西安市某小区供热系统节能改造

狄育慧张丹丹郑治中李 琦

（1.西安工程大学环境与化学工程学院 西安 710048；2.西安成明节能技术股份有限公司 西安 710048）

西安市某小区供热系统节能改造

狄育慧1张丹丹1郑治中1李 琦2

（1.西安工程大学环境与化学工程学院 西安 710048；2.西安成明节能技术股份有限公司 西安 710048）

以西安市某小区的供热系统为例，分析了目前供热系统存在的问题，并针对系统存在的问题提出了相应的改造方案以及系统节能改造后的节能分析。系统通过分时分区供热、加装自力式流量控制阀、采用变频泵变频调节、混水技术以及自动控制系统的改造后，供热系统不仅实现了节能运行，并且提高了供热品质，还为日后的供热计量收费奠定了基础。

集中供热；水力失调；混水技术；分时分区供热；自动控制

0 引言

集中供热系统因其节能、易于控制等优点在我国迅速发展，但是近年来由于城市的扩张建筑面积的增大，导致供热能耗居高不下，不仅加剧了能源的消耗而且也污染了环境。对一些使用时间较长的供热系统进行节能改造已迫在眉睫，文章将以西安市某小区为例介绍供热系统的节能改造。

1 项目概况

西安市某小区包括住宅区、商铺区、行政区及幼儿园共51栋建筑，由于供热区域较大分东、西两个区进行供热，在各个区域内根据建筑的高度又分为高区和中区供热，该供热系统自2008年建成后使用至今。

该小区供热系统的热源为燃气热水锅炉产生的高温热水，在东、西区两个自建换热站中经板式换热器向供热区域提供热量。供热系统总的供热面积为776308.06m2：其中东区的供热总面积为364594.34m2，西区的供热总面积为411713.72m2，每个区的换热站都有6台换热器和7台二次网循环泵。该供热系统的末端除了行政区和商铺区采用散热器采暖以外，其余区域均采用地辐射低温采暖，所有供热区域在采暖期内进行24小时连续供热。

2 该小区供热系统存在的问题

2.1 该小区供热系统简介

集中供热系统虽然都可以概括为热源、热网和热用户三部分，但是却是一个复杂的系统，图1简单而清晰的表明了该小区供热系统的组成。

图1 西安某小区集中供热系统Fig.1 A District Heating System in Xi’an

该小区供热系统始建于2008年，至换热站建成之后系统一直运行至今，供热系统的复杂性加上外界气象参数的变化，系统的能耗也随之在不断的变化。采暖期能耗如下：2012年-2013年东区建筑供热面积约为289796.56m2，西区建筑供热面积约为400199.14m2，系统总的供热面积约为689995.7m2，入住率达89%，年单位面积用热量均值约为0.373GJ/m2；2013-2014年东区建筑供热面积增加到364594.34m2，西区建筑供热面积增加到411713.72m2，系统总的供热面积为776308.06m2，相比于去年供热面积增加86312.36m2，年单位面积用热量均值约为0.443GJ/m2，同比增大0.07J/m2，总的供热能耗增大20%。

2.2 该小区供热系统存在的问题

（1）供热管网没有分时分区供热，只是简单的根据楼层高度划分，并没有考虑建筑功能，供热区域内全部是24小时连续供热，向夜间闲置的建筑供热是极其浪费热量的。像商铺、小学和幼儿园这种只有在白天人员活动密集的地方，只需在白天正常供热，夜间仅需要维持值班温度即可[1]，该供热系统无区别的24小时连续供热造成了热量的损失，极大的浪费了能源。

（2）锅炉供热效率不稳定，不能保证始终在高效区内运行。魏兵[2]等人在其文章中介绍了供热锅炉效率低下的原因，理论上锅炉可以高效率运行的温度：常压锅炉为70-90℃，承压锅炉为90-130℃，锅炉要高效率的运行必须保证出水温度。随着室外空气温度的不断变化，供暖系统的热负荷也在变化，此时锅炉的出水温度也随之变化，由于缺乏一定的调控手段，导致在采暖初期和末期锅炉出水温度无限制的降低，过低的出水温度使锅炉低效率运行，这样不仅浪费能源，而且还加快了锅炉的损坏。

（3）该小区供热系统存在严重的水力失调问题，热量分配不合理，室内温度不能满足用户的舒适性要求，而且大的循环水流量还增大了系统的能耗[3-7]。该供热系统供暖半径较大，不可避免的会出现水力失调现象，但该小区这种情况较严重，造成了大量不必要的热量损失。据实测近端用户室内温度达26-27℃，比规范要求的18℃高将近10℃，而远端用户室内温度仅为15℃，近端用户开窗散热而末端用户达不到舒适性要求，这种“近热远冷”不仅会增加用户的投诉，而且为了满足远端不热必须增大供热管网的循环水流量，这就会增大热媒的输送能耗，进而增大整个系统的运行能耗。

（4）供热管网热损失严重。管网没有良好的保温特别是管道附件，导致管网热损失严重，部分管井内有积水，管道腐蚀严重，管道在运行中会由于压力的波动而出现漏水现象，这种可以避免的漏水点增大了整个系统的漏水量，补水量的增多会增大整个系统的运行能耗。管井的积水以及管壁结露形成的冷凝水会腐蚀管道上安装的压力表、温度计，使仪表形同虚设不能正确的反应管道的实际情况，不利于管网的调节及运行管理。

（5）系统循环水水质差，板式换热器换热效率低。系统过滤及净化设备处理精度不够，再加上设备的维护、检修、清洗工作不到位，板式换热器流道被堵塞降低了换热器的换热性能[8]，影响了系统的供热品质降低了室内的舒适性。

（6）供热系统的自动控制系统不够完整，不能实现室外条件改变时的自动调节。已经安装的智能设备没有真正的投入使用，既不能及时的收集室内、外的变化，也没有连成一个系统，不能对管网变化作出调节和反馈。建筑的热负荷是随着室外温度的变化而变化，该系统并没有采集最不利点室内温度，也没有对其的反馈，不利于整个系统的调节与控制。

3 该小区供热系统改造方案

3.1 实行分时分区供热

对商铺、小学和幼儿园区域实行单独供热，原系统已经将其单独分为商铺供热系统，但存在夜间无效供热。此次改造只需控制其供热时间和夜间的供热流量即可，邵宗义等人[9]通过软件模拟得出：公共建筑按分时分区控制供热比连续供热节能，一建筑面积为11426m2的办公楼可以节能29.9%，而且不会影响建筑的供热效果。

3.2 解决管网的水力失调

由于设计时的不严谨、施工与设计有出入以及后期管网运行调节不当等原因，任何一个管网都存在不同程度的水力失调、热力失调，如何解决水力失调问题使热介质合理的、按设计流量分配给热用户[10]，保证供热品质是每一个供热管网应该考虑的问题。

（1）在每栋楼的热力入口处安装自力式流量平衡阀。为了解决“近热远冷”的现状，将系统原有的压差控制阀全部换为流量控制阀，该阀的特点是：可按设计或实际要求设定的流量运行，能自动消除人为及不可测因素带来的压差波动，保持流量不变，可以提高供热品质。

（2）将系统中的工频循环泵全部换成变频泵，实现变频调速节能。水泵的工作状态点及其变化情况决定着系统是否能节能运行[11]，水泵的工作状态点由管网特性曲线以及水泵的特性曲线共同确定，是两条曲线在同一坐标中的交点，也就是说改变管网的流量有两种办法可以实现：一种是改变管网的特性曲线；一种是改变水泵的特性曲线。第一种做法适合在工频泵系统中采用，第二种适合于变频泵系统，对于一个已经确定的管网，要想改变其管网特性曲线常用的做法是改变阀门的开度，这种做法虽然也能满足流量的要求，但是会浪费能源，在能源紧张的现在我们更倾向于第二种做法，两者的对比如图2所示，当管网流量由25m3/h减少到20m3/h时，变频泵系统会比工频泵系统节省13.1mH2O的损失。

图2 两种改变流量方式的对比Fig.2 Contrast Between in Two Ways to Change the Flow

（3）在每栋楼的入口处加装混水技术，用大流量、小温差的运行方式来提高用户侧水力稳定性，改善水力失调现象。管网中各个管段或用户不随其他用户流量的变化而改变的能力，称为该管段或用户的水力稳定性[12]。水力稳定性的公式为：

式中：Qg为管段或用户的设计流量；Qmax为该管段或用户可能的最大流量；ΔPy为管段或用户在正常工况下的作用压差；ΔPw正常情况下网路干管的压力损失。

由公式可得：用户侧的压降越大，该用户的水力稳定性越好，越不容易出现水力失调。混水技术不仅能很好的解决水力失调问题，王淑莲[13]等人在《高温水供热系统混水换热技术应用与节能分析》中指出，应用混水技术还可以节省能源、减少二氧化碳的排放量。

3.3 增加自动控制系统

建立系统集中监控平台，增加自动控制系统，实现系统按需供热。供热系统是按设计工况设计的，实际运行时供热系统的热负荷并不是一成不变，而是随着室外空气温度的变化而变化的，计算机自动控制系统的引入会使供热系统随着热负荷的变化而调节本身的供热量，实现能源的节约。张浩[14]详细介绍了供热系统的自动控制系统的组成，分析了供热系统实现自动控制的必要性。

4 节能分析

通过实际调研发现：该小区供热系统节能改造收到了很好的效果，不仅降低了能耗节约了能源，而且供热质量也有了很大的改善，热用户的投诉率也降低了不少。

以西区的高区供热系统为例分析其节约的电能，该区的供热面积为：8.5×104m2，主干管管径为DN300，原循环水泵的功率为55kW，改造过后电机的功率降为45kW，一个供热期间可以节约的电能约为：（55-45）×120×24=28800kWh，系统一个供暖期节约电能如表1所示。

表1 改造后系统节约的电能Table1 Energy-saving of the System after Transformation

改造前供热系统的热能用量为273314GJ，改造后系统的热能用量为232316.9GJ，西安市居民用热价为40.7元/GJ，节能改造带来的效益为：（273314-232316.9）×40.7=1668581.97元。

5 结论

（1）该小区的节能改造收到了很好的效果，供热面积为689995.7m2在一个供暖期内系统节约电能187200kWh，节约热能40997.1GJ。

（2）合理的供热方式、有效的解决水力失调问题、增加自动控制系统可以有效的降低供热系统能耗，改善供热质量提高舒适性。

（3）由于每个供热系统都有各自不同的特点，有不同的使用对象和不同的使用时间，存在不同的供热问题，因此除了借鉴其他系统节能改造的经验外，还应该具体问题具体分析，找到适合系统的节能措施。

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Study of Energy-saving on a District Heating System in Xi’an

Di Yuhui1Zhang Dandan1Zheng Zhizhong1Li Qi2
( 1.School of Environmental & Chemical Engineering Xi’an Polytechnic University, Xi’an, 710048; 2.Shaanxi Chengming Energy Conservation Technology Co., Ltd, Xi’an, 710048 )

Base on a district heating system in Xi'an, this paper analyzes the problems in the heating system, then presents some measures to saving those problems. In the end of this paper, the author analysis the energy savings. By taking the measures of time and zone control, install operated flow control values, frequency adjustment, mixed supply and return water temperature, and automatic control system. This heating system not only achieves the energy-saving operation, and improves the heating quality, but also good for heating metering charges in the future.

central heating; hydraulic disorder; mixed water; time and zone heating; automatic control system

TU833

A

1671-6612（2017）01-064-04

陕西省教育厅产业化项目供热换热站智能控制系统的开发研究（编号：15JF017)

狄育慧（1964.2-），女，博士，教授，E-mail：470836165@qq.com

张丹丹（1992.2-），女，在读研究生，E-mail：1140323207@qq.com

2015-11-27