供热系统节能潜力与节能技术样本

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节能潜力，并有针对性对有关环节（热源、热网、热顾客）节能技术进行了阐述。【核心词】供热系统、节能潜力、节能技术国内“十一五”规划节能指标是20%，其中建筑节能肩负着举足轻重责任。为了更有效地推动建筑节能工作，有必要对供热系统节能潜力与节能技术，做一比较详细分析，目在于提高建筑节能工作有效性，克服盲目性。供热系统节能潜力建筑能耗占全国能耗1/3，供热、空调又占建筑能耗1/3，因而，供热、空调节能对建筑节能具备重要意义。供热建筑能耗，其影响因素重要由四某些构成：1）建筑物围护构造保温状况；2）建筑物室内温度设计原则；3）建筑物自由热有效运用限度；4）供热系统能效水平。一方面讨论建筑物围护构造保温性能。国内《公共建筑节能设计原则》（GB50189-）已于7月1日发布实行，国家《寒冷和寒冷地区居住建筑节能设计原则》已完毕送审稿，即将批准发布实行。在制定这些国家设计原则过程中，对建筑物围护构造保温性能做过进一步研究，基本以为：建筑物围护构造保温状况对供热、空调热（冷）负荷影响要占到20-50%。若把全国气候分为五个区，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%；寒冷地区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，建筑物围护构造保温状况对供热热负荷影响愈大。过去国内居民建筑，基本上没有外墙保温，门窗密闭、保温性能也差。与世界发达国家相比，国内建筑能耗过大，这是其中一种重要因素。国内新设计原则，在这方面已经作了很大改进。普遍推广外墙保温后，墙体保温性能已接近先进国家设计原则，只是窗保温性能与国外相比尚有10-20%差距。建筑物室内温度设计原则与建筑能耗有密切关系。研究表白：在加热工况下，室内设计温度每减少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%。长期以来，由于缺少节能意识，国内在室内温度控制上，经常过于粗糙。特别是行政办公等公共建筑，无论春夏秋冬，也不考虑上班时间，还是节假日，冬天室内温度一律18℃，夏天室内温度经常规定在24℃。事实上，冬天在无人居住房间，只要保持8℃室温，避免设备冻坏是完全也许。过去外国人在夏天上班都要西装革履，室温必要保护在24℃，当前为了节能，室内提高到建筑物自由热有效运用。自由热重要指太阳能，家电和人体散热。这某些热量，对于夏天，是冷负荷重要构成某些，应尽量避免；对于冬天，是加热室温有效热量，应尽量运用。这某些热量，随着地区、季节不同而不同，在冬季，大体上约占总热负荷10-15%左右。对于太阳能日照，在建筑物热负荷计算中，考虑了这某些影响，重要体当前散热器传热面积选取上。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自动调节，因而，在国内大某些地区，房间自由热，还很难在供热系统中充分运用，这也是国内建筑能耗大一种重要因素。最后谈到供热系统能效问题，系统能效表达系统热源处输入总能量（涉及热能与电能折合热能）在热顾客中真正用来提高室温有效热量（将室温加热到设计室温）份额。系统能效计算办法我在参照文献【1】中有详细简介，粗略估算可用下公式（1）计算：（1）式中，Q——热源燃料总供热量；ΣQ——热源燃料、电力总供热量，其中1Kwh(电)=3.314Kwh(热)；ηg、ηr——分别为热源、热网效率；ηj——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——有效运用自由热量。按照上述公式（1）和前述关于国家建筑节能规范，对北京哈尔滨（选取了北方二个典型地区）供热系统能效进行了记录计算，见表1所示。该表给出数据，与“提高供热系统能效是建筑节能重要途径”【2】一文有某些修正，重要是由于国家节能建筑设计规范（三步节能）基本数据做了调节。重要调节：一是将室内设计温度由16℃提高为18℃；二是将锅炉年均运营效率提高到70%，管网输送效率提高到92%；三是考虑到设计原则涉及不到运营调节，因而未表1计算数据，与国家节能建筑设计规范给出数据有些不同，后者只给出了耗热指标，表1不但给出了耗热指标，并且给出了概算热指标。另一不同是后者只给出了第三阶段节能原则，表1同步给出了抱负阶段节能原则。在表1计算中，突出分析了冷热不均对供热系统能效影响。由于国内供热系统规模大，再加自控技术比较落后，因而，冷热不均现象尤为突出。长期以来，业内人员对冷热不均对系统能效影响未于注重。近年来，虽然予以了关注，但经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，并且数量也难以精确记录。必要理解：冷热不均热量不是在管网中损失，应当承认，这某些热量，它是被送到了热顾客，只但是由于房间过热通过开窗户散掉了。因而，冷热不均热损失应当属于建筑热顾客无效热耗，必要单独记录。从表1可以看出：以1980年为基本，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%。但实际状况并非如此，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，而全国实际考察成果，每1t/h蒸吨只能带4000m2。这种差距，正好反映了热顾客冷热不均匀率（约30%-38%）。如果考虑了冷热不均匀率，则1980年北京、哈尔滨供热系统能效实际分别只有14%和18%，预计全国在15%左右。固然，这是在设计外温下记录数据，由于冷热不均率是随着室外温度升高逐渐趋缓，若考虑全年平均，全国供热系统当年能效约在20%左右，也就是说，冷热不均引起热量损失约在20-30%左右。表1北京（哈尔滨）供热系统能效记录节能阶段节能指标耗热指标w/m2概算热指标w/m2热顾客冷热不均限度系统设备耗电w/m2技术条件系统能效%煤耗量kg/m2节能总量%围护构造节能%系统节能%锅炉效率%热网效率%%实际供热面积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(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)抱负阶段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(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数据。·第一、二阶段，室内设计温度16℃，第三阶段后来，室内设计温度18·北京新供暖天数114天，供暖期间平均外温0.1℃,度日数20·哈尔滨新供暖天数167天，供暖期间平均外温-8.5℃表1还考虑了供热系统含电输送效率，对于1980年，由于系统能效值过低，电耗在系统能效中比例只占1%左右。随着技术进步，系统能效提高，电耗在系统能效中比例逐渐提高，甚至高达10%左右。可见，随着节能减排工作逐渐进一步，提高系统含电输送效率也将愈来愈重要。依照上述分析，可以一目了然地理解各个环节能量损耗，进一步掌握供热系统节能潜力。结合表1可以得出二点结论：1）如果拟定抱负节能阶段（锅炉效率80%，热网效率92%，冷热不均匀率消除，建筑围护构造同第三队段原则）供热系统能效为70%左右，则国内供热系统节能潜力尚有40%（当前国内正处在节能第二阶段，供热能效约为30%）空间，其中热源10-15%，热网2-4%，热顾客18-26%，要达到这个原则，其中一种重要指标是每1t/h蒸吨要带到2.85万m2—1.90万m2，（前者为北京，后者为哈尔滨）这是相称艰巨。2）改进建筑围护构造保温性能，和分阶段保持不同室温办法，即减少建筑物耗热量，节约只是耗煤量，而不能变化供热系统能效。自由热运用则否则，可以提高有效用热量，因而，自然会增长供热系统能效。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热损失状况，引而能有效指引节能工作进行。二、供热系统节能技术纵观供热系统各个环节耗能状况，不难看出，粗放式经营是主线因素所在，并且至今，在咱们行业，技术进步并没有放到应有地位。相称多人，以为技术可有可无，“权”“钱”，才是决定一切。但世界发展趋势，将不断证明，只有科学创新，才是社会财富源泉。建筑节能也毫无例外，只有提高各个环节技术含量，供热系统节能目的才干实现。严格执行建筑围护构造节能设计原则。随着新国家建筑节能设计规范陆续颁布，国内即将全面开始实行第三阶段建筑节能原则。关于围护构造保温性能，是依照1980年现状基准，以节约65%为目的，参照热源、热网效率，按照特定建筑物推算出来。其中外墙传热系数由1.28-2.35w/m2k下降为0.45-1.5w/m2k(北方至南方),即保温性能提高了1.6-2.8倍。外窗传热系数普遍减少了一半（由3.26-6.45w/m2k下降为1.7-2.7w/m2k）。此外，对影响建筑物耗热量比较大某些参数如体形系数，窗墙比等都做了强制性规定。对于外墙保温技术，国内通过近年研发，已完全成熟。当前市场上能看到各种不同品牌产品，基本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。对于节能型建筑物围护构造，从设计原则到技术开发，都已完备。当前核心是如何贯彻执行，努力目的是使所有新建筑都按新原则设计施工；既有建筑，有筹划有环节向新原则靠拢。大力推广分时段变室温调节为了防止大量存在超标耗能现象，全国各行业应严格执行国务院规定建筑物室温原则（冬季18℃，夏季26实现分时变室温调节，不但节能效益可观，还可以提高人舒服度，有助于人健康。长期实践证明，人在恒温下生活，并不舒服，还容易得“空调病”。因而分时变室温调节，是提高人生活质量一项重要举措。分时变室温调节技术能否大力推广，在经营方式上必要体现双蠃原则，使节能效益，在供热买卖双方经济效益上得到贯彻。实践证明，凡是这样做，都能得到比较好效果。积极采用大容量产热源当前国内各种锅炉平均效率约为65%，达到第三阶段锅炉效率70%原则，尚有5%提高量，若按抱负节能阶段80%考虑，还须再提高15个百分点。当前提高锅炉热效率技术办法有许各种，但最有效技术手段还是提高锅炉热容量。为此，国内热水锅炉热容量已经达到了90MW（130t/h）以上，热效率实现了80%目的。两年前，国内出台了热电联产新政策，即大力发展200MW（20万KW）、300MW（30万KW）以上机组热电联供，逐渐关停小容量热电机组。其基本目还是为了提高热源热效率。咱们懂得，小容量热电机组，发电效率只有30%左右，煤耗量高达370g/kw，而300MW热电机组锅炉效率高达90%，发电效率可达40%，煤耗量只有310g/kw，可见节能意义是很大。当前国内正处在工业化、都市化高速发展时期，百万人以上大都市不断涌现，为适应这一发展趋势，大力发展大容量热电联产供热，是必经之路。有筹划地实现多热源联网运营对于百万人口以上大都市，集中供热规模经常在几百万甚至几千万m2供暖面积，其热源也许有各种热电厂和各种区域锅炉房。过去咱们习惯做法是一种热源、带一种区域供热面积，形成一对一单热源供热系统。实践证明，这种供热方式，导致重要缺陷是装机备份过多，大量锅炉不能满负荷运营，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、大容量热水锅炉同步，有筹划实现多热源联网运营将是抱负供热方案。多热源联网运营供热系统，类似于高压电网，各种热源同步向热网（多数为环形网）输送热量。众多热顾客依照自身需要，向热网提取热量。普通热容量最大热电厂担任主热源，在供热期间，自始自终满负荷向热网输热。别的热源成为辅助热源，在供热期间，分别有序启动满负荷运营，以适应热顾客不同供热需求。在多热源联网运营中【3】，通过热量平衡调度，使各个热源运营锅炉都能在满负荷下运营。通过压力平衡调度，使各个热源自动承包一种固定供热区域，实现一对一单热源供热。通过流量平衡调度，保证各个热顾客所需循环流量。通过上述三种平衡调度，除了保证热顾客供热质量外，尚有一种很大长处，那就是所有热源运营锅炉，都能在满负荷下运营，这就大大提高了热源平均热效率，这是多热源联网运营最大特点。进一步完善二次网直埋技术改革开放以来，在引进、消化吸取国外先进技术工作中，在本行业里，直埋技术是比较成功一例。当前已经应用到了蒸汽管道和大管径直埋工程中了。据实地考察，由于采用直埋敷设技术，一次网管道热损失普通已能控制在2-7%之间，显然是相称抱负。当前供热管网热损失超标重要在二次管网，普通都在10-15%。分析因素，重要是二次网属于庭院管网，经常由于分支过多，必要加设阀门，构筑检查井，导致直埋敷设，变成了变相半管沟敷设，再加上条件复杂，近年失修，管网热损失过大，是不难理解。当前看来，要想继续减少管网热损失，就必要进一步完善二次网直埋技术，其中核心技术环节是积极采用直埋球阀，取消检查井过多设立，使二次网成为真正名符其实直埋敷设，这样，整个供热系统管网热损失是有望控制在规定原则以内。选用防腐阻垢剂，减少系统失水率在供热系统管网热损失中，除了管道保温层散热损失外，热网因漏水引起补水热损失，也不允忽视。据关于资料给出，当前国内平均每平方米供暖面积每年补水量约在80-90公斤【4】，热损失率约为8-10%，因而，减少系统补水率减少系统漏水热损失，也是当务之急任务。系统漏水，除了跑、冒、滴、漏因素外，顾客偷水是重要因素。当前比较好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PH值（PH＞10），使钢管表面形成了保护膜，不但起到了水软化作用，也起到了防止氧腐蚀和二氧化碳腐蚀作用。这种防腐阻垢剂对人体无害，但带有颜色（黑色），能以便、有效地减少偷水现象，近年实践，有明显效果。此外，据不少实际工程反映，在系统里加装臭味剂，也能获得良好效果。努力发展分布式变频水泵设计理念老式循环水泵设计办法（在热源处设立大循环泵），由于过多资用压头节流，消耗了大量无效电能，致使系统电输送效率低下。创新分布式变频循环水泵设计理念，按照“自助餐”思维，顾客通过自行取热，彻底消除了无效电耗发生。理论上，节电可在60-80%左右。这种新型设计理念，已经愈来愈被国内外行业人员关注。国内已有不少工程示范采用，均有较好效果。作者在“供热系统分布式变频循环水泵设计”【5】和“供热系统分布式混水连接方式优选”【6】二篇文章中，对分布式变频水泵设计原则、系统构造、设备选型、运营调节等诸多问题，都进行了详细简介，普通在工程设计、运营中遇到问题均有所涉及，对于感兴趣同行可供参照。坚定计量收费技术履行供热计量收费技术履行目，从节能意义上讲，最重要是能消除冷热不均带来热损失，另一方面是提高行为节能，进而充分运用自由热，减少热源能量消耗。供热计量技术，已在全国许多都市示范近年，今年7月国家建设部又发布了《供热计量技术规程》（JGJ173-），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装恒温控制阀和流量调节阀。