中國建筑科學研究院空調(diào)所 李先瑞
保定市熱力公司 支 志
我國居住區(qū)供熱采暖系統(tǒng)熱效率低，單位住宅建筑面積采暖能耗約為發(fā)達國家的3倍。90年代寒冷地區(qū)采暖能耗已占全國總能耗的10%，隨著現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展，預(yù)計采暖空調(diào)能耗將增至1.79億t標準煤，占全國能源總量的13.6%，今后，建筑能耗比例日益接近國際水平(30~40%)。居住區(qū)集中供熱方式有：鍋爐房供熱和熱力站供熱，供熱范圍從幾萬m2至幾十萬m2，鍋爐房供熱有直接連接方式和間接連接方式。建筑節(jié)能“九五”計劃和2010年規(guī)劃提出的建筑節(jié)能目標，至2000年節(jié)能2700萬t標準煤，2050年節(jié)能7400t標準煤，2010年節(jié)能1.7億t標準煤。這就說明，在建筑中提高能源利用率，提高供熱系統(tǒng)的能效，潛力十分巨大，任務(wù)十分艱巨。本文敘述了節(jié)能的含義，分析了供熱采暖系統(tǒng)各環(huán)節(jié)熱損失的主要原因，探討了節(jié)能的途徑。
一、居住區(qū)住宅供熱采暖節(jié)能的含義
1、住宅采暖能耗、建筑物耗熱量和采暖耗煤量指標
采暖能耗表示在采暖期內(nèi)用于建筑物采暖所消耗的能量，其中包括鍋爐(換熱器)及其附屬設(shè)備運行過程中消耗的熱量和電能、室外管網(wǎng)輸送熱媒過程中消耗的熱量。以及為保持室內(nèi)計算溫度需由室內(nèi)采暖設(shè)備供給的熱量，即為建筑物耗熱量。
采暖耗煤量指標表示在采暖期室外平均溫度條件下，為了保持室內(nèi)計算溫度，單位建筑面積在一個采暖期內(nèi)消耗的標準煤量(kg/ m3)。該指標是評價由建筑物和采暖系統(tǒng)組成的綜合體能耗水平的一個重要指標。
表1為實施《民用建筑節(jié)能設(shè)計標準》后的建筑物耗熱量指標和采暖耗煤量指標。
主要城市建筑物耗熱量、采暖耗煤量指標 表1
城市 耗熱量指標qH(w/ m2)*1 耗煤量指標qC(kg/ m2)*1
哈爾濱 21.9 18.6
長春 21.7 17.8
呼和浩特 21.3 17.0
烏魯木齊 21.8 17.0
沈陽 21.2 15.5
蘭州 20.8 13.2
北京 20.6 12.4
西安 20.2 9.7
*1室外管網(wǎng)輸送效率η1=0.90，鍋爐運行效率η2=0.68。
2、實際運行時住宅采暖能耗(見表2)
主要城市住宅能耗現(xiàn)狀 表2
項目
城市 住宅采暖能耗(m2) 日單方能耗(m2)
標煤(公斤) 水(噸) 電(度) 標煤(公斤) 水(kg) 電(度)
哈爾濱 36.3 0.27 4.1 0.20 1.50 0.023
長春 37.0 0.26 4.2 0.22 1.58 0.025
吉林 32.1 0.34 3.3 0.19 2.06 0.020
沈陽 27.8 0.15 3.4 0.17 1.01 0.023
大連 22.7 0.17 0.028
包頭 40.9 0.25 5.6 0.23 1.39 0.031
北京 17.7 0.07 3.3 0.13 0.52 0.024
天津 32.4 0.08 2.4 0.27 0.67 0.020
太原 46.4 0.22 5.1 0.31 1.47 0.034
烏魯木齊 35.8 0.13 5.7 0.20 0.72 0.032
(平均) 28.9 0.17 3.8 0.20 1.21 0.026
*摘自全國房地產(chǎn)科技情報網(wǎng)供暖專業(yè)網(wǎng)《鍋爐供暖節(jié)能經(jīng)濟技術(shù)政策研究》。
3、節(jié)能的含義
住宅供熱采暖節(jié)能潛力 表3
城市 實際運行能耗
(kg標煤/m2) 節(jié)能采暖能耗
(kg標煤/m2) 節(jié)能潛力
(kg標煤/m2) 節(jié)能率
(%)
哈爾濱
長春
沈陽
烏魯木齊 28.3
28.86
21.7
27.9 18.6
17.8
15.5
17.0 9.7
11.06
6.2
10.9 34
38
29
39
節(jié)能潛力表示實施民用建筑節(jié)能設(shè)計標準前后居住區(qū)供熱系統(tǒng)單位建筑面積采暖能耗的差。節(jié)能的含義，即意味著減少不必要的供熱采暖能耗，數(shù)量上等于節(jié)能潛力。節(jié)能率是用百分數(shù)表示的節(jié)能潛力，它表示居住區(qū)供熱采暖系統(tǒng)最大的節(jié)能量。從表3可知：①節(jié)能率約為30~40%，說明節(jié)能潛力很大。②不同城市節(jié)能率不同，有些城市重視節(jié)能，基礎(chǔ)較好，節(jié)能率略低些。③不同供熱系統(tǒng)，節(jié)能率不同。表3是以鍋爐房供熱為對象計算住宅能耗的，若熱電廠供熱，則熱電廠供熱效率約為83%，一次網(wǎng)熱效率約為95%，熱力站熱效率約為95%，住宅采暖能耗比鍋爐房供熱少，節(jié)能率約提高5%。
4、節(jié)能目標
根據(jù)《民用建筑節(jié)能設(shè)計標準(采暖居住建筑部分)》的規(guī)定，節(jié)能目標是，在各地1980~1981年住宅通用設(shè)計能耗水平基礎(chǔ)上節(jié)能50%，其中建筑物節(jié)能率應(yīng)達到35%，供熱系統(tǒng)的節(jié)能率應(yīng)達到23.6%，即鍋爐運行效率應(yīng)從0.55提高到0.68，管網(wǎng)輸送效率應(yīng)從0.85提高到0.9。以此為依據(jù)，確定如下的節(jié)能目標(見表4)。
節(jié)能包括節(jié)煤、節(jié)電和節(jié)水。供熱采暖系統(tǒng)的一、二次水的動力消耗以耗 電輸熱比(EHR)為節(jié)能目標。設(shè)計條件下輸送單位熱量的耗電量EHR值應(yīng)不大于下式的計算值 。
供熱系統(tǒng)節(jié)能目標 表4
熱源熱效率(%) 一次網(wǎng)熱效率(%) 熱力站熱效率*1
(%) 二次網(wǎng)熱效率(%)
鍋爐房供熱 68 90
區(qū)域鍋爐房供熱 80 95 98(α>3000) 90
熱電廠供熱 85 95 98(α>3000) 90
*1：α-熱力站換熱器的傳熱系數(shù)，單位W/m2·℃。
式中：EHR- 設(shè)計條件下輸送單位熱量的耗電量
ΣQ- 全日系統(tǒng)供熱量(kwh)；
ε- 全日理論水泵輸送耗電量(kwh)；
τ - 全日水泵運行時數(shù)，連續(xù)運行時τ=24h；
N – 水泵銘牌軸功率(KW)；
q – 采暖設(shè)計熱負荷指標(KW/m2)；
A - 系統(tǒng)的供熱面積(m2)；
∆t-設(shè)計供回水溫差(℃)；
ΣL-室外管網(wǎng)主干線(包括供回水管)總長度(m)；
a – 修正系數(shù)：當ΣL≤500m，a=0.0115
500m<ΣL<1000m，a=0.0092
ΣL≥1000m，a=0.0069
一、二次網(wǎng)按上式計算所得的EHR值見表5。節(jié)水目標為補水率，補水率應(yīng)小于1%。
EHR計算值 表5
管網(wǎng)主干線總長度
ΣL(m) 設(shè)計供回水溫差∆t
50℃ 45℃ 25℃
200
400
600
800
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000 0.0018
0.0021
0.0022
0.0024
0.0025
0.0027
0.0031
0.0035
0.0039
0.0043
0.0047 0.002
0.0023
0.0024
0.0026
0.0028
0.0030
0.0035
0.0039
0.0043
0.0047
0.0052 0.0037
0.0042
0.0044
0.0048
0.0050
0.0055
0.0062
0.0070
0.0078
0.0085
0.0093
二、供熱采暖系統(tǒng)各環(huán)節(jié)能效降低主要原因的分析
從以上分析可知，居住區(qū)供熱采暖系統(tǒng)實際節(jié)能率約為30~40%，比民用建筑節(jié)能設(shè)計標準中的節(jié)能率23.6%大得多。為此，必須分析能耗增大的原因。
1、熱源(鍋爐、熱力站換熱器)能效降低主要原因的分析
(1)設(shè)計熱負荷偏高，選用設(shè)備過大。熱負荷基數(shù)偏大，鍋爐、換熱器、水泵、管道等偏大，加大了運行成本，浪費了能源。
(2)熱源(鍋爐、換熱器)偏大或臺數(shù)偏多，使熱源低負荷運行。主要表現(xiàn)為每0.7MW只帶4000~5000 m2采暖建筑面積，每1 m2換熱器面積只帶300~400 m2采暖建筑面積，熱效率低，能耗大，很不合理。
(3)熱源熱媒參數(shù)低，影響傳熱系數(shù)，因循環(huán)水泵流量過大，降低了熱媒參數(shù)，影響了室內(nèi)散熱器的傳熱。如集中鍋爐房的高溫水參數(shù)為115~70℃，實際約為95~75℃，低溫熱水鍋爐的熱媒參數(shù)應(yīng)為95~70℃，實際約為70~55℃或更低。
(4)循環(huán)水泵偏大或多臺并聯(lián)運行，形成大流量小溫差不經(jīng)濟運行方式。居住區(qū)單位面積熱水流量約為2~3kg/h，實際上大于3~5kg/h。大流量使設(shè)計供回水溫差從25℃降低5~10℃。熱電廠供熱方式中，一次網(wǎng)水流量約為1.3kg/h，實際上為2~3kg/h，供回水溫差從45℃降至15~20℃。直接效果增大了電能消耗。
(5)熱源(鍋爐、換熱器)未設(shè)微機和變頻調(diào)速裝置。實踐證明，微機監(jiān)控可實現(xiàn)節(jié)能5%，變頻調(diào)速裝置可節(jié)電35%~40%。
(6)供暖制度不合理。目前不少鍋爐房延用“現(xiàn)行間歇供暖”(每天燒6小時，停6小時，重復一次)制度，浪費了兩次壓火用煤，降低了熱效率。
(7)憑經(jīng)驗“看天燒火”。鍋爐運行調(diào)節(jié)的確定無科學數(shù)據(jù)為依據(jù)，造成初寒、未寒供熱量增大，熱能浪費增多。
(8)不重視熱源的防腐阻垢。由于運行期間水處理堅持不好，至使出現(xiàn)水垢現(xiàn)象。水垢對鍋爐和換熱器傳熱影響很大。
2、一次網(wǎng)、二次網(wǎng)輸水能效降低的主要原因分析
(1)由于對供熱管網(wǎng)初調(diào)節(jié)不重視，由于沒有合適或設(shè)計中沒有選用調(diào)節(jié)性能好的流量平衡調(diào)節(jié)裝置，至使一次網(wǎng)、二次網(wǎng)產(chǎn)生了水力工況失調(diào)現(xiàn)象，帶來了如下問題。
①水力工況水平失調(diào)現(xiàn)象，近端熱用戶水流量是設(shè)計流量的2~3倍或更高，遠端用戶水流量是設(shè)計流量0.2~0.5倍或更低。此時，近端熱用戶平均室溫高于20℃，遠端熱用戶平均室溫經(jīng)常低于10℃，結(jié)果增加了整個供熱系統(tǒng)的熱耗，降低了輸水系統(tǒng)的熱效。
②水力工況失調(diào)直接導致熱力工況的失調(diào)，供熱系統(tǒng)存在的冷熱不均現(xiàn) 象，主要原因就是系統(tǒng)的水力工況失調(diào)亦即流量分配不均所致。當水力失調(diào)度 時，平均室溫的增長緩慢；當X《1時，平均室溫的減少
幅度明顯增加。
③熱力工況失調(diào)形成了“大流量，小溫差”的運行方式。實際上大流量運行方式并沒有從根本上消除系統(tǒng)的水力失調(diào)，反而帶來了能耗的增加。即大流量要求大水泵，增加了電耗；大流量形成了大熱源，熱源低負荷運行降低了熱源熱效率，管網(wǎng)小溫差運行增加了輸送能耗，還影響了散熱器的散熱效率。除此之此，大流量還降低了系統(tǒng)的可調(diào)性，即系統(tǒng)流量過大，近端多余的流量無法調(diào)劑到末端，甚至出現(xiàn)回水溫度過高的假象。
(2)供熱系統(tǒng)定壓補水裝置不合理，如有此熱源(鍋爐房、熱力站)采用電接點壓力定壓裝置，工作時，定壓點壓力波動10m水柱，改變了整個供熱系統(tǒng)的壓力分布狀況，使一些較高的管網(wǎng)出現(xiàn)倒空現(xiàn)象。有些供熱系統(tǒng)定壓點位置選在支管上，運行時，不能使系統(tǒng)的壓力分布符合設(shè)計要求。
(3)一次網(wǎng)、二次網(wǎng)普遍存在管溝滲水，熱損失大，失水率高等問題降低了輸水效率。輸水功率ηS與管網(wǎng)散熱損失Qs(W)，管網(wǎng)固漏水而損失的熱量QLS=Gb·C·(tP-tb)(W)有關(guān)。 式中，Q-管網(wǎng)輸送熱量(W)，Gb-網(wǎng)路補水量(kg)，tP-網(wǎng)路供回水平均溫度(℃)，tb-補水溫度。管網(wǎng)散熱損失與敕設(shè)方式、保溫材料和保溫結(jié)構(gòu)有關(guān)，管網(wǎng)漏水產(chǎn)生的熱損失與管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，用戶丟水等有關(guān)。目前，上述兩種熱損失都較大。
3、采暖包費制和按平方米計算采暖費用對住宅采暖能耗的影響。
分戶供熱按熱量收費可節(jié)能20%-30%。這項節(jié)能率不屬于民用建筑節(jié)能標準規(guī)定的節(jié)能范圍內(nèi)。節(jié)能量由以下方面構(gòu)成，住宅區(qū)是不同年令、不同職業(yè)和不同生活要求的人生活和休息的地方，不同住戶的生活方式的不同，對房間舒適度的要求不同，對采暖的時間要求也不同。即使同一住戶，臥室、餐廳、客廳功能不同，對采暖的時間和溫度的要求也不同。分戶供熱按熱量收費的采暖方式，依靠它具有的調(diào)節(jié)手段，既滿足了使用要求，又節(jié)省了能耗。隨著生活水平的不斷提高，住宅內(nèi)部發(fā)熱量也逐年增長，分戶供熱為利用這部分熱能創(chuàng)造了條件。
三、居住區(qū)供熱采暖系統(tǒng)主要節(jié)能措施的探討
1、設(shè)備節(jié)能
開發(fā)和制造高效節(jié)能熱水鍋爐，如28MW，35MW，56MW熱水鍋爐。開發(fā)和推廣循環(huán)流化床鍋爐，這種鍋爐的最大優(yōu)勢是在燃燒過程中能有效控制有害氣體NO4和SO2的產(chǎn)生和排放。
開發(fā)和推廣高效的汽水和水水換熱器，目前國內(nèi)生產(chǎn)的等離子體換熱器和繞絲花多孔體換熱器的傳熱系數(shù)，汽水高達6000W/m2·℃，水水高達4500 W/m2·℃。
引進熱量表技術(shù)及控溫閥技術(shù)，建設(shè)熱表廠、控溫閥廠。
引進和研究管網(wǎng)調(diào)節(jié)控制技術(shù)及其設(shè)備，如變頻調(diào)速泵，壓差控制器，氣溫補償器等設(shè)備及其自動控制技術(shù)，使管網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)。建設(shè)生產(chǎn)供熱調(diào)節(jié)設(shè)備的工廠。
2、設(shè)計和運行的節(jié)能
設(shè)計：原則是結(jié)合實際，為節(jié)能運行創(chuàng)造條件。鍋爐(換熱器)按合理熱負荷取值選型及確定臺數(shù)。循環(huán)水泵流量、揚程合適，不出現(xiàn)大流量運行方式及大馬拉小車現(xiàn)象。定壓裝置：采用變頻調(diào)速定壓裝置。監(jiān)控及監(jiān)測：設(shè)計微機監(jiān)控。管網(wǎng)水力平衡的調(diào)節(jié)裝置：為搞好管網(wǎng)的初調(diào)節(jié)，在一、二次管網(wǎng)的各個分支處和各熱力入口處裝置調(diào)節(jié)性能好的平衡調(diào)節(jié)閥。分戶供熱，計量收費。
運行：原則是合理供熱，保證供熱質(zhì)量。熱源：只有提高一次網(wǎng)供水溫度，才能提高鍋爐出力和換熱器傳熱效率，也才能改變換熱器的低負荷運行。管網(wǎng)：安裝性能好的平衡調(diào)節(jié)閥，搞好管網(wǎng)初調(diào)節(jié)，減少循環(huán)水泵流量，改變“大流量，小溫差”的不經(jīng)濟運行?？茖W的運行調(diào)節(jié)：在推廣管網(wǎng)水力平衡技術(shù)，做到靜態(tài)調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，采用變頻調(diào)速泵、壓差控制器、氣溫補償器等設(shè)備及其自動控制技術(shù)，使管網(wǎng)系統(tǒng)進一步做到動態(tài)調(diào)節(jié)。
3、計算機模擬技術(shù)。開發(fā)出適應(yīng)不同建筑物、建筑構(gòu)造、建筑材料、供熱系統(tǒng)、地方氣候以及使用狀況等條件下滿足分析計算能耗，進行技術(shù)經(jīng)濟分析比較的需要。
4、示范工程：集中供暖地區(qū)按熱量計費示范工程，為今后大面積的推廣提供技術(shù)上先進、可行、經(jīng)濟上合理的方案。
由于時間有限，能力有限，若分析有錯，盼批評指正。
