优化设计促节能--小议供暖系统的弊病及解决措施

    摘要：鉴于供热系统运行中的大流量、小温差问题，本文重点从设计角度详细分析了大流量、小温差产生的原因、危害和解决方法及节能分析。

    关键词：供热循环系统；比摩阻；大流量；小温差
 
    在供热系统的运行过程中，系统运行的实际循环水量往往大于系统要求的额定循环水量。这种运行模式，不仅没有取得应有的供热效果，而且造成极大的能源浪费。这是困扰设计者和经营方的共同问题，但是却一直得不到很好地解决。根据多年的摸索和经验积累，笔者有以下几点体会，供业内人士参考。
   
    一、原因分析

    在供热系统中，单体相当于供热系统的镜子，各个单体的冷暖直接反映供热系统运行的好坏；供热管网相当于供热系统的血脉，属于热源和热用户维系的中间环节；热源相当于供热系统的心脏，为供热系统提供动力和能源保障。通常在设计市场中，同一个系统工程会被人为的拆分成几个部分，委托不同的设计单位进行设计，这种分包设计造成了整体工程各部分的脱节，使整体工程设计不能很好的协调。而一旦某个环节出现设计问题，都会对以后的供热系统运行造成难以弥补的损失。

    1．单体设计

    由于市场的激烈竞争，造成设计周期短、设计任务重，一些设计者没有进行翔实的理论计算，只是根据经验和估算热指标仓促完成设计。即使单体设计者根据节能指标进行了详尽的计算，但是设计者为了防止可能出现的因为施工及甲方等在节能方面诸多的不合理操作，仍然按照系数放大了设计管径。此外，户内供热系统水利平衡计算也是非常重要的一个环节，对于同程供热系统，失调的可能性很小。但是近年的单户收费计量设计，几乎都是双管异程下供下回系统，如果忽略校核支路平衡，单凭调节阀门便达不到预期的设计效果，还不可避免的增大了初运行的人为调节。

    2．外网设计

    有些设计院的单体设计图纸常常不提供设计负荷和系统阻力，由于没有最基础的数据依据，所以外网设计只能采用规范里的估算热值标和估算比摩阻，设计者为了供热系统安全可靠，只有选取各估算指标的上限，直接导致热负荷骤增、管径增大等一系列设计问题。即使单体设计图纸提供了单元热负荷和系统阻力，设计者根据单体提供的设计数据，严格的进行外网水利计算及平差计算，但是却出现了入户管径比单体预留管径小一号的问题。面对这样的设计偏差，外网设计者常以宁大勿小的思维定式，掩盖设计上可能出现的偏差，不至于采暖系统因为诸多方面的不合理而担负己方责任。设计者虽然在各分支管路安装了各种流量调节装置，但是由于管径的逐级放大，已经超过了阀门的流量调节范围，导致流量调控很难奏效，其实形同虚设。

    3．热源设计

    锅炉的循环水量允许有一定的波动，波动的范围应小于20％。当实际流量超过额定流量过大时，便增加锅炉的阻力；当实际流量低于额定流量过小时，会使锅炉内的部分管束流量发生偏流，造成局部汽化或爆管，所以热源设计锅炉和循环泵的选择非常关键。由于设计者的保守，供热负荷一般占锅炉额定负荷的70％，而循环泵的流量却是根据锅炉额定负荷进行计算的，从而增大了系统的循环水量。循环泵的扬程一般按照h=锅炉房系统阻力(12米)+最不利环路阻力(长度×80Pa×l.3)+用户资用压头(4米)+富裕压头(5米)计算，设计者很清楚这样确定水泵的扬程能满足要求，却无视扬程增大的后果。如果单体设计的保险系数加上热网设计的保险系数和热源设计的保险系数，直接导致供热系统三级放大。基于这样的工程设计，供热系统运行出现大流量、小温差的非正常设计工况在所难免，而且平衡调节也难以奏效。
   
    二、影响和危害

    那么，大流量、小温差运行的危害是怎样呢?首先就是初投资的巨大浪费，因为随供热管径的增大，其配套的所有环节都随之增大，管材、阀门、土建等费用直接上了一个台阶。其次，由于管径的逐级放大，实际系统阻力会远远小于额定流量产生的阻力，这样，循环泵的扬程过盈，会不可避免的在大流量、低效率点工作。而系统流量大、温差小、流速快的特点又反作用于整个系统，导致系统的整体阻力骤增。产生的后果就是最不利环路末端扬程不够，近端大流量循环，远端死水一片，整体管网平衡失调，这就是近端热、远端冷的主要原因。当然，供热系统阻力的增加相应加大了循环泵的功耗和电耗。下面重点分析大流量、小温差对整个系统的阻力影响，从而可以看出这种运行模式对整个系统的不良影响和能耗严重浪费的后果。

    供热循环系统的阻力主要来自两个方面，一是热水在输送管道中流动产生的阻力，叫做沿程阻力；二是由于各种水利元件和供热设备对水的流动产生的阻力，叫做局部阻力。对于沿程阻力，根据规范中规定：最不利环路的比摩阻应在40-80Pa／m，其它支路的比摩阻应小于等于300 Pa／m，同时循环水的流速小于等于3.5m／s。对于各种供热设备的局部阻力，不同的产品有不同的标准。供热系统最不利环路中的局部阻力和沿程阻力的大小决定了选用循环水泵扬程的大小，循环水泵扬程的大小直接影响着水泵电耗的大小。

    1．热源的阻力

    供热系统的热源有两种主要形式，一种是热水锅炉直接供暖的形式，另一种是换热器换热间接供暖的形式。供热系统中使用的锅炉大多是热水锅炉，常用热水锅炉其额定发热量的大小分为2.8Mw、4.2Mw、7Mw、14Mw等多种规格，根据其热媒参数可分为95／70℃、115／70℃、130／70℃等，前两者的锅炉一般直接供暖；后者的锅炉一般通过换热站间接供暖。锅炉在通过额定水量的情况下，锅炉的阻力应在40-80Kpa之间，最大不超过120Kpa。在供暖实际中，造成锅炉阻力增大的原因主要是锅炉通过的实际水量大于其额定的循环水量。在锅炉的铭牌参数里，并没有提供额定循环水量的数据，具体到一台锅炉具体的循环水量是多少呢?

    可以通过下面的公式进行计算：

    G=860 × Q／(tg-th)

    Q：锅炉的额定发热量，单位MW

    tg-th：锅炉的额定进水温度与出水温度之差，单位℃

    我国的锅炉标准最低热媒参数是95／70℃，供回水温差是25度，而单体设计供回水温差是20度，而实际供热运行中，供回水的温度一般在1 5’C左右，这样的供回水温差，与锅炉的额定温差相比相差近10度，当锅炉满负荷运行时，根据锅炉产热和热用户散热的平衡关系可以计算出锅炉的循环水量为：

    对于7MW，95／70℃的锅炉：

    额定流量：860×7／25=241 m3／h

    实际流量：860×7／15=401 m3／h

    对于7MW，115／70℃的锅炉：

    额定流量：860×7／45=134m3／h

    实际流量：860×7／15=401m3／h

    假如锅炉在额定水量下运行，其阻力是50 K pa，在上述流量下运行时的阻力是：

    对于7MW，95／70℃的锅炉实际阻力是：

    50／(241×241)×401×401；138 K pa

    对于7MW，115／70℃的锅炉实际阻力是：

    50／(134×134)×401×401：448 K pa

    两种不同参数的锅炉阻力分别增长了88 K pa和398 K pa。

    如果系统长期非正常运行，整个供热系统都会出现严重的问题。首先循环泵的选型是按照正常状态选取的，锅炉阻力的非正常增加，从根本上影响循环泵的效率，虽然按照最大轴功率满负荷运行，但是泵的效率却是最低。不仅严重增加电耗，浪费能源，而且很可能影响最不利环路末端的动力提供，造成近端用户过热、远端用户根本不热的后果。即使增加一条与锅炉并联的分流管道，分流的管径进行了合理的计算，分流管道上安装了调节阀或平衡阀，锅炉的阻力降低到合理的程度，管网末端的资用压头得到了保障，管网失调得到了改善，但是从根本上没有改变大流量、小温差的事实，循环泵仍在高能耗、低效率点工作，浪费还在继续。  
 
    供热系统中常用的换热器是板式换热器，对于二次水热媒参数95／70℃的散热器采暖还好一点，毕竟温差大，循环流量偏小。对于地板采暖，热媒参数60／50℃，这可是人为规定的大流量、小温差，对于板式换热器虽然不适用，但是大部分甲方都愿意使用，因为拆卸、占地等都有优势。换热器对于热媒参数和循环流量的要求不向锅炉那样严格，但过高的流量同样会大大增加换热器的阻力，影响水泵出力。如果忽略这种情况，系统仍然不能正常运行。

    2．管网和用户系统的阻力

    大流量、小温差、流速快的运行特点，直接导致管网系统沿程阻力和局部阻力增大，当然也增加了电机的功耗。以运行温差15℃计，计算管网的阻力损失。

    对于7MW，95／70℃的锅炉：

    额定流量：860×7／25=241 m3／h

    实际流量：860×7／15401 m3／h

    当流量为241 m3／h时，查表得管径为DN250，v=1.30m／s，Δh=71.8Pa／m，如果总管到第一个分支点为100米，局部阻力按沿程阻力30％计算，那管网总阻力为　　　　

    h=100×71.8×1.3=0．9334m水柱。

    当流量为401 m3／h时，管径为DN250时，查表得v=2．17m／s，Δh=199．5Pa／m，那管网总阻力为h=100×199.5×1.3=2.594m水柱。

    对于7MW，115／70‘C的锅炉：

    额定流量：860×7／45=134m3／h

    实际流量：860×7/15=401 m3／h

    当流量为134m3／h时，查表得管径为DN200，v=1.16m／s，Δh=77.1Pa／m，如果总管到第一个分支点为100米，局.部阻力按沿程阻力30％计算，那管网总阻力为=100×77.1×1.3=1.0023m水柱。

    当流量为401 m3／h时，管径为DN200时，表格没有数据支持，显然此类运行根本不合理，运行工况就可想而知了。

    如果最不利环路为1000米，依此类推计算，累计管网损失会大幅度增加，这样以来，不仅会严重影响管网正常运行，而且也间接造成能源巨大浪费。

    三、解决措施

[NextPage]    怎样才能避免大流量、小温差的运行状态呢?笔者重点考虑以下几方面的处理措施。

    1．经济、合理的优化设计

    对于新建工程，设计者应仔细核算单体热负荷，校核系统管径和水力平衡，设计要经济、合理，能经得住多方的推敲。外网根据准确的热负荷，计算相应的循环水量。然后根据最不利环路的比摩阻应在40-80Pa／m，确定最不利环路的各级管径，得出准确的最不利环路阻力损失。再根据其它支路的比摩阻应小于等于300 Pa／m，同时循环水的流速小于等于3．5m／s，校核近端支路的管径，消耗掉过盈的资用压头。为了更加安全、妥当，在近端支路加装流量调节装置，合理匹配各分支的流量。热源设计参照单体热负荷汇总，合理确定锅炉容量及循环水量，后根据单体资用压头及外网最不利环路阻力，合理考虑锅炉房内部系统阻力，确定循环水泵的扬程。只有这样的优化设计，才会避免大流量小温差的出现，达到管网系统经济、合理、平衡的运行。对于改造工程，要经过仔细核算，不管比原来管径小几号，都要经过科学计算，在近端支路加装变径短节，安装平衡阀门。只要大环节匹配得当，整个系统就会趋向平衡，大流量现象也会合理遏制。当然随着流量、系统管阻降低，循环泵也要随之调整，变频水泵已经很好地解决了这一问题，不必采用单纯关闭阀门来降低流量和扬程，那样会造成极大的浪费。对于板换的地板采暖系统，仔细核算分流管径，然后加装旁通管、平衡阀却是行之有效地解决方案，与前面锅炉加装旁通管有截然不同的区别。

    2．严格执行设计思想

    投资者及施工方有时为了省工省料而随意请求设计变更，比如使用截止阀代替管网中的平衡阀，用原来工程剩余的DN200管材代替设计中的DN150管材，在施工中随意改变管网走向、坡向等等。在这种情况下，设计者要坚持自己的设计，即便变更也要严格计算，最大程度上做到设计经济合理。主要目的是维护自己的设计成果和保障以后管网的良好运行及减少不必要的能耗。

    四、节能分析

    1．优化设计可以消除“超温浪费”

    超温浪费是指室内温度超过规范规定的温度而产生的热量浪费，也就是燃煤的浪费。优化设计可以避免少量(以5％估计)用户的室温低于规定温度，从而避免为保证这些热“困难”用户的室温达标，增加焚火供热的结果，也就消除95％的用户室温就超过规定温度。按超温1度计算，历时1小时计算最少的节约煤量为：

    按采暖地区室外计算温度-1 0℃计算燃煤节约量／小时燃煤量(％)=1／28=3．57％。

    2．优化设计可以降低能耗

    优化设计可以避免系统大流量、小温差的不良运行，从而保证循环水泵在最佳效率点工作，直接可以节约大量电能。节约电能为：

    某采暖系统，设计者为求把握，系统的管径普遍加大，实选用水泵型号为IRGl25-160B。额定扬程为24mH2O，额定流量为138m3／h，采暖系统的实际工况为：

    采暖热负荷Q=2．9MW

    实际温差(70℃-55℃)ΔT=15℃

    循环流量G=166m3/h

    实际(扬程)阻力H=20 mH2O

    实际效率η=70．7％

    水泵的轴功率N=166×20／(367×0.707)KW=12.8KW

    严格按规范设计时：

    采暖热负荷Q=2.9MW

    设计温差(95℃-70℃)ΔT=25℃

    设计循环流量G=100 m3／h

    设计系统的总阻力H=5 mH2O

    选定循环水泵型号为IRGl00-100A，按流量100 m3／h工

    作时水泵的实际扬程为9.5 mH2O，则：

    水泵的轴功率N=100×9.5／(367×0.74)KW=100×9.5／(367×0.74)=3.5KW

[NextPage]    可以很清楚地看出：设计温度差由15℃变成25℃温差时，水泵的轴功率(每小时的耗电量)缩小倍数为12.8／3.5=3.66。

    如果按照采暖期128天计算：节约电能(12.8-3.5) ×24×128=28570KW，假设小区为5.6万平米，每平米节约0.51度电能。如果大面积供热采暖，优化设计节约电能非常可观。

    3．优化设计可以降低工程投资

    大流量、小温差的客观现实是系统设计管径偏大、投资浪费的集中表现。从前面的论述可以看出，不规范设计可能导致管径加大1-2号，从而导致设备材料和土建及人工费用的直接大幅增加。以外网钢材的耗量表示工程的造价，加大管径设计(DN250)是规范设计(DN200)的1.45倍。优化设计的目的就是解决大流量、小温差的问题，从而避免了初投资的巨大浪费，间接节约了能源。综上所述，可以看出供热系统优化设计直接关系到国计民生、节能降耗。作为一项系统工程，每个环节的设计都直接影响着工程的成败。因此，我们设计人员一定要遵循技术先进、经济合理、安全适用的设计原则，精心优化设计，为供热系统的良好运行和节能降耗提供可靠的前提保证。
 
    参考文献

    1．陆耀庆，主编，供暖通风设计手册，北京，中国建筑工业出版社，1987．

    2．曾志诚，主编，城市冷·暖·汽三联供手册，北京，中国建筑工业出版社，1995．

    3．符永正等，平衡阀的选用，暖通空调，1998(3)．