高原地区某换热站设计及节能分析

贺舒

中国建筑设计院有限公司

0 引言

随着现代化城市及工业的发展，集中供热系统愈趋大型化，对供热的效果要求也更加严格，对系统运行的经济性，安全性和可靠性的要求也越高。换热站是连接热源和热用户的重要环节，在整个供热系统中起着举足轻重的作用，热水管网又分为一次网和二次网，一次网是指连接于城市热源管网和换热站之间的管网，二次网是指连接于换热站与热用户之间的管网，换热站主要是指连接于一次网与二次网，并装有与用户连接的相关设备，仪表和控制设备的机房[1]。

本文通过对高原地区某换热站工程设计和一次网和二次网供回水温度进行测试、整理并分析，发现此集中供热系统存在一些不节能的方面，并提出有效的建议，希望引起设计人员和管理人员的重视，为我国节能事业做一些贡献。

1 换热站工程设计

1.1 设计资料

换热站修建地区气象资料：采暖室外计算温度tw为-20℃。冬季采暖天数N为156天。采暖室外平均温度pt为7.6℃。最大冻土层深度为130 cm。室内计算温度为18℃。

本换热站供热网由东、西两个供热区域组成。东供热区域为办公区供热面积达30多万m2。西供热区域主要为家属区，供热面积达20多万m2。换热站工作原理如图1。

图1 换热站工作原理图

1.2 换热站能耗设计计算

采用建筑物供热面积热指标法，对换热站全部建筑进行按原供热方法全年能耗计算以及采用分时分区供热后能耗计算，从而得出全年能耗总量。

1）传统供热方法全年供热期热负荷计算

利用建筑面积热指标法，供热量计算公式如下：

式中：Qn为建筑物全年供热总能耗kJ；qf为建筑物供热面积热指标，取70W/m2；F为供热建筑物的建筑面积；N为供热期天数。

将需要冬季供热的建筑物总面积563409m2代入式（1）可得到按传统供热方法全年总能耗Qn=132.7×109kJ。

2）分时分区供热热负荷分析

由于东部区域为办公区，具有典型的办公时间开启供热非办公时间停止供热的特点，因此，引入温差修正系数Ф，Ф即为每天办公楼办公时间除以24小时，设每天办公时间为08:00-18:00，即Ф=10/24=0.416，则东部区域热能耗计算如下：

式中：Ф为温差修正系数。

西部区域为家属区，由于高原地区日照强烈，家属楼都安装了太阳能蓄热装置，在12:00-17:00中间5个小时停止供热，因此，折合成停止供热天数，5/24×165为35天，由于所在地供热按照正常的建筑供热能耗计算，热能耗计算如下：

将建筑面积和每天所需的正常供热时间分别代入式（2）和式（3）即可得到供热的年能耗量。计算可得，采用传统供热方法，换热站供热区域全年供热总能耗为132.7×109kJ，而采用分区域、分时段供热方法，全年总能耗降低为97.5×109kJ。

1.3 换热站一次网热水流量节能控制系统设计

由于二级网侧的供热量是根据室外温度变化和当地热负荷曲线来确定的，实测供热量和设定值相比较后，进行PID闭环调节，控制器输出信号至电动调节阀，调节电动调节阀的开度，从而改变一级网侧的流量，满足二次网供暖温度的控制要求[2]。因此对一次网流量的控制系统必须是一个单闭环温度系统，按照目前的控制技术以及高原地区的特定条件，采用电动阀门进行控制，尽管一次投入较大，但避免了人工操作误差较大，为今后实现热网远程无线监控打好基础，是比较理想的方案。

本换热站工程设计中，根据计算对照选型手册选取一次网管道直径为DN150，一次网热水流量的自动控制系统主要由以下部件组成：西门子VVF41.1502型电动阀门；SKC62UA型执行器，QAE2110.010型浸入式水温传感器，配套热敏元件PT1000，具有两个模拟量输出点输出DC 0…10 V信号的RWD6型控制器。系统具有如下功能。

1）电动调节阀门的标称行程可达40mm，完全满足调节一次网热水流量的要求。

2）SKC62UA型执行器具有可调节阀门开度起始点和工作范围的顺序控制；可进行阀门正反工作方向选择，并且具有断电时弹簧复位功能，保证来电后正常供暖。

3）阀门的开度控制除了具有线性或等比例调节外还有三种接线模式选择，满足设备调试、阀门完全开、闭的要求。

4）电动阀门安装在一次网的回水管路，在加热系统工作时，密封垫运行在较低的温度，可以延长其寿命，同时为了增加电动阀门可靠性，在阀门入口前安装了过滤器。

5）电动阀门操作在配套SKC62UA型执行器的触摸屏上，设置和调节非常方便。

2 供暖期内一次网和二次网供回水温度的测试

2.1 二次网供回水温差测试

根据换热站所在地区室外计算温度为-20℃，查得最小供回水温差为14.47℃，测试从2016年11月15日至2017年1月15日共计60天的供回水温差，并对比当地最小供回水温差14.47℃，结果见图2～4（纵坐标为换热站实际的二次网供回水温差相对于最小温差14.47℃的差值，负数代表实际的二次网供回水温差比最小温差还要小，横坐标表示测试日期）。

图2 供回水温差对比当地最小供回水温差（2016年11月15日-11月30日）

图3 供回水温差对比当地最小供回水温差（2016年12月1日-12月31日）

图4 供回水温差对比当地最小供回水温差（2017年1月1日-1月15日）

从图2～图4可以看出，在测试的供暖期一共60天内，仅有5天的二次网供回水温差满足当地最小的供回水温差，仅占总测试天数的8.33%。说明，此换热站的二次网供回水温差在供暖期几乎不满足当地最小的供回水温差的要求。

3 一次网供回水温度与室外温度的关系

根据文献[3]提供的计算方法可以得到间接供暖系统热源供回水的温度同供暖室外温度的关系，那么采暖期按室外温度提供热源的供回水温度以达到集中供热节能的目的。集中供暖热源的供回水温度与室外温度关系公式的编制条件[4]：

1）间接供暖的高温水锅炉房供回水温度为130/80℃。

2）室内采暖温度均按18℃计算，散热器采暖设备按全国通用的TZ4-6-8型铸铁散热器计算。

3）传热系数

式中：A为常数；由实验获得b=0.287；热水地面辐射供暖b=0；tpj为散热器内的热媒平均温度，℃；tn为供暖室内计算温度，℃。

间接供暖供回水温度同室外温度的关系：

隋炀帝沉溺游乐，为满足自己的享乐要求，大肆建造龙舟，沿江赏玩，岂不知亡国之祸已见端倪，亡国之音不是偶然骤起，与当年不知亡国恨的陈后主无甚分别。意在借古喻今，规劝当权要以史为鉴，都对李商隐在诗中所要表露的含义给予了正确的揭示。集中有关讽喻的对象及事物或多或少都有揭露，这类诗的积极入选无不显示着沈德潜对李商隐讽喻诗关注，在否定讥刺不好中更积极的解读诗意，关注诗的本身，这无疑正是另一种形式的肯定。

式中：Tg为高温侧供水温度，℃；Th为高温侧回水温度，℃；tg为低温侧供水温度，℃；th为低温侧回水温度，℃；tw为室外温度，℃；t'w为当地冬季室外计算温度，查得-20℃。

图5 供、回水温度比较（2016年11月15日-11月30日）

根据上述公式，再结合实际供暖期的最高和最低的室外温度，先算出最高室外温度下的一次网最低供水温度和最低室外温度下的一次网最高供水温度，进而算出最高室外温度下的一次网最低回水温度和最低室外温度下的一次网最高回水温度，再结合实际运行中一次网的供回水温度，最终数据整理如图5-7（横坐标代表测试时间，h；纵坐标代表温度，K）。绿色代表实际测试的供、回水温度（每两小时测一次），蓝色代表高室外温度下的供、回水温度，红色代表低室外温度下的供、回水温度。

图6 供、回水温度比较（2016年12月1日-12月31日）

图7 供、回水温度比较（2017年1月1日-1月15日）

从上述图可以看出实际运行中的供水温度几乎都达不到在最高室外温度下的最低供水温度，说明了实际运行一次网供水温度严重偏低的问题。

5 结束语

我国幅员广阔，冬季采暖的地区占全国面积的4/5左右，对能源的需求是巨大的，而我国又是能源贫乏的国家之一，节能减排、降耗是国家长期的重点战略任务，是政府和企业的重点考核指标。本文针对高原地区某换热站的工程设计现状，通过对换热站中一次网和二次网的供回水温度的测量、记录和对比分析，发现存在以下问题。

1）此换热站的二次网供回水温差在供暖期合格率仅为8.33%，几乎不满足当地最小的供回水温差的要求。

3）换热站的换热器的对数平均温差相对较小，导致换热面积将增大2～4倍。

以上问题也是换热站实际使用过程中存在的普遍问题，针对以上问题，提出解决思路如下。

1）集中供热系统中，在设计时应充分考虑二次网供回水温差，提高系统二次网供回水温差，使水泵能耗降低，达到系统节能和提高经济效益的目的。

2）在换热站工程设计过程中，除了保证二次网供回水温差外，一次网的供回水温度也不能偏低，否则对二次网的供回水温度、换热器的换热面积会有严重的影响。

换热站和热水管网是连接热源和热用户的重要环节，在整个供热系统中起着举足轻重的作用。换热站的工程设计以及实际使用效果好坏，直接关系到居民的舒适度和能源的消耗程度，结合本文中的实际案例，我国的换热站工程设计还有很大的节能和经济的空间，应该引起相关人员的高度重视。

[1] 章世斌.太阳能加热站集中供暖系统分析[J].太阳能,2013,(11):43-46

[2] 王建成.换热站节能控制系统的设计与应用[J].应用能源技术,2012,(3):30-34

[3] 聂勇.集中供热供回水温度与室外温度关系探讨[J].节能,2014,(2):49-51.

[4] 曹宏麟.换热站节能控制系统研究[J].山西建筑,2010,(1):207-208