【S县供热网络热负荷案例探析及优化设计（论文）15000字】

S县供热网络热负荷案例分析及优化设计摘要随着我国供热供暖设施不断的更新换代，我国的城市供热产业也迅速发展。同时在国家颁布的各项与供热网络相关的政策措施推动之下，供热网络的规划设计也已经有了比较成熟的技术和标准。发展具有清洁能源的城市工人网络，并且以多种方式协同供热。是未来供热网络发展的重要方向。

环保高效的体城市集中供热,可提高能源利用率，减少能耗，推动能源结构转型。本文从太原市S县供热片区供热网络的规划设计出发，对太原市S县供热片区供热的热源设计、建造、运行成本进行优化设计等问题进行分析探讨。本文的主要内容有：

一.对太原市的供热现状进行分析，探讨其中的问题和发展空间,分析供热区设计的影响因素。

二.

结合供热负荷计算方法，对S县供热片区的供热负荷作出调查。确定供热模式。

三.结合供热管网的水力计算和散热模型提出管网的成本模型。从供热管网的建造，运行和管道散热成本三个方面。对供热管网的效益指标进行评判。

四.计算供热管网的建设运行成本等因素，分析城市供热网络的经济性和效益。摘要 1第一章绪论 21.1课题的研究背景 21.2国内城市供热网络的发展状况 31.3课题的研究意义 3第二章太原市的供热现状分析 42.1太原市概况 42.2太原市气候分析 42.3太原市供热现状 4第三章热负荷特性分析 53.1热负荷计算方法 53.1.1日温变化系数 53.1.2注册功率及年供热量计算方法 63.2供热负荷实例计算 83.3供热热源设计 93.3.1供热热源特性分析 93.4本章小结 10第四章基于设计负荷的供热管网成本计算模型 104.1供热管网的设计原则 104.2设计负荷下用户供热流量 114.3设计负荷下供热管网设计的数学模型 124.3.1供热管道的建设成本模型 134.3.2设计负荷下供热管道水力模型 144.3.3城市供热网络管道散热模型 164.3.4管网设计约束条件 184.4热源接入点的影响分析及实例验证 194.5本章小结 21第五章城市供热网络效益和经济性分析 215.1供热网络的优劣势分析 215.2分散式供热锅炉与城市热网供热费用 225.2.1城市热网供热费用构成 225.2.2分散式锅炉用户供热费用构成 235.2.3供热网络与分散式锅炉供热成本对比 235.3热网的投资建设成本 255.4热网的运行成本 255.5本章小结 26第六章总结与展望 27第一章绪论1.1课题的研究背景在寒冬时维持室内的温度适宜稳定，是人类自古以来一直在追求的生存基本要求之一。从远古时代钻木取火，再到古时的火炉，火盘，火炕。而随着资本主义国家由工业到机械大工业的转型，第一次工业革命在这个时候基本完成。欧洲逐渐把蒸汽的热水作为热媒来形成室内的供热，人类进入了水暖时代。到了1877年，美国纽约建造了世界第一个区域锅炉房，并向附近的14个家庭供热，这种形式的供热方式。在我国北方地区也叫做集中供热。随着科技的发展，供热方式也在不断迭代进步。供热材料从最早的柴火向着煤炭，燃气，集中供热。再到使用综合能源的大型城市供热网络供热转变。人类对取暖的需求从简单的抵御严寒上着追求环保高向的高质量供热转变。随着供热技术的不断优化与发展，同时也作为北方基本生活的重要保障手段,国内的城市供热网络技术也在不断发展,对国家的经济发展我满足人民日益增长的物质需求提供了一定的保障。但是目前国内仍有个别地区的功能用户仍在使用效率较低、污染比较严重、官网比较老旧的燃煤锅炉，不仅造成了能源的浪费，也严重影响了空气质量。近年来，全国各地相继出台了燃煤锅炉改造的工作安排，我家也颁布相关的政策，大力推动综合清洁能源发展。中共中央对推动绿色环保的新型供热模式，展现出了前所未有的信心与决心。而发展具有综合清洁能源城市供热网络，是未来供热模式的重要方向，其对我国的国内城市供热网络具有新的要求和规划。1.2国内城市供热网络的发展状况大型城市供热作为一种新型的供热模式，近年来发展较快而且还有巨大的发展空间。因此，笔者认为在构建热负荷模型之前有必要对该模式的发展现状进一步分析。

自从改革开放以来，城市的经济不断发展。随之而来的是社区住宅面积的增加，因此供热面积在也不断增加。这就对供热技术提出了新的要求。对于新建的住宅小区，因为集中供热的工作效率比普通的分散式锅炉工的效率比较高，而且具有环保节能的优点，所以集中供热锅炉通常为首要选择。尽管集中供热锅炉逐步取代民用煤炉和小型工人锅炉，但分散式的锅炉的比重仍然是最大的。据统计，在我国29个大中城市集中供暖模式中，分散式供热锅炉房供热占我国总供热面积的84%，其中高于90%的锅炉房容量低于7MW。到了1980年之后，在国家相关政策和资助资金的帮扶下，我国集中供热得到了较为迅速的发展。热交换站、隔压站、冷热电联产、调峰锅炉房等相配套的集中供热系统也在各个城市相继建成。随着我国城市大型集中供热总面积的不断增加，其中公寓成为我国城市供热模式的首要选择。

目前为止，北京、长春、太原、哈尔滨等大中型城市已经建成和不断完善大规模的城市集中供热设施，并拥有一定规模的热源、热网、自动控制设备。集中供热的发展满足人们日益增长的物质生活需要，同时也改善了城市空气环境，是城市设施最重要的基础组成部分之一。

截至2007年底，我国的城市大型集中供热总面积高达30亿㎡。从2001年到2018年，我国城市集中供热总面积的平均增长率高于15%。1.3课题的研究意义本文分析了国内城市供热网络的发展状况，结合太原市的供热现状，对太原市S县的供热片区供热网络进行了规划设计。从供热片区的用户热负荷计算、供热热源选取、供热管网设计规范、成本计算、热损失计算等方面对工人网络进行规划设计，并进行效益和经济性分析。并结合公园网络设计标准，提出了两种供热管网布置的方案。笔者从供热管网的布置、铺设和运行成本考虑对供热管道直径进行选择和优化，在节约建造和运行成本的同时，减少供热网络的散热损失。最后进行供热官网的供热效益和经济性计算。为其他供热管网的规划提供参考，对我国的城市供热网络的规划设计也具有一定的参考意义。第二章太原市的供热现状分析2.1太原市概况太原市位于山西省中部，晋中盆地北部地区，地理坐标为北纬37度27分到38度25分，东经111度30分到113度09分。北东西三面群山，谓语是北靠系，舟山云中，山东聚泰航。西吕梁南街，有近四塞之要冲，控五原之都邑的美誉。据2019年人口抽样调查，年末全市常住人口446.19万人，比上年末增加4.04万人。其中：城镇人口380.36万人，增加5.09万人；乡村人口65.83万人，减少1.05万人。2.2太原市气候分析太原市地处中国华北地区,三面环山，深处内陆，冬季低温少雨，温度变化明显，夏季高温多雨，属于典型的暖温带大陆性季风气候。其年平均太阳总辐射量为每平方米4927.90兆焦耳，全年日照总时数为2285～2587小时，年平均降水量390～423毫米，气温8.10℃～11℃，积温2375℃～3121℃，地面温度10.50℃～13.40℃，风速为每秒1.40～2.20米，地面气压887.10～927.80百帕，相对湿度为54%～58.20%，蒸发量为1459～1991毫米。无霜期153～178天。太原市供热的气温和时长参数如下：表2-1太原市供热计算参数太原市供热计算参数冬季室外采暖计算温度-10℃年平均温度9.5℃供热时长150天供热期平均室外温度0℃供热期室内设定参考温度18℃一般而言，太原供暖时间是从当年的11月1日到明年的3月31日，供暖的总时间为五个月，供热天数约为150天。2.3太原市供热现状

据统计，一直到2016年底，太原市供热总面积高达1.89亿㎡并且还在逐年增长，供热管网总长度大约为1142km，建成热力站1568座。为打造环境优美，和谐宜居的美丽太原，市政府将继续推进集中供热全覆盖，规划远期2020年清洁环保型集中供热面积达到2.1亿㎡。太原的热源类型大概可分为三中种：热电联产+工业余热、大型燃煤燃煤热源厂、大型燃气热源厂以及其他清洁能源热源。其中，热电联产+工业余热1.645亿㎡，占比79.47%，其中古交兴能电厂5264万㎡，交城国锦电厂936万㎡，太二电厂3682万㎡，华能燃气电厂1179万㎡，嘉节燃气电厂1383万㎡，瑞光电厂1480万㎡，太钢工业余热1150万㎡。大型燃煤热源厂1873万㎡，占比9.05%，其中城南热源厂1130万㎡，城西热源厂743万㎡。大型燃气热源厂供热面积845万㎡，占比4.08%。其中小店446万㎡，东山293万㎡，晋源106万㎡。其他清洁采暖1578万㎡，占比7.62%。其中燃气区域供热1254万㎡，污水源、空气源、地热能电锅炉等其他清洁方式供热324万㎡。第三章热负荷特性分析在进行供热时，供热用户的供热需求分为:(1)热空气在供热用户内部以热对流的方式通过墙壁和地面向外界散发热量。(2)冷空气进入供热用户内部，并被加热到符合供暖需求的温度。为了更准确地预测为供热用户的热负荷，我们需要计算或调查供热用户的注册功率。注册功率是供热用户在冬季最低室外温度下能够提供的最大功率。同时考虑实际情况时官网所存在的散热损失，但设计功率时还是要多出10%来保证供热充足。在本章中，介绍两种方法计算供热用户热负荷，并使用其中的第二种方法对太原市S县供热用户的注册功率进行计算。将所有供热用户的注册功率进行累加后，再预测太原市S县的年供热量，并合理地选择相对应的供热热源。3.1热负荷计算方法3.1.1当天温度改变系数在进行供热网络热负荷特性分析之前，我们引入当天温度改变系数,该系数有助于我们更直观的评估太原市的气候条件和供热网络的实际工况，以便于对供热用户所需要的供热功率进行准确的研究。当天温度改变系数可表述为室内供暖温度减去室外最高与最低温度的平均值来，它可以用来反映供热用户在供热时的实际工况。当天温度改变系数反映了供热用户在供暖系统供暖时其供热热源的工作环境，当天温度改变系数越小，室内外温差相差越小，说明供热用户的供热负荷也就越低。而对于供热期内的室内供热温度TREF，则需根据供热用户的实际要求而定：普通民宅一般为18℃，娱乐场所为20℃，初高中学等场所为19°C，医院、养老院等场所则为21°C。ITCC=S−Tmax+Tmin2(3-1)

式中，

ITCC：供热用户当地的当天温度改变系数;

S：采暖期时Tmax：供热用户当地当日的最高气温，°C;

Tmin：供热用户当地当日的最低气温，°C。当计算出太原市2018每天的当天温度改变系数后，我们将供采暖期内每天的当天温度改变系数累加求得总和，即为当年的总当天温度改变系数。以当年的当天温度改变系数与标准的当天温度改变系数作相比较，分析出全年供热的实际工况，计算当年的供热量。标准的当地当天温度改变系数由该城当地历史的气温数据平均值及发展现状确定。太原市的标准当天温度改变系数取为2300。

ITCC总=式中：

ITCC总：全年总当天温度改变系数ITCCi：某日的当天温度改变系数下表是太原市2018年的当天温度改变系数：表3-12018年太原市当天温度改变系数月份1月2月3月4月5月6月当地当天温度改变系数ITCC672.5544290.5117-28-158.5月份7月8月9月10月11月12月当地当天温度改变系数ITCC-214-197.559.5290.5250712.5年当天温度改变系数23注册功率及年供热量计算方法1)历史供暖数据推算当供热用户用已有的天然气、燃煤或燃油锅炉供热，可以根据其过往的供热数据对这种锅炉的效率以及供热用户一般所需的供热量进行计算。在获得供热用户过往的供热数据后，将过往的年耗热量乘以平均当天温度改变系数与当地标准的当天温度改变系数之比，即可得出供热用户的注册功率。反过来，也可以用当天温度改变系数与注册功率反推算出供热用户当年消耗的供热量。QU=CREF×式中：CREF：ITCCREAL：ITCCREF：一般来说，对于民用住宅的供热用户，加热系数为1。而对于学校、办公场所等，加热系数一般为1.8。而体育馆等场馆内供热面积比较大、单层高度比较高、闲置时间比较长，加热系数一般为3.3。再结合以下公式，即可计算得到当年该供热用户的实际注册功率:Ps=QU式中:Ps：TEMINIMUM：S：加热系数。对于新接入供热网络的供热用户，可能会由于供热习惯的改变或者接入供热网络前后供热管网的新旧程度不同而导致注册功率推算不准确。所以在接入热网后，需要对供热用户的供热功率和耗供热量进行持续的跟踪，方便及时调整供热用户的注册功率。2)热体积法若已配备了供热锅炉的供热用户无法查到过往的供热历史数据而没有办法得到供热用户的实际供热量，那么可以根据供热用户的建筑面积、建筑高度、建筑年代、供热温度等方面使用热体积法对供热功率进行计算。计算公式如下:

PS=G式中：PS：供热用户的注册功率(W);

V：供热用户的供热体积(m³

);

G：供热用户的体积热损失系数(W/m³);

∆供热期内，室内的一般供暖温度为18℃，室外平均温度0℃,室外最低温度-10℃，根据中华人民共和国行业标准《城市热力网设计规范》中计算供暖年耗热量公式：Q年=i=1nPi×HQ年：S县Pi：供热用户Hi：供热用户的供热时长(h);

TAVE3.2供热负荷实例计算根据3.1的热体积法,对太原市S县供热网络片区的标志性供热用户的供热体积及供热负荷进行估算。其结果如下表所示:表3-1供热片区潜在用户注册功率调查名称建筑面积/㎡单层高度/m体积/m³体积热损失系数注册功率/kW集中性住宅135778.502.8380179.801.618856.92工业园区401600.0052008000.002124496学校34989.903.1108468.691.86052.553学校11650.65334951.951.81950.319集中性住宅38392.202.8107498.160.61999.466集中性住宅82410.302.9238989.870.352593.04购物中心1882.562.85271.170.8130.725办公场所3388.00310164.000.6189.0504集中性住宅343176.492.8960894.171.647660.35学校28316.40384949.201.84740.165集中性住宅8409.612.823546.911.61167.927博物馆1929.4159647.052598.1171办公场所4523.68313571.040.6252.4213医院6159.012.817245.231.8962.2837学校35348.042.795439.711.85325.536学校13446.842.837651.151.82100.934集中性住宅9505.442.826615.231.61320.116产业园81671.025408355.10225318.02如下图所示，居民建筑的供暖时长大约为每年1800小时。学校的供暖时长大约为每年1000

小时，办公室的供暖时长为每年1200小时。而博物馆、体育中心等供暖面积比较大的场所，每年供暖时长可达580小时。工业园每年供暖时长约为580小时。医院对温度要求较为严格，每年供暖时长大约为1800小时。表3-2供热片区用户供暖时长及年耗热量名称注册功率/kW供暖时长/h预计年耗热量/MWh工业园区12449658057766.14学校6052.552910004842.042学校1950.318810001560.255集中性住宅18856.918180027153.96集中性住宅1999.465818002879.231集中性住宅2593.040118003733.978购物中心130.724972000209.1599办公场所189.05041200181.4884集中性住宅47660.351180068630.91学校4740.165410003792.132集中性住宅1167.926618001681.814博物馆598.1171580277.5263办公场所252.421341200242.3245医院962.2837218001385.689学校5325.535710004260.429学校2100.934310001680.747集中性住宅1320.115518001900.966产业园25318.01658011747.56根据中华人民共和国行业标准《城市热力网设计规范》，结合太原市S县地区的供热用户的供热条件，S县供热片区全年的供热量高达193926.35MWh(1MWh=10^3kWh)。需要注意，该结果仅仅是估算的，是为了计算供热网络所耗能量的数量级，不能将它用来准确地估计该片区的实际年耗热量。3.3供热热源设计由表3-1可知，S县的供总注册功率为245.71MW，意味着供热热源需要提供245.71MW的供热需求，同时为对一些锅炉负荷的极端情况，或将来需要接入更多的供热用户，供热的热源按照250MW选取。在该片区的热网设计中选用两台58MW的燃气锅炉和一台168MW的清洁燃煤锅炉。燃气锅炉用的天然气主要成分为甲烷，燃烧后主要生成二氧化碳和水，因此烟气的污染性非常低，甚至可以达到直接向大气层排放的标准。作为热值极高的绿色清洁能源，在未来的集中供热网络发展中具有不可替代的地位。供热清洁燃煤锅炉这个对供热燃煤锅炉的节能减排，应用适合我国现有供热锅炉炉型及其煤质，燃烧与炉外烟气净化的技术有机结合，具有节能、减排的双重效果。从炉内清洁燃烧、炉外烟气净化两个方面进行技术提升，改变了锅炉热效率低，缺乏除尘净化设备导致污染物排放严重的问题。3.4本章小结本章使用两种方法计算注册功率，再根据太原市S县供热片区供热用户特性估算出供热负荷，结合年供热时长，估算出太原市S县的供热量。根据S县的总供热量，再结合太原市的能源特点，选用3台8MW的生物质能锅炉和一台6MW的燃气锅炉，保证了供热网络运行的节能性及稳定性，提高了供热网络建设的经济效益。第四章基于案例设热负荷的供热管网成本计算模型城市集中供热管网是指城市集中供热热源向供热用户输送和分配供热介质和供热能量的连接网络系统。热网一般是一个双管道的封闭回路，由输热干线、配热干线、支线等组成。热网的供水管道将供热热源的热量输送至换热站，而回水管道则将换热后的高温热水输送回供热热源并进行回热。热网管径根据水力计算确定。在输热干线或输热干线与配热干线连接处设置换热站。

在本章中，笔者将建立一个供热网络的数学模型，根据第三章计算出的供热功率进行管网的成本计算、散热计算、水力计算等。并对供热管网的管径进行经济型选择和优化。4.1供热管网的设计规范供热管网的布置有许多方面的影响因素，比如地质结构、原材料成本、管道分布等等。为了降低建设成本以及便于在日后维修维护管道，减少在施工时对居民日常生活的影响，给企业带来最大化的效益，管道的铺设规划应遵循以下规范:

一、应尽量做到节约能源、保护环境、技术先进、经济合理、安全适用。

二、城镇供热管网设计应符合城镇规划要求，并宜注意美观。

三、供热管网输送的热量应满足供热用户的热负荷。

四、在保证安全的前提下，应尽量提高供热管网的供热密度。

五、设计供水温度约为110~150℃，回水温度不应高于70℃。

六、管径≤300mm的供热管道，可穿越建筑物的地下室或用开槽施工法治建筑物下专门辐射的通行管沟内穿过。用暗挖法施工穿过建筑物时可不受管径限制。4.2设计负荷下用户供热流量

热水从热源锅炉房出来之后，沿着输送干线与换热站换热，在热量不断输送的过程当中，随着管道直径的变小，流量也逐渐减小。到了管网末端的供热用户时，管网的热量至少能刚好满足其功率需求。而对于回水管道，在冷水回流到热源的过程中，越接近热源，随着冷水的流量越大，供热管道的管径也越大。

根据3.1计算出的供热功率，可以计算出在满足所有供热用户的供热需求时，工人网络提供这些供热量所需要的流量、沿程损失和局部损失，由此来确定水泵功率。假定供热管道供热介质的能达到最大速度为1.5m/s，根据公式可得管道的通流面积,并计算出对应的管道直径，并选择满足工作负荷需求的管道直径。根据供热管道设计的管道水力对照表，取水在标准大气压下100℃时，水的比热容为4.2*10^3J/kg*K,密度为971.6kg/m^3。供热管道的供热功率计算公式如下图所示：

P=QV×ρ水×∆T×cp

(4-1

)

QVρ水P：供热片区的供热功率，kW;

cp：热水在标准大气压下供热热水的比热容，4.2*10^3J/(kg*C)。

因为供热管道为圆形，所以可以根据管道中供热热水的流量和流速计算出供热管网的直径。d=Qv×4vv:供热热水的流速(m/s);

d:管道直径(m)。

根据3.2中计算出的供热用户的注册功率，计算出供热管网所需的供热流量和管径，如下表所示:表4-1供热用户所需流量和管径名称注册功率/kW所需流量(m³/h)所需管径/mm工业园区1244963665.365929.6442学校6052.553178.197204.9785学校1950.3191.85227620.8983集中性住宅18856.92555.1783361.8049集中性住宅1999.46658.86752117.8138集中性住宅2593.0476.34331134.1664购物中心130.7253.84875530.1244办公场所189.05045.56595136.22662集中性住宅47660.351403.198575.1984学校4740.165139.5582181.3994集中性住宅1167.92734.3856690.04236博物馆598.117117.6095464.43653办公场所252.42137.43169541.86028医院962.283728.331281.73172学校5325.536156.7924192.2741学校2100.93461.85492120.7662集中性住宅1320.11638.8663595.72933产业园25318.02745.4035419.23154.3设计负荷下供热管网设计的数学模型笔者引入一个供热管网数学模型来合理规划供热管网。该数学模型分别分析供热管网的建设成本、水力计算和散热损失，并求出最经济的管径。其优化目标函数如下所示:

MinC=i=1NCC：供热管网的建设和运营的总成本，元;N：供热热网中的各个管段部分;C建C水C热4.3.1供热管道的建设成本模型

供热管网的中心管道选用235B碳素钢，钢管外层涂上聚氨酯泡沫作为保温材料,减少散热损失。在保温层外部使用聚乙烯塑料管作为外壳保护层。管网的铺设一般包括路面的开挖和开挖后的道路修复、管道组件安装、管网和热源的管道对接、管网和管网之间的管道对接等等。在该模型中，管埋土深度的变化和因不同地质造成挖土难度变化导致的额外成本暂时忽略不计。管网的建设成本公式如下所示:

C建i=LiLi：Pi：下表提供的了单位管道开挖铺设成本：表4-2管道型号和对应的建造单价管道尺寸铺设费用/元DN14006400DN12005350DN10004400DN9003800DN8003500DN6002620DN4501880DN4001700DN3001260DN2501080DN200840DN150760DN100515DN80450DN70420DN65400DN50380DN403604.3.2热负荷下供热管道水力模型根据供热管道的排布和走势，可以计算出管道的压力损失，在不断的优化计算后，可以求出管道的最经济直径。在这个构建的管网模型中，其计划使用年限为20年，每一年的供热时长约为150天，由此可计算出一年的总共热时长为72000小时。供热管道单位长度的压力损失可以通过比摩阻表示:R=6.25×10式中：R：供热管道的比摩阻，Pa/m;λ：管道的摩擦系数。管网的供热介质的最高流速定为1.5m/s。供热管道的摩擦系数可由以下公式计算得出:λ=0.11×式中：K：管道内部的当量绝对粗糙度(m)，取0.5mm。结合(4-6)和(4-7)，可得：R=6.88×10−管网中每段管道的沿程损失表示如下:∆Pi式中:RiLi：供热管网中的局部损失可以用两种方法计算得出：(1)用当量长度来表示，其计算方法如下:∆Pj=ζld=ζ(2)根据中华人民共和国行业标准《城市热力网设计规范》，热力管道局部阻力与沿程阻力存在一定比值，可根据下表取值：表4-3局部阻力和沿程阻力的比值补偿器类型公称直径/mm局部阻力与沿程阻力的比值蒸汽管道热水及凝结水管道输送干线套筒或波纹管补偿器≤12000.20.2方形补偿器200~3500.70.5方形补偿器400~5000.90.7方形补偿器600~12001.21输配管线套筒或波纹管补偿器≤4000.40.3套筒或波纹管补偿器450~12000.50.4方形补偿器150~2500.80.6方形补偿器300~35010.8方形补偿器400~50010.9方形补偿器600~12001.21二者相加可得到管网中的总压损:∆P=∆式中:ζ：供热管道的总局部阻力系数n：供热管网中管道总数根据总压损计算水泵的扬程:H=∆P根据下式计算可得到供热时水泵扬程的运行功率:N=QHgρ式中，N：水泵功率，KW;H：水泵扬程，m;Q：水泵流量，m³/h，g：重力加速度g=9.81m/s^2η：水泵效率，取0.850考虑到有供、回水两条供热管道，管网的使用寿命暂定为20年，根据全年供热时长，水泵的运行费用计算如下:C水=N×T×C电式中，T：供热网络一年的供热时长，h；C电：Y：管网的使用寿命。整理得:C运对每一处供热管道进行水力计算，长度和流量不变，计算得出最佳管径。4.3.3城市供热网络管道散热模型在供热管道输送热量的过程中，管道将会与周围环境产生对流换热。流量的损失会直接增加供热网络的供热成本。虽然供热管道覆盖了保温材料，但是在管道设计中，管道直径的变化也会导致散热面积的变化。因此应该选择合理的管道尺寸和管道布局，避免不必要供热管网的散热损失。供热管道由3层组成，第一层为中心钢管，导热系数较小。第二层为采用聚氨脂泡沫保温材料制成的保温层，第三层是聚乙烯材质塑料套管，在计算时主要考虑聚氨酯保温层的温降，因为其决定了供热管道的保温性能。对于中心钢管和塑料套管的温降，暂时忽略不计。根据式(4-3)确定的管道公称直径，选定相应的钢制中心管，中心管的外径rR表4-4中心管外径与公称直径的关系对照表公称直径DN(mm)40506580100钢管外径(mm)A48.360.376.188.9114.3B45577689108公称直径DN(mm)125150200250300钢管外径(mm)A139.7168.3219.1273323.9B133159219273325公称直径DN(mm)350400450500600钢管外径(mm)A355.4406.4457508610B377426480530630公称直径DN(mm)70080090010001200钢管外径(mm)A71181391410161219B72082092010201220公称直径DN(mm)1400钢管外径(mm)A1422B1420供热管道的换热主要分为三部分:一是管道和保温材料之间的传热，二是管道与周围土壤产生的传热，三是供热供水管道和回水管道之间的传热。供热管道的换热面积计算公式如下:AR保温层内的散热可按如下公式计算:hi供热管网与周围土壤之间的换热按以下公式计算:h地最小覆土深度h的选责与管道公称直径有关，可按以下表格选取：表4-5最小覆土深度与公称直径的关系对照表管道公称直径(mm)最小覆土深度(非机动车道)(m)≤1250.6150~2000.6250~3000.7350~4000.8450~500≥2*D600~700≥2*D800~1000≥2*D1100~1200≥2*D1200~1400≥2*D供热管网的供水和回水管之间的换热按以下公式计算:h管管道单位长度换热的传热系数可以按以下公式计算:hi可得单位长度下管网散热量:qi∆T=据调查目前太原市的供热销售单价58元/MWh，根据下式计算出供热期内的散热损失:C热=35×式中:s：供水管道和回水管道的间距，取1.5m;λ土：h：管道埋土的深度，m;∆T：供热管道与土壤之间的温差，℃;1：供热管道的长度，m;λD4.3.4管网设计约束条件在管网模型的计算过程中，需要遵循以下约束条件:(1)供热管网的管道尺寸应遵循中华人民共和国行业标准《城镇供热直埋热水管道技术规程》(CJJ/T81-2013)，其对管道的型号和尺寸做了严格的规定。表达式如下:Di∈式中:Di(CJJ/T81-2013)：中华人民共和国行业标准《城镇供热直埋热水管道技术规程》符合标准的管径总和。(2)由前文可知，供热管道的流速限制在1.5m/s,以便于管网的安全运行。表示为:v≤1.5m/s(3)根据质量守恒定律，管网中任一节点处流入的供热介质流量之和应等于流出的供热介质流量之和，任一节点处流量的代数和应为零。表达式如下：k=1n式中，qk(4)在供热管网中，管道的末端压力应不小于供热用户所需的供热压力。p末(5)热源供给用户的供热量应不少于供热用户的热负荷。Pi≥式中:PiPis综上，供热网络的模型建立如下：MinCDis.tvk=1npP求解计算过程的逻辑图如下所示：通过用户热负荷确定供热管道流量Q是否Ci<Cmin最佳管径D计算供热成本从(CJJ/T81−2013)标准选取管径计算所需管道最小直径通过用户热负荷确定供热管道流量Q是否Ci<Cmin最佳管径D计算供热成本从(CJJ/T81−计算所需管道最小直径4.4热源接入点的影响分析及实例验证结合管网设计要遵循的规范，根据供热用户的具体条件，对供热管网进行设计规划。在阳区县供热片区，供水管道内通过100℃的高温热水，将热量送入各个供热用户，完成换热后，回水管道以70℃的热水进行回水。在选择热源用地上，考虑了两种接入位置的影响。其分别位于太原市S县供热片区的正右方和正下方。通过对比两种方案，分析两种方案在建设运行成本上的差异。方案一:在S县的正右方有一片占地面积约2.95公顷的空地，南临314省道，紧靠故县河，便于燃煤和燃气的运输，同时也有良好的降温条件。因此可用于建设供热热源。供热管网从热源出发，沿314省道一直到S县的总新城区和综改区之间，再沿着小屯庄西侧的现状道路、中社河、纬五路等进行管道敷设，向周边建筑物输送热量，但是由于初始阶段离S县的中心城区与综改区比较远，周边的可接入热网的建筑物比较少，有较长一段输送干线没有与供热用户相连接。管网的系统结构图如下所示：方案二:太原市S县供热片区中心县城的正下方有一片空地，且临近中社河，热网的补水以及锅炉的冷却循环水或可由中社河的河水提供，有很好的降温条件。同时这片空地距离中心县城和综改区的供热用户距离较近，不需要铺设较长距离的供热管道，比起方案一，能减少不必要的管道散热损失。供热管道从位于热源出发后，分别从东西北三个方向，沿着314省道和侯村西路、规划二十一路、纬四路以及县城主干公路分散成三条主干线，延伸至三条支线所有的供热用户。管网的系统结构如下图所示。两种供热布置方式的管径选取及成本计算如附录1和附录2所示。方案一在供热起始阶段有较长一段没与用户相连接，导致散热成本增加，而且供热管网初始主管道的管道直径相对较大，管道末端比摩阻较大，建设成本随之增加。方案二拥有三条支路，分别向西向东以及向北，没有需要承担最大热负荷的管径，没有直径过大的管径增加建设成本。两种方案相比较，计算可得方案二比方案一节省22%。显而易见，方案二更适合S县的集中供热网络建设。第五章城市供热网络效益和经济性分析在本章，我们需要对热网建设投入的资金进行估算，以此来评价供热网络的经济效益。S县片区中供热总面积高达1242578.05㎡，供热管道累计长度22867m。S热源厂每年可为S县提供193926.35MWh的供热量。供热管道的热网密度约为8.48MWh/m，而按照热网密度参考标准，当热网密度大于8MWh时，说明该区域建立集中供热网络具有经济性。5.1供热网络的优劣势分析集中供热锅炉通常是由多个共同通过热网向城镇的供热用户供热。集中供热的热源主要分为三种:热电联产、大型区域锅炉房(燃煤、燃气、燃油型)、燃气--蒸汽联合循环等等。热电联产不仅提高了能源利用效率，而且为城市集中供热提供了一种经济清洁的热源类型。其锅炉的供热效率比较高，并且大多都装有除尘设备，除尘效率高达90%，大大减少了空气污染。缺点是清洁煤技术需要进一步发展。大型集中锅炉房一般以燃煤锅炉为主。其优点是供热成本比较低，初期投资少，建设周期短，供热量能灵活地适应热负荷的需要。在我国城市供热系统中使用最为普遍。缺点是由于能源转换效率较低。普通的小型区域燃煤锅炉在运行时会发出较大的噪声，影响了周围的供热用户。同时建筑物周围的供热管道也因为管网老旧、渗漏等问题对供热用户造成安全隐患。分散的小型区域燃煤锅炉都维修维护成本都比集中供热的锅炉要高，其初期建设的资金成本比较高，而且需要定期聘请维修师傅上门维修。同时由于国际燃油价格不稳定，供热成本也会随其价格波动而影响较大。对于促进社会经济发展，城市热网的建设可为当地提供一定的就业岗位。热源厂的建设和供热管道的铺设，都可以提高当地的就业率。。热网建设需要挖地进行管网的铺设敷设，影响了城市的正常运转。因此在热网的建设规划上需要获得市政府从资金、政策措施等方面的支持。供热网络和区域小型锅炉对比，集中供热从减排、供热效率、供热成本等方面都具有十分的优势。5.2小型供热锅炉与城市热网供热费用本节，作者选用S县某接入热网的供热建筑，对使用小型供热锅炉和城市热网供热的经济性分别进行计算并比较。5.2.1城市热网供热费用构成供热用户所支付的费用C热网一般C热网这两项供热成本由热网的运营公司直接收取。供热收费由基本热价H1和计量热价H2组成，单位是元每平方米每采暖季。供热采暖期开始前，热力公司先按用户供热面积预收热费，采暖期结束后，按照山西省物价局文件执行，公共建筑实行多退少补，居民建筑实行多退少不补。其中H1是用户在该采暖季所需支付的热量使用费用，根据用户实际使用的热量收取。H2反映了供热公司在为该供热用户供热时所付出的基本支出。H2可分为H21,H22,H23和H24，分别代表了在热网运行过程中的电力消耗、管网的维护维修及管网的资金成本。H2=5.2.2小型锅炉用户供热费用构成使用小型区域燃煤锅炉的供热用户，其收费价格C锅炉C锅炉=F1F1是购买燃煤支出的费用，燃料的成本会随着市场价格的波动而产生变化。F2是供热锅炉的运行和维护成本。F3是重大设备器件的维修及替换成本。F4为锅炉建设所需要的资金成本。以上四种费用都需要供热用户或者物业向燃料供应商、设备维护商和银行等联系以及签订合同，因此使用分散式的锅炉供热，在手续以及后续处理上比较麻烦。5.2.3供热网络与区域小型锅炉供热成本对比对于S县某民用住宅，在2017年前使用小型燃气锅炉供热，2018年接入供热热网供热，对该集中性住宅使用传统燃气锅炉和接入热网的使用成本对比。该集中性住宅共有28316.40㎡，该建筑物在2017年供热燃气消耗252000m³，其对应的的注册功率应为4740.17KW。表5-1燃气锅炉年供热费用燃气锅炉年供热费用C_锅炉燃气总量m³/年252000燃气单价元/m³2.9电费元/年1天然气采购成本元/年730800运营和维护成本元/年24000维修成本元/年10000总成本元/年764800表5-2城市热网年供热费用城市热网年供热费用C_热网注册功率KW4740.17预计使用热量MWh3792.132热量销售单价元/MWh58单位功率订阅成本元/MW66.41燃料采购成本R1元/年219943.7计价成本R2元/年314794.7总成本元/年534738.4图5-1燃气锅炉和城市热网供热成本结构图由图表可知，接入热网的供热用户首年即可节省230061.6元。由图5-1可知，燃气锅炉的总费用主要集中在燃料的采购成本中，而且采购成本会随着国际天然气价格的波动有较大的影响。而城市热网的订阅成本是固定的，比较稳定，不会发生较大的变化，保证了供热用户在接入热网后有较稳定的供热成本。5.3热网的投资建设成本本节热网的投资成本估算包括输送主干线和供热热源的建设成本，其余成本不包含在内(比如二级网络的建设投资成本)，因此只是一个估算的值，仅作为参考。建设成本估算过程中，依据各建筑供应商在建设热网时提出的建设报价，优先选择低成本的供应商。热网的投资建设成本主要分为以下四个部分:C建=C1．热源锅炉及其配套设施C热源2．热网的供热管网成本C管网3．热网的设计规划费用C设计，3．热网的设计规划费用资金，主要包括向银行的借贷等等。在热源的选取上，该片区的热网设计中选用一台168MW的燃油锅炉和两台58MW的燃气锅炉。根据清洁燃煤锅炉供应商的提出的报价，一台清洁燃煤锅炉及其配套设施的总投资额约为2.5亿元。两台58MW的燃气锅炉及其配套设施的总投资额约为1400万元。我们计划采用方案二的热网布置规划，那么该供热网络的建造成本约为5393623896元。热网建设前期的设计和咨询费用，与客户的商谈费用等约占占投资额的6%，约为323617434元。综合以上各项成本，太原市S县片区供热的热网建设成本将达到5968641329元。5.4热网的运行成本对于供热用户，支付的费用越高，可使用的热量也越多。对于供热公司，其热网的运行成本主要分为五个部分：1)燃料采购成本。查询资料得知，目前太原市的燃气和清洁燃煤能锅炉的供热成本分别为：燃气锅炉的单位热量价格为110元/MWh，清洁燃煤锅炉的单位热量价格为58元/MWh。相加后除以总耗热量，则可得到该热网的平均供应成本。对于新建的热网，则需要供热用户支付一定价格的费用。采暖季结束之后，需要统计供热的燃料成本单价，并多退少补。2)电力成本(约为5.28元/MWh)，这项成本主要用于维持系统运行的电力设备。3)维护成本(约为11.8元/WWh)4)维修成本，一般是供热热源建设投资额的1%到1.5%。5)税费，在中国供暖使用燃煤和天然气等不可再生的化石燃料能源，在支付了5%营业所得税的基础上，还要额外支付的14%化石燃料增值税。因此在税费缴纳上，供热公司需支付19%的税费。按照82元/MWh的价格对清洁燃煤和天然气的采购成本初步计算，预计S县供热片区的供热网络一年的运行总费用约为1155770140元，折算至单位热量的供热成本约为131.3元/MWh。表5-3供热网络供热成本支出成本项计量数量价格计算标准总价(元)燃料及税费成本193927MWh82元/MWh15902014电力及其他辅助能源成本193927MWh5.28元/MWh1023934.56日常维护及人工成本193927MWh11.8元/WWh2288338.6维修成本251400000投资额的1%2514000税费成本19668786总成本19%3737069.3总计成本25465356.55.5本章小结本章主要分析了供热管网的经济效益，以某一集中性住宅为例，分别计算供热管网与分散式小型区域燃气锅炉的供热费用。同时对供热管网的投入运行、日常维护维修的成本等进行了估算。由数据得出，相比于小型区域燃气锅炉，集中供热网络在能耗经、绿色、运行稳定等方面有着突出的优点。第六章总结与展望本文对S县供热片区的供热网络规划进行初步设计与优化。山西作为中国的煤矿大省，丰富的燃煤资源和低廉的价格使得S县以清洁燃煤为基础的城市供热网络发展蓝图具有较好的前景。本文选取阳区县供热片区作为案例，并分别计算其供热热负荷、选取供热热源、建立供热管网成本数学模型等，阐述了该供热片区接入热网的经济性。一台清洁燃煤锅炉和两台台燃气锅炉组成的一个多热源供热网络系统，在正式投入运行之后，根据计算，可满足245.71MW的供热需求，可实现年供热量193926.35MWh。提出两个热源点接入位置，并比较二者的散热成本、水力成本以及建设成本，确定了采用方案二，即在S县供热片区的正下方建立热源，并选择了供热管网的最经济的直径。根据计算，该方案可以为S县供热网络系统的运行节省22%的费用。目前，中国的集中供热网络正在飞速发展。在建设我国城市集中供热网络的过程中，可根据我国的实际国情，借鉴国外在供热网络规划建设的技术和规章制度以及优惠政策等等，完善国内的供热网络。城市供热网络的优化改造对于节约能源有重要的贡献，为了更加全面地优化城市供热网络，除了本文的成本模型计算，还可从以下方面进行:1.对用户的供热负荷进行预测，建立相关预测模型，及时调整供热锅炉的运行和生产。2.提升建筑物的保温保暖技术，减少供热用户的散热损失，并将其与热网管道相结合，进一步提升房屋的能耗水平。3.研发绝热效率更高的保温材料，减少供热管道的散热损失，将可以极大地提高供热网络的供热效率。供热网络的热负荷计算以及成本模型的建立受多方面的影响，更准确的计算方法还需要再进一步的研究。可以参考国外的供热网络的设计计算方法，取长补短，因地制宜，争取早日设计出一套更精确的适合中国国情的的供热网络设计方法。

致谢附录一管段编号计算流量(m³/h)长度(m)选取管径(mm)流速(m/s)λR(Pa/m)该段建设成本(元)管道运行总成本(元)散热损失成本管道总成本1~16555.2131.84001.230.02140.05224060114285.325089982847342.8942~173665.4837.910001.300.01614.22368676017026921.46E+08151123698.53~18178.215002501.010.02348.661620000507223.82.34E+08236087790.56~193.8154.6400.850.037342.26556567942.327764258.5827856.85097~205.6200.2401.230.037715.807207231107.112815911384770.1297~2158.9792.21500.930.02677.59602072141115.75087890851622095.248~2217.6713.4800.970.031188.2829962892245.882650237026894243.999~2328.3108.51001.000.029151.0355877.518105.76709025.7783008.96379~24156.814852001.390.025121.55124706411034932.3E+08231963384.210~251.9241.5400.410.03779.27869401382.96618649001953223.10811~2676.3221.31501.200.026130.4916818885982.0239703704224539.54912~27139.62742001.230.02596.30230160143615.578212898195064.9313~2838.9111.91001.370.029284.2357628.548210.71754158.6859997.787113~2934.4355.81001.220.029222.48183237106152.576245537913942.55116~307.4260.3501.050.035395.479891429835.7925523172681066.40616~311403.2678.76001.380.01930.44177819411306638134216084251016.8915~3261.92811500.970.02685.6621356058068.7264014856673113.85515~33745.4947.94501.300.02038.90178205210719231.39E+08141817130.41~26623.5130014001.200.0157.93832000026645293.74E+08385001263.12~32958.1965.19001.290.01716.10366738017923911.88E+08193455377.53~42779.913009001.210.01714.22494000020038003.41E+08348050125.24~5562.011004001.240.02141.041870000989527.81.75E+08177624664.75~6271.06003001.070.02243.21756000274055.74208678143116836.636~7267.2328.53001.050.02242.00413910143743.31261577613173428.977~8202.7929.92501.150.02362.981004292463039.38991510291382433.488~9185.1479.92501.050.02352.51518292181946.42394758124647819.184~142217.939008001.230.01716.801365000056656992.96E+09298055070414~161410.6323.76001.390.01930.77848094547873.31850313919899105.9114~15807.3762.44501.410.02045.62143331210950848989600692424401.585~10291.0893.93001.140.02249.821126314505474.79538848497020273.0310~11289.22033001.14