|
编者按： 本平台整理了已故清华大学石兆玉教授生前的供热技术系列讲座课件及文章，共计10篇，我们将陆续在本平台推出，以此缅怀石老师！ 【石兆玉教授系列讲座五】分布式输配系统(2)——水泵在变频调速中的几个技术问题 【石兆玉教授系列讲座六】分布式输配系统(3)——正确应用分布式输配系统的设计理念 7.供热系统节能潜力和节能技术 7.1 能耗指标以及换算 1）单位面积耗热量 7.2 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%。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。系统能效的计算方法在参考文献中有详细介绍，粗略估算可用下公式（1）计算： 按照上述公式7.7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” 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7.1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7.1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7.1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，业内人员对冷热不均对系统能效的影响未予重视。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7.1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7.1 北京（哈尔滨）供热系统能效统计 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。 表7.1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7.1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阶段标准）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m2—1.90万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7.1 供热系统热流图 图7.1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，因而能有效指导节能工作的进行。 7.3 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。外窗的传热系数普遍降低了一半（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,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10-15%。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80-90公斤，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（PH＞10），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)努力发展分布式输配系统的设计理念 传统的循环水泵设计方法（在热源处设置大循环泵），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。创新的分布式输配系统的设计理念，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”和“供热系统分布式混水连接方式的优选”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装恒温控制阀和流量调节阀。安装热量表，是用来计量耗热量，进行贸易结算。安装各种调节阀，是用来提高系统的可调性，实现水力平衡，消除冷热不均。多年的实践证明：只要按规定安装调节阀，并进行有效调节，系统的水力平衡完全能够实现，冷热不均现象完全能够消除。20-30%因冷热不均而浪费的热量，一定能够遏制。衡量系统是否真正实现了水力平衡？当然更直观的是考察各建筑物室温是否均匀达标。除此之外，还有一个重要的考查指标，就是每1t/h蒸吨能带的供热面积，如果能带到1.9万m2(哈尔滨)和2.8万m2(北京),那么这个供热系统一定实现了很好的水力平衡。 目前在热计量技术的推广过程中，出现了许多不同的看法，也遇到不少的阻力。据我观察，一个重要原因是对热计量技术缺乏全面的理解。有相当数量的业内人员，把热计量技术只理解为装热表，因此，误以为热计量技术本身不节能。或者在热计量推广中，没有把提高系统的可调性放到重要地位，因此在新建、既有建筑的改建中，大量存在只装锁闭阀，不装恒温阀的现象，结果导致更为严重的垂直失调，不但浪费了大量的人力、财力，而且严重影响居民的正常生活。这些年来，在推广热计量技术的过程中，积累了不少经验，也存在许多失败的教训，我们应该很好的进行这方面的总结，做到统一认识，统一步调，把这项推广工作做得更好。 |
|
|
