探讨城市集中供热节能设计
摘要：我国北方城市中多采用集中供热方式向全市供暖，在这几十年的发展中，取得了巨大的成绩，也存在着诸多不足，本文就目前城市的集中供热的方式提出节能设计方案，并进行经济性探讨和比较，旨在找到最为节能、环保又现实的供热方式，对不断发展的供热事业提供一个参考的依据。进一步促进大社会节能效果。
关键词： 供热节能 混合回路 节能改进
前言
随着计算机网络技术的发展和热电系统自动化水平的提高，各种自动化控制系统、节能改进技术越来越多地应用于中小型企业。合理地提高能源的利用效率是当前世界各个国家面临的重大课题。如今人们的环保意识上升了，城市集中供热事业得到了蓬勃发展，城市集中供热的规划、设计、施工和运行管理水平有了一个飞跃的发展，特别是利用热电厂实行热电联产给城市集中供热带来的好处得到了肯定性的认可，有着重要的实用价值。
1集中供热在城市供热中的重要地位集中供热是城市建设的基础设施之一，是节约能源、改善环境，提高城市居民生活质量的重要措施，也是城市现代化建设的主要标志之一。热电联产作为城市集中供热的主要方式和重要组成部分，符合国家制定的提高能源利用率、治理大气污染的产业政策。在促进国民经济和社会发展方面起了重要作用，取得显著的综合效益。
(1)节能效益
热电联产集中供热因其热源为较大容量的供热发电机组，锅炉燃烧效率高，充分发挥能源的梯级利用率，节能效益明显。
(2)环境效益
作为消除污染、改善环境的措施之一，热电联产集中供热的实施，可使大气环境质量有明显的改善，减少区域锅炉的数量，、亦减少了SOZ和粉尘的排放，减少供热锅炉产生的灰渣量，热电联产集中供热所产生的环境效益相当可观。
(3)社会效益
热电联产集中供热的实施，使过去强度大、环境差、能源利用率低的锅炉房供热改为先进的集中供热方式，不仅节约了大量的城市用地，而且从根本上改善了工作环境，劳动生产率大为提高。另外，原从事锅炉房供热运行的技术工人，大部分又通过有效的培训转入集中供热生产运行岗位，给城市集中供热注入了一大批经验丰富、技术过硬新生力量，在这方面，热电联产集中供热带来的社会效益更为突出的体现出来。
2 城市集中供热节能设计方案
实施可持续发展战略，是当今人类的共同任务和努力方向，是21世纪人类共同的主题。生态平衡、环境保护、资源利用等问题受到了高度重视，综观全国供热行业对供热系统的研究和尝试，可以归纳为主要的三种方式。区域锅炉房双级循环泵系统;一级网分布式变频泵系统和混合回路系统。这三种技术既有独立性又有着相互的关联性，可分别应用，也可择优组合。本文以混合回路节能设计为例，分析节能设计的明显效益。
2.1混合回路的设计要点
(1)明确建筑物入口二级网状况(是恒流量还是变流量)，资用压头及所需流量，正确选择混合回路水泵; (2)正确选择压差控制器和电动调节阀以及混水泵，形成水力隔离及流量匹配是混合回路成功的关键。只有获得真正的平衡，系统才能得到正确的温差。(3)关于混合回路中水泵与控制阀的设置位置，取决于一次回路侧供水静压值。如果一次回路侧供水静压比二次回路侧需要的压力低(如建筑区内的最高建筑物或建筑物内的顶层)，则混合回路中水泵应装在二次回路侧的供水管道上，控制阀应装在一次回路侧的回水管道上。相反，如果一次回路侧静压比二次回路侧设计压力高，则应将控制阀装在一次回路侧供水管道上，而将混水泵装在二次回路侧回水管道上，以避免一次回路侧的压力过高。(4)当一次回路侧控制阀或二次回路侧恒温阀压力下降少于总压力的50%时，混合回路中水泵应采用比例压力控制。(5)压力传感器应设置在系统的控制点上，即混水泵安装位置的进出口处，可随时监控混水的压力情况，从而有效获得混水温度及效果。
2.2混合回路节能设计在城市集中供热系统中的应用
(1)工程概况
山东省某小区供热面积:8.4万m2
供热量:5.46MW(64W/m2)
循环水泵扬程:3OmHZO
供回水温差:一次回路侧90/50℃，温差△tl=40℃，
二次回路侧75/50℃，温差△t2=25℃
供暖期:120天
(2)采用节能设计方案之前工程参数：
1台定速泵(即工频定流量运行水泵)+1台备用泵一主循环泵
水泵型号:2 X NK100-315 30kW
性能参数:187.8m3/h, H=30mH2O,△t2=25 °C、转数n=1495转/分
(3)集中供热系统结构
为改进之前的集中供热系统(见图一)，具有供热系统最基本的功能，来自热电厂或者锅炉房的暖气，经过主主换热站和分换热站分送到公寓楼的各个用户家中。
图一 改进前集中供热系统
(4)混合回路节能设计
本设计就是在热力站将二级网循环泵与用户循环泵分离，将二级网拆分分区，形成两次回路，其中一次回路负责输配系统和热力站板式换热器内的压降;二次回路负责二次输配系统和末端的压降。一次回路和二次回路之间用旁通管分隔，并在旁通管上加一单向阀，使得二次回路的流量大于一次回路的流量，增加一次回路的温差(△t=40℃)，实现二次回路大流量、小温差(△t≤25℃)运行。由于每个分区自成回路互不影响，从而有效地解决了传统供热系统的水失调问题。当热用户负荷降低时(室外温度高)，二次回路侧供水温度降低，混水流量加大，与此同时一次回路侧调节阀关小，致使一次回路侧连接点供回水压差增大，相应降低一次回路侧变频泵的转数，系统循环流量随之减小，反之亦然。
图二 带混合回路的集中供热系统
带混合回路的区域供热系统(见图二)，在系统的始端热电厂中由于锅炉房送出高温高压热水或蒸汽，属于高品位热能，温差大，流量小;当介质经主换热站、分换热站输送至用户的过程中，通过系统分离，加入混合回路，使流量逐级增加，温差逐级减小，成为小温差，大流量，既保证了能量的有效传递，又有效地缓解了系统水力失调的问题。
一次回路侧循环泵:
1台可调速泵——主循环泵
水泵型号:1XLPE100-160/168 15kW
性能参数:Q=117.4m3/h, H=20mH20
供回水温差:△t1=40℃
二次回路侧循环泵:
4台定速泵+1台备用泵混合回路泵
水泵型号:5XLM80-200/187 2.2KW
性能参数:Q=47m3/h, H=lOmH20
供回水温差:△t2=25℃
2.3 节能设计前后经济比较
采用节能设计是否成功，还需要现实数据的支持，以上两种集中供热系统的能耗如表一所示。以水泵的寿命周期成本进行分析，若水泵的运行年限为20年，则两种不同的供热系统中水泵的初投资费用、维护维修费用、运行能耗费用、能耗运行及维护费用分别为135.6万元、92.9万元，计算得出系统一、系统二每年能耗运行及维护费用分别为6.78万元4.65万元，经计算，两年半后，初投资和能耗及维护费用分别为:
系统一:5.6万元+6.78万元×2.5年=22.55万元
系统二:11万元+4.65万元×2.5年=22.6万元
可知系统运行2.5年时，水泵的总体费用持平，由于系统二的能耗运行费用最低，则此后的费用相对系统一将大大降低，即采用方案二可在运行2.5年后收到节能效果，获得投资收益。
表一 系统比较能耗表
3 城市集中供热节能设计的讨论
3.1热源的节能
要实施集中供热，首先考虑的就热源，目前在我国城镇集中供热的热源中主要有三种形式:一是热电厂，二是集中供热大型锅炉房，三是分散供热的小锅炉房，其它还有如核能供热，垃圾焚烧和燃气热电联产，利用地热采暖空调，太阳能采暖，燃料电池用于采暖和空调，农村秸杆、木材工业废弃物料用于热电联产等，但这些都应当根据具体实际情况，进行优化对比然后来加以选择。当前或今后一定的时期内，可能这三种主要热源的形式要共同存在于我国的集中供热系统中。热源的选择和确定，关系着是否能实现我国集中供热的环保和节能双重效益问题，是能否坚持实施可持续发展的战略问题。国家产业政策已明确规定了鼓励发展热电联产，因为热电联产项目具有节约能源，改善环境，供热质量稳定，增加电力供应等综合效益，是城市治理大气污染和提高能源利用率的重要措施，符合国家可持续发展战略。
3.2热网的节能
热力供热管网的任务是把集中供热系统热源的热量，通过管网输送到热力站或热用户，这相当于高压电网送电，热网在热能输送的过程中，如何能高效率安全的输送，是集中供热管网设计中的一个重要问题。如何合理的对供热管网进行节能设计，为供热设计部门提出了更高的要求，例如，如何根据热网的热负荷选择热网形式，管径如何选择，循环泵、中继泵如何配置，热网的控制方式等，方案设计的合理性，将直接影响到整个热网的经济效益、社会效益、环境效益。在热网设计前，应当确定计算好一些热网设计的必需条件，在集中供热管网的一些重要设计参数确定后，选择管网系统形式的最基本原则，应当是保证热网的安全性，其次就是要保证系统的经济性，在热网设计中，不但要考虑热网的可靠性，还要考虑它的经济性。
3.3热力站与二级网的节能
对热力站和二级网，都不同程度的有着较大的热能浪费现象，有时为了满足远端用户，不得不用加大流量来实施大流量低温差的运行状态来平衡二级网失调的问题，使能源造成了大量的浪费。可以采用水泵变频调节来满足热网负荷不满的现状，但必须满足热网最不利点的压差和二级网的流量要求，水泵的变频调节，可以在系统需要的范围调节水压和流量，但效率会偏离最高效率曲线点的位置，如果小区的规划热负荷长期不能带满负荷，最好及早更换相应流量水泵，这样既可以保证运行的高效率，又可以节省工程前期的资金投入量。当然水泵叶轮的切割也可以较好的适应运行的需要，但要控制在一定的量内来切割，否则可能使水泵的效率大幅度下降。
3.4 提高热网自动化控制水平
热网系统的计算机自动控制，是彻底改善供热效果，提高供热系统节能的主要手段。随着供热规模的不断扩大，手动操作远不能满足和发挥集中供热的优越性，因为不能对运行工况进行实时的分析调整，目前国内有一部分热力公司也安装上了计算机系统，但它们中有很多一部分不是真正意义上热网自动控制，多数只是用该系统进行热网运行参数和开关量的监视，不具备计算机的智能控制功能。所以，热网计算机控制系统应该是可以从热网热站的所有监测点采集传送数据信号，建立各种信息数据库，能够对运行过程中的各种信息数据进行分析、对比，能对数据进行管理、转换，能实时地随时显示出热网水压图、水耗、电耗、供热量的分配等，需要控制的重要参数和图表，可以存贮历史数据，便于查找分析研究，系统应具备真正意义上的自动控制，应有故障诊断、报警功能和通讯功能，自动跟踪调整功能，它应当完全可以实现热力换热站的无人职守。自控系统可以节约大量的人力资源，大大降低运营成本。所以，较大的供热管网和新建的热网系统，建设一个控制水平先进的热网计算机控制系统，很有必要。
小结
城市集中供热节能改造具有广阔的应用前景。有关专业设计人员在设计过程中，抓住关键环节，理顺设计思路，将复杂的供热设计简单化，模块化。无论是热电节能设计还是电热联产，都需要在测试中不断展开节能方案的研究，并进一步探索城市集中供热节能方案的新技术，发掘节能潜力，深入研究存在问题的机理，使得新的节能方案发挥更好的作用，并希望本文的研究方案对同类集中供热节能改造有借鉴意义。
参考文献
[1]胡德英。关于燃气锅炉人户供暖问题.暖通空调[J],2000,30(5)70～71.
[2]侯志林，过程控制与自动化仪表[M]机械工业出版社.2006.
[3]]李善化,康慧等.实用集中供热手册，北京:中国电力出版社,2006.
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