居住区供热系统节能潜力探讨

中国建筑科学研究院空调所   李先瑞

                                       保定市热力公司            支  志

    我国居住区供热采暖系统热效率低，单位住宅建筑面积采暖能耗约为发达国家的3倍。90年代寒冷地区采暖能耗已占全国总能耗的10%，随着现代化建设的发展，预计采暖空调能耗将增至1.79亿t标准煤，占全国能源总量的13.6%，今后，建筑能耗比例日益接近国际水平(30~40%)。居住区集中供热方式有：锅炉房供热和热力站供热，供热范围从几万m²至几十万m²，锅炉房供热有直接连接方式和间接连接方式。建筑节能“九五”计划和2010年规划提出的建筑节能目标，至2000年节能2700万t标准煤，2050年节能7400t标准煤，2010年节能1.7亿t标准煤。这就说明，在建筑中提高能源利用率，提高供热系统的能效，潜力十分巨大，任务十分艰巨。本文叙述了节能的含义，分析了供热采暖系统各环节热损失的主要原因，探讨了节能的途径。

一、           居住区住宅供热采暖节能的含义

1、住宅采暖能耗、建筑物耗热量和采暖耗煤量指标

        采暖能耗表示在采暖期内用于建筑物采暖所消耗的能量，其中包括锅炉(换热器)及其附属设备运行过程中消耗的热量和电能、室外管网输送热媒过程中消耗的热量。以及为保持室内计算温度需由室内采暖设备供给的热量，即为建筑物耗热量。

        采暖耗煤量指标表示在采暖期室外平均温度条件下，为了保持室内计算温度，单位建筑面积在一个采暖期内消耗的标准煤量(kg/ m³)。该指标是评价由建筑物和采暖系统组成的综合体能耗水平的一个重要指标。

        表1为实施《民用建筑节能设计标准》后的建筑物耗热量指标和采暖耗煤量指标。

           主要城市建筑物耗热量、采暖耗煤量指标                              表1

*1室外管网输送效率η₁=0.90，锅炉运行效率η₂=0.68。

2、实际运行时住宅采暖能耗(见表2)

     主要城市住宅能耗现状                                                                      表2

*摘自全国房地产科技情报网供暖专业网《锅炉供暖节能经济技术政策研究》。

        3、节能的含义

         住宅供热采暖节能潜力                                                                 表3

        节能潜力表示实施民用建筑节能设计标准前后居住区供热系统单位建筑面积采暖能耗的差。节能的含义，即意味着减少不必要的供热采暖能耗，数量上等于节能潜力。节能率是用百分数表示的节能潜力，它表示居住区供热采暖系统最大的节能量。从表3可知：①节能率约为30~40%，说明节能潜力很大。②不同城市节能率不同，有些城市重视节能，基础较好，节能率略低些。③不同供热系统，节能率不同。表3是以锅炉房供热为对象计算住宅能耗的，若热电厂供热，则热电厂供热效率约为83%，一次网热效率约为95%，热力站热效率约为95%，住宅采暖能耗比锅炉房供热少，节能率约提高5%。

         4、节能目标

        根据《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》的规定，节能目标是，在各地1980~1981年住宅通用设计能耗水平基础上节能50%，其中建筑物节能率应达到35%，供热系统的节能率应达到23.6%，即锅炉运行效率应从0.55提高到0.68，管网输送效率应从0.85提高到0.9。以此为依据，确定如下的节能目标(见表4)。

        节能包括节煤、节电和节水。供热采暖系统的一、二次水的动力消耗以耗 电输热比(EHR)为节能目标。设计条件下输送单位热量的耗电量EHR值应不大于下式的计算值 。

                          供热系统节能目标                                             表4

^*1：α-热力站换热器的传热系数，单位W/m²·℃。

  式中：EHR- 设计条件下输送单位热量的耗电量

             ΣQ- 全日系统供热量(kwh)；

     ε-  全日理论水泵输送耗电量(kwh)；

      τ - 全日水泵运行时数，连续运行时τ=24h；

       N – 水泵铭牌轴功率(KW)；

       q – 采暖设计热负荷指标(KW/m²)；

       A - 系统的供热面积(m²)；

       ∆t-设计供回水温差(℃)；

      ΣL-室外管网主干线(包括供回水管)总长度(m)；

       a – 修正系数：当ΣL≤500m，a=0.0115

                                     500m<ΣL<1000m，a=0.0092

                                            ΣL≥1000m，a=0.0069

        一、二次网按上式计算所得的EHR值见表5。节水目标为补水率，补水率应小于1%。

                             EHR计算值                           表5

二、供热采暖系统各环节能效降低主要原因的分析

从以上分析可知，居住区供热采暖系统实际节能率约为30~40%，比民用建筑节能设计标准中的节能率23.6%大得多。为此，必须分析能耗增大的原因。

1、热源(锅炉、热力站换热器)能效降低主要原因的分析

    (1)设计热负荷偏高，选用设备过大。热负荷基数偏大，锅炉、换热器、水泵、管道等偏大，加大了运行成本，浪费了能源。

(2)热源(锅炉、换热器)偏大或台数偏多，使热源低负荷运行。主要表现为每0.7MW只带4000~5000 m²采暖建筑面积，每1 m²换热器面积只带300~400 m²采暖建筑面积，热效率低，能耗大，很不合理。

(3)热源热媒参数低，影响传热系数，因循环水泵流量过大，降低了热媒参数，影响了室内散热器的传热。如集中锅炉房的高温水参数为115~70℃，实际约为95~75℃，低温热水锅炉的热媒参数应为95~70℃，实际约为70~55℃或更低。

(4)循环水泵偏大或多台并联运行，形成大流量小温差不经济运行方式。居住区单位面积热水流量约为2~3kg/h，实际上大于3~5kg/h。大流量使设计供回水温差从25℃降低5~10℃。热电厂供热方式中，一次网水流量约为1.3kg/h，实际上为2~3kg/h，供回水温差从45℃降至15~20℃。直接效果增大了电能消耗。

(5)热源(锅炉、换热器)未设微机和变频调速装置。实践证明，微机监控可实现节能5%，变频调速装置可节电35%~40%。

(6)供暖制度不合理。目前不少锅炉房延用“现行间歇供暖”(每天烧6小时，停6小时，重复一次)制度，浪费了两次压火用煤，降低了热效率。

(7)凭经验“看天烧火”。锅炉运行调节的确定无科学数据为依据，造成初寒、未寒供热量增大，热能浪费增多。

(8)不重视热源的防腐阻垢。由于运行期间水处理坚持不好，至使出现水垢现象。水垢对锅炉和换热器传热影响很大。

2、一次网、二次网输水能效降低的主要原因分析

    (1)由于对供热管网初调节不重视，由于没有合适或设计中没有选用调节性能好的流量平衡调节装置，至使一次网、二次网产生了水力工况失调现象，带来了如下问题。

    ①水力工况水平失调现象，近端热用户水流量是设计流量的2~3倍或更高，远端用户水流量是设计流量0.2~0.5倍或更低。此时，近端热用户平均室温高于20℃，远端热用户平均室温经常低于10℃，结果增加了整个供热系统的热耗，降低了输水系统的热效。

②水力工况失调直接导致热力工况的失调，供热系统存在的冷热不均现         象，主要原因就是系统的水力工况失调亦即流量分配不均所致。当水力失调度  时，平均室温的增长缓慢；当X《1时，平均室温的减少

幅度明显增加。

    ③热力工况失调形成了“大流量，小温差”的运行方式。实际上大流量运行方式并没有从根本上消除系统的水力失调，反而带来了能耗的增加。即大流量要求大水泵，增加了电耗；大流量形成了大热源，热源低负荷运行降低了热源热效率，管网小温差运行增加了输送能耗，还影响了散热器的散热效率。除此之此，大流量还降低了系统的可调性，即系统流量过大，近端多余的流量无法调剂到末端，甚至出现回水温度过高的假象。

    (2)供热系统定压补水装置不合理，如有此热源(锅炉房、热力站)采用电接点压力定压装置，工作时，定压点压力波动10m水柱，改变了整个供热系统的压力分布状况，使一些较高的管网出现倒空现象。有些供热系统定压点位置选在支管上，运行时，不能使系统的压力分布符合设计要求。

    (3)一次网、二次网普遍存在管沟渗水，热损失大，失水率高等问题降低了输水效率。输水功率η_S与管网散热损失Qs(W)，管网固漏水而损失的热量Q_LS=G_b·C·(t_P-t_b)(W)有关。                         式中，Q-管网输送热量(W)，G_b-网路补水量(kg)，t_P-网路供回水平均温度(℃)，t_b-补水温度。管网散热损失与敕设方式、保温材料和保温结构有关，管网漏水产生的热损失与管网结构，用户丢水等有关。目前，上述两种热损失都较大。

3、采暖包费制和按平方米计算采暖费用对住宅采暖能耗的影响。

分户供热按热量收费可节能20%-30%。这项节能率不属于民用建筑节能标准规定的节能范围内。节能量由以下方面构成，住宅区是不同年令、不同职业和不同生活要求的人生活和休息的地方，不同住户的生活方式的不同，对房间舒适度的要求不同，对采暖的时间要求也不同。即使同一住户，卧室、餐厅、客厅功能不同，对采暖的时间和温度的要求也不同。分户供热按热量收费的采暖方式，依靠它具有的调节手段，既满足了使用要求，又节省了能耗。随着生活水平的不断提高，住宅内部发热量也逐年增长，分户供热为利用这部分热能创造了条件。

三、居住区供热采暖系统主要节能措施的探讨

        1、设备节能

        开发和制造高效节能热水锅炉，如28MW，35MW，56MW热水锅炉。开发和推广循环流化床锅炉，这种锅炉的最大优势是在燃烧过程中能有效控制有害气体NO₄和SO₂的产生和排放。

        开发和推广高效的汽水和水水换热器，目前国内生产的等离子体换热器和绕丝花多孔体换热器的传热系数，汽水高达6000W/m²·℃，水水高达4500 W/m²·℃。

    引进热量表技术及控温阀技术，建设热表厂、控温阀厂。

引进和研究管网调节控制技术及其设备，如变频调速泵，压差控制器，气温补偿器等设备及其自动控制技术，使管网系统实现动态调节。建设生产供热调节设备的工厂。

2、设计和运行的节能

设计：原则是结合实际，为节能运行创造条件。锅炉(换热器)按合理热负荷取值选型及确定台数。循环水泵流量、扬程合适，不出现大流量运行方式及大马拉小车现象。定压装置：采用变频调速定压装置。监控及监测：设计微机监控。管网水力平衡的调节装置：为搞好管网的初调节，在一、二次管网的各个分支处和各热力入口处装置调节性能好的平衡调节阀。分户供热，计量收费。

运行：原则是合理供热，保证供热质量。热源：只有提高一次网供水温度，才能提高锅炉出力和换热器传热效率，也才能改变换热器的低负荷运行。管网：安装性能好的平衡调节阀，搞好管网初调节，减少循环水泵流量，改变“大流量，小温差”的不经济运行。科学的运行调节：在推广管网水力平衡技术，做到静态调节的基础上，采用变频调速泵、压差控制器、气温补偿器等设备及其自动控制技术，使管网系统进一步做到动态调节。

3、计算机模拟技术。开发出适应不同建筑物、建筑构造、建筑材料、供热系统、地方气候以及使用状况等条件下满足分析计算能耗，进行技术经济分析比较的需要。

4、示范工程：集中供暖地区按热量计费示范工程，为今后大面积的推广提供技术上先进、可行、经济上合理的方案。

由于时间有限，能力有限，若分析有错，盼批评指正。

参考文献：

1、建筑节能“九五”计划和2010年规划

2、建筑节能技术        中国建筑业协会建筑节能专业委员会

民用建筑节能设计标准                          中国建筑工业出版社         1996