王全福，趙云鵬，倪 珅

（黑龍江建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150025）

在城鎮(zhèn)集中供暖發(fā)展歷程中，早期最常采用的供熱方式是熱水低溫直供集中供暖系統(tǒng)，后續(xù)伴隨著城鎮(zhèn)供熱系統(tǒng)的整合，很多這類系統(tǒng)改造成了間供換熱站的供熱模式。但是目前仍有一定比例的熱水低溫直供集中供暖系統(tǒng)的存在，尤其是利用熱電廠凝汽器余熱的低真空供熱系統(tǒng)[1-2]。然而與此相矛盾的是，隨著區(qū)域供熱面積逐年遞增，導(dǎo)致原有的供熱管網(wǎng)輸熱能力不足。在此針對(duì)熱水低溫直供集中供暖系統(tǒng)輸熱能力提升技術(shù)進(jìn)行研究分析。

1 熱水低溫直供集中供暖系統(tǒng)存在的問題

熱水低溫直供集中供暖系統(tǒng)的供熱主管道由熱電廠或區(qū)域鍋爐房等熱源內(nèi)直接引出，沿相應(yīng)的城鎮(zhèn)道路直埋敷設(shè)。將整個(gè)供熱區(qū)域分成多個(gè)小型的供熱區(qū)，每個(gè)小型供熱區(qū)設(shè)置一座分配站，并就近通過供熱支管與供熱主管道相連接，最終形成如圖1 所示的管道連接形式。

以上的系統(tǒng)形式在運(yùn)行中出現(xiàn)了如下的問題：

（1） 由于熱源出來的主管道與眾多分配站直接連接，而分配站內(nèi)僅僅設(shè)置了分集水器及手動(dòng)關(guān)閉閥，這些閥門屬于快開特性的閥門，不具備良好的流量調(diào)節(jié)能力，這使得系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)異常困難，基本沒有辦法真正調(diào)平，于是出現(xiàn)冷熱不均的問題。

（2） 該系統(tǒng)為了保證用戶溫度達(dá)到供熱條例和相應(yīng)規(guī)范的要求，往往采用增大循環(huán)流量的方式，導(dǎo)致熱源廠內(nèi)總循環(huán)泵的運(yùn)行耗電量大幅增加。

（3） 由系統(tǒng)水壓圖2 明顯看到，該系統(tǒng)距離熱源廠近的分配站（比如1#）資用壓差很大，末端分配站（n#）資用壓差最小。而要保證供熱質(zhì)量，就必須保證末端具有足夠的資用壓差，則系統(tǒng)前端大部分分配站的資用壓差將大于實(shí)際所需，尤其是距離熱源最近的幾個(gè)站剩余資用壓頭過大，這些站就需要采用閥門節(jié)流的方式將多余的資用壓頭消耗掉，而通過節(jié)流損失消耗掉的壓頭恰恰是系統(tǒng)耗電量的一部分，所以進(jìn)一步加劇了電能的浪費(fèi)。

（4） 伴隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，各地城區(qū)的供熱面積都在逐年增加，給該系統(tǒng)帶來了更為嚴(yán)峻的問題。原有主管道管徑的選擇往往沒有充分考慮到城鎮(zhèn)化發(fā)展如此快速的情況，當(dāng)建筑面積增加到一定程度，區(qū)域熱負(fù)荷就超過了原有管道所具備的輸熱能力，這時(shí)候就勢(shì)必影響到了正常的供熱質(zhì)量。有些熱企在此時(shí)往往采用更換大管徑管道的方式解決這個(gè)問題，但是這帶來了較大的建設(shè)投資，而且破環(huán)了城鎮(zhèn)道路，影響正常的交通出行，有的時(shí)候城區(qū)的特殊路段還無法獲批施工。有的熱企又采用更換更大流量和揚(yáng)程的循環(huán)泵試圖解決這個(gè)問題，結(jié)果非但沒有解決問題，反而還帶來了更為嚴(yán)重的冷熱不均現(xiàn)象。

2 供熱管道輸熱能力提升的途徑

由熱量計(jì)算公式（1）[3]我們可以看到，供熱管道輸熱能力取決于運(yùn)行流量和供回水溫差。要想提升輸熱能力有兩個(gè)途徑：一是增大管網(wǎng)的循環(huán)流量；二是增大管網(wǎng)的供回水溫差。

式中，Q- 供熱管網(wǎng)輸送熱量，kW；c- 水的比熱容，kJ/(kg·℃)；G- 供熱管網(wǎng)的循環(huán)流量，t/h；Δt- 供回水溫差，℃；tg- 供熱管網(wǎng)供水溫度，℃；th- 供熱管網(wǎng)回水溫度，℃。在不更換大管徑管道的情況下增大循環(huán)流量，會(huì)使管道運(yùn)行比摩阻過大，不滿足規(guī)范的要求。同時(shí)，增大流量會(huì)帶來阻力的增加，原有循環(huán)水泵可能無法滿足使用要求。所以，增大循環(huán)流量的方法并不是提升管道輸熱能力的最佳方案。如果采用增大管網(wǎng)的供回水溫差來提升輸熱能力，則維持了原有系統(tǒng)的循環(huán)流量，不改變?cè)邢到y(tǒng)的阻力，循環(huán)泵的功耗不增加。如果采用最小循環(huán)流量運(yùn)行（滿足凝汽器冷卻運(yùn)行需要），就會(huì)使系統(tǒng)運(yùn)行阻力降低，減小循環(huán)水泵的電功耗。增大供回水溫差可以采用降低回水溫度或者增加供水溫度兩個(gè)方式來解決，回水溫度降低勢(shì)必會(huì)引起用戶側(cè)末端設(shè)備的平均水溫降低，導(dǎo)致用戶側(cè)室溫下降，所以不能隨意降低回水溫度；那么提高供水溫度就成為優(yōu)選項(xiàng)，只要增大熱源供熱量就可以提高熱網(wǎng)的供水溫度，溫差增大的程度取決于實(shí)際熱負(fù)荷需求。

3 熱水低溫直供集中供暖系統(tǒng)輸熱能力提升技術(shù)

提高供水溫度增大供回水溫差雖然解決了主管網(wǎng)的輸熱能力問題，但是帶來了另外一個(gè)問題，就是可能出現(xiàn)與熱用戶所需供水溫度不匹配的問題，尤其是地?zé)嵊脩粢?guī)范要求供水溫度不超過60 ℃[4]。原有系統(tǒng)為了兼顧散熱器和地?zé)醿煞N用戶需求，將供水溫度控制在≤60 ℃，但是當(dāng)提高供水溫度后，就會(huì)出現(xiàn)超過60 ℃的情況，那么對(duì)于地?zé)岫跃统隽艘?guī)范的要求，也將嚴(yán)重影響舒適感。需要采用相應(yīng)的技術(shù)手段來解決這一矛盾。解決矛盾也存在兩種方法：一是增設(shè)板式換熱器，通過間接換熱的方式降低用戶側(cè)供水溫度，但這也降低了用戶側(cè)回水溫度，同時(shí)增加的間接換熱環(huán)節(jié)也會(huì)產(chǎn)生散熱損失；二是通過向供水中混入適當(dāng)?shù)幕厮髁繌亩淖冇脩魝?cè)供水溫度，該方法不降低回水溫度，換熱效率也高，是理想的解決方法。

3.1 多元化混合回水模式的應(yīng)用

混入適當(dāng)?shù)幕厮髁康姆绞胶芏?，在輸熱能力提升改造過程中要結(jié)合實(shí)際情況綜合應(yīng)用各種模式。

3.1.1 旁通加壓混合回水的應(yīng)用

對(duì)于資用壓差足夠大、完全滿足二次側(cè)用戶管網(wǎng)系統(tǒng)循環(huán)阻力的分配站，應(yīng)采用旁通加壓混合回水的方式進(jìn)行改造，具體流程見圖3。

該模式是在需要改造的分配站內(nèi)原有供回水管之間增設(shè)旁通管，并在旁通管上設(shè)置混合水泵。運(yùn)行時(shí)，利用旁通管上的混合水泵將二次側(cè)回水管中的部分回水加壓后打入一次側(cè)供水中，混合降溫后形成二次側(cè)供水向用戶供熱，而另外的一部分二次側(cè)回水返回至一次側(cè)回水管中。該混合水泵的流量為實(shí)際需要的設(shè)計(jì)混合水量大小，揚(yáng)程需要滿足二次用戶側(cè)管網(wǎng)阻力損失加上站內(nèi)阻力損失及用戶內(nèi)部阻力損失的和，同時(shí)水泵需要設(shè)置變頻器，以能夠適應(yīng)靈活調(diào)節(jié)的需要。該模式由于水泵流量?jī)H僅為混合回水量，小于二次側(cè)用戶循環(huán)水量，所以在各種混合回水模式中，這是運(yùn)行狀態(tài)下泵功耗最小的方案，所以在條件允許的情況下應(yīng)優(yōu)先采用此方案。

在提高輸熱能力改造的過程中，應(yīng)在供水管上安裝電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，以適應(yīng)變流量運(yùn)行需要。不必拆除原有減壓閥或手動(dòng)調(diào)節(jié)閥，這樣可以使電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的閥權(quán)度處于合理范圍，保證其有效的調(diào)節(jié)能力。

3.1.2 供水加壓混合回水的應(yīng)用

對(duì)于某一些二次側(cè)供水壓力需求大于一次側(cè)供水壓力的分配站，應(yīng)采用供水加壓混合回水的方式進(jìn)行改造，具體流程見圖4。

該模式是在旁通管和一次側(cè)供水管上加設(shè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，混合水泵設(shè)置在二次側(cè)供水母管上。該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由混合水泵將一次側(cè)供水與二次側(cè)部分回水同時(shí)吸入，混合降溫后形成二次側(cè)供水向用戶供熱，而另外的一部分的二次側(cè)回水直接返回到一次側(cè)回水管中。兩個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥在如下情況下進(jìn)行適當(dāng)控制：當(dāng)一次側(cè)供水壓力高于二次側(cè)回水壓力時(shí)，可調(diào)節(jié)一次側(cè)供水管上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥使其閥后的壓力與二次側(cè)回水壓力平衡；而當(dāng)二次側(cè)回水壓力高于一次側(cè)供水壓力時(shí)，可調(diào)節(jié)旁通管上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥使其混入供水管中的壓力與一次側(cè)供水壓力平衡。該模式中混合水泵的流量需符合二次側(cè)用戶的實(shí)際流量的要求，揚(yáng)程需要滿足二次側(cè)管網(wǎng)阻力損失加上站內(nèi)阻力損失及用戶內(nèi)部阻力損失的和，水泵需要設(shè)置變頻器。

3.1.3 回水加壓混合回水的應(yīng)用

對(duì)于某一些二次側(cè)回水壓力小于一次側(cè)回水壓力的分配站，應(yīng)采用回水加壓混合回水的方式進(jìn)行改造，具體流程見圖5。

該模式是在旁通管和一次側(cè)供水管上加設(shè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，混合水泵設(shè)置在二次側(cè)回水母管上。該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由混合水泵將二次側(cè)回水加壓，其中一部分回水直接進(jìn)入一次側(cè)回水母管中，另外一部分回水則通過旁通管流入一次側(cè)供水母管中，混合降溫后形成二次側(cè)供水向用戶供熱，混合水量可由旁通管上電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制。該模式中混合水泵選型原則同供水加壓混合回水模式。對(duì)于二次側(cè)回水壓力小于一次側(cè)回水壓力的分配站，有時(shí)也可以選擇如下的旁通加壓混水+一次側(cè)提升加壓回水的方案，流程見圖6。

該模式是在旁通管上設(shè)置混合水泵，同時(shí)在一次網(wǎng)回水管上設(shè)置提升加壓泵。運(yùn)行時(shí)，利用旁通管上的混合水泵將二次網(wǎng)回水管中的部分回水加壓后打入一次網(wǎng)供水中，混合降溫后形成二次側(cè)供水向用戶供熱，而另外的一部分二次側(cè)回水經(jīng)由一次側(cè)提升泵加壓后送回到一次側(cè)回水管中，以滿足系統(tǒng)回水壓力的需要。該混合水泵選型原則同旁通加壓混合回水模式；一次側(cè)提升泵流量滿足一次側(cè)設(shè)計(jì)流量的要求，揚(yáng)程需滿足設(shè)計(jì)提升壓力差的要求。兩種水泵均需要設(shè)置變頻器。

3.2 最佳混合水量控制的應(yīng)用

打破傳統(tǒng)二級(jí)網(wǎng)定流量質(zhì)調(diào)節(jié)的運(yùn)行方式，不斷尋求最優(yōu)運(yùn)行循環(huán)流量及最佳混合水量，以最大限度的節(jié)約電能和熱能。最優(yōu)運(yùn)行循環(huán)流量就是指在某一工況下每座熱力站對(duì)應(yīng)唯一的可以保證區(qū)域熱用戶不出現(xiàn)水力失調(diào)的運(yùn)行流量[5]，而在該流量基礎(chǔ)上計(jì)算出來的混合水量即為最佳混合水量。系統(tǒng)在最佳混合水量情況下運(yùn)行，就可以保證系統(tǒng)熱力工況的穩(wěn)定。公式（2）為室內(nèi)雙管用戶系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的最佳混合水量的計(jì)算方法，公式（3）為室內(nèi)單管用戶系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的最佳混合水量的計(jì)算方法。

式中：Gh- 最佳混合水量，t/h；tn- 室內(nèi)空氣溫度，℃；tw-某一室外溫度，℃；t'n- 室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，℃；t'w- 供暖室外計(jì)算溫度，℃；B- 傳熱指數(shù)；對(duì)于鋼制和鑄鐵散熱器B=0.2-0.35，對(duì)于地?zé)酈=1.032；u- 設(shè)計(jì)混合比；t1- 一次網(wǎng)設(shè)計(jì)供水溫度，℃；θ1- 二次網(wǎng)設(shè)計(jì)供水溫度，℃；t2- 供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)供水溫度，℃。

在實(shí)際供熱系統(tǒng)運(yùn)行過程中，根據(jù)每一座分配站的用戶實(shí)際情況并針對(duì)各種室外氣溫條件進(jìn)行最佳混合水量的計(jì)算，并通過智能控制系統(tǒng)對(duì)混合水泵進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)、對(duì)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)輸熱能力提升后系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、節(jié)能、節(jié)電的最優(yōu)化運(yùn)行。

4 結(jié)論

熱水低溫直供集中供暖系統(tǒng)存在著能耗電耗高、供熱效果不均衡、面積增大后難以適應(yīng)的弊端，為有效解決這些問題，提出了基于增大一次側(cè)供回水溫差和尋求最佳混合水量控制的輸熱能力提升技術(shù)。采用增大一次側(cè)供回水溫差方法實(shí)現(xiàn)在不改造原有供熱主管道的情況下提升輸熱能力的目的，同時(shí)配合采用多元化混合回水模式并通過自動(dòng)控制系統(tǒng)尋求最佳混合水量控制的方法實(shí)現(xiàn)與用戶需求的良好契合。該技術(shù)的應(yīng)用，可以有效的降低系統(tǒng)的能耗和電耗，帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益、社會(huì)效益。