实现供暖节能在供热系统中应采取的措施

摘要：本文阐述了目前供暖系统的状况并进行了工况分析，同时分析了供暖系统存在的问题及造成能源浪费的原因。介绍了自力式流量控制阀的工作原理及其使用后所获得的经济效益和社会效益。
一、概述
我校位于北京市海淀区西直门外上园村，截止到2005年底全校供暖面积51万平方米，安装2台1200×104大卡/时热水燃煤锅炉。锅炉房采用一、二次水水热交换，一次水设计热媒为130/90℃，二次水设计热媒为95/70℃，共建6个热交换站，系统集中供暖调节采用质调方式。
在多年的供暖运行中，一次网给回水的温差为10-20℃，回水温度高达80-85℃，接近锅炉的设计给水温度，可经过锅炉升温后的出水温度却只能维持在100-110℃之间，达不到锅炉设计出口水温，严重影响锅炉的出力和正常运行，由于一次网系统的水力失调，造成二次网的近端和远端换热后的给水温差达6-7℃，最大达到10℃，造成近端热用户室内温度超过25℃，远端热用户室温低于16℃的“近热远冷”现象。严重影响了二次网的供热。
二、供暖系统运行工况
供暖系统的循环流量，直接影响供暖质量和供暖效果。供暖流量选择过大，造成投资和运行成本的增加；循环流量选择过小，不仅无法保证供暖质量，而且势必造成更大的浪费。一般设计计算循环流量多按下式计算：
G=Q/C（tg-th）×3.6×a1×a2
式中：
G：计算循环流量，m3/h
Q：设计热负荷，kw
C：水的比热，kJ/（kg·℃）
tg、th：设计供回水温度，℃
a1：散热损失修正系数，1.05-1.1
a2：补水率修正系数，1.05-1.02
一次网设计水温，按规范规定供水温度应取115-130℃，回水温度应取70-80℃，我校在实际运行中供水温度最高能达到90-100℃，回水温度80℃，温差也达不到规范规定的45-50℃。而在定流量的前提下，供回水的温差直接影响住户居室温度，而热负荷与温差相除又直接决定流量的大小。所以与上述公式计算的设计流量差距甚大。
定流量质调的供暖方式，是我校也是当前国内的通用方式，要过度到像北欧一带的变流量供暖方式，即室内有人时室温要求达到20-25℃，室内无人时只需维持6-8℃的值班采暖温度，首先要有足够容量的热源和完善的运行调控手段才能做到。而我校的热源不足，近期得到改善的可能性较小，所以只有利用调控手段才能改善现状。

1、不平衡
在运行的供热系统处在“大流量、低水温、小温差、高电耗”的状况。其原因是企图减轻供热管网环路之间水力不平衡而造成的供水流量不到位。可是，这种运行状况并不能使严重的水力失调得到缓解，反而加大了水泵耗电量。许多室外供热管路水力不平衡，流量不到位，靠近热源的用户流量过大，室温过高，开窗降温，大量热能流失，远离热源的用户流量不足，室温过低，“近热远冷”的现象较为严重。为了提高末端用户的室温，一是采取加大循环流量，二是提高供水温度或供热量。总之，不是靠增加电耗，就是靠增加热耗来消除热力工况失调，掩盖水力失调的存在。这样，“冷”用户满意了，少数不热的用户也有所好转，但“热”用户就更热了。
造成供热管网中水力失调的主要原因是由于系统内的阻力分配不当，不能按设计要求参数运行，致使系统内流量分配不均，出现近热远冷的不平衡现象。这种情况不是单靠改变管径、流速和使用普通阀门调节所能解决的。手动调节阀是一种静态调节的水力平衡元件，在实现供热管网的平衡调节时，只有顺序的重复多次，才能接近平衡，且供热范围越大，重复调节的次数越多，当负荷增减变化时又需进行重复调试，每年还必须重新调试。由于这种静态的平衡元件没有自动消除供热系统中剩余压头的能力，所以一般只使用于在规模较小，负荷及工况不变的前提下采用。
2、能耗大
循环水泵是集中供暖系统中的重要设备之一，靠它克服沿程阻力，把热量送到千家万户，同时它又是耗电“大户”。在热水采暖系统中，循环水泵的工作点，即循环水泵的G-H特性曲线与网路特性曲线的交点。只有在这一点的流量下，水泵所产生的压头恰好与网路所需的压头相等，泵的工作点才能在效率高的最佳状态下运行。但是，计算的网路特性曲线与实际的网路特性曲线，由于系统的水力失调，系统的实际流量将大于计算流量，其结果是“设计的”工作点向G-H特性曲线的右方偏移（见下图）。工作点偏移程度与系统水力失调的大小有关。由于目前许多热网均处于大流量运行方式，泵的工作点常处在不经济的工作条件下运行，由于流量与水泵轴功率成三次方的关系，所以大流量的运行方式意味着电能消耗增大，如一般3万平方米左右建筑面积的供热系统，循环水泵的电功率在15-30kW之间，若系统循环水量提高1.4倍，水泵电功率则提高2.7倍，达41-82kW供热采暖网。
三、解决措施：自力式流量控制阀——实现采暖系统管网动态平衡
如果一次网和二次网系统的严重水力失调不能从根本上解决，那么随着供暖面积的增加不仅会造成能源的浪费而且也会使供暖质量不断下降。经过多次调研，我校选用了固安爱能供热设备有限公司生产的自力式流量控制阀，以行政校园区为试点，经过将近一个供暖季的实践证明，一次网系统由于各热交换站之间流量得到合理分配，使二次网的远近端温差减少到0-2℃，从而使末站的热交换效果接近首站的热交换效果，供热效果明显改善，末端热用户室内温度达到18±2℃。
1、原理
自力式流量控制器是一个多孔板组合的联动装置，是目前国内较可靠的动态水力平衡元件。它由一个流量设定可视调节阀，即手动孔板（相当于一个静态水力平衡元件）和两个阀瓣及弹簧、膜片组成的动态调节装置，即自动的可调节孔板（相当于一个动态水力平衡元件）组成。
手动可调孔板是用户根据设计热负荷的循环流量值，使用专用设备旋转流量可视调节线，调至所需流量值对准流量刻度线指示值即可。流量一经设定，其值是永衡的，不受供热系统的压差、热负荷等影响。自力式流量控制器中的自动孔板将借助于系统的压差为动力，自动调整阻力，直到完全消除该系统的剩余压头为止，从而确保流量设定值保持不变。所以，无论供热管网的热负荷如何变化，只要在用户热入口的回水管上水平安装一台自力式流量控制器，供热管网系统便可在动态调节功能的作用下自动实现平衡。
2、安装
我校在一次网共6个热交换站的回水干管上全部安装了自力式流量控制阀。从而实现了6个换热站间的一次网水力平衡。二次网仅在行政校园区安装，共4个热交换站，供暖面积30万平方米，111个入口，占全校热入口的51%。我们依据供回水管的管径和循环流量值，选用等管径或小一号规格的自力式流量控制阀，水平安装在热入口的回水管上。按计算的循环流量值逐个进行调节设定。处在末端的综合楼和22号学生公寓由于供暖效果不达标，暂时调到最大值。家属区有21万平方米，由于资金问题没有安装。
3、经济效益和社会效益
a、供暖运行中实现了量化管理
量化管理就是把热量、电能等能耗加以量化，把系统中的流量和热入口单体的循环流量，置于严格、精确的控制之下，将热量随流量按需分配到热用户，从而降低能耗，使管理更加科学合理。实现了各楼的供暖量化管理。即离热源较近的用户按单位供暖面积3.1-3.3L/h设定循环水量，离热源较远的用户按单位供暖面积3.4-3.6L/h设定循环水量。经过这将近一个供暖周期的运行实践，不但有效地改变了原来部分区域供暖不能达标的现象，供热采暖网还从根本上解决了供暖不平衡问题。
b、节电
在热水供暖系统中，循环水泵所产生的压力恰好与网路需要的压力相等，泵的工作点才能在效率最高的最佳状态下运行。由于系统水力失调，整个系统均处于大流量的运行方式，泵的工作点常处在不经济的条件下运行，且为了避免循环水泵在大流量运行过程中出现电机过热，甚至过载烧坏，操作人员不得不将泵出口阀门关小，让电机在额定电流下运行，要用这种方式增大泵的出口阻力，限制流量，对供热管网来说无疑是一种无用的阻力。在管网中安装自力式流量控制阀，实现动态调节后，管网中的阻力能自动调整，确保水泵在最佳工况下运行。单位面积循环水量减少，电机能耗亦相应下降。
08年供暖后的严寒期，我校将自力式流量控制器调好后，一次网和二次网各少开启一台循环泵，电机容量分别为37kW和75kW，小时可节省电量112kW/h，一个采暖季节省用电24万多元的运行费用。
c、节煤
在通常的供热系统中，近端热用户水流量是设计流量的2-3倍，远端用户水流量是设计流量的0.2-0.5倍。为了提高末端用户的室温，供热系统采取了增大循环量的方法。但在流量受限制的条件下，则采用提高系统供水温度和热源供热量的方法。这种运行方式是靠增加电耗、热耗来消除热力工况的失调掩盖水力失调的存在。采用自力式流量控制器后，从根本上解决了水力失调问题，各热用户的流量均能按设计流量分配，使热耗降低，从而可节煤，亦可提高供热能力。
d、假期可控温
假期期间学生部分宿舍和办公楼有一个月的时间无人，可将流量调到平时的一半，使室温保持在不冻的状态就行了，又可以节约部分热量。
通过一个冬季的实践表明，原来末端热用户室温不达标的楼比如综合楼和22号学生宿舍楼，今年达标了。总的效果虽然比去年有很大的提高，但尚有49%的末端用户没有安装自力式流量控制阀，所以总的循环流量仍大于设计流量，如果每个热入口都能按设计流量分配，那么全系统的运行工况定能处在最佳，最经济的状态。
综上所述，采暖外网调节是节能降耗并达到标准供热必要措施，安装自力式流量控制器是实现这一目的的有效途径。