供热系统节能潜力与节能技术

1、供热系统节能潜力与节能技术清华大学 石兆玉【摘要】本文详细分析了供热系统各个环节的节能潜力，并有针对性的对相关环节（热源、热网、热用户）的节能技术进行了论述。【关键词】供热系统、节能潜力、节能技术我国“十一五”规划的节能指标是20%，其中建筑节能担负着举足轻重的责任。为了更有效地推动建筑节能工作，有必要对供热系统的节能潜力与节能技术，做一比较详细的分析，目的在于提高建筑节能工作的有效性，克服盲目性。一、 供热系统的节能潜力建筑能耗占全国能耗的1/3，供热、空调又占建筑能耗的1/3，因此，供热、空调的节能对建筑节能具有重要意义。供热的建筑能耗，其影响因素主要由四部分构成：1）建筑物围护结构的保温

2、状况；2）建筑物的室内温度设计标准；3）建筑物自由热的有效利用程度；4）供热系统的能效水平。首先讨论建筑物围护结构的保温性能。我国公共建筑节能设计标准（GB50189-2005）已于2005年7月1日公布实施，国家严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准已完成送审稿，即将批准发布实施。在制定这些国家的设计标准的过程中，对建筑物围护结构的保温性能做过深入研究，基本认为：建筑物围护结构的保温状况对供热、空调的热（冷）负荷的影响要占到20-50%。若把全国的气候分为五个区，则夏热冬暖地区（广州、香港等），约占20%；夏热冬冷地区（上海、重庆、成都等）约占35%；寒冷地区（北京、西安、兰州等）约占40%；严

3、寒地区A （海拉尔、哈尔滨等）、B（长春、沈阳、呼和浩特、乌鲁木齐等）约占50%。越是北方寒冷地区，建筑物围护结构的保温状况对供热热负荷的影响愈大。过去我国的居民建筑，基本上没有外墙保温，门窗的密闭、保温性能也差。与世界发达国家相比，我国的建筑能耗过大，这是其中的一个重要原因。我国新的设计标准，在这方面已经作了很大改进。普遍推广外墙保温后，墙体的保温性能已接近先进国家的设计标准，只是窗的保温性能与国外相比尚有10-20%的差距。 建筑物室内温度设计标准与建筑能耗有密切关系。研究表明：在加热工况下，室内设计温度每降低1，能耗可减少5-10%；在冷却工况下，室内设计温度每提高1，能耗可减少8-10

4、%。长期以来，由于缺乏节能意识，我国在室内温度的控制上，常常过于粗糙。特别是行政办公等公共建筑，不论春夏秋冬，也不考虑上班时间，还是节假日，冬天室内温度一律18，夏天室内温度经常要求在24。实际上，冬天在无人居住的房间，只要保持8室温，避免设备冻坏是完全可能的。过去外国人在夏天上班都要西装革履，室温必须保护在24，现在为了节能，室内提高到26，允许上班穿衬衫，连生活习惯都改变了。几年前国务院在节能措施中，明确提出，冬天室温18，夏天室温26。严格执行这些举措，建筑能耗就会有明显的降低。建筑物自由热的有效利用。自由热主要指太阳能，家电和人体的散热。这部分热量，对于夏天，是冷负荷的重要组成部分，应

5、尽量避免；对于冬天，是加热室温的有效热量，应尽量利用。这部分热量，随着地区、季节的不同而不同，在冬季，大体上约占总热负荷的10-15%左右。对于太阳能日照，在建筑物热负荷计算中，考虑了这部分影响，主要体现在散热器传热面积的选择上。但由于过去，供热属于社会福利，未进入商品市场，也未推广计量收费，室内供暖系统难以实现室温的自动调节，因此，在我国的大部分地区，房间的自由热，还很难在供热系统中充分利用，这也是我国建筑能耗大的一个重要因素。最后谈到供热系统能效问题，系统能效表示系统热源处输入的总能量（包括热能与电能的折合热能）在热用户中真正用来提高室温的有效热量（将室温加热到设计室温）的份额。系统能效的

6、计算方法我在参考文献【1】中有详细介绍，粗略估算可用下公式（1）计算： （1）式中， Q 热源燃料总供热量； Q 热源燃料、电力总供热量，其中1Kwh(电)=3.314 Kwh(热)； g、r 分别为热源、热网效率； j 系统冷热不均系数，粗略按照1蒸吨锅炉热量，实际所带供热面积与理论能带供热面积之比； q 有效利用的自由热量。按照上述公式（1）和前述的有关国家的建筑节能规范，对北京哈尔滨（选择了北方二个典型地区）的供热系统的能效进行了统计计算，见表1所示。该表给出的数据，与“提高供热系统能效是建筑节能的重要途径” 【2】一文有一些修正，主要是因为国家节能建筑设计规范（三步节能）的基础数据做了

7、调整。主要的调整：一是将室内设计温度由16提高为18；二是将锅炉的年均运行效率提高到70%，管网的输送效率提高到92%；三是考虑到设计标准涉及不到运行调节，因此未计入耗煤量指标；四是根据近十年的气象数据，重新修正了供暖天数和室外平均温度。表1的计算数据，与国家节能建筑设计规范给出的数据有些不同，后者只给出了耗热指标，表1不但给出了耗热指标，而且给出了概算热指标。另一不同是后者只给出了第三阶段的节能标准，表1同时给出了理想阶段的节能标准。在表1的计算中，突出分析了冷热不均对供热系统能效的影响。由于我国的供热系统规模大，再加自控技术比较落后，因此，冷热不均的现象尤为突出。长期以来，业内人员对冷热不

8、均对系统能效的影响未于重视。近年来，虽然给予了关注，但常常把冷热不均归于系统管网热损失中，这样做，不但性质搞错了，而且数量也难以准确统计。必须了解：冷热不均的热量不是在管网中损失的，应该承认，这部分热量，它是被送到了热用户，只不过由于房间过热通过开窗户散掉了。因此，冷热不均的热损失应该属于建筑热用户的无效热耗，必须单独统计。从表1可以看出：以1980年为基础，锅炉效率为55%，热网效率85%（管网热损失15%），按理论，供热系统能效应为46.8%。但实际情况并非如此，以北京为例，当时，每1t/h蒸吨应带供热面积为1.32万m2，哈尔滨应带1.1万m2，而全国实际考察的结果，每1t/h蒸吨只能带

9、4000m2。这种差距，正好反映了热用户的冷热不均匀率（约30%-38%）。如果考虑了冷热不均匀率，则1980年北京、哈尔滨供热系统的能效实际分别只有14%和18%，估计全国在15%左右。当然，这是在设计外温下的统计数据，由于冷热不均率是随着室外温度的升高逐渐趋缓的，若考虑全年平均，全国供热系统当年的能效约在20%左右，也就是说，冷热不均引起的热量损失约在20-30%左右。 表1 北京（哈尔滨）供热系统能效统计节能阶段节能指标耗热指标w/m2概算热指标w/m2热用户冷热不均程度系统设备耗电w/m2技术条件系统能效%煤耗量kg/m2节能总量%围护结构节能%系统节能%锅炉效率%热网效率%实际供热面

10、积m2不含电耗含电耗理论供热面积m2热源热网1980年25.20(37.7)0.00.00.055.085.031.96(33.8)45.0(55.60)0.30(0.38)4000/13178(4000/10666)1.00.514.0(18.0)13.0(16.7)第一阶段17.64(26.39)30.022.747.2660.090.025.85(27.3)36.40(45.00)1.00.5第二阶段12.60(18.85)50.035.015.068.090.020.92(22.1)29.5(36.4)0.38(0.46)8000/21285(8000/17250)1.00.523.0

11、(28.0)25.1(27.3)第三阶段7.80(15.30)65.065.00.070.092.015.00(20.0022.5(33.2)100%28500/28500(19300/19300)0.750.3推广计量收费、变频调速64.4(64.4)56.0(57.3)理想阶段6.90(13.40)77.40.012.480.092.015.00(20.00)22.5(33.2) 100%28500/28500(19300/19300)0.50.2推广计量收费、多泵变频调速、自动控制73.6(73.6)65.5(67.7)6.50(12.60)82.00.04.685.092.015.00

12、(20.00)22.5(33.2) 100%0.50.278.2(78.2)69.6(71.9)6.00(11.70)88.40.06.490.094.015.00(20.00) 22.5(33.2) 100%28500/28500(19300/19300)0.50.284.5(84.5)74.4(77.7)注：·括号内数据为哈尔滨地区的数据。·第一、二阶段，室内设计温度16，第三阶段以后，室内设计温度18。·北京新的供暖天数114天，供暖期间平均外温0.1,度日数2040.6。·哈尔滨新的供暖天数167天，供暖期间平均外温-8.5，度日数4425.5。

13、表1还考虑了供热系统含电的输送效率，对于1980年，由于系统能效值过低，电耗在系统能效中的比例只占1%左右。随着技术进步，系统能效的提高，电耗在系统能效中的比例逐渐提高，甚至高达10%左右。可见，随着节能减排工作的逐渐深入，提高系统的含电输送效率也将愈来愈重要。根据上述分析，可以一目了然地了解各个环节的能量损耗，进一步掌握供热系统的节能潜力。结合表1可以得出二点结论：1）如果确定理想节能阶段（锅炉效率80%，热网效率92%，冷热不均匀率消除，建筑围护结构同第三队段标准）的供热系统能效为70%左右，则我国的供热系统节能潜力尚有40%（目前我国正处于节能第二阶段，供热能效约为30%）空间，其中热源

14、10-15%，热网2-4%，热用户18-26%，要达到这个标准，其中一个重要指标是每1t/h蒸吨要带到2.85万m21.90万m2，（前者为北京，后者为哈尔滨）这是相当艰巨的。2）改善建筑围护结构的保温性能，和分阶段保持不同室温的措施，即减少建筑物的耗热量，节约的只是耗煤量，而不能改变供热系统的能效。自由热的利用则不然，可以提高有效用热量，因此，自然会增加供热系统的能效。 图1. 供热系统热流图图1给出了供热系统热流图，该图能形象描述供热系统各环节的热损失状况，引而能有效指导节能工作的进行。二、供热系统节能技术纵观供热系统各个环节的耗能状况，不难看出，粗放式经营是根本的原因所在，而且至今，在我

15、们行业，技术进步并没有放到应有的地位。相当多的人，认为技术可有可无，“权”“钱”，才是决定一切的。但世界的发展趋势，将不断证明，只有科学创新，才是社会财富的源泉。建筑节能也毫无例外，只有提高各个环节的技术含量，供热系统的节能目标才能实现。1、 严格执行建筑围护结构的节能设计标准。随着新的国家建筑节能设计规范的陆续颁布，我国即将全面开始实行第三阶段的建筑节能标准。有关围护结构的保温性能，是根据1980年的现状基准，以节约65%为目标，参照热源、热网效率，按照特定建筑物推算出来的。其中外墙的传热系数2k2k(北方至南方),即保温性能提高了1.6-2.8倍。外窗的传热系数22k）。此外，对影响建筑物

16、耗热量比较大的一些参数如体形系数，窗墙比等都做了强制性规定。对于外墙保温技术，我国经过多年研发，已完全成熟。现在市场上能看到各种不同品牌的产品，基本的发展趋势是保温性能更好，利于一体化组装，便于现场施工和使用寿命长。对于节能型的建筑物围护结构，从设计标准到技术开发，都已完备。现在关键是如何贯彻执行，努力的目标是使所有的新建筑都按新标准设计施工；既有建筑，有计划有步骤的向新标准靠拢。2、 大力推广分时段变室温调节为了防止大量存在的超标耗能现象，全国各行业应严格执行国务院规定的建筑物室温标准（冬季18，夏季26）。特别是各类公共建筑，包括火车、轮船等，毫无例外地不应超出国家规定的室温标准；要区分上

17、班、下班，工作日、节假日，白天、夜间，进行分时段的变室温调节。目前国内外都有比较成熟的分时变室温控制器。这种控制器，用户可以根据自己的需求，自由设定上班、下班，白天、晚上，周末、节假日的室温标准和运行时段。设定一旦确认，控制器即可根据设定要求，进行自动调节与控制。这种调节、控制，对于热水供热系统，主要是靠改变循环流量来实现，对于空调系统，则是通过变风量来完成。实现分时变室温调节，不但节能效益可观，还可以提高人的舒适度，有利于人的健康。长期实践证明，人在恒温下生活，并不舒适，还容易得“空调病”。因此分时变室温调节，是提高人的生活质量的一项重要举措。分时变室温调节技术能否大力推广，在经营方式上必须

18、体现双蠃原则，使节能效益，在供热的买卖双方的经济效益上得到落实。实践证明，凡是这样做的，都能得到比较好的效果。3、 积极采用大容量的产热源目前我国各种锅炉的平均效率约为65%，达到第三阶段的锅炉效率70%标准，尚有5%的提高量，若按理想节能阶段的80%考虑，还须再提高15个百分点。现在提高锅炉热效率的技术措施有许多种，但最有效的技术手段还是提高锅炉的热容量。为此，我国热水锅炉的热容量已经达到了90MW（130t/h）以上，热效率实现了80%的目标。两年前，我国出台了热电联产的新政策，即大力发展200MW（20万KW）、300MW（30万KW）以上机组的热电联供，逐渐关停小容量的热电机组。其基本

19、目的还是为了提高热源的热效率。我们知道，小容量的热电机组，发电效率只有30%左右，煤耗量高达370g/kw，而300MW的热电机组锅炉效率高达90%，发电效率可达40%，煤耗量只有310 g/kw，可见节能的意义是很大的。现在我国正处于工业化、城市化的高速发展时期，百万人以上的大城市不断涌现，为适应这一发展趋势，大力发展大容量的热电联产供热，是必经之路。4、 有计划地实现多热源联网运行对于百万人口以上的大城市，集中供热的规模常常在几百万甚至几千万m2的供暖面积，其热源可能有多个热电厂和多个区域锅炉房。过去我们的习惯做法是一个热源、 带一个区域的供热面积，形成一对一的单热源供热系统。实践证明，这

20、种供热方式，造成的主要缺点是装机备份过多，大量锅炉不能满负荷运行，进而导致热源效率不高。为克服上述弊端，在积极采用大容量热电联产、大容量热水锅炉的同时，有计划实现多热源联网运行将是理想的供热方案。多热源联网运行的供热系统，类似于高压电网，多个热源同时向热网（多数为环形网）输送热量。众多热用户根据自身需要，向热网提取热量。一般热容量最大的热电厂担任主热源，在供热期间，自始自终满负荷向热网输热。其余热源成为辅助热源，在供热期间，分别有序的启动满负荷运行，以适应热用户的不同供热需求。在多热源联网运行中【3】，通过热量平衡的调度，使各个热源的运行锅炉都能在满负荷下运行。通过压力平衡的调度，使各个热源自

21、动承包一个固定的供热区域，实现一对一的单热源供热。通过流量平衡调度，保证各个热用户所需的循环流量。通过上述三种平衡的调度，除了确保热用户的供热质量外，还有一个很大的优点，那就是所有热源的运行锅炉，都能在满负荷下运行，这就大大提高了热源的平均热效率，这是多热源联网运行的最大特点。5、 进一步完善二次网的直埋技术改革开放以来，在引进、消化吸收国外先进技术的工作中，在本行业里，直埋技术是比较成功的一例。现在已经应用到了蒸汽管道和大管径的直埋工程中了。据实地考察，由于采用直埋敷设技术，一次网的管道热损失一般已能控制在2-7%之间，显然是相当理想的。目前供热管网热损失超标主要在二次管网，一般都在10-1

22、5%。分析原因，主要是二次网属于庭院管网，常常由于分支过多，必须加设阀门，构筑检查井，导致直埋敷设，变成了变相的半管沟敷设，再加上条件复杂，多年失修，管网热损失过大，是不难理解的。目前看来，要想继续降低管网热损失，就必须进一步完善二次网的直埋技术，其中关键的技术环节是积极采用直埋球阀，取消检查井的过多设置，使二次网成为真正名符其实的直埋敷设，这样，整个供热系统的管网热损失是有望控制在规定标准以内的。6、 选用防腐阻垢剂，降低系统失水率在供热系统的管网热损失中，除了管道保温层的散热损失外，热网因漏水引起的补水热损失，也不允忽视。据有关资料给出，目前我国平均每平方米供暖面积每年的补水量约在80-9

23、0公斤【4】，热损失率约为8-10%，因此，降低系统补水率减少系统漏水热损失，也是当务之急的任务。系统漏水，除了跑、冒、滴、漏的原因外，用户偷水是重要原因。目前比较好的解决办法是在系统中加投防腐阻垢剂。这种防腐阻垢剂，既能除垢，也能防锈。由于提高了水系统中的PH值（PH10），使钢管表面形成了保护膜，不但起到了水的软化作用，也起到了防止氧腐蚀和二氧化碳腐蚀的作用。这种防腐阻垢剂对人体无害，但带有颜色（黑色），能方便、有效地降低偷水现象，多年实践，有明显效果。另外，据不少实际工程反应，在系统里加装臭味剂，也能取得良好的效果。7、 努力发展分布式变频水泵的设计理念传统的循环水泵设计方法（在热源处设

24、置大循环泵），由于过多的资用压头的节流，消耗了大量的无效电能，致使系统的电的输送效率低下。创新的分布式变频循环水泵的设计理念，按照“自助餐”的思维，用户通过自行取热，彻底消除了无效电耗的发生。理论上，节电可在60-80%左右。这种新型的设计理念，已经愈来愈被国内外行业人员关注。我国已有不少工程示范采用，都有较好的效果。作者在“供热系统分布式变频循环水泵的设计” 【5】和“供热系统分布式混水连接方式的优选” 【6】二篇文章中，对分布式变频水泵的设计原则、系统结构、设备选型、运行调节等诸多问题，都进行了详细介绍，一般在工程设计、运行中遇到的问题都有所涉及，对于感兴趣的同行可供参考。8、 坚定计量收费技术的推行供热计量收费技术的推行目的，从节能的意义上讲，最主要的是能消除冷热不均带来的热损失，其次是提高行为节能，进而充分利用自由热，降低热源能量的消耗。供热计量技术，已在全国许多城市示范多年，今年7月国家建设部又发布了供热计量技术规程（JGJ173-2009），在技术规程中除明确规定：在热量结算点（热力站或楼栋热入口）处安装热量表外，还应在散热器和建筑热入口处安