赤峰学院供热系统的平衡及潜能研究

石宏岩

（赤峰学院 资源环境与建筑工程学院，内蒙古 赤峰 024000）

现今全世界各国高度重视二氧化碳排放的问题，2020年9月22日习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上讲话时郑重承诺，中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和[1]。北方地区建筑行业取暖是二氧化碳排放的“主力军”，合理的减排受到行业专家的普遍关注，本文基于赤峰学院供暖的实际运行参数，分析换热站的平衡性，采用火用效率和火积耗散来对比两个换热站的优劣，结合采暖热指标推导出学院南站可继续扩容的面积，采用吸收式热泵降低一次网回水温度，可以最优化利用好采暖热源，减少碳排放。

1 供热基本信息

赤峰学院是2003年经教育部批准组建的一所全日制普通本科应用型人才培养高校，现校内占地面积1 112亩，共有29栋标准楼，部分附属平房，建筑供暖面积23.38万m2。赤峰位于内蒙古东部地区，东经118°，北纬42°，海拔610 m，冬季月历史最低温度达到零下27℃，供暖季为每年10月15日～次年4月15日，共计182 d，采暖期平均温度-10～3℃，冬季较为寒冷。查阅《实用供热空调设计手册》[2]，赤峰地区，冬季室内采暖设计温度18℃，设计热指标35 W/m2。学院自2018年将热源校内供热锅炉房取消，接入城市集中供热热源模式，现校内建有两座换热站：学院北站和学院南站。其中学院北站，位于崇文楼、明雅楼和崇德楼中间，占地面积170 m2；学院南站，位于崇仁楼的西北角，占地面积170 m2。根据功能性将现今学校的标准楼分为教学、生活、行政3个大类，其具体建筑面积和年限见表1至表3。

表1 教学区域

表2 生活区域

表3 行政区域

教学楼总面积约为9.03万m2，位置零散地分布于学院内部，其中学院北站负责：崇文楼、明雅楼、博远楼、和雅楼、崇实楼、综艺馆和综合体育馆，共计7栋教学楼，供热总面积约为3.01万m2。其余5栋教学楼由学院南站负责供热，合计面积约为6.02万m2。

生活（住宿）的建筑集中分布在学院内部北面，共计10栋，全部由学院北站负责供热，总供热面积8.46万m2，其中德园1-4号公寓楼后期改造增加了建筑保温材料，德园8号和9号公寓楼为2014年投资建设的节能建筑。生活（餐饮）功能的建筑集中分布在学院西侧，健体馆旁建筑、观止园和嘉禾园均由学院南站负责，供热面积约为0.69万m2。珍和园和大学生服务中心，由学院北站负责，供热面积约为0.83万m2。

行政功能的建筑位于学院内东中部，其中崇德楼、博物馆由学院北站负责，供热面积约为0.81万m2，其余楼由学院南站负责，供热面积约为3.55万m2。

对上述供热面积做合计计算，学院南站负责供热面积总计：10.27万m2，学院北站负责供热面积总计：13.11万m2，学院总供暖面积23.38万m2。

2 换热站现状

2.1 站内设备基本参数

换热器：型号（SUS316），换热面积100 m2（三台换热器并联），设计压力1.6 MPa，试验压力2.0 MPa，设计最高承载温度150℃。

变频式循环水泵：学院北站型号（GLC1500-30kW/4），功率30 kW，额定流量375 T/h，水泵扬程20 m。学院南站型号（GLC150-250-18.5kW/4），功率18.5 kW，额定流量220 T/h，水泵扬程20 m，运行模式均为一备一用，在应急预案中启用。

站内补水泵：型号MV20-4，扬程47 m，流量20 T/h，南站与北站均采用一备一用原则。

2.2 2018-2019年供暖季实测数据

两个换热站的热水普通换热器前后均安装了测量温度与流量的测试探头，可在供热时导出相应数据，以方便运行调试和数据分析。换热站该供暖季的基础数据见表4。

表4 基础数据

3 供热平衡及潜能分析

3.1 流量分析

根据供暖面积热指标法来估算建筑的供暖热负荷Qh，两个换热站的供暖面积参照前文数据。

学院南站热负荷：Qh=10.27万×35 J=359.45万J

学院北站热负荷：Qh=13.11万×35 J=458.85万J

依据上节基础数据计算流量，对于换热器的换热量可由以下公式进行计算[3-4]：

式中：Q是传递的热量，单位W；M为质量流量，单位kg/s；cp是工质的定压比热容，单位kJ/（kg·K），本文工质是水，其定压比热容具体随温度变化的数据可查阅参考文献[5]；ΔT为计算换热段口的进出口温差，单位K。根据公式（1），同时进行单位的换算，得到关于G为质量流量，单位T/h的计算公式：

分别计算一次网和二次网两个换热站的流量，cp采用线性插值（t1和t2的平均值作为工质物性参数，查找参考文献[4]的数据），结合上述数据带入公式（2）进行计算，结果汇总见表5。

表5 流量计算

对比平均流量可得到，两个换热站的一二次网，采用热指标法换算出的数值全部都要比实际运行的参数大，这就说明设计的流量要大于实际运行的流量，从而留给了一二次管网的可调节和扩容的空间，现今的两个换热站能够满足楼宇的供热需求。对于南站的流量最值而言，一次网的实际运行略小于换算结果，二次网实际运行比运行参数大一倍的流量，这表明南站的一次网具有过度的供热能力，二次网由于不合理的调节和热损失等原因，并没有最大限度地用好一次网的供给热量，在合理的调节二次管网、减少漏水、提高建筑保温等的前提下，南站可以继续提供新建楼宇的供热。对比北站的流量最值结果，一次网实际运行比换算结果大6 T/h的流量，二次网实际运行比换算结果大120 T/h的流量，这表明在极端的天气下，北站的一次网换热略有不足，二次网换热严重不足，考虑到在严寒期时学校学生有45 d左右的寒假，北站供暖的宿舍区并不会过多对热量产生需求，这也是现今学生宿舍并没有受到影响的原因所在，但是北站的供热负荷可调节性远不如南站的余量大，故而，以后对于北站的扩容需要进行更为详细合理的计算校核，才能确定北站是否有继续供热新楼宇的可能。

3.2 换热器分析

得到建筑热负荷以后，结合换热器参数就可以进行换热面积的计算，根据参考文献[5]热量和换热面积满足如下关系：

式中：K为换热器的传热系数，单位W/（m2·℃），本文采取K=2 000 W/（m2·℃）进行近似计算；A是换热器的传热面积，单位m2；ΔT为对数平均温差，单位K。其中ΔT的具体计算如下

式中：T′是一次网供回水的温差，T″是二次网供回水的温差。

由公式（3）可得到换热器面积的计算式：

根据热负荷结合公式（5）进行换热器面积的计算：

上述只是粗算了换热器的面积需求，并未考虑流动阻力、传热损失、污垢热阻等影响因素。根据换热器面积的计算结果，对于整个供暖季的平均值而言，采用两台换热器即可满足基本的热负荷需求，两个换热站均可有一台作为备用或者继续为新建楼宇采暖。

3.3 火用分析

能量不仅有量的概念，还有品位的层次，“温度对口、梯级利用”就显得尤为重要。在能源转换的过程中热力学第二定律是不可违背的，而在热力学中火用分析的方法可以作为能源品位的度量[6]。能质系数λ作为能源地度量，即火用Ex与总能量Q的比值[7]：

能质系数的具体物理意义可见参考文献[7]，火用地计算可见参考文献[6]，在此只给出能质系数的计算式：

式中：T0为参考温度，单位K，在热力学分析时，常把0℃、20℃作为环境的参考温度，本文取0℃，即273 K作为参考温度。Ts是供水温度，单位K。Tr是回水温度，单位K。

热交换过程的火用效率：

式中：λout为换热器出口段能质系数，λin为换热器进口段能质系数。

热力站换热器的火用损失计算。

比较两个换热站的火用效率，学院北站的火用效率72.3%要比学院南站火用效率71.4%略微大一点，也就是说学院北站的换热效率更高，换热器面积利用更充分一点。对于能质系数而言，学院北站的λout=0.133更大，南站的λin=0.182更小，二者相比的火用效率可达到73.1%，这证明两个换热站都有提高火用效率的潜能。

3.4 火积耗散

火积是描述物体热量传递能力的一种物理量，由清华大学过增元院士提出，物理意义是热量传递的势能[8]。热量传递的过程是一个不可逆的过程，由热力学第二定律可以得到这个结论，那么这种不可逆的度量就可以用火积耗散来表示，其数值的大小为热量传递初状态和终状态的火积差值[9-10]。

以绝对零度为基准时，火积的计算式为：

式中：En为工质的火积，单位JK。Qvh是工质的比热容量，单位J/K。当工质的定压比热容cp为常数的时候，可将公式（9）化简为：

式中：M是工质的质量，单位kg。

对于传递热量为Q的传热网络，其总的火积耗散En，dis可以整理为Q和等效温差ΔT的乘积（具体推导过程见参考文献[9]），即

对于逆流换热器来说，应用笛卡儿坐标系表示出火积耗散，其横坐标为传递热量Q，纵坐标为温度T，二者所围成的面积就是火积耗散，如图1所示。画图采用的是实际运行测量中的平均值数据，直接比较图1中两幅图阴影部分面积的大小，就可以知道火积耗散的多少，可以得知，学院北站的换热器比南站的换热器耗散小一点，换热效果更好，这也与火用分析相一致。

图1 换热器的火积耗散

3.5 扩容量计算

由上文可知，学院南站换热量有富余部分，这部分热量可以用来给新建楼宇扩容供热。学院南站现今的实际测试一次网最大流量为52 T/h，采用热指标计算出的最大流量是57.41 T/h，也就是说有5.41 T/h的流量富余，结合热指标35 W/m2，取cp=4.174 kJ/（kg·K），ΔT=45K，根据公式（2），可以计算出富余的供暖面积为8.06万m2，相当于4.5个逸夫理工楼的供暖面积。在流量不变时，若增大一次网的供回水温差，其换热面积会显著提高，呈现正相关性，而流量与采暖面积呈现负相关性，具体扩容采暖面积与温差、流量关系的变化如图2所示，温差每提高1 K，采暖面积约增加0.18万m2。

图2 扩容量

3.6 热泵应用

对于学院北站而言供热面积接近于饱和，如果想继续扩容就要另辟蹊径。以热水为媒介的管网供热，主要影响换热能力的因素就是流量、温差和定压比热容。水的定压比热容受温度变化的影响不会太大，具体数据见参考文献[5]或表5，相变工质是可以在小温差下改变定压比热容的材料，目前还处于实验研发阶段，并没有得到应用。当一次网铺设到学院北站以后，其管径就已经固定了，过大的流速必然会增大流动阻力，而且水泵的扬程有限制，所以一次管网能承载的流量也就受到了限制，那么就只有改变温差以达到扩容的目的。一次网的供水受到热源温度的影响，过高的一次网温度就需要更高品位的热源，势必会造成化石能源的过度消耗，二氧化碳排放量增加，现在国家在进行碳达峰、碳中和计划，这与我国推出的政策不相符。那么就只剩下减小一次网回水温度这一种方法了，吸收式热泵技术的应用就可以降低一次网回水温度[10]，而且2021年10月24日国务院出台的《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》中明确指出：因地制宜推进热泵、燃气、生物质、地热能等清洁低碳供暖。可见在国家大方向上，热泵供暖的计划得到大力倡导。对于学院北站，采用吸收式热泵技术进行供暖，一次网回水目前最低可到25℃（298 K），在一次网供水温度和二次网供回水温度不变的前提下，重新计算火积耗散，如图3所示。

图3的火积耗散由两部分组成：负面积如图3中N所示，正面积如图3中P所示。其中正面积是不可避免的火积耗散，而负面积则是通过降低一次网回水可以避免的耗散，负面积会抵消一部分正面积，这样两者构成的面积之和就要比图1（a）的常规换热器小很多，可见采用吸收式热泵供热可以大幅度地降低火积耗散，进而提高供热能力。由上文可知学院北站的火用效率是72.4%，现计算采用吸收式热泵的火用效率为82.4%，直接提高了10%，可见吸收式热泵的作用是很大的。所以在新建楼宇时建议采用吸收式热泵进行采暖，不仅可以提高火用效率，而且可以降低碳排放。

图3 热泵的火积耗散

3.7 二氧化碳减排量计算

对于一次网而言，可将前文的学院北站减小的火积耗散换算为标准煤tce。由图1中数据和公式（11），可以计算得到北站普通换热器的火积耗散为：

计算采用吸收式热泵的火积耗散，由图3数据可知正负面积的交点温度为313.65 K，热量为0.725 Q，结合公式（11）进行计算，

正负面积的差值即为北站采用吸收式热泵的火积耗散：

从上述的计算结果可得到，采用吸收式热泵的火积耗散只有普通换热器的0.42倍左右。可以计算出采用吸收式热泵减少的火积耗散量为：

又知道采用热泵时一次网进水温度355 K，回水温度298 K，结合公式（11）可以得到减少的热量：

将减少的热量根据标准煤的转换系数：1 t（tce）=2.93×1010J，可以换算减少煤量为：9.4×106/2.93×1010=3.21×10-4t。采暖季按182 d进行，进而得到整个采暖季减少煤量为：3.21×10-4×182×24×3600=5.05×103t。

如果热源为工业锅炉，那么每燃烧一吨tce，产生二氧化碳为2 660 kg，二氧化硫8.5 kg，氮氧化物7.4 kg。这样整个采暖季减少排放量：

说明，上述计算没有考虑锅炉的燃烧效率、流动的热损失等因素。

综上所述，经过火积耗散的计算，学院北站采用吸收式热泵整个采暖季可减少二氧化碳排放量为1.34×107kg（0.134万t），二氧化硫43 t，氮氧化物37 t。

4 结论

按设计热指标35 W/m2，估算两个换热站建筑的供暖热负荷，学院南站热负荷359.45万J，学院北站热负荷458.85万J。

两个换热站的一二次网平均流量，实际运行的参数均小于热指标法换算出的流量，证明二次管网满足楼宇的供热需求，一次网拥有扩容的空间。

根据实际运行参数，计算得出学院北站的换热效率更高，换热面积利用更充分，能质系数略大，火积耗散小于学院南站。

在碳减排方面，如果学院北站采用吸收式热泵技术，初步估算整个采暖季可减少二氧化碳排放量为0.134万t，二氧化硫43 t，氮氧化物37 t。

学院南站可以继续为8.06万m2新楼宇扩容供热，如果采用吸收式热泵供热可降低火积耗散，火积耗散量只有普通换热器的0.42倍，提高火用效率十个百分点，这项数据可以指导学院的扩建面积，避免盲目扩建而导致供暖不达标，为实际的工程应用提供重要参考依据。