德国的供热系统

德国的供热系统

0德国德国物理工艺对供热的角色转换同时，由于城市化的快速发展和进步，建筑能源消耗的增加和城市环境的严重影响。在中国北方，冬季焚烧对主要城市的环境产生了很大的影响。当前,集中供热系统的设计、管理任务已由安全可靠地向用户供热迅速转变为如何让供热系统满足供热时的节能和城市大气环境污染治理要求,这两大问题已成为供热行业在相当长的时期所要面对的严峻而艰难的挑战。这一高标准的供热要求,使得传统的既有集中供热系统从热源、输配管网、换热站到室内供暖系统各环节都必须作出全面深刻地改变。本文第一作者在德国访问学习和实地工程考察中获得了许多珍贵的一手资料,从德国海德堡市典型的大型区域集中供热系统中发现中德两国集中供热系统之间存在巨大差别。海德堡市位于巴登-符腾堡州,在德国的西南部,一年四季空气质量优良,供暖度日数(HDD18)约为2600℃·d,相当于中国的寒冷A区。海德堡市供热公司仅有75人,人均负责约5.0万m2建筑的全年供热任务,现有4个大型调峰输配站和调峰供热锅炉房,每站仅有13人。该供热公司目前承担的集中供热建筑面积有350多万m2,建筑多为体形系数较大的3~5层楼房或独栋、双拼别墅等居住类老房子。1热价计算供热量海德堡市中心没有集中燃煤锅炉房,现有的常规供热热源主要分3类:1)远离市中心的大型热电联产集中供热加燃油或燃气调峰锅炉;2)零排放的生物质、小型的燃气集中供热锅炉;3)户用燃气壁挂炉。海德堡市的区域集中供热热源为距离海德堡市中心15km以外的曼海姆热电厂,全年365d供热,冬季输送热量240MW,主要用于供热和提供生活热水;夏季输送热量约25MW,主要用于提供生活热水;夏季供热温度为90~100℃,冬季供热温度为110~130℃;冬夏季供回水温差设计为60℃。电厂出来的管网输送压力约为0.8MPa,到海德堡市边界的调峰输配站降为0.55MPa;输送管径为700mm,加上保温层和保护壳后管径达1000mm;高温输送沿途总温降约为3℃,平均每km温降不到0.2℃。即使如此,其供热公司热源总表计量的热值与所有热用户热表累积统计值的偏差仍约为13%,其中绝大部分为输送热损失。在总输配主干管路上,有4个自建的燃油/燃气调峰锅炉房和输配站;首站是一个30MW×2的燃油锅炉房(配有3台循环泵,流量为440m3/h,扬程为110m)。燃油或燃气锅炉夏季与冬季均为备用,其主要作用一是在最大峰值负荷供热不足时进行补充供热,二是在事故时备用以应对供热不足;另外,输配站内还设有二级增压泵。德国区域供热的热源主要有以下几个特点:1)供热锅炉房远离市中心,在市中心只用燃油/燃气锅炉房作为调峰供热,市中心的污染物排放很少,为改善城市冬季的大气环境质量提供了有力的前提保证。2)供热系统不仅承担供热任务,还负责全年集中生活热水的用热需求;根据有关资料,对于全年供电、供热的热电厂,电与热的耦合电热比为70%,35%,0%时,热电联产的一次能源系数分别为0.8,1.1,1.5(即耦合效率分别为125%,91%,67%)1,所以对于热电厂而言,全年都有供热负荷时能提高其全年的综合能效。3)受一次能源的价格限制(中国的能源价格规律与德国相同,煤的价格较天然气低),考虑到运行费用,德国的大、中型燃油或燃气锅炉只作为联合调峰锅炉备用,不单独采用。4)高温供热。本文第一作者在参观期间,某日室外气温为15℃,输送的一次热媒供水温度仍高达110℃。高温供热是大温差输送的前提;换热过程中可依据用户要求调节二次热媒的供水温度。供水温度高,室内升温速度快,更容易满足生活热水需求或一些高标准场所的使用要求。5)相对于中国许多供热企业对二次管网疏于维护、管理的情况,德国的供热公司则承担从热源到每一楼栋换热站之间的设备、管道、换热站的全部日常维护与管理,他们负责的管路更完整,系统运行管理效率更高。2输送网络2.1级循环水泵系统一次管网的热水通过调峰锅炉房和输配站,高温、大温差的供回水管网直接与各用户或各栋楼连接,一次管网的二级循环泵巨大的输配作用得以充分发挥。在有地形高差而影响管网的承压时,有的输配站通过设换热站来隔断压力,但仍是大温差高温输送。平时一级循环水泵维持高效运行,峰值负荷时启用二级循环水泵。当外管网有泄漏时,压力会突然下降,锅炉房内侦测到后,紧急切断电动阀,与主管网断开,保证供热可靠,减少热水泄漏造成的热损失。当主管网的供回水压差下降到设定值时,启动二级增压泵,增加管网的压力。在调峰锅炉房内设有软化水和补水装置,补水箱较小,仅有约3.0m3。德国区域供热系统的具体流程2为:远离市中心的区域锅炉房(高温热媒)—一次热网(A管段)—调峰锅炉房、输配站(二级循环泵)—一次热网(A管段)—楼栋换热站—室内系统(C管段)—热用户,见图1。2.2区域锅炉房供热计量中国的区域供热系统流程为:位于市中心的大型区域锅炉房(一级泵循环运行)—一次热网(A管段)—大型集中换热站—二次热网(B管段)—室内供暖系统(C管段)—热用户,见图2。2.3比较中德两国供暖输送线的比较2.3.1全程大高差供热管网的输配方式中德两国区域供热热源的供回水温度及温差差别不大,一次网均采用大扬程、大流量的循环水泵;但是,在德国一次管网的高温、大温差热水直接进入每一栋楼甚至热用户,没有二次管网的B管段。而中国的区域供热系统普遍设有规模庞大的集中换热站和二次输配系统,通过大的换热器制取二次管网的低温热媒(95℃/70℃),再由二次热媒循环泵将温差Δt=25℃(理论值)的热水输送到每一栋楼。如果忽略热损失,将中国区域供热二次管网的输配方式与德国进行比较,对同样条件下的某一栋楼而言,假定该建筑所需热量相同,根据热量计算公式Q=cpG1Δt1=cpG2Δt2(其中Q为热量,cp为比定压热容,G为流量)和管径计算公式D=G/πv−−−−−√D=G/πv(其中D为管径,v为流速)计算,对应输配管段的管径与配件计算结果如表1所示。与中国的区域供热系统对应的二次管网相比,德国的全程大温差供回水系统直接将热量输送到各楼栋的做法,使得同样流速条件下(他们的流速实际取值更大)对应管道的流量和管径要小很多。中国实际的供回水温差大多是10~16℃,管道的实际流量会更大,德国所采用的管道实际上要比中国的小一半;相应地,其管道保温、阀门配件、施工安装的工程量都小,所以德国的全程大温差供热管网的一次投资要比中国的少。图3为德国一栋1200m2的普通住宅楼机房,其楼栋换热站外网的入户管管径仅为DN25,而在同样情形下,中国的正常设计管径则为DN50。2.3.2管网能耗计算德国的区域供热系统充分发挥一次管网循环泵的动力,众多楼栋内的小板式换热器为低温水提供所需要的热量,小的循环泵仅需克服楼内供暖系统和换热器的水阻力。同样,对某一栋楼而言,假定所需热量相同,供热系统的一、二次循环水泵总耗电量按公式N=K1G1P1+∑K2G2P2计算(其中K为单位换算系数(电动机能效系数),P为系统水泵扬程,下标1表示锅炉一次网循环泵,下标2表示二次网的循环泵或楼栋内的二次循环泵),结果见表2。中国供热管网的最大问题是一次管网的高温大温差热水系统的作用没有充分发挥,一次管网压差大(30~50m),本可以轻易地将大温差的高温热水送至各楼栋并克服各栋楼内换热器的阻力,却过早地与大型换热设备连接,大型换热站后面则留下了小温差、大流量、大扬程引起的高能耗、管网不平衡等结构性问题。供热锅炉房的耗电量主要由锅炉鼓引风机、炉排电动机、系统循环水泵、补水泵的耗电量以及锅炉房换热站自身的耗电量组成,在中国严寒地区循环水泵的耗电量占供热系统总耗电量的50%左右,二次管网循环水泵的总能耗则占到水循环系统能耗的55%左右,即每m2电耗大约为1.0kW·h;在相同情况下,中国的供热系统总耗电量要比德国的大近30%。3次管网的热负荷德国的供热方式不存在二次管网,一次管网的压差普遍偏大,在楼栋入户处设自力式压差控制器和流量自动调节装置,仅由供热公司统一负责全面调试工作,较好地保证了一次管网系统的平衡和室内供热需求。室内供暖系统负荷很小(≤120kW),用户点相对也少,不平衡问题并不明显;经过换热器后,循环水泵扬程也不用额外增加,供回水温差基本都能保证在25℃。有的建筑保温效果不好或室内标准要求高,可调高室内系统的供水温度到90℃。每一楼栋都可按需要调整供水温度。另外,如发生系统局部不热、堵塞、漏水等问题,不会对整个管网的其他楼栋有任何影响,相对也更安全、可靠。中国的许多大型区域供热一个换热站经常要负担20万、30万m2以上的建筑面积,包括上百栋建筑,有成千上万的热用户并联;尽管设计规范和标准中要求室外管网、室内供暖系统应保证水力平衡,但实际上很难保证,二次管网热负荷不断增加、新的管网并入、外网前后设计不一致(由不同单位设计)、实际竣工工程与设计图纸不一致等都是原因;即使有的工程设有各种平衡装置,但因为二次管网的供热管道没有进行整体、系统、定期的平衡调试,特别是没有平衡工程调试费用和周期紧等原因,各平衡装置无法有效发挥作用,外网系统整体自然难以达到水力平衡。中国二次管网热水的供回水温差普遍仅10℃左右就是典型证明。为了保证每一户居民的房间室温达标,这种不平衡的存在就导致了部分房间过热,造成能源浪费。二次管网所带的负荷越大、热用户越多,不平衡率就越严重,二次管网循环泵的扬程就越大,水泵电耗就越大。JGJ26—2010《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》第5.2.11条规定,热力站规模不宜大于100000m2。该指标值得商榷:1)与有很好平衡与调节能力的德国供热系统相比,这一控制指标太大;2)严寒和寒冷地区的HDD18相差巨大,度日数范围从2000℃·d到6000℃·d,对于同一面积指标,在不同地区对应的热负荷相差较大,改用热负荷值来衡量更准确科学。4交换热站和室内供暖系统4.1生活热水热泵回收利用因为难以检查维修、阀门热表等设备宜出故障,因此在德国规定楼栋热力入户的换热、热计量、调试设备一般要求设在地下室专用设备房内(不用另占土地专门建一换热站机房)。图3为一居民公寓楼地下室换热设备机房照片,该机房面积为8m2左右;小循环水泵驱动室内供暖系统的热水循环,功耗为100~200W,噪声小;全自动无专人值班。一次热媒供水管道上有过滤器、闸阀、压力表、温度计,回水管道上有电动调节阀、热表、压力表、温度计;小板式换热器有专用保温壳体,二次热媒有定压补水、放水装置,室内供暖、生活热水系统的热水循环泵设三速调节装置。供热输送管网夏季输送的热量相当于冬季的10%左右,主要供生活热水系统使用;为防止军团病菌的生存(其适宜生长温度为37~42℃),保证健康安全(中国的建筑给排水规范还没有相应的规定),由一套容积式换热器制取生活热水,生活热水供水温度全年都要求不低于55℃。室内集中生活热水供应系统为全循环系统,这样居民不须再购买电或燃气热水器,只要打开热水龙头,热水立即流出,不用排放一段时间冷水。联合换热的流程图见图4。采用集中供热热源供应生活热水具有经济、能效高等优点,其能效是居民常用的电热水器的3倍;中国现有的供热系统结构如不改造,则无法保证夏季室内生活热水系统使用供热热源。4.2国内供暖系统做法与新规范的要求反差中德两国的区域供热系统除了外网与换热站有很大结构性差异外,按照将要实施的GB50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》的要求,室内供暖系统的差别已经很小。但是,中国大量的既有建筑的室内供暖系统做法与新规范的要求相差很大,如散热器大量暗装、散热器难以调节和关断、没有热计量装置等。中德两国室内供暖系统的一些细节对比见表3。5中国在管道的保温要求比为了减少源头和输配管道的热损失,德国对供热保温的要求较中国严格细致,对包括水泵、换热器、阀体等较难保温的部位在内的所有传热部位都要求必须保温,且有保温材料的专用保护外壳(大管径管道外部做不锈钢板保护壳,小管径管道用塑料保护外壳);中国一些板式换热器不做保温,热损失较大(乌鲁木齐一个工程的实测结果表明,其在一个供暖季的总热损失可达总供热量的1.0%)。比较2009年3月18日德国联邦政府通过的强制性新节能法规4与中国JGJ26—2010《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》附录G对管道及其设备装置的保温规定,结果如表4所示。由表4可以看出:1)对于小管径的管道,中国的保温要求高于德国标准;但德国的标准更细致,对不同部位的管道也提出了不同的保温要求。2)对于大管径的管道,中国的保温标准则要远低于德国标准;大管径管道输送距离远,散热面积大,供热温度高,更易造成大的热损失,加大保温厚度收益更大。在德国大于DN40的管道基本上都用于输送一次管网的高温热媒。6热计量的收费热计量最重要的目的是有效地指导人们通过调节每一户或每一房间的用热量,实现节能。就如同人们随手关灯一样,在德国,大力推动热计量的结果是当人们离开房间时会自觉地关小或完全关闭散热器恒温控制阀(该装置能有效地利用自由热),回到房间后又立即打开阀门,房间温度迅速升高,这就是热计量带来的人们自觉行为节能。如果用户没有用热多少的选择权,只能依靠供热公司根据气温变化调整供热量,用户被动地接受热量,或者多数用户认为供热效果不好、室内温度不够高,那么推广热计量就不会收到预期的节能目的。所以,热计量的推广实施必须满足一些基本条件:1)必须彻底取消所谓的供暖报销福利补贴政策。有的城市一边推广热计量,一边还继续给职工报销供暖费,人们自然就不会关心节约用热。2)必须结合各地实际,制定出合理的两部制热计量价格,维护好热用户和供热企业的利益平衡;对不同建筑,热计量的计价比例必须以不小于总热价的50%为底线;供热价格制订者应注意,以不节能建筑为对象制定的热量计价比例,在节能建筑中会大幅减小,可能会达不到50%。3)要进行热计量,技术上必须要求室内供暖系统强制安装散热器恒温控制阀或用户可以调节用热的其他装置。4)应回归热的商品属性,不能让它承担更多的责任,政府在保护低保户弱势群体时也应有低保的用热标准,理顺关系,不能将经济负担的责任直接交给供热企业。5)应大力鼓励和支持供热企业对系统管网、热源的整体运行及调控进行有针对性的技术改造,并对其实际运行时的煤耗、输送电耗和热损失、污染物排放效果进行检查考核。在此基础上,再严把热计量产品、设计、施工安装和验收、检验的质量关,进行广泛的宣传,热计量的实施才会有切实的效果。德国的用热如同用电、用水、用气一样是100%的商品,用热量一律按热计量收费,一般是30%的基准价,70%的热计量价格,但最低标准要求是各占50%。海德堡市供热公司热计量的贸易结算点是楼栋,楼栋内再二次分摊,楼内热计量方法仅有散热器热分配计法和户用热量表法两种。从曼海姆到海德堡的一次热媒热价为2.5欧分/(kW·h)(6.95欧元/GJ),终端楼栋供热价格为6.0欧分/(kW·h)(16.67欧元/GJ);海德堡大型燃气或燃油锅炉的成本价约为4.5~5.0欧分/(kW·h)(12.5~13.9欧元/GJ)。可见,由于与来自热电厂的高温热水在价格上有巨大差异,除非是调峰时段使用,否则在同一个收费热价下,供热企业采用天然气集中供热是无法获得任何利润的。7能耗及运行成本的提高德国大型区域供热系统的终端能源与一次能源的实际效率比值不低于67%,供热系统的耗电量约为中国输送同样热负荷时的70%;其区域供热系统与中国当前的空调水系统类似:高温、大温差、二级泵变频输送,终端用户(末端)和系统变流量调节,二次热媒的变化直接带动一次热媒的供热量即流量变化,依靠一次管网的末端压差信号来调节一次热媒的流量,实现区域供热的调节与节能。相对于同属前苏联模式的中国供热系统,德国的供热系统在指导思想、功能、方法、目标等方面与中国都有差别,这些差别不是表面的,而是结构性的。此外,德国选择的热源能效和污染物排放标准要求更高,更符合城市环保要求;其室外管网与室内系统非常协调,管网的不平衡问题很容易解决;在设计理念上,将人的热舒适需求与人的行为节能很好结合,用户室内温度最终是18℃还是26℃,完全由用户按自己的舒适标准选择确定,用热量多就按热计量多交钱;这样也就将整个供热体系由以质调节为主的方式改变为以量调节为主的方式,其供热系统不仅能对天气变化作出正确反应,还能对用户的用热量多少作出及时反应。在建筑节能方面,德国制定了不同时间阶段或不同等级的建筑节能目标,通过大幅提高建筑的保温热工性能,如将窗户的传热系数由1.3W/(m2·K