中國建筑科學研究院空調所 李先瑞
保定市熱力公司 支 志
我國居住區供熱采暖系統熱效率低，單位住宅建筑面積采暖能耗約為發達國家的3倍。90年代寒冷地區采暖能耗已占全國總能耗的10%，隨著現代化建設的發展，預計采暖空調能耗將增至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。建筑節能“九五”計劃和2010年規劃提出的建筑節能目標，至2000年節能2700萬t標準煤，2050年節能7400t標準煤，2010年節能1.7億t標準煤。這就說明，在建筑中提高能源利用率，提高供熱系統的能效，潛力十分巨大，任務十分艱巨。本文敘述了節能的含義，分析了供熱采暖系統各環節熱損失的主要原因，探討了節能的途徑。
一、居住區住宅供熱采暖節能的含義
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)及其附屬設備運行過程中消耗的熱量和電能、室外管網輸送熱媒過程中消耗的熱量。以及為保持室內計算溫度需由室內采暖設備供給的熱量，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，為了保持室內計算溫度，單位建筑面積在一個采暖期內消耗的標準煤量(kg/ m3)。該指標是評價由建筑物和采暖系統組成的綜合體能耗水平的一個重要指標。
表1為實施《民用建筑節能設計標準》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
*摘自全國房地產科技情報網供暖專業網《鍋爐供暖節能經濟技術政策研究》。
3、節能的含義
住宅供熱采暖節能潛力 表3
城市 實際運行能耗
(kg標煤/m2) 節能采暖能耗
(kg標煤/m2) 節能潛力
(kg標煤/m2) 節能率
(%)
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
節能潛力表示實施民用建筑節能設計標準前后居住區供熱系統單位建筑面積采暖能耗的差。節能的含義，即意味著減少不必要的供熱采暖能耗，數量上等于節能潛力。節能率是用百分數表示的節能潛力，它表示居住區供熱采暖系統最大的節能量。從表3可知：①節能率約為30~40%，說明節能潛力很大。②不同城市節能率不同，有些城市重視節能，基礎較好，節能率略低些。③不同供熱系統，節能率不同。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，節能率約提高5%。
4、節能目標
根據《民用建筑節能設計標準(采暖居住建筑部分)》的規定，節能目標是，在各地1980~1981年住宅通用設計能耗水平基礎上節能50%，其中建筑物節能率應達到35%，供熱系統的節能率應達到23.6%，即鍋爐運行效率應從0.55提高到0.68，管網輸送效率應從0.85提高到0.9。以此為依據，確定如下的節能目標(見表4)。
節能包括節煤、節電和節水。供熱采暖系統的一、二次水的動力消耗以耗 電輸熱比(EHR)為節能目標。設計條件下輸送單位熱量的耗電量EHR值應不大于下式的計算值 。
供熱系統節能目標 表4
熱源熱效率(%) 一次網熱效率(%) 熱力站熱效率*1
(%) 二次網熱效率(%)
鍋爐房供熱 68 90
區域鍋爐房供熱 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，單位W/m2·℃。
式中：EHR- 設計條件下輸送單位熱量的耗電量
ΣQ- 全日系統供熱量(kwh)；
ε- 全日理論水泵輸送耗電量(kwh)；
τ - 全日水泵運行時數，連續運行時τ=24h；
N – 水泵銘牌軸功率(KW)；
q – 采暖設計熱負荷指標(KW/m2)；
A - 系統的供熱面積(m2)；
∆t-設計供回水溫差(℃)；
ΣL-室外管網主干線(包括供回水管)總長度(m)；
a – 修正系數：當ΣL≤500m，a=0.0115
500m<ΣL<1000m，a=0.0092
ΣL≥1000m，a=0.0069
一、二次網按上式計算所得的EHR值見表5。節水目標為補水率，補水率應小于1%。
EHR計算值 表5
管網主干線總長度
ΣL(m) 設計供回水溫差∆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、供熱采暖系統各環節能效降低主要原因的分析
從以上分析可知，居住區供熱采暖系統實際節能率約為30~40%，比民用建筑節能設計標準中的節能率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)設計熱負荷偏高，選用設備過大。熱負荷基數偏大，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)偏大或臺數偏多，使熱源低負荷運行。主要表現為每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)熱源熱媒參數低，影響傳熱系數，因循環水泵流量過大，降低了熱媒參數，影響了室內散熱器的傳熱。如集中鍋爐房的高溫水參數為115~70℃，實際約為95~75℃，低溫熱水鍋爐的熱媒參數應為95~70℃，實際約為70~55℃或更低。
(4)循環水泵偏大或多臺并聯運行，形成大流量小溫差不經濟運行方式。居住區單位面積熱水流量約為2~3kg/h，實際上大于3~5kg/h。大流量使設計供回水溫差從25℃降低5~10℃。熱電廠供熱方式中，一次網水流量約為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)未設微機和變頻調速裝置。實踐證明，微機監控可實現節能5%，變頻調速裝置可節電35%~40%。
(6)供暖制度不合理。目前不少鍋爐房延用“現行間歇供暖”(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)憑經驗“看天燒火”。鍋爐運行調節的確定無科學數據為依據，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，至使出現水垢現象。水垢對鍋爐和換熱器傳熱影響很大。
2、一次網、二次網輸水能效降低的主要原因分析
(1)由于對供熱管網初調節不重視，由于沒有合適或設計中沒有選用調節性能好的流量平衡調節裝置，至使一次網、二次網產生了水力工況失調現象，帶來了如下問題。
①水力工況水平失調現象，近端熱用戶水流量是設計流量的2~3倍或更高，遠端用戶水流量是設計流量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常低于10℃，結果增加了整個供熱系統的熱耗，降低了輸水系統的熱效。
②水力工況失調直接導致熱力工況的失調，供熱系統存在的冷熱不均現 象，主要原因就是系統的水力工況失調亦即流量分配不均所致。當水力失調度 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的水力失調，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的可調性，即系統流量過大，近端多余的流量無法調劑到末端，甚至出現回水溫度過高的假象。
(2)供熱系統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的壓力分布狀況，使一些較高的管網出現倒空現象。有些供熱系統定壓點位置選在支管上，運行時，不能使系統的壓力分布符合設計要求。
(3)一次網、二次網普遍存在管溝滲水，熱損失大，失水率高等問題降低了輸水效率。輸水功率ηS與管網散熱損失Qs(W)，管網固漏水而損失的熱量QLS=Gb·C·(tP-tb)(W)有關。 式中，Q-管網輸送熱量(W)，Gb-網路補水量(kg)，tP-網路供回水平均溫度(℃)，tb-補水溫度。管網散熱損失與敕設方式、保溫材料和保溫結構有關，管網漏水產生的熱損失與管網結構，用戶丟水等有關。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能20%-30%。這項節能率不屬于民用建筑節能標準規定的節能范圍內。節能量由以下方面構成，住宅區是不同年令、不同職業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，依靠它具有的調節手段，既滿足了使用要求，又節省了能耗。隨著生活水平的不斷提高，住宅內部發熱量也逐年增長，分戶供熱為利用這部分熱能創造了條件。
三、居住區供熱采暖系統主要節能措施的探討
1、設備節能
開發和制造高效節能熱水鍋爐，如28MW，35MW，56MW熱水鍋爐。開發和推廣循環流化床鍋爐，這種鍋爐的最大優勢是在燃燒過程中能有效控制有害氣體NO4和SO2的產生和排放。
開發和推廣高效的汽水和水水換熱器，目前國內生產的等離子體換熱器和繞絲花多孔體換熱器的傳熱系數，汽水高達6000W/m2·℃，水水高達4500 W/m2·℃。
引進熱量表技術及控溫閥技術，建設熱表廠、控溫閥廠。
引進和研究管網調節控制技術及其設備，如變頻調速泵，壓差控制器，氣溫補償器等設備及其自動控制技術，使管網系統實現動態調節。建設生產供熱調節設備的工廠。
2、設計和運行的節能
設計：原則是結合實際，為節能運行創造條件。鍋爐(換熱器)按合理熱負荷取值選型及確定臺數。循環水泵流量、揚程合適，不出現大流量運行方式及大馬拉小車現象。定壓裝置：采用變頻調速定壓裝置。監控及監測：設計微機監控。管網水力平衡的調節裝置：為搞好管網的初調節，在一、二次管網的各個分支處和各熱力入口處裝置調節性能好的平衡調節閥。分戶供熱，計量收費。
運行：原則是合理供熱，保證供熱質量。熱源：只有提高一次網供水溫度，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：安裝性能好的平衡調節閥，搞好管網初調節，減少循環水泵流量，改變“大流量，小溫差”的不經濟運行。科學的運行調節：在推廣管網水力平衡技術，做到靜態調節的基礎上，采用變頻調速泵、壓差控制器、氣溫補償器等設備及其自動控制技術，使管網系統進一步做到動態調節。
3、計算機模擬技術。開發出適應不同建筑物、建筑構造、建筑材料、供熱系統、地方氣候以及使用狀況等條件下滿足分析計算能耗，進行技術經濟分析比較的需要。
4、示范工程：集中供暖地區按熱量計費示范工程，為今后大面積的推廣提供技術上先進、可行、經濟上合理的方案。
由于時間有限，能力有限，若分析有錯，盼批評指正。
