賀舒

中國(guó)建筑設(shè)計(jì)院有限公司

0 引言

隨著現(xiàn)代化城市及工業(yè)的發(fā)展，集中供熱系統(tǒng)愈趨大型化，對(duì)供熱的效果要求也更加嚴(yán)格，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，安全性和可靠性的要求也越高。換熱站是連接熱源和熱用戶的重要環(huán)節(jié)，在整個(gè)供熱系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用，熱水管網(wǎng)又分為一次網(wǎng)和二次網(wǎng)，一次網(wǎng)是指連接于城市熱源管網(wǎng)和換熱站之間的管網(wǎng)，二次網(wǎng)是指連接于換熱站與熱用戶之間的管網(wǎng)，換熱站主要是指連接于一次網(wǎng)與二次網(wǎng)，并裝有與用戶連接的相關(guān)設(shè)備，儀表和控制設(shè)備的機(jī)房[1]。

本文通過(guò)對(duì)高原地區(qū)某換熱站工程設(shè)計(jì)和一次網(wǎng)和二次網(wǎng)供回水溫度進(jìn)行測(cè)試、整理并分析，發(fā)現(xiàn)此集中供熱系統(tǒng)存在一些不節(jié)能的方面，并提出有效的建議，希望引起設(shè)計(jì)人員和管理人員的重視，為我國(guó)節(jié)能事業(yè)做一些貢獻(xiàn)。

1 換熱站工程設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)資料

換熱站修建地區(qū)氣象資料：采暖室外計(jì)算溫度tw為-20℃。冬季采暖天數(shù)N為156天。采暖室外平均溫度pt為7.6℃。最大凍土層深度為130 cm。室內(nèi)計(jì)算溫度為18℃。

本換熱站供熱網(wǎng)由東、西兩個(gè)供熱區(qū)域組成。東供熱區(qū)域?yàn)檗k公區(qū)供熱面積達(dá)30多萬(wàn)m2。西供熱區(qū)域主要為家屬區(qū)，供熱面積達(dá)20多萬(wàn)m2。換熱站工作原理如圖1。

圖1 換熱站工作原理圖

1.2 換熱站能耗設(shè)計(jì)計(jì)算

采用建筑物供熱面積熱指標(biāo)法，對(duì)換熱站全部建筑進(jìn)行按原供熱方法全年能耗計(jì)算以及采用分時(shí)分區(qū)供熱后能耗計(jì)算，從而得出全年能耗總量。

1）傳統(tǒng)供熱方法全年供熱期熱負(fù)荷計(jì)算

利用建筑面積熱指標(biāo)法，供熱量計(jì)算公式如下：

式中：Qn為建筑物全年供熱總能耗kJ；qf為建筑物供熱面積熱指標(biāo)，取70W/m2；F為供熱建筑物的建筑面積；N為供熱期天數(shù)。

將需要冬季供熱的建筑物總面積563409m2代入式（1）可得到按傳統(tǒng)供熱方法全年總能耗Qn=132.7×109kJ。

2）分時(shí)分區(qū)供熱熱負(fù)荷分析

由于東部區(qū)域?yàn)檗k公區(qū)，具有典型的辦公時(shí)間開啟供熱非辦公時(shí)間停止供熱的特點(diǎn)，因此，引入溫差修正系數(shù)Ф，Ф即為每天辦公樓辦公時(shí)間除以24小時(shí)，設(shè)每天辦公時(shí)間為08:00-18:00，即Ф=10/24=0.416，則東部區(qū)域熱能耗計(jì)算如下：

式中：Ф為溫差修正系數(shù)。

西部區(qū)域?yàn)榧覍賲^(qū)，由于高原地區(qū)日照強(qiáng)烈，家屬樓都安裝了太陽(yáng)能蓄熱裝置，在12:00-17:00中間5個(gè)小時(shí)停止供熱，因此，折合成停止供熱天數(shù)，5/24×165為35天，由于所在地供熱按照正常的建筑供熱能耗計(jì)算，熱能耗計(jì)算如下：

將建筑面積和每天所需的正常供熱時(shí)間分別代入式（2）和式（3）即可得到供熱的年能耗量。計(jì)算可得，采用傳統(tǒng)供熱方法，換熱站供熱區(qū)域全年供熱總能耗為132.7×109kJ，而采用分區(qū)域、分時(shí)段供熱方法，全年總能耗降低為97.5×109kJ。

1.3 換熱站一次網(wǎng)熱水流量節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于二級(jí)網(wǎng)側(cè)的供熱量是根據(jù)室外溫度變化和當(dāng)?shù)責(zé)嶝?fù)荷曲線來(lái)確定的，實(shí)測(cè)供熱量和設(shè)定值相比較后，進(jìn)行PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，控制器輸出信號(hào)至電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，從而改變一級(jí)網(wǎng)側(cè)的流量，滿足二次網(wǎng)供暖溫度的控制要求[2]。因此對(duì)一次網(wǎng)流量的控制系統(tǒng)必須是一個(gè)單閉環(huán)溫度系統(tǒng)，按照目前的控制技術(shù)以及高原地區(qū)的特定條件，采用電動(dòng)閥門進(jìn)行控制，盡管一次投入較大，但避免了人工操作誤差較大，為今后實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控打好基礎(chǔ)，是比較理想的方案。

本換熱站工程設(shè)計(jì)中，根據(jù)計(jì)算對(duì)照選型手冊(cè)選取一次網(wǎng)管道直徑為DN150，一次網(wǎng)熱水流量的自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由以下部件組成：西門子VVF41.1502型電動(dòng)閥門；SKC62UA型執(zhí)行器，QAE2110.010型浸入式水溫傳感器，配套熱敏元件PT1000，具有兩個(gè)模擬量輸出點(diǎn)輸出DC 0…10 V信號(hào)的RWD6型控制器。系統(tǒng)具有如下功能。

1）電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門的標(biāo)稱行程可達(dá)40mm，完全滿足調(diào)節(jié)一次網(wǎng)熱水流量的要求。

2）SKC62UA型執(zhí)行器具有可調(diào)節(jié)閥門開度起始點(diǎn)和工作范圍的順序控制；可進(jìn)行閥門正反工作方向選擇，并且具有斷電時(shí)彈簧復(fù)位功能，保證來(lái)電后正常供暖。

3）閥門的開度控制除了具有線性或等比例調(diào)節(jié)外還有三種接線模式選擇，滿足設(shè)備調(diào)試、閥門完全開、閉的要求。

4）電動(dòng)閥門安裝在一次網(wǎng)的回水管路，在加熱系統(tǒng)工作時(shí)，密封墊運(yùn)行在較低的溫度，可以延長(zhǎng)其壽命，同時(shí)為了增加電動(dòng)閥門可靠性，在閥門入口前安裝了過(guò)濾器。

5）電動(dòng)閥門操作在配套SKC62UA型執(zhí)行器的觸摸屏上，設(shè)置和調(diào)節(jié)非常方便。

2 供暖期內(nèi)一次網(wǎng)和二次網(wǎng)供回水溫度的測(cè)試

2.1 二次網(wǎng)供回水溫差測(cè)試

根據(jù)換熱站所在地區(qū)室外計(jì)算溫度為-20℃，查得最小供回水溫差為14.47℃，測(cè)試從2016年11月15日至2017年1月15日共計(jì)60天的供回水溫差，并對(duì)比當(dāng)?shù)刈钚」┗厮疁夭?4.47℃，結(jié)果見(jiàn)圖2～4（縱坐標(biāo)為換熱站實(shí)際的二次網(wǎng)供回水溫差相對(duì)于最小溫差14.47℃的差值，負(fù)數(shù)代表實(shí)際的二次網(wǎng)供回水溫差比最小溫差還要小，橫坐標(biāo)表示測(cè)試日期）。

圖2 供回水溫差對(duì)比當(dāng)?shù)刈钚」┗厮疁夭睿?016年11月15日-11月30日）

圖3 供回水溫差對(duì)比當(dāng)?shù)刈钚」┗厮疁夭睿?016年12月1日-12月31日）

圖4 供回水溫差對(duì)比當(dāng)?shù)刈钚」┗厮疁夭睿?017年1月1日-1月15日）

從圖2～圖4可以看出，在測(cè)試的供暖期一共60天內(nèi)，僅有5天的二次網(wǎng)供回水溫差滿足當(dāng)?shù)刈钚〉墓┗厮疁夭睿瑑H占總測(cè)試天數(shù)的8.33%。說(shuō)明，此換熱站的二次網(wǎng)供回水溫差在供暖期幾乎不滿足當(dāng)?shù)刈钚〉墓┗厮疁夭畹囊蟆?/p>

3 一次網(wǎng)供回水溫度與室外溫度的關(guān)系

根據(jù)文獻(xiàn)[3]提供的計(jì)算方法可以得到間接供暖系統(tǒng)熱源供回水的溫度同供暖室外溫度的關(guān)系，那么采暖期按室外溫度提供熱源的供回水溫度以達(dá)到集中供熱節(jié)能的目的。集中供暖熱源的供回水溫度與室外溫度關(guān)系公式的編制條件[4]：

1）間接供暖的高溫水鍋爐房供回水溫度為130/80℃。

2）室內(nèi)采暖溫度均按18℃計(jì)算，散熱器采暖設(shè)備按全國(guó)通用的TZ4-6-8型鑄鐵散熱器計(jì)算。

3）傳熱系數(shù)

式中：A為常數(shù)；由實(shí)驗(yàn)獲得b=0.287；熱水地面輻射供暖b=0；tpj為散熱器內(nèi)的熱媒平均溫度，℃；tn為供暖室內(nèi)計(jì)算溫度，℃。

間接供暖供回水溫度同室外溫度的關(guān)系：

隋煬帝沉溺游樂(lè)，為滿足自己的享樂(lè)要求，大肆建造龍舟，沿江賞玩，豈不知亡國(guó)之禍已見(jiàn)端倪，亡國(guó)之音不是偶然驟起，與當(dāng)年不知亡國(guó)恨的陳后主無(wú)甚分別。意在借古喻今，規(guī)勸當(dāng)權(quán)要以史為鑒，都對(duì)李商隱在詩(shī)中所要表露的含義給予了正確的揭示。集中有關(guān)諷喻的對(duì)象及事物或多或少都有揭露，這類詩(shī)的積極入選無(wú)不顯示著沈德潛對(duì)李商隱諷喻詩(shī)關(guān)注，在否定譏刺不好中更積極的解讀詩(shī)意，關(guān)注詩(shī)的本身，這無(wú)疑正是另一種形式的肯定。

式中：Tg為高溫側(cè)供水溫度，℃；Th為高溫側(cè)回水溫度，℃；tg為低溫側(cè)供水溫度，℃；th為低溫側(cè)回水溫度，℃；tw為室外溫度，℃；t'w為當(dāng)?shù)囟臼彝庥?jì)算溫度，查得-20℃。

圖5 供、回水溫度比較（2016年11月15日-11月30日）

根據(jù)上述公式，再結(jié)合實(shí)際供暖期的最高和最低的室外溫度，先算出最高室外溫度下的一次網(wǎng)最低供水溫度和最低室外溫度下的一次網(wǎng)最高供水溫度，進(jìn)而算出最高室外溫度下的一次網(wǎng)最低回水溫度和最低室外溫度下的一次網(wǎng)最高回水溫度，再結(jié)合實(shí)際運(yùn)行中一次網(wǎng)的供回水溫度，最終數(shù)據(jù)整理如圖5-7（橫坐標(biāo)代表測(cè)試時(shí)間，h；縱坐標(biāo)代表溫度，K）。綠色代表實(shí)際測(cè)試的供、回水溫度（每?jī)尚r(shí)測(cè)一次），藍(lán)色代表高室外溫度下的供、回水溫度，紅色代表低室外溫度下的供、回水溫度。

圖6 供、回水溫度比較（2016年12月1日-12月31日）

圖7 供、回水溫度比較（2017年1月1日-1月15日）

從上述圖可以看出實(shí)際運(yùn)行中的供水溫度幾乎都達(dá)不到在最高室外溫度下的最低供水溫度，說(shuō)明了實(shí)際運(yùn)行一次網(wǎng)供水溫度嚴(yán)重偏低的問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)幅員廣闊，冬季采暖的地區(qū)占全國(guó)面積的4/5左右，對(duì)能源的需求是巨大的，而我國(guó)又是能源貧乏的國(guó)家之一，節(jié)能減排、降耗是國(guó)家長(zhǎng)期的重點(diǎn)戰(zhàn)略任務(wù)，是政府和企業(yè)的重點(diǎn)考核指標(biāo)。本文針對(duì)高原地區(qū)某換熱站的工程設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)換熱站中一次網(wǎng)和二次網(wǎng)的供回水溫度的測(cè)量、記錄和對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)存在以下問(wèn)題。

1）此換熱站的二次網(wǎng)供回水溫差在供暖期合格率僅為8.33%，幾乎不滿足當(dāng)?shù)刈钚〉墓┗厮疁夭畹囊蟆?/p>

3）換熱站的換熱器的對(duì)數(shù)平均溫差相對(duì)較小，導(dǎo)致?lián)Q熱面積將增大2～4倍。

以上問(wèn)題也是換熱站實(shí)際使用過(guò)程中存在的普遍問(wèn)題，針對(duì)以上問(wèn)題，提出解決思路如下。

1）集中供熱系統(tǒng)中，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮二次網(wǎng)供回水溫差，提高系統(tǒng)二次網(wǎng)供回水溫差，使水泵能耗降低，達(dá)到系統(tǒng)節(jié)能和提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

2）在換熱站工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了保證二次網(wǎng)供回水溫差外，一次網(wǎng)的供回水溫度也不能偏低，否則對(duì)二次網(wǎng)的供回水溫度、換熱器的換熱面積會(huì)有嚴(yán)重的影響。

換熱站和熱水管網(wǎng)是連接熱源和熱用戶的重要環(huán)節(jié)，在整個(gè)供熱系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用。換熱站的工程設(shè)計(jì)以及實(shí)際使用效果好壞，直接關(guān)系到居民的舒適度和能源的消耗程度，結(jié)合本文中的實(shí)際案例，我國(guó)的換熱站工程設(shè)計(jì)還有很大的節(jié)能和經(jīng)濟(jì)的空間，應(yīng)該引起相關(guān)人員的高度重視。

[1] 章世斌.太陽(yáng)能加熱站集中供暖系統(tǒng)分析[J].太陽(yáng)能,2013,(11):43-46

[2] 王建成.換熱站節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].應(yīng)用能源技術(shù),2012,(3):30-34

[3] 聶勇.集中供熱供回水溫度與室外溫度關(guān)系探討[J].節(jié)能,2014,(2):49-51.

[4] 曹宏麟.換熱站節(jié)能控制系統(tǒng)研究[J].山西建筑,2010,(1):207-208