城市集中供热系统的节能方法

作者： 文/汤万龙  

随着人民生活水平和对环境质量要求的不断提高，城市集中供热的发展越来越受到人们的普遍关注。俄罗斯、丹麦、芬兰、瑞典、德国等国家是供热发展较早的国家，热化程度较高，热电联产比例较大。俄罗斯集中供热占全国总需求热量的70%，其中热电联产占50%以上，采用的能源有石油、天然气和煤，也有核能，垃圾焚烧等。热电联产的供热机组单机容量为250～300ＭＷ。丹麦集中供热占总需求热量的50%，其中热电联产占30%，集中供热已成为城市基础设施的组成部分。

近年来，城市集中供热也迅速发展，但并没有完全发挥其节能效果，还有很大的节能潜力。本文就城市集中供热的节能方法进行分析。
一、城市集中供热系统存在的问题
集中供热系统节能，首先需要很高的技术含量，技术到位，节能的目标才能实现，提高供热系统的技术水平，必须通过管理层、教学、科研部门以及运行部门的共同努力才能达到预期的目的。其次，仅有单体设备或系统中的某一环节或工序的节能技术还是不够的，我们应具有系统优化的思想，从系统综合节能的角度出发，研究更高层次的节能问题。
目前，城市集中供热系统存在的问题如下：
1、对建筑节能重视不够。建设部颁布的《民用建筑节能设计标准》(采暖居住建筑部分)，要求新建、扩建和改建的居住建筑以及类似建筑按节能标准进行设计施工。
2、热计量工作。我国规定从2000年10月1日起，新建住宅室内供暖系统要按分户安装热计量仪表设计和建设，推行按热量收费；原有住宅要在开展试点的基础上，逐步改造，到2010年基本实现供热计量收费。目前在大多数建筑物内没有设置调控平衡手段，没有安装计量仪表。仅有少数地区用户入口加装了锁闭阀，以解决“收费难”的问题。
3、热力站控制较落后。目前有部分热力站安装了监控系统，大部分一级管网侧未安装差压控制阀及热量表，二级管网侧未安装自动温控装置，使得采暖建筑内既存在过热，又存在供热不足现象，据统计在采暖期内有10%～15%的热能供应是不需要的。
4、循环水泵运行电耗大。现有供热系统循环水泵多为低效率老式水泵，应更换为新型、高效循环泵，并且应将现有的定速泵改为变速泵，以减少输水电耗。
5、城市供热系统多数为单热源。目前国内只有少数城市实现多热源联合运行，为了提高城市集中供热系统的安全性与经济性，当在一个城市有若干个热源时，应考虑采用联网运行。联网运行要求相连的管网在相同的温度等级下运行；各系统都需建立监控中心；统一补水和定压；热源厂的循环水泵都要求采用变速泵。
6、区域供热系统的散热漏损严重。①大多数一级管网未装设检漏报警系统，致使管网泄漏不能准确地发现和及时地处理，老式管沟内敷设的热力管道采用非憎水保温材料，一旦浸水，热导率急剧上升，管道散热损失增加。②放水阀较差的严密性，套筒补偿器密封填料的失效等，最终都导致系统的散热及失水率过高。在供暖期，往往只是对管网和重大事故进行抢修，小的漏水事故则被忽视。
二、城市集中供热系统能耗的估算
1、系统的热耗
供热系统从热制备→热输送→热转换→用热环节的能量输入和输出必须相等，即：
输入能量=可用能量+Σ能量损失
能源利用率=(可用能量/ 输入能量)×100％
可以这样认为，热用户是终端，采暖散热器是终端用热设备。热力站、二级网和终端组成二级网系统。热力站换热器成为该子系统的能量转换点，一级网高温水则是它的热源。锅炉房、一级网和热力站组成一级网子系统，热力站是该子系统的热用户，锅炉房是热源。锅炉本体组成一个子系统，称为热源子系统。那么整个集中供热系统就是由这几个子系统所组成。
二级网子系统的输入能量：Ｅ2=Ｅ0+ＥＳ1+ＥＳ2+ＥＳ3（式中Ｅ0—散热器耗热量；ＥＳ1—二级网管路热损失；ＥＳ2—泄漏热损失；ＥＳ3—热力站内热损失）。
二级网子系统热能利用率：η2=（Ｅ0 /Ｅ2）×100%
一级网子系统的输入热量： Ｅ1=Ｅ2+ＥＳ4+ＥＳ5+ＥＳ6（式中　ＥＳ4—一级网管路热损失；　ＥＳ5—泄漏热损失；　ＥＳ6—锅炉房热损失）。
一级网子系统热能利用率：η1=（Ｅ2 /Ｅ1）×100%
锅炉输入的燃料热：Ｅ3=Ｅ1+ＥＳ7+ＥＳ8+ＥＳ9+ＥＳ10+ＥＳＮ（式中　ＥＳ7—化学及物理不完全燃烧热损失；　ＥＳ8—飞灰热损失；　ＥＳ9—炉渣热损失；　ＥＳ10—排烟热损失； ESN－其它热损失）。
热源子系统的热能利用率：①锅炉热效率η3=（Ｅ1 /Ｅ3）×100%，采用节能措施前应达到0.55，采用节能措施后应达到0.68。②供热系统热能利用率：η=η1×η2×η3，采用节能措施前应达到0.85，采用节能措施后应达到0.90。
2、系统的电耗
热水采暖供热系统的一、二次水的动力消耗应予以控制。一般情况下，耗电输热比，即设计条件下输送单位热量的耗电量HER值（无因次）应不大于按下式所得的计算值：
HER=τN/24EA≤0.0056(14+aΣL)/Δt （式中 τ?D全日水泵运行时数，连续运行时为24h： N?D水泵铭牌轴功率KW； E?D采暖设计热负荷指标KW/m2； A?D系统的供热面积m2；
Δt?D设计供回水温差℃； ΣL?D室外供回水管网主干线总长度m； a?D长度系数，当ΣL＝500m，a＝0.0115；500m??ΣL??1000m，a＝0.0092；ΣL≥1000m，a＝0.0069）
三、城市集中供热系统节能措施
1、提高设计水平，学习先进技术及新知识，在注重设计工况的同时，加大力度研究锅炉运行工况的参数及燃烧效果，确保锅炉效率及节能效果，实现设备仪表的最佳选择。再者可直接引进国外先进的锅炉技术及设备，消化吸收。
2、在管网敷设上推广应用供热直埋技术。近几年来，热水供热管道采用直埋敷设方式，得到广泛的应用。目前，国内采用改性聚脂为保温材料，以高密度聚乙烯为保护壳的预制直埋保温管，其耐温已达150℃。其优点是占地面积小、施工方便、保温性能好。据有关资料介绍，在一定条件下，直埋保温管比其他保温材料减少热损失40%左右。另外，预制直埋保温管具有施工方便、节能的优点，但在管道的应力分析上却比地沟敷设复杂得多。目前，对直埋管道的应力分析有两种理论分析计算方法：弹性理论和弹塑性理论，理论技术已十分成熟。
3、变大流量运行为理想流量运行，强化一、二次管网的流量调节，解决水力失调。在国内，解决二次网水力失调的办法，目前大多还是采用凭经验逐个调整阀门，供热质量的好坏，完全依靠管理人员的责任心和经验。因此，很难达到节能的效果。在芬兰、丹麦和瑞典等北欧国家由于国内能源缺乏，因而对集中供热节能工作非常重视。在管网的设计建设上多采用预制保温管直埋铺设，一次供热管网采用计算机自动控制，在二次管网系统的调节上，全部采用在分支管上加平衡阀的方法。目前，世界上生产平衡阀和温控阀的厂家有瑞典的TA公司、丹麦的Danfoss和美国的Honey-well公司，国内有中国天然气管道局动力公司研制的自力流量控制器，这些产品在供热行业应用取得了较好的节能效果。我国部分城市热力公司目前在供热一次管网上安装了计算机自控系统，并逐步投入使用；在二次管网也安装大量的平衡阀，对管网的调节起了很好的作用，但投入的力度还须不断加大，以达到节能的目的。其他供热企业也应加大调节技术力度。在二次管网和用户庭院网上增加平衡阀及温控阀的费用，经测算需每建筑平方米增加十几元人民币。因此提出如下建议：①政府建设规划部门下达文件，新建小区热力管网和建筑内强制推行使用平衡阀及温控阀。②由政府和热用户出资，对现有二次管网进行改造，解决二次管网的水平失调问题，达到节约热能的目的。
4、逐步推广按热量收费，提高用户节能的积极性。目前在发达国家，由于生活水平比较高，一般是一家一户的独立建筑。所以，他们的供热系统，每家都装有热量计，按消耗热量的多少收费。热是作为一种商品来买卖的。而全国大部分地方仍沿用计划经济时的模式，在收费上仍实行按采暖面积收费。这种方法的弊病一是用户本身没有热是一种商品的概念，二是用户不能从节约热量中获得经济效益，所以没有节能的积极性。这就造成了“三九”天有的居民开窗户，有的居民冷得要命的现象。因此，应积极推行按热计量收费，在新建住宅中必须安装热量计。在收费上采用双轨制，即新建筑按热量收费，旧建筑暂时沿用按面积收费的办法。其次应加大加快对原有室内系统的改造，实现既节省资金又能达到按热量收费的目的。
5、推广使用新型阀门产品。目前，我国部分城市一次管网和大部分二次管网及庭院管网仍使用闸阀和截止阀。这两种阀门普遍存在着开关不灵、泄漏严重的问题。一个新的阀门，只要开关数次，就会从阀杆和压阀二处向外漏水。有时在采暖期发生阀门漏水，为了不影响居民的供热，不能立即停热修理，只能眼睁睁地看着热水白白地跑掉，造成水和热量的很大浪费。另一方面，暖气片上的阀门也存在同样的问题。很多人都有这样的经历，有时屋里的温度较高，想把暖气片的阀门关一下，但阀门开关上几次就漏水。所以，只能去开窗户，想节约能源但没有好的手段。另外，使用闸阀和截止阀，有时开关困难是管理人员所共识的。一般情况，DN300阀门就需要靠管钳子才能关严。口径再大一点，例如DN600的闸阀，需要几个人轮流操作才能开关。而同样口径的进口喋阀，只需一个人就可以灵活操作。目前，国外的供热管网早已淘汰了使用闸阀和截止阀，普遍使用蝶阀和球阀。这两种阀门的特点是开关灵活，无泄漏，并且是免维护的。蝶阀根据密封材料的不同，分为硬密封和软密封两种，硬密封蝶阀由于其使用温度高，多用在一次管网上。软密封蝶阀目前国内也有合资企业(如天津塘沽阀门厂)生产，在热力站二次系统上使用，已取得良好的效果。
（作者单位：新疆建设职业技术学院）