狄育慧張丹丹鄭治中李 琦

（1.西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院 西安 710048；2.西安成明節(jié)能技術(shù)股份有限公司 西安 710048）

西安市某小區(qū)供熱系統(tǒng)節(jié)能改造

狄育慧1張丹丹1鄭治中1李 琦2

（1.西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院 西安 710048；2.西安成明節(jié)能技術(shù)股份有限公司 西安 710048）

以西安市某小區(qū)的供熱系統(tǒng)為例，分析了目前供熱系統(tǒng)存在的問(wèn)題，并針對(duì)系統(tǒng)存在的問(wèn)題提出了相應(yīng)的改造方案以及系統(tǒng)節(jié)能改造后的節(jié)能分析。系統(tǒng)通過(guò)分時(shí)分區(qū)供熱、加裝自力式流量控制閥、采用變頻泵變頻調(diào)節(jié)、混水技術(shù)以及自動(dòng)控制系統(tǒng)的改造后，供熱系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了節(jié)能運(yùn)行，并且提高了供熱品質(zhì)，還為日后的供熱計(jì)量收費(fèi)奠定了基礎(chǔ)。

集中供熱；水力失調(diào)；混水技術(shù)；分時(shí)分區(qū)供熱；自動(dòng)控制

0 引言

集中供熱系統(tǒng)因其節(jié)能、易于控制等優(yōu)點(diǎn)在我國(guó)迅速發(fā)展，但是近年來(lái)由于城市的擴(kuò)張建筑面積的增大，導(dǎo)致供熱能耗居高不下，不僅加劇了能源的消耗而且也污染了環(huán)境。對(duì)一些使用時(shí)間較長(zhǎng)的供熱系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造已迫在眉睫，文章將以西安市某小區(qū)為例介紹供熱系統(tǒng)的節(jié)能改造。

1 項(xiàng)目概況

西安市某小區(qū)包括住宅區(qū)、商鋪區(qū)、行政區(qū)及幼兒園共51棟建筑，由于供熱區(qū)域較大分東、西兩個(gè)區(qū)進(jìn)行供熱，在各個(gè)區(qū)域內(nèi)根據(jù)建筑的高度又分為高區(qū)和中區(qū)供熱，該供熱系統(tǒng)自2008年建成后使用至今。

該小區(qū)供熱系統(tǒng)的熱源為燃?xì)鉄崴仩t產(chǎn)生的高溫?zé)崴?，在東、西區(qū)兩個(gè)自建換熱站中經(jīng)板式換熱器向供熱區(qū)域提供熱量。供熱系統(tǒng)總的供熱面積為776308.06m2：其中東區(qū)的供熱總面積為364594.34m2，西區(qū)的供熱總面積為411713.72m2，每個(gè)區(qū)的換熱站都有6臺(tái)換熱器和7臺(tái)二次網(wǎng)循環(huán)泵。該供熱系統(tǒng)的末端除了行政區(qū)和商鋪區(qū)采用散熱器采暖以外，其余區(qū)域均采用地輻射低溫采暖，所有供熱區(qū)域在采暖期內(nèi)進(jìn)行24小時(shí)連續(xù)供熱。

2 該小區(qū)供熱系統(tǒng)存在的問(wèn)題

2.1 該小區(qū)供熱系統(tǒng)簡(jiǎn)介

集中供熱系統(tǒng)雖然都可以概括為熱源、熱網(wǎng)和熱用戶三部分，但是卻是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，圖1簡(jiǎn)單而清晰的表明了該小區(qū)供熱系統(tǒng)的組成。

圖1 西安某小區(qū)集中供熱系統(tǒng)Fig.1 A District Heating System in Xi’an

該小區(qū)供熱系統(tǒng)始建于2008年，至換熱站建成之后系統(tǒng)一直運(yùn)行至今，供熱系統(tǒng)的復(fù)雜性加上外界氣象參數(shù)的變化，系統(tǒng)的能耗也隨之在不斷的變化。采暖期能耗如下：2012年-2013年?yáng)|區(qū)建筑供熱面積約為289796.56m2，西區(qū)建筑供熱面積約為400199.14m2，系統(tǒng)總的供熱面積約為689995.7m2，入住率達(dá)89%，年單位面積用熱量均值約為0.373GJ/m2；2013-2014年?yáng)|區(qū)建筑供熱面積增加到364594.34m2，西區(qū)建筑供熱面積增加到411713.72m2，系統(tǒng)總的供熱面積為776308.06m2，相比于去年供熱面積增加86312.36m2，年單位面積用熱量均值約為0.443GJ/m2，同比增大0.07J/m2，總的供熱能耗增大20%。

2.2 該小區(qū)供熱系統(tǒng)存在的問(wèn)題

（1）供熱管網(wǎng)沒有分時(shí)分區(qū)供熱，只是簡(jiǎn)單的根據(jù)樓層高度劃分，并沒有考慮建筑功能，供熱區(qū)域內(nèi)全部是24小時(shí)連續(xù)供熱，向夜間閑置的建筑供熱是極其浪費(fèi)熱量的。像商鋪、小學(xué)和幼兒園這種只有在白天人員活動(dòng)密集的地方，只需在白天正常供熱，夜間僅需要維持值班溫度即可[1]，該供熱系統(tǒng)無(wú)區(qū)別的24小時(shí)連續(xù)供熱造成了熱量的損失，極大的浪費(fèi)了能源。

（2）鍋爐供熱效率不穩(wěn)定，不能保證始終在高效區(qū)內(nèi)運(yùn)行。魏兵[2]等人在其文章中介紹了供熱鍋爐效率低下的原因，理論上鍋爐可以高效率運(yùn)行的溫度：常壓鍋爐為70-90℃，承壓鍋爐為90-130℃，鍋爐要高效率的運(yùn)行必須保證出水溫度。隨著室外空氣溫度的不斷變化，供暖系統(tǒng)的熱負(fù)荷也在變化，此時(shí)鍋爐的出水溫度也隨之變化，由于缺乏一定的調(diào)控手段，導(dǎo)致在采暖初期和末期鍋爐出水溫度無(wú)限制的降低，過(guò)低的出水溫度使鍋爐低效率運(yùn)行，這樣不僅浪費(fèi)能源，而且還加快了鍋爐的損壞。

（3）該小區(qū)供熱系統(tǒng)存在嚴(yán)重的水力失調(diào)問(wèn)題，熱量分配不合理，室內(nèi)溫度不能滿足用戶的舒適性要求，而且大的循環(huán)水流量還增大了系統(tǒng)的能耗[3-7]。該供熱系統(tǒng)供暖半徑較大，不可避免的會(huì)出現(xiàn)水力失調(diào)現(xiàn)象，但該小區(qū)這種情況較嚴(yán)重，造成了大量不必要的熱量損失。據(jù)實(shí)測(cè)近端用戶室內(nèi)溫度達(dá)26-27℃，比規(guī)范要求的18℃高將近10℃，而遠(yuǎn)端用戶室內(nèi)溫度僅為15℃，近端用戶開窗散熱而末端用戶達(dá)不到舒適性要求，這種“近熱遠(yuǎn)冷”不僅會(huì)增加用戶的投訴，而且為了滿足遠(yuǎn)端不熱必須增大供熱管網(wǎng)的循環(huán)水流量，這就會(huì)增大熱媒的輸送能耗，進(jìn)而增大整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗。

（4）供熱管網(wǎng)熱損失嚴(yán)重。管網(wǎng)沒有良好的保溫特別是管道附件，導(dǎo)致管網(wǎng)熱損失嚴(yán)重，部分管井內(nèi)有積水，管道腐蝕嚴(yán)重，管道在運(yùn)行中會(huì)由于壓力的波動(dòng)而出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，這種可以避免的漏水點(diǎn)增大了整個(gè)系統(tǒng)的漏水量，補(bǔ)水量的增多會(huì)增大整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗。管井的積水以及管壁結(jié)露形成的冷凝水會(huì)腐蝕管道上安裝的壓力表、溫度計(jì)，使儀表形同虛設(shè)不能正確的反應(yīng)管道的實(shí)際情況，不利于管網(wǎng)的調(diào)節(jié)及運(yùn)行管理。

（5）系統(tǒng)循環(huán)水水質(zhì)差，板式換熱器換熱效率低。系統(tǒng)過(guò)濾及凈化設(shè)備處理精度不夠，再加上設(shè)備的維護(hù)、檢修、清洗工作不到位，板式換熱器流道被堵塞降低了換熱器的換熱性能[8]，影響了系統(tǒng)的供熱品質(zhì)降低了室內(nèi)的舒適性。

（6）供熱系統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)不夠完整，不能實(shí)現(xiàn)室外條件改變時(shí)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。已經(jīng)安裝的智能設(shè)備沒有真正的投入使用，既不能及時(shí)的收集室內(nèi)、外的變化，也沒有連成一個(gè)系統(tǒng)，不能對(duì)管網(wǎng)變化作出調(diào)節(jié)和反饋。建筑的熱負(fù)荷是隨著室外溫度的變化而變化，該系統(tǒng)并沒有采集最不利點(diǎn)室內(nèi)溫度，也沒有對(duì)其的反饋，不利于整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)與控制。

3 該小區(qū)供熱系統(tǒng)改造方案

3.1 實(shí)行分時(shí)分區(qū)供熱

對(duì)商鋪、小學(xué)和幼兒園區(qū)域?qū)嵭袉为?dú)供熱，原系統(tǒng)已經(jīng)將其單獨(dú)分為商鋪供熱系統(tǒng)，但存在夜間無(wú)效供熱。此次改造只需控制其供熱時(shí)間和夜間的供熱流量即可，邵宗義等人[9]通過(guò)軟件模擬得出：公共建筑按分時(shí)分區(qū)控制供熱比連續(xù)供熱節(jié)能，一建筑面積為11426m2的辦公樓可以節(jié)能29.9%，而且不會(huì)影響建筑的供熱效果。

3.2 解決管網(wǎng)的水力失調(diào)

由于設(shè)計(jì)時(shí)的不嚴(yán)謹(jǐn)、施工與設(shè)計(jì)有出入以及后期管網(wǎng)運(yùn)行調(diào)節(jié)不當(dāng)?shù)仍?，任何一個(gè)管網(wǎng)都存在不同程度的水力失調(diào)、熱力失調(diào)，如何解決水力失調(diào)問(wèn)題使熱介質(zhì)合理的、按設(shè)計(jì)流量分配給熱用戶[10]，保證供熱品質(zhì)是每一個(gè)供熱管網(wǎng)應(yīng)該考慮的問(wèn)題。

（1）在每棟樓的熱力入口處安裝自力式流量平衡閥。為了解決“近熱遠(yuǎn)冷”的現(xiàn)狀，將系統(tǒng)原有的壓差控制閥全部換為流量控制閥，該閥的特點(diǎn)是：可按設(shè)計(jì)或?qū)嶋H要求設(shè)定的流量運(yùn)行，能自動(dòng)消除人為及不可測(cè)因素帶來(lái)的壓差波動(dòng)，保持流量不變，可以提高供熱品質(zhì)。

（2）將系統(tǒng)中的工頻循環(huán)泵全部換成變頻泵，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速節(jié)能。水泵的工作狀態(tài)點(diǎn)及其變化情況決定著系統(tǒng)是否能節(jié)能運(yùn)行[11]，水泵的工作狀態(tài)點(diǎn)由管網(wǎng)特性曲線以及水泵的特性曲線共同確定，是兩條曲線在同一坐標(biāo)中的交點(diǎn)，也就是說(shuō)改變管網(wǎng)的流量有兩種辦法可以實(shí)現(xiàn)：一種是改變管網(wǎng)的特性曲線；一種是改變水泵的特性曲線。第一種做法適合在工頻泵系統(tǒng)中采用，第二種適合于變頻泵系統(tǒng)，對(duì)于一個(gè)已經(jīng)確定的管網(wǎng)，要想改變其管網(wǎng)特性曲線常用的做法是改變閥門的開度，這種做法雖然也能滿足流量的要求，但是會(huì)浪費(fèi)能源，在能源緊張的現(xiàn)在我們更傾向于第二種做法，兩者的對(duì)比如圖2所示，當(dāng)管網(wǎng)流量由25m3/h減少到20m3/h時(shí)，變頻泵系統(tǒng)會(huì)比工頻泵系統(tǒng)節(jié)省13.1mH2O的損失。

圖2 兩種改變流量方式的對(duì)比Fig.2 Contrast Between in Two Ways to Change the Flow

（3）在每棟樓的入口處加裝混水技術(shù)，用大流量、小溫差的運(yùn)行方式來(lái)提高用戶側(cè)水力穩(wěn)定性，改善水力失調(diào)現(xiàn)象。管網(wǎng)中各個(gè)管段或用戶不隨其他用戶流量的變化而改變的能力，稱為該管段或用戶的水力穩(wěn)定性[12]。水力穩(wěn)定性的公式為：

式中：Qg為管段或用戶的設(shè)計(jì)流量；Qmax為該管段或用戶可能的最大流量；ΔPy為管段或用戶在正常工況下的作用壓差；ΔPw正常情況下網(wǎng)路干管的壓力損失。

由公式可得：用戶側(cè)的壓降越大，該用戶的水力穩(wěn)定性越好，越不容易出現(xiàn)水力失調(diào)?；焖夹g(shù)不僅能很好的解決水力失調(diào)問(wèn)題，王淑蓮[13]等人在《高溫水供熱系統(tǒng)混水換熱技術(shù)應(yīng)用與節(jié)能分析》中指出，應(yīng)用混水技術(shù)還可以節(jié)省能源、減少二氧化碳的排放量。

3.3 增加自動(dòng)控制系統(tǒng)

建立系統(tǒng)集中監(jiān)控平臺(tái)，增加自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)按需供熱。供熱系統(tǒng)是按設(shè)計(jì)工況設(shè)計(jì)的，實(shí)際運(yùn)行時(shí)供熱系統(tǒng)的熱負(fù)荷并不是一成不變，而是隨著室外空氣溫度的變化而變化的，計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的引入會(huì)使供熱系統(tǒng)隨著熱負(fù)荷的變化而調(diào)節(jié)本身的供熱量，實(shí)現(xiàn)能源的節(jié)約。張浩[14]詳細(xì)介紹了供熱系統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成，分析了供熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的必要性。

4 節(jié)能分析

通過(guò)實(shí)際調(diào)研發(fā)現(xiàn)：該小區(qū)供熱系統(tǒng)節(jié)能改造收到了很好的效果，不僅降低了能耗節(jié)約了能源，而且供熱質(zhì)量也有了很大的改善，熱用戶的投訴率也降低了不少。

以西區(qū)的高區(qū)供熱系統(tǒng)為例分析其節(jié)約的電能，該區(qū)的供熱面積為：8.5×104m2，主干管管徑為DN300，原循環(huán)水泵的功率為55kW，改造過(guò)后電機(jī)的功率降為45kW，一個(gè)供熱期間可以節(jié)約的電能約為：（55-45）×120×24=28800kWh，系統(tǒng)一個(gè)供暖期節(jié)約電能如表1所示。

表1 改造后系統(tǒng)節(jié)約的電能Table1 Energy-saving of the System after Transformation

改造前供熱系統(tǒng)的熱能用量為273314GJ，改造后系統(tǒng)的熱能用量為232316.9GJ，西安市居民用熱價(jià)為40.7元/GJ，節(jié)能改造帶來(lái)的效益為：（273314-232316.9）×40.7=1668581.97元。

5 結(jié)論

（1）該小區(qū)的節(jié)能改造收到了很好的效果，供熱面積為689995.7m2在一個(gè)供暖期內(nèi)系統(tǒng)節(jié)約電能187200kWh，節(jié)約熱能40997.1GJ。

（2）合理的供熱方式、有效的解決水力失調(diào)問(wèn)題、增加自動(dòng)控制系統(tǒng)可以有效的降低供熱系統(tǒng)能耗，改善供熱質(zhì)量提高舒適性。

（3）由于每個(gè)供熱系統(tǒng)都有各自不同的特點(diǎn)，有不同的使用對(duì)象和不同的使用時(shí)間，存在不同的供熱問(wèn)題，因此除了借鑒其他系統(tǒng)節(jié)能改造的經(jīng)驗(yàn)外，還應(yīng)該具體問(wèn)題具體分析，找到適合系統(tǒng)的節(jié)能措施。

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Study of Energy-saving on a District Heating System in Xi’an

Di Yuhui1Zhang Dandan1Zheng Zhizhong1Li Qi2
( 1.School of Environmental & Chemical Engineering Xi’an Polytechnic University, Xi’an, 710048; 2.Shaanxi Chengming Energy Conservation Technology Co., Ltd, Xi’an, 710048 )

Base on a district heating system in Xi'an, this paper analyzes the problems in the heating system, then presents some measures to saving those problems. In the end of this paper, the author analysis the energy savings. By taking the measures of time and zone control, install operated flow control values, frequency adjustment, mixed supply and return water temperature, and automatic control system. This heating system not only achieves the energy-saving operation, and improves the heating quality, but also good for heating metering charges in the future.

central heating; hydraulic disorder; mixed water; time and zone heating; automatic control system

TU833

A

1671-6612（2017）01-064-04

陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目供熱換熱站智能控制系統(tǒng)的開發(fā)研究（編號(hào)：15JF017)

狄育慧（1964.2-），女，博士，教授，E-mail：470836165@qq.com

張丹丹（1992.2-），女，在讀研究生，E-mail：1140323207@qq.com

2015-11-27