供热系统优化调节与节能

周力成

大兴区特种设备检测所     102600

摘 要

本文通过对供热系统的热负荷及水力失调进行阐述，分析了水力失调产生的原因，从而希望找到解决系统水力失调的解决措施，通过分析发现从热负荷和调节供热系统水力失调对供热系统节能有很大贡献。在平衡水力失调的同时，供热系统还可以达到降低供热系统能耗的作用。经过分析知道，供热系统节能可以从减少热量供应、均衡分配热量以及减少供热系统运行所耗电能这三个方面入手进行供热系统节能。用附加阻力消除用户剩余的资用压头。用附加压头提高用户不足的资用压头。分阶段改变流量的质调节就是把整个供热期按室外温度的高低分几个阶段，在热负荷较大时采用较大流量，在热负荷较小时采用较小流量。间歇调节。这四种调节方式都可以达到节能的目的。分析后提出热水供暖系统的最佳调节工况—质和量的综合调节理论分析后发现，这三个方面可以通过综合质—量调节来达到，进一步提出了质—量调节的几种方式，分析了各种调节方式的特点。通过综合质—量调节达到供热系统经济性优化的目的。

关键词： 供热、热负荷、水力失调

绪 论

目前在我国北方一些大中城市已相继实施了集中供热。集中供热与分散供热比较，节能效果是显著的。但是对已经采用了集中供热的系统，如果不重视科学管理，仍然达不到最佳的节能效果，近年来，某些城市实施集中供热后，房间温度偏高，普通房间室温均在20℃以上，个别房间温度达到25℃，为此很多用户不得不开窗放气，以调节室温，致使大量能源白白浪费。经估算，由于室温高出设计温度（按18℃计）2℃所造成的维护结构耗热量的增加在供暖期内平均为7.3％。高出设计温度4℃时将增加14.5%^[1]，如按100万平米供热小区为例，仅此一项，每一供暖期将多耗标煤2200－4400ｔ，如果考虑开窗放气造成的冷风侵人的影响，耗热量的增加将会更大。而如果在热源处采取科学合理的调节手段，则即可保证环境的舒适，又可节约大量的燃料。

据相关资料显示，我国建筑采暖能耗较同纬度发达国家建筑采暖能耗高，采暖能耗浪费很大。这里有现实的问题，更有历史的原因，不仅涉及建筑墙体节能，更涉及供热系统技术装备水平、管理水平，以及供热收费体制等社会政策方面的因素。由于存在这些问题，可以节能的地方也比较多，本文希望通过优化调节供热系统达到节能的目的。

一、供热系统分析

1、热负荷

建筑物采暖热负荷同室外气温、湿度、风向、风速、太阳辐照、围护结构、建筑物内设备散热量等因素有关。对于已有的建筑物和现有的供热系统，室外气温起着决定性作用。对于现有的供热系统在理论上，可以把热负荷只看作是室外温度的函数，即 。

供热过程就是维持建筑物室内气温适宜人们工作、生活，维持建筑物得热与失热始终处于一个动态的平衡这样一个过程。

即有热平衡方程式： （1－1）

2、供热系统水力失调

供热系统水力失调是指热水供热系统各热力站（或热用户）在运行中的实际流量与规定流量的不一致现象。供热系统水力失调的程度用水力失调度来衡量。水力失调度定义为热力站（或热用户）的实际流量与规定流量的比值，其数学表达式是：

（2－2）

水力失调有三种情况：当系统各个用户的水力失调度分别都大于或小于1时，称为一致失调。当系统各个用户的水力失调度有的大于1，有的小于1时，称为不一致失调。当系统各个用户的水力失调度分别都相等时，称为等比失调。出现等比失调的情况是各个用户的流量大于或小于规定流量，其比值是相同的，其导致采暖房间的过热或过冷程度是一样的。

3、供热系统产生水力失调原因

产生水力失调的根本原因：是由于在该运行状态下热网特性不能在用户需要的流量下实现各用户环路的阻力相等，也就是我们通常所说的阻力不平衡。

产生水力失调的客观原因：产生水力失调的客观原因很多，仅就其主要而言如下几个方面：

①热网管道规格的离散性使热网设计不可能在不经过人为调节而实现各个用户环路的水力平衡。在热网设计时，一般是满足最不利用户点所必需的资用压头，而其它用户的资用压头都会有不同程度的富裕量。

②循环水泵选择不当，流量、压头过大或过小，都会使工作点偏离设计状态而导致水力失调。

③系统中用户的增加或减少，即网路中用户点的变化，要求网路流量重新分配而导致水力失调。

④系统中用户用热量的增加或减少，即用户热量要求的变化，也要求流量重新分配而导致水力失调。

二、供热系统节能分析

供热系统总能耗包括两部分：一是供热量；二是输送热量所消耗的电能。供热系统节能主要有以下几个途径。

1、尽可能减少总供热量

供热系统总热负荷随着室外气温变化而变化，每一时刻为满足采暖建筑的基本采暖要求（设计室温18℃）所供总热量，为最小值，即总供热恰好等于基本的总需求。供小于需则供热不达标，供大于需，则用户过热室温过高，用户散热加大，造成热能浪费。因此在供热运行中，需适时地对供热系统进行调节，以便使供求热量保持平衡，且始终维持在最小值。

2、热量分配应均衡

在热量分配上，力求供热系统上各用户室温均衡，避免因供热系统的水平失调，用户垂直失调，而造成用户冷热不均现象。也就避免了为使冷的用户达标，而致使热的用户超温，造成热能浪费问题。供热系统的平衡是供热系统节能的前提基础，是进行供热调节的前提条件。

3、热量输送电耗尽可能节省

热量的输送是一个消耗电能的过程，所耗有效功率：

（2-1）

可见热量输送所消耗有效功率 同流量V成正比，同系统阻力△p成正比。另由热水网路的水力特性可知：

（2-2）

将（3-2）式代入（3-1）式可得：

（2-3）

由（3-3）式可见有效功率 只同流量V的立方成正比，其它为常数（S值在供热系统阀门不操作时也为常数），减少供热系统流量V将极大降低电耗。当供热系统采用水泵调速改变流量运行时（3-3）式也可从水泵相似理论获得。

由热平衡方程 可知，当室外温度 一定时，建筑物耗热量Q为一定值，即供热量 为一定值，此时可以通过增大（ － ），以此来降低供热系统循环流量G，从而降低输热电耗。

三、 供热系统调节优化

1、供热系统调节优化理论分析

散热器供暖系统供热调节的基本公式^[2]：

即

其它同前（上面符号中有角标“j”者表示在室外计算温度下的数值，没有角标“j”者则表示在任意室外温度下的数值）。

由此方程可知：

（1）当室外温度 变化时，供热系统上各用户楼需求热量及供热系统总需求热量都按同一比例变化。

（2）用户的耗热量Q随着用户室内温度 的升高而增加，当室内温度 等于设计的18℃时的耗热量，应为建筑物的基本耗热量，即为保证建筑物供热质量下的最少耗热量。

从供热系统与热用户整体关系角度来讨论热量的供求调节关系，供热调节有质调节、量调节两种基本调节方法。把上述供热调节方法作为补充条件，代入供热调节的基本方程式就可得到各调节方法的调节公式。

1、质调节常用于热水网。循环水流量保持不变而只改变供水温度。适用于一、二级供热系统，为目前国内普遍采用的调节方法。缺点只节约热量，并不节约电能。

2、量调节常用于水供热系统，也可用于蒸汽供热系统。保持供水（汽）温度不变，而只改变循环水（汽）流量。量调节的优点，既节热，又节电。

2、供热系统优化调节方法

用附加阻力消除用户剩余的资用压头。在系统设计时，热网各个用户环路的阻力实现平衡（相等）实际上是做不到的。循环水泵压头是按照最不利（阻力最大的）环路所消耗的阻力来确定。因而在设计无误时，其它各个环路都存在着或多、或少的剩余压头。这些剩余压头都要在系统正式运行之前通过初调节予以消除，如果不能消除，就会造成水力失调。

在用户系统安装完善的自动调节设备是解决这个问题的一种有效方法。可以减少过热部分用户的热量浪费，获得节能效果。

用附加压头提高用户不足的资用压头。当系统循环水泵实际扬程不够时，采取附加阻力的方法来调节系统的阻力平衡是做不到的。这种方法采取在用户系统入口安装不同规格的小水泵来补足资用压头的欠缺部分。它的特点是除了节约热能效果外，水泵电耗将降低，节能效果更显著。

热水供暖系统的最佳调节工况——质和量的综合调节。

从单个用户楼室内采暖系统角度来考虑，供热调节不仅应满足用户整体在某一室外温度下的耗热量，保证用户整体的平均室内温度等设计值，而且应保证用户每个房间的室内温度都等于设计值，即随着室外温度t_w的变化，不但供热系统总热负荷与各用户楼的热负荷按相同的比例进行变化，而且应使用户每个房间的散热设备的放热量也按相同的比例变化。由此可得出热水供暖系统的最佳调节工况，公式如下：

双管系统：

单管系统：

由公式可见，不论是单管还是双管热水供暖系统，其最佳调节工况均是质和量的综合调节。随着室外气温 的升高，不但应降低供水温度 ，而且还应该逐步减少网路的循环水流量G。同一供热系统中，供热系统循环水总流量与各用户楼及用户各房间的循环水流量的变化比例是一致的。（假定同一供热系统中，各用户楼室内采暖系统的型式完全相同）。对于二级热水网来讲，此法供热质量最好，同时既节电又节热，也是最节能的调节方法。

4.2.6、质和量综合调节可行性分析

供热系统上各用户之间总体上来讲都是并联的。由并联网路的供热系统：

得并联网路

由上式可知：

1、并联管段中各分支管的阻力状况（即阻力系数S值）不变时，网路总流量增加多少倍或减少多少倍，并联管段中各分支管段的流量也相应增加多少倍或减少多少倍。

2、当并联管段中任一分支管段的阻力状况（即阻力系数S值）发生变化时，网路总阻力系数必然随着变化，而且网路总流量在各分支管段中的分配比例也相应地发生变化。

供热系统的这一水力特性，恰好满足了供热系统量调节及质和量的综合调节时水流量变化及水流量分配的需要——同一供热系统上，当室外温度t_w变化时，供热系统总流量及网上各用户流量都按同一比例变化，且总流量在各用户中的流量分配比例不变。

结 论

从前述分析可以看出，一次网采用量调节、二次网采用供暖系统最佳调节工况—质和量的综合调节，供热系统运行最为经济节能，既节热又节电，且供热质量最好。供热系统的运行经济性和可调节性是否能很好进行，应该做好以下两项工作：

（1）综合调节方案选择

解决系统水力失调在实施前必须对技术可行的方案进行技术经济论证，比较投入和产出，选择最佳方案实施。必须研究最优方案的技术经济分析方法、选择准则和指标。

（2）最佳配置的设备

供热系统中水泵配置的优化，包括循环水泵、中继泵和终端加压泵的最佳设置和参数配合，使之系统的运行电耗成本最低。这就需要生产厂家配合研究和生产适合本系统模式要求的具有高效率的水泵系列，如集水泵、变速和控制（压力、压差或温度）的高效节能水泵系列。

参考文献

[1]孙延龄、高凤君 《供热调节方式分析》 40页 2007年1月

[2]贺平、孙刚 《供热工程》 141页 1993年11月

附 录

术语符号

Q—热负荷W；

K—建筑物传热系数W/m²·℃；

F—建筑物外表面积m²；

—室内气温℃；

—室外气温℃；

C—水的比热J/kg·℃；

G—采暖循环水流量m³/h；

—供水温度℃；

—回水温度℃；

ρ—水的密度kg/m³；

X—水力失调度；

G—实际流量（m3/h）；G₀—规定流量（m³/h）。

—有效功率W；

V—循环水流量m³/h；

△p—系统阻力m；

ρ—水密度kg/m³；

g—常数N/kg。

Q—相对热量比；

F_s—用户系统内散热器的散热面积，m²；

K_s，K_sj—散热器的供热系数，W/m²·℃；

t_p，t_pj—散热器内载热介质的平均温度，℃；

B—为常数，与散热器构造有关

V_i—并联管段i的流量，m³/h；

S_i—并联管段i阻力系数，Pa/（m³/h）²。

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