年 9 月，学院现设有 4 个系：建筑热能工程系、市政工程系、环境科学与工程系、应用生物学系，2 个教辅单位：学院实验中心和学院办公室。4 个本科专业：建筑环境与设备工程专业、给水排水工程专业、环境工程专业、环境科学专业。市政环境工程学院有雄厚的教学和科研实力。学
20、院现有 2 个国家级重点学科，1 个国家重点实验室，2 个部级重点学科，2 个博士后流动站，1 个一级学科博士学位授权点，6个博士点，8 个硕士点、2 个长江学者奖励计划特聘教授岗（均已聘岗）。学院现有教职工 148 人，其中专任教师 109 人，教授 38 人（中国工程院院士 2 人，博士生导师 27 人），副教授 51 人，讲师 20 人。目前，学院在校本科生 1 062 人，硕士研究生 621 人，博士研究生 359 人，折合学生当量数为 2 711 人；研本比为 0.921，生师比为 25.31。建筑环境与设备工程专业前身是供热、供燃气、通风与空调工程专业。1952 年哈工大正式成立供
21、热、供燃气与通风工程五年制本科专业；1959 年，在哈工大土木系的基础上成立哈尔滨建筑工程学院，该专业成为原哈尔滨建筑工程学院 3 个支柱专业之一。1981 年，该专业在我国首批获硕士学位授予权；1985 年，首批获博士学位授予权；1991 年，该专业所在的土木工程学科建成博士后流动站，可接收博士后研究工作人员。至此，该专业形成了本科（学士）硕士博士博士后人才培养的完整体系。1998年，按照国家教育部新专业目录要求成立的建筑环境与设备工程专业，1999 年被评为建设部重点学科，暖通空调实验室成为建设部重点实验室。2000 年 6 月，哈建大与哈工大合并，本专业迎来了新的发展契机，并以优异成绩通
22、过了 2002 年建设部组织的建筑环境与设备工程专业的首批教育评估。在全国高校同类专业中本专业办学规模较大（硕士及博士生数量最多）、办学层次最高、实验室规模大（实验室面积约 4 000 m2），并拥有雄厚的师资力量教授 15 名（其中博导 11 名），副教授 17名。该专业已形成本科（学士）硕士博士博士后一整套人才培养体系，是国内唯一在区域供热、空调制冷、燃气输配等方面全面发展的学科。学科现已形成多个研究领域，其中有：供热系统及设备（供热行业设备创新、供热管网优化运行及调度）；建筑节能技术（建筑墙体保温措施、能耗测定技术）；空调制冷系统及设备（空调系统的节能控制、蒸发冷却、热泵等技术）；城市燃
23、气输配与应用（城市燃气输配理论研究、燃气应用设备及产品开发）；热工过程智能控制理论与应用；城市集中供热系统数字化技术。近 5 年来承担国家自然科学基金、国家“十五”科技攻关项目、省部级科研项目和校各类基金 30 余项，累计科研经费 1 035.52 万元，发表学术论文 700余篇，EI 检索 145 篇，SCI 检索 24 篇，ISTP 检索 39 篇，省部级科研获奖近 20 项。该专业目前设有 4 个研究所、1 个生产实习基地和 1 个实验中心，各单位在本科、硕士、博士和博士后的教学、科研中发挥了重要的作用，为国家培养了大量的优秀专业人才。该专业已累计培养本科生 4 000 余名，硕士研究生 700 余名，博士研究生 60 余名，出站博士后研究人员 10 名，硕士、博士及出站博士后人员均居全国该专业第一。现每年为国家培养 6070 名硕士毕业生、15 名博士毕业生和 24 名博士后研究人员。本专业在 2007 年 1月人民网的综合排名中居全国同类专业 A+第二。
