城市供暖論文

1、城市集中供暖系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計摘要：集中供暖是指以熱水或蒸汽作為熱媒，利用一個或多個熱源通過供暖管網(wǎng)、熱交換站等，向一個城市或城市中較大區(qū)域的各熱用戶提供熱能的方式。集中供暖以其節(jié)能、環(huán)保和供暖質(zhì)量好等優(yōu)點，成為城市建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。集中供暖系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計研究,對節(jié)約工程投資、降低供暖能耗、提高企業(yè)效益等有著重要的意義。本文主要根據(jù)作者近年來深入供暖公司和居民用熱之間供暖熱網(wǎng)的實踐經(jīng)驗，提出城市集中供暖的優(yōu)化設(shè)計方案。關(guān)鍵字：集中供暖 優(yōu)化設(shè)計 節(jié)能1、前言隨著供暖體制的改革,國家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和環(huán)境保護的要求提高,使供暖能源結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,推動了供暖模式的推陳出新,正確分析、評價和選擇適合本地特

2、點的供暖模式尤為重要。實現(xiàn)供暖熱源、供暖管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計及整個供暖系統(tǒng)的優(yōu)化運行勢在必行。雖然我國集中供暖發(fā)展迅速，但生產(chǎn)和輸送的能耗仍很高在輸送方面，大流量、小溫差、高耗點的運行方式普遍存在，水泵電耗之大可想而知。對于熱水供暖來說供暖經(jīng)營單位的熱成本組成，除購熱（鍋爐房生產(chǎn)熱）費是主要外，水泵的電耗開支占重要份額，因此采用先進的使用技術(shù)，設(shè)計和改造管網(wǎng)系統(tǒng)，充分挖掘系統(tǒng)節(jié)能潛力，特別是降低水泵電耗是系統(tǒng)節(jié)能的重要途徑。2、集中供暖基本概述 集中供暖以其節(jié)能、環(huán)保和供暖質(zhì)量好等優(yōu)點，成為城市建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。而我國北方城鎮(zhèn)采暖能耗是建筑能耗的最大組成部分，因此集中供暖運行狀況的好壞對于我國的建

3、筑節(jié)能事業(yè)具有重要的影響。多熱源集中供暖系統(tǒng)，利用大型燃煤鍋爐或熱電廠作為主熱源承擔(dān)城市集中供暖基礎(chǔ)負(fù)荷，小型燃煤鍋爐或燃?xì)忮仩t承擔(dān)峰值負(fù)荷，可以使供暖設(shè)備更多時間在滿負(fù)荷下運行，提高各熱源的供暖效率。多熱源聯(lián)網(wǎng)運行可以提高集中供暖網(wǎng)的可靠性。當(dāng)某一熱源或某一管段出現(xiàn)故障時，只要通過正確調(diào)節(jié)調(diào)度，就可以滿足熱用戶的需要。對于大型多熱源集中供暖網(wǎng)來講，如果由主熱源按照運行調(diào)節(jié)曲線調(diào)節(jié)熱網(wǎng)中的流量或溫度，將會產(chǎn)生巨大的滯后性從而導(dǎo)致熱網(wǎng)供暖的不均勻，因此應(yīng)該按照各個換熱站實際所需的熱量進行調(diào)節(jié)，在熱網(wǎng)供暖量充足的時候進行按需供暖，供暖量不足的時候進行均勻性調(diào)節(jié)。3、現(xiàn)代供暖系統(tǒng)消耗能量的環(huán)節(jié)和評估

4、 3.1.供暖系統(tǒng)消耗能量的環(huán)節(jié) 供暖系統(tǒng)由熱源把熱能送達(dá)熱用戶，一般都要經(jīng)過熱制備、轉(zhuǎn)換、輸送和用熱這幾個環(huán)節(jié)。我國城市集中供暖熱制造主要來自燃燒化石燃料(煤、油、氣)的區(qū)域鍋爐房和城市熱電廠。區(qū)域鍋爐房的主要耗能設(shè)備是鍋爐、燃料輸送及灰渣清除機械、鼓風(fēng)機和引風(fēng)機、水制備和輸配系統(tǒng)的水泵(循環(huán)水泵，補水泵和加壓泵)；它們耗用的能源是燃料、電力、水和熱；通?？梢杂脝挝还┡康南牧縼碓u定耗能水平。熱電廠是由抽凝式、或背壓式(包括惡化真空)供暖機組排、(抽)汽通過熱能轉(zhuǎn)換裝置(通常稱 為首站熱交換器)傳遞給熱網(wǎng)系統(tǒng)；首站是供暖系統(tǒng)的熱源，主要耗能設(shè)備是熱交換器、輸配系統(tǒng)的水泵，它們耗用的能源是蒸

5、汽、電力、水和熱；通常可以用單位供暖量的消耗量來評定耗能水平。 熱能輸送由熱網(wǎng)承擔(dān)，供暖管道由鋼管、保溫層和保護層組成，其結(jié)構(gòu)和材料選擇依敷設(shè)而異。管道敷設(shè)有架空、管溝和直埋三種方式，它們的能量消耗是沿途散熱的熱損失和泄漏的水、熱損失。一般可用熱網(wǎng)熱效率來表示其保溫效果和保熱程度；熱網(wǎng)補水率來表示熱網(wǎng)不泄漏的程度。在熱網(wǎng)管線上有時還設(shè)置中間加壓泵，以降低和改善系統(tǒng)水力工況(設(shè)置在非空載干線上，還能節(jié)省輸送電耗)，它的能量消耗設(shè)備是水泵，可用單位供暖量的耗電來評定耗能水平。 能量轉(zhuǎn)換是通過熱力站熱交換器把一級網(wǎng)的熱能傳遞給二級網(wǎng)，并由它輸送到熱用戶。熱力站是二級網(wǎng)的熱源，主要耗能設(shè)備是熱交換器、

6、二級網(wǎng)系統(tǒng)循環(huán)水泵和補水泵。它們耗用的能源是一級網(wǎng)高溫水/蒸汽、電力、水和熱；通?？梢杂脝挝还┡康南牧縼碓u定耗能水平。用熱即終端系統(tǒng)用熱設(shè)備。城市集中供暖主要是建筑物內(nèi)的采暖(為簡化分析只談最大熱用戶)。一般都是通過采暖散熱器把熱傳給房間以保持舒適的室內(nèi)溫度。它的耗能設(shè)備是采暖散熱器。其能量取決于建筑維護結(jié)構(gòu)保溫性能、保持的室內(nèi)溫度和外界環(huán)境的溫度；其耗熱量可通過計量進入的循環(huán)水量和供、回水溫差積分獲得。通常以單位供暖面積的耗熱量來評定耗能水平。3.2.系統(tǒng)熱耗的估計 供暖系統(tǒng)從熱制備、轉(zhuǎn)換、輸送、用熱環(huán)節(jié)的能量進入和輸出必須相等，即： 輸入能量=可用能量+能量損失 能源利用率=可用能量/

7、輸入能量 可以這們認(rèn)為：供暖系統(tǒng)是由多個子系統(tǒng)組成。熱用戶是終端，采暖散熱器是終端用熱設(shè)備。熱力站、二級網(wǎng)和終端組成二級網(wǎng)子系統(tǒng)，熱力站熱交換器成為該子系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換點，一級網(wǎng)水則為它的熱源。鍋爐房(或熱電廠首站)、一級網(wǎng)和熱力站組成一級網(wǎng)子系統(tǒng)，勢力站是該子系統(tǒng)的熱用戶，鍋爐受熱面(或首站熱交換器)成為能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，鍋爐(或熱電廠經(jīng)汽機的蒸汽)是熱源。鍋爐本體(或熱電廠)自成一個子系統(tǒng)，稱為熱源子系統(tǒng)。若設(shè)采暖散熱器耗熱量為N0，二級網(wǎng)管路熱損失為E1，泄漏熱損失E2。熱力站內(nèi)熱損失E3，二級網(wǎng)管路熱損失為E4，泄漏熱損失E5，鍋爐房(首站)內(nèi)熱損失E6。輸入能量是燃料熱N3，能量損失包括化

8、不完全燃燒損失E7、固體不完全燃燒損失E7、飛灰熱損失E8、灰渣熱損失E9，排煙熱損失E10、(熱電廠還應(yīng)增加一項：供暖分擔(dān)的廠內(nèi)熱損失E11)，輸出則是二級網(wǎng)子系統(tǒng)的輸入能量N2。 則：一級網(wǎng)子系統(tǒng)的輸入熱量N1=N0+E1+E2+E3 一級網(wǎng)子系統(tǒng)熱能利用率B1=100×N0/N1(%)二級網(wǎng)子系統(tǒng)的輸入熱量N2=N1+E4+E5+E6 二級網(wǎng)子系統(tǒng)的熱能利用率B2=100×N1/N2(%) 熱源子系統(tǒng)的輸入熱量N3=N2+E7+E8+E9+E10(6E11) 熱源子系統(tǒng)熱能利用率B3=100×N2/N3即鍋爐熱效率(熱電廠熱效率)(%) 供暖系統(tǒng)熱能利用率B

9、=B1×B2×B3(%) 3.3.系統(tǒng)電耗的估計 系統(tǒng)電耗評估與熱能評估一樣可以子系統(tǒng)計算后疊加。系統(tǒng)主要耗電設(shè)備有循環(huán)泵、補水泵、鼓風(fēng)機和引風(fēng)機等。它們單位供暖量的電耗由下式計算： (1)水泵耗電量 s=(h0(G×H)/(267.3×)/N0 式中，G-水泵運行流量，！3/h； H-水泵運行揚程 m； -水泵運行效率 ； N0-系統(tǒng)供暖量； h-有效小時數(shù)。 (2)風(fēng)機耗電量可用同一個計算公式。此時 式中，G-風(fēng)機運行風(fēng)量； H-風(fēng)機運行風(fēng)壓； -風(fēng)機運行效率(對皮帶傳動應(yīng)包括機械傳動效率)； N0-系統(tǒng)供暖量。 3.4.系統(tǒng)泄漏損失的估計 系統(tǒng)泄漏

10、損失導(dǎo)致水資源和熱能兩方面損失。 （1）水資源損失量可認(rèn)為等于系統(tǒng)補水量BS。若系統(tǒng)運行循環(huán)水量為G，則 系統(tǒng)補水率P=100×BS/G (%) （2）系統(tǒng)泄漏熱損失由下式計算： 單位供暖量的泄漏熱損失BR=P×G××C(t1-t0)/N0 式中 -水的密度，C-水的比熱，t1-供水溫度，t0-水源溫度。 3.5.熱水管道能源消耗的影響因素 (1) 管道外徑。管道散失的熱量隨管道外徑的增大而增加。管道外徑越大，管道內(nèi)水向管外傳遞的熱量增多。 (2) 輸水溫度。在輸水溫度較低時，管道外徑對管道散熱損失的影響較大，反之，在輸水溫度較大時，管道輸水溫度對管道散

11、熱損失的影響較大。 (3) 管道熱導(dǎo)率。當(dāng)保溫材質(zhì)熱導(dǎo)率較大時，管道散失的熱量在不同管徑處隨保溫材質(zhì)熱導(dǎo)率的增大，其差距逐漸增大。 (4) 土壤熱導(dǎo)率。管道散失的熱量隨土壤熱導(dǎo)率的增大而增加。土壤熱導(dǎo)率較小時，管道散失的熱量在不同管徑處隨土壤熱導(dǎo)率的降低，其差距逐漸減小，但減小的幅度不大。 (5)保溫層厚度。管道散失的熱量隨保溫層厚度的增大而減小。保溫層越厚，其傳熱熱阻越大，傳遞到土壤的熱量就越少。當(dāng)保溫層厚度較小時，管道散失的熱量在不同管徑處隨保溫層厚度的降低，其差距越來越大。對于當(dāng)前國內(nèi)供暖系統(tǒng)絕大多數(shù)采用的定流量質(zhì)調(diào)節(jié)運行方式應(yīng)裝設(shè)自力式流量控制器，對于近期即將采用或正在采用的變流量調(diào)節(jié)

12、的系統(tǒng)應(yīng)裝壓差控制器。在用戶樓棟入口裝設(shè)流量控制設(shè)備，對各樓之間流量分配進行調(diào)節(jié)；在立管上裝設(shè)平衡閥平衡各立管之間的流量，這些措施可以有效地解決小區(qū)內(nèi)建筑物之間和建筑物內(nèi)部房屋冷熱不均的問題。 4、優(yōu)化設(shè)計 對于新建工程，設(shè)計者應(yīng)仔細(xì)核算單體熱負(fù)荷，校核系統(tǒng)管徑和水力平衡，設(shè)計要經(jīng)濟、合理，能經(jīng)得住多方的推敲。外網(wǎng)根據(jù)準(zhǔn)確的熱負(fù)荷，計算相應(yīng)的循環(huán)水量。然后根據(jù)最不利環(huán)路的比摩阻應(yīng)在40-80Pam，確定最不利環(huán)路的各級管徑，得出準(zhǔn)確的最不利環(huán)路阻力損失。再根據(jù)其它支路的比摩阻應(yīng)小于等于300 Pam，同時循環(huán)水的流速小于等于35ms，校核近端支路的管徑，消耗掉過盈的資用壓頭。為了更加安全、妥當(dāng)

13、，在近端支路加裝流量調(diào)節(jié)裝置，合理匹配各分支的流量。熱源設(shè)計參照單體熱負(fù)荷匯總，合理確定鍋爐容量及循環(huán)水量，后根據(jù)單體資用壓頭及外網(wǎng)最不利環(huán)路阻力，合理考慮鍋爐房內(nèi)部系統(tǒng)阻力，確定循環(huán)水泵的揚程。只有這樣的優(yōu)化設(shè)計，才會避免大流量小溫差的出現(xiàn)，達(dá)到管網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟、合理、平衡的運行。對于改造工程，要經(jīng)過仔細(xì)核算，不管比原來管徑小幾號，都要經(jīng)過科學(xué)計算，在近端支路加裝變徑短節(jié)，安裝平衡閥門。只要大環(huán)節(jié)匹配得當(dāng)，整個系統(tǒng)就會趨向平衡，大流量現(xiàn)象也會合理遏制。當(dāng)然隨著流量、系統(tǒng)管阻降低，循環(huán)泵也要隨之調(diào)整，變頻水泵已經(jīng)很好地解決了這一問題，不必采用單純關(guān)閉閥門來降低流量和揚程，那樣會造成極大的浪費。對于

14、板換的地板采暖系統(tǒng)，仔細(xì)核算分流管徑，然后加裝旁通管、平衡閥卻是行之有效地解決方案，與前面鍋爐加裝旁通管有截然不同的區(qū)別。5、優(yōu)化設(shè)計的優(yōu)點 優(yōu)化設(shè)計可以避免系統(tǒng)大流量、小溫差的不良運行，從而保證循環(huán)水泵在最佳效率點工作，直接可以節(jié)約大量電能。例如： 某采暖系統(tǒng)，設(shè)計者為求把握，系統(tǒng)的管徑普遍加大，實選用水泵型號為IRGl25-160B。額定揚程為24mH2O，額定流量為138m3h，采暖系統(tǒng)的實際工況為： 采暖熱負(fù)荷Q=29MW 實際溫差(70-55)T=15 循環(huán)流量G=166m3/h 實際(揚程)阻力H=20 mH2O 實際效率=707 水泵的軸功率N=166×20(367&#

15、215;0.707)KW=12.8KW 嚴(yán)格按規(guī)范設(shè)計時： 采暖熱負(fù)荷Q=2.9MW 設(shè)計溫差(95-70)T=25 設(shè)計循環(huán)流量G=100 m3h 設(shè)計系統(tǒng)的總阻力H=5 mH2O 選定循環(huán)水泵型號為IRGl00-100A，按流量100 m3h工 作時水泵的實際揚程為9.5 mH2O，則： 水泵的軸功率N=100×9.5(367×0.74)KW=100×9.5(367×0.74)=3.5KW 可以很清楚地看出：設(shè)計溫度差由15變成25溫差時，水泵的軸功率(每小時的耗電量)縮小倍數(shù)為12.83.5=3.66。 如果按照采暖期128天計算：節(jié)約電能(12.

16、8-3.5) ×24×128=28570KW，假設(shè)小區(qū)為5.6萬平米，每平米節(jié)約0.51度電能。如果大面積供暖采暖，優(yōu)化設(shè)計節(jié)約電能非?？捎^。6、結(jié)語 供暖系統(tǒng)水力平衡調(diào)整工作是一項細(xì)致而復(fù)雜的工作，應(yīng)該組織專人負(fù)責(zé)。供暖系統(tǒng)水力平衡后，可使系統(tǒng)經(jīng)濟運行，起到節(jié)能降耗的作用。供暖系統(tǒng)水力平衡，流量在各用戶之間合理分配，是實行量化管理、保證供暖質(zhì)量的基本條件。 （1）利用科學(xué)技術(shù)提高能源利用率所謂'節(jié)能潛力'是預(yù)測一定時期內(nèi)，耗能系統(tǒng)和設(shè)備的各個環(huán)節(jié)，利用當(dāng)前科學(xué)技術(shù)，采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟上合理、優(yōu)化系統(tǒng)和設(shè)備以及用戶能接受的措施后，可取得的節(jié)能效益（減少能耗量或降低能耗率）。也就是說，預(yù)測通過技術(shù)改造和用戶可接受的有效措施后，可取得的系統(tǒng)能源利用效率提高的程度。 （2）與先進評估指標(biāo)的差距體現(xiàn)節(jié)能的潛力：節(jié)能的潛力是通過分析對比得出的。目標(biāo)是反各個耗能環(huán)節(jié)現(xiàn)有的耗能指標(biāo)提高到先進水平，其運行評估指標(biāo)的變化量則體現(xiàn)了節(jié)能潛力。因此，其潛力大小于對比對象和自身的基礎(chǔ)有關(guān)，所以，各單位、各系統(tǒng)的潛力是不可能完全相同的。 各環(huán)節(jié)欲追求的先進評估指標(biāo)可以選