陳軻 許娜

中國建筑科學研究院天津分院

1 引言

目前我國北方地區(qū)大多實現(xiàn)了集中供熱，為改善人民生活和推動城市的經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展作出了巨大貢獻[1]。集中供熱系統(tǒng)因其環(huán)保節(jié)能、供熱質(zhì)量高等優(yōu)點在我國迅速發(fā)展。而部分集中供熱系統(tǒng)由于設(shè)計與管理不專業(yè)、不合理，造成供熱系統(tǒng)運行不暢、舒適性差，老百姓的供熱需求得不到保障。依據(jù)國家出臺的節(jié)能減排發(fā)展戰(zhàn)略，在供熱管網(wǎng)改造的過程中須以節(jié)能為設(shè)計和施工的原則將供熱資源不斷整合，系統(tǒng)不斷優(yōu)化，實現(xiàn)城市現(xiàn)代化建設(shè)和供熱設(shè)施節(jié)能改造步伐的加快，促進能源利用效率和供熱保障能力的提高[2]。

天津市某小區(qū)的供熱系統(tǒng)由于換熱站循環(huán)水泵選型不合理、同程式管網(wǎng)難以平衡調(diào)節(jié)、飄窗設(shè)計散熱量過大、用戶盤管間距不合理長度不均勻等問題使得住戶冷熱不平衡現(xiàn)象逐年嚴重，存在重大供熱隱患，不滿足居民冬季取暖需求，造成民生問題。為此，項目所屬的熱力公司積極組織運行管理人員對小區(qū)住戶進行連續(xù)測溫，確認存在嚴重不熱情況后，經(jīng)技術(shù)人員進場診斷、檢測，對相關(guān)數(shù)據(jù)及結(jié)果進行分析，給出了相關(guān)改進方案。經(jīng)過全面的供熱診斷和節(jié)能改造，該供熱系統(tǒng)換熱站供熱量大大提升，水泵節(jié)電約達到15%，入戶供水溫度滿足供暖要求。不僅解決了供熱民生問題，也減少了維修站的工作量。因此，將此次供熱診斷和改造的經(jīng)驗做簡單的介紹和總結(jié)，以期對之后的居住建筑供熱系統(tǒng)節(jié)能改造具有工程實際參考價值。

2 項目概況

天津市某小區(qū)由天津市寶坻區(qū)恒安供熱有限公司所屬城南供熱站供熱（圖1），竣工于2013 年。換熱站位于小區(qū)內(nèi)，供熱面積為112337 m2。供熱系統(tǒng)一次網(wǎng)設(shè)計供回水溫度80℃/60℃，設(shè)計熱負荷為5218.67 kW，設(shè)計工作壓力0.6 MPa。二次網(wǎng)供回水設(shè)計溫度50℃/40℃，系統(tǒng)末端分高低區(qū)，室內(nèi)采暖末端為地板輻射采暖。

圖1 改造前小區(qū)供熱二網(wǎng)路由布置圖

3 問題診斷

3.1 診斷方法

集中供熱系統(tǒng)是一種涉及多專業(yè)的復(fù)雜系統(tǒng)，它的每一部分都對供熱質(zhì)量和供熱能耗有著不同程度的影響[3]。因此，筆者在項目改造的問題診斷中采用了圖紙核查與現(xiàn)場調(diào)研相結(jié)合的方式，結(jié)合設(shè)計圖紙設(shè)計對換熱站，建筑末端及末端典型房間的熱負荷進行復(fù)核。根據(jù)二管網(wǎng)設(shè)計圖紙和換熱站設(shè)計負荷，分別對高低區(qū)二次管網(wǎng)進行了水力，流量和板換選型核算。并通過現(xiàn)場換熱站核查，對建筑末端進行實際調(diào)研，得出實際所需耗熱量。通過此供熱診斷模式在該項目的實踐經(jīng)驗可知，該診斷方法能夠?qū)崿F(xiàn)全方面的供熱復(fù)核，體現(xiàn)出多因素、復(fù)雜的綜合性供熱問題。

3.2 診斷結(jié)果

3.2.1 換熱站

1）二級泵流量選型偏小。兩臺二級泵并聯(lián)工頻運行下實際流量為142.61 m3/h，較理論設(shè)計所需流量190.63 m3/h 偏小25.19%。

2）高低區(qū)循環(huán)水泵選型不合理。高低區(qū)循環(huán)泵流量普遍過大，富裕系數(shù)分別達到1.22 和1.28。而實際運行流量偏小（低區(qū)445 m3/h、高區(qū)106 m3/h），無法滿足設(shè)計所需流量（低區(qū)448 m3/h、高區(qū)130 m3/h）。

3）根據(jù)設(shè)計圖紙，高低區(qū)采暖熱負荷分別為1500 kW、5200 kW，在室外氣溫-7.5℃、入住率100%的情況下，當前換熱站高區(qū)實際供熱量為1387 kW，低區(qū)實際供熱量為4609 kW。因此，換熱站實際的供熱量比末端需要的熱量少約10%～20%的供熱量。

3.2.2 二次管網(wǎng)

1）管網(wǎng)設(shè)計為同程式，不易達到水力平衡，且項目建設(shè)運行時未進行水力平衡調(diào)試，尤其結(jié)合住戶私加泵的情況，使得項目的冷熱不平衡現(xiàn)象逐年嚴重。

2）管網(wǎng)管徑設(shè)計不合理。低區(qū)比摩阻相對較大，多數(shù)管段實際比摩阻為135 Pa/m，遠超規(guī)范推薦值50～80 Pa/m。

3）管網(wǎng)水力計算不準確。高低區(qū)環(huán)路阻力分別為41.2 與24.5 m，而循環(huán)泵實際選型揚程均為33.6 m，導致低區(qū)水泵揚程選型偏低，高區(qū)揚程偏高。

3.2.3 熱力入口及末端用戶

1）部分樓棟熱力入口無壓差閥和靜態(tài)平衡閥，個別入口管路缺少蝶閥，無法進行全網(wǎng)水力平衡調(diào)節(jié)，過濾器前后無法管段，也無法及時清理，對管網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)及過濾器清洗帶來嚴重影響。

2）末端各支路長度分布不均勻。不同分支之間的阻力差異相對過大，形成戶內(nèi)水力失調(diào)，造成戶內(nèi)部分房間冷熱分布不均。

3）飄窗設(shè)計散熱量過大。北側(cè)臥室設(shè)計為飄窗，由于在施工過程中未重視窗臺板下的保溫工作，出現(xiàn)冷熱橋現(xiàn)象（圖2），飄窗下沿溫度過低。加之盤管存在的設(shè)計、施工等方面的問題，導致目前北側(cè)小臥室溫度普遍過低。

圖2 16#1602 室飄窗冷橋熱成像圖

4）末端用戶私加管道循環(huán)泵現(xiàn)象嚴重。造成二次管網(wǎng)總體平衡破壞，戶內(nèi)搶水現(xiàn)象且難以調(diào)節(jié)。管網(wǎng)供回水串流、降低熱品質(zhì)，部分用戶供回水逆流。且各用戶私加泵型號和位置不一增大了管網(wǎng)阻力，導致?lián)Q熱站循環(huán)水泵流量無法明顯提升，從而影響換熱站的總供熱量。

4 改造方案

4.1 室外管網(wǎng)改造方案

1）對原系統(tǒng)大環(huán)路進行分路設(shè)環(huán)。在管網(wǎng)中間位置增加一供一回兩根管道并將換熱站出口處管道進行適當改造調(diào)整，將原有大環(huán)路拆分為三個小環(huán)路。

2）針對既有建筑整體布局為各支路選擇合適的系統(tǒng)形式。如圖3 所示，二次網(wǎng)供熱管線自換熱站引出后分為三路：支路1 供給換熱站旁的14#、15 #、19 #、20#、24 #，此部分為異程式系統(tǒng)。支路2 沿原有供水管線，供給下部1# 至11#、16 #、26 # 至28# 之后，流經(jīng)新加回水管直接返回換熱站，此部分形成同程式系統(tǒng)。支路3 從換熱站出來后引供水管至12#樓，之后沿原有供水管路，供給上部12#至13#、17 #至18#、21 #至23#、25 #，回水仍沿原管路返回，此部分形成了同程式系統(tǒng)。

圖3 室外管網(wǎng)改造方案

對此方案在末端設(shè)計負荷及按照實際測溫結(jié)果核算的保證末端22℃的校核負荷兩種狀態(tài)下的情況進行水力計算，各支路最不利環(huán)路管網(wǎng)部分阻力損失結(jié)果如表1 所示。

表1 各支路最不利環(huán)路管網(wǎng)部分阻力損失計算結(jié)果

在此改造方案下，整個系統(tǒng)最不利環(huán)路為支路2，經(jīng)計算最不利用戶為25#，按照校核負荷計算得到的管網(wǎng)所需揚程為33.1 m，與原方案相比所需揚程降低了8.1 m。

4.2 二級泵改造方案

在設(shè)計階段，往往設(shè)計人員從計算熱負荷開始，到設(shè)備選型，會有層層設(shè)置保險系數(shù)的問題，到設(shè)備選型時再進行放大選型，導致設(shè)備選型不合適，設(shè)備額定出力偏離實際運行工況，設(shè)備不能在效率高的區(qū)間運行，造成能源的浪費。從設(shè)計階段應(yīng)盡量避免此問題出現(xiàn)，設(shè)計人員在設(shè)計計算時應(yīng)綜合考慮建筑節(jié)能情況，以及在此計算的前面已經(jīng)考慮的富裕量，避免最終富裕量留的過高[4]。

通過診斷分析可知，本項目換熱站內(nèi)兩臺二級泵并聯(lián)工頻運行實際流量比理論設(shè)計所需流量小25.19%，而換熱站變壓器富裕容量有限，一次網(wǎng)二級泵需要根據(jù)一次側(cè)實際運行溫差35℃進行選型。為了保證末端熱負荷需求，需要對二級泵進行改造。改造前后的設(shè)備工況及型號參數(shù)如表2。

表2 二級泵各工況型號

4.3 水力平衡調(diào)試方案

二級網(wǎng)供熱系統(tǒng)的各個熱力入口的水力平衡度，室外供熱管網(wǎng)各個熱力入口處的水力平衡度應(yīng)為0.9～1.2[5]。該規(guī)定的目的在于通過水力平衡調(diào)節(jié)使得各供熱管網(wǎng)的實際循環(huán)流量為設(shè)計循環(huán)流量的90%～120%[6]。經(jīng)過室外管網(wǎng)改造后，該供熱熱網(wǎng)的各管徑及流量均發(fā)生變化，因此需要根據(jù)現(xiàn)行標準及具體情況進行調(diào)試。

本供熱管網(wǎng)水力平衡調(diào)試流程為：調(diào)試前對現(xiàn)有未安裝靜態(tài)平衡閥的熱力入口進行排查，關(guān)閉全部的戶用加壓泵，避免影響測試參數(shù)的準確度。依據(jù)換熱站改造后實際情況，進行現(xiàn)場勘察測試，對供熱系統(tǒng)進行分析診斷。根據(jù)核算的各熱力入口的設(shè)計流量和供回水溫度，選定最不利環(huán)路，校核計算出各熱力入口所需實際流量，制定現(xiàn)場調(diào)試方案。

進入調(diào)試現(xiàn)場，使用調(diào)試工具進行項目供熱系統(tǒng)管網(wǎng)的調(diào)試。調(diào)試的具體方法為：按復(fù)核后的調(diào)試數(shù)據(jù)和回水溫度，分別調(diào)試了各熱力入口的自力式可調(diào)壓差控制閥等調(diào)節(jié)閥，以確保各支環(huán)路的阻力與流量平衡。

5 改造效果分析

5.1 供熱量提升分析

根據(jù)設(shè)計圖紙可知低區(qū)采暖熱負荷為5200 kW（室外溫度：-7.0℃[7]），根據(jù)改造前換熱站的實際運行數(shù)據(jù)核算，換熱站低區(qū)實際供熱量為4592.43 kW，為設(shè)計負荷的88%，負荷略微偏低。根據(jù)改造后換熱站的實際運行數(shù)據(jù)核算，換熱站低區(qū)實際供熱量為5746.1 kW，為設(shè)計負荷的110%，基本滿足負荷要求。通過現(xiàn)場測得的供回水溫度、流量等數(shù)據(jù)，可計算出供熱改造前后的供熱量，具體數(shù)據(jù)如表3。

表3 改造前后供熱量計算表

在循環(huán)水泵頻率低于改造前3.5 Hz 的情況下，改造后低區(qū)換熱站的流量仍然提升了7%，換熱量提高了1154 kW。若將循環(huán)水泵運行頻率提高到50 Hz，低區(qū)換熱站的總換熱量可進一步得到提高，且約有20% 的供熱量提升空間。

5.2 水泵節(jié)能分析

對循環(huán)水泵效率進行分析可知：改造前效率60.3%（水泵頻率48.4 Hz）、改造后效率61%（水泵頻率44.9 Hz），兩者基本相當。由此可知，由于原系統(tǒng)大環(huán)路的拆分，低區(qū)管網(wǎng)阻力明顯減小，若將水泵頻率提升至改造前的運行頻率，水泵的效率能夠得到進一步提升。

目前，低區(qū)換熱站的總流量提高了28 m3/h，循環(huán)水泵的揚程下降了6 m。在滿足末端需求情況下，循環(huán)泵頻率下降了7.2%，循環(huán)泵功率降低了7.7 kW，節(jié)約了大量的電能。以目前循環(huán)泵45 Hz 情況與改造前48.5 Hz 情況相比，水泵節(jié)電達到約15%，節(jié)電的效果明顯。

5.3 末端效果提升分析

針對末端16#、8#、18#、22#部分不熱用戶的情況原因進行分析，提出了整改措施，改造后對抽檢用戶進行了入室檢查。下面以22#不熱用戶為例，與去年調(diào)研情況進行對比分析，具體情況如表4 和圖4、5 所示。

表4 改造前后22#樓調(diào)研數(shù)據(jù)

圖4 22#2-201 客廳溫度

圖5 22#2-2401 北臥溫度

改造前由于202 室私加水泵，201 室反映不熱。改造后，201 室的室內(nèi)溫度在六天內(nèi)基本保持在19.9℃，滿足供熱標準。改造前由于飄窗、地板盤管、供熱量、水力不平衡等問題，存在大量不熱住戶，2017 年12 月進行現(xiàn)場核查時投保修訴量高達300 戶。通過本次供熱改造，供熱效果得到提升，基本做到了“零投訴”，僅個別住戶存在報修的情況。

6 結(jié)論

本項目通過供熱改造，在管網(wǎng)中間外置增加一供一回兩根管道并將換熱站出口處管道進行適當改造調(diào)整，將原有的大環(huán)路拆分為三個小環(huán)路?；窘鉀Q了住戶所面臨的不熱問題，滿足了供暖設(shè)計指標，使供熱系統(tǒng)用能過程整體優(yōu)化，達到大幅的節(jié)能減排的目的。實現(xiàn)了以提升熱用戶的滿意度為目標的，以節(jié)能減排為原則，供熱管網(wǎng)系統(tǒng)的節(jié)能性和持續(xù)性的發(fā)展[8]。主要效果總結(jié)如下：

①改造后低區(qū)換熱站的供熱量得到了提高，目前循環(huán)泵45 Hz 情況下已經(jīng)滿足了設(shè)計要求，嚴寒期供熱量還有進一步增大空間。

②改造后系統(tǒng)阻力減小，循環(huán)泵揚程降低6 m，水泵效率得到提升，循環(huán)水泵節(jié)電達到15%，效果較好。

③末端回水溫度、流量都有明顯的提高，根據(jù)檢測的室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)，基本都能保持在20℃左右，供熱效率明顯得到提升。

④本次改造后小區(qū)報修量大量減少，為供熱企業(yè)節(jié)省了大量的人力物力，同時極大的提高了老百姓用熱滿意度，解決了供熱民生問題。

供熱作為一項民生工程，其安全、高效、穩(wěn)定運行應(yīng)受到重點關(guān)注[9]。供熱企業(yè)首先在認識上需要進行調(diào)整，避免“頭疼醫(yī)頭，腳疼醫(yī)腳”的思維出現(xiàn)。供熱是系統(tǒng)性工程，亟需通過系統(tǒng)分析診斷，從全局性去著手制定系統(tǒng)的解決方案，同時要吸收類似項目經(jīng)驗教訓，把握好新建項目，逐步改善優(yōu)化既有供熱問題。