城镇建筑集中供热系统换热站节能优化分析

渠义杭

【摘要】集中供热是我国北方地区城市冬季采暖的主要方式之一。我国供热系统未来发展方向主要是提升供热系统运行效率、增加热网可靠性能以及降低供热系统能耗。目前我国的集中供热系统多向多热源环状管网转型，使得热网的拓扑结构更加复杂，热用户的舒适性需求也更高，因此对集中供热系统的运行调节能力提出更高的要求。针对影响供热系统运行调节能力的因素，包括供热系统的数学建模、动态特性分析和最优控制理论与实践。集中供热系统的组成包括热源、热网和热用户。基于此，本篇文章对集中供热系统换热站节能优化进行研究，以供参考。

【关键词】集中供热系统;换热站;节能优化;措施分析

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.12.013

引言：

隨着我国经济社会的快速发展，我国已经成为世界能源生产和消费的第二大国。我国建筑能耗约占社会总能耗的21.10%，其中北方采暖能耗占建筑总能耗的22.91%左右。集中供热行业存在巨大的节能潜力，同时我国提出碳达峰及碳中和目标，其中供暖碳排放占运行碳排放的近70%（居住建筑）和43%（公共建筑），是建筑碳中和需要解决的最大问题。资料显示，建筑能源约占全国能源总消耗量的24.9%，供热能源消耗占城市建筑总能耗的40%～60%。截至2015年底，我国的供热面积已经达到61.7亿m2，预计到2025年供热面积将达到152.07亿m2，年均增速高达9.44%。

1、相关概述

我国的建筑能耗约占社会总能耗的33%，但是供热系统能源综合利用率只有35%～55%，说明我国供热系统在能源消耗方面存在巨大的节能潜力。对供热系统热力站能耗数据合理分析，掌握供热系统能耗现状，可促进节能减排。采用数据分析可以对能耗数据进行规划，得到能耗特征及影响因素，现有文献对数据进行特征分析多采用一种聚类算法，并没有对各种聚类算法对数据特征分析进行对比研究。因而本文基于层次聚类算法、密度聚类算法及划分聚类算法分别对大型供热系统热力站耗热量数据进行聚类分析，对比得到基于实际数据的热力站耗热量的最佳聚类模型及能耗分类结果。为后续热力站能耗基准模型建立，确定能耗基准，分析热力站热耗影响因素，促进节能运行提供前期研究基础。

1.1集中供热系统

一般情况下，集中供热系统具有较高的复杂性，同时具有识别性的特点，在实现按需供热的同时，还需要确保管网热力水力平衡。在集中供热规模不断拓展的过程中，国内外专家对各类供热系统进行了大量的研究，在我国城镇现代化建设中，集中化供暖是其非常重要的一项基础设施，也是提高建筑居住舒适性的重要方式。集中供热系统主要包括热源、热网、热力站和热用户四个部分。而热网是指从热源输送热能到热力站的管线，换热站是其非常重要的一个组成，可以将热网输送的热水或蒸汽通过热交换、调节，分配热量到热用户。最后，热用户是对其热量进行消耗和使用的场所。

1.2热力站供热系统简介

换热站的一次侧、二次侧供热系统之间利用板式换热器实现热交换，二次侧几个支路的回水在经过集水器混合之后，由循环泵驱动到板式换热器内部予以加热处理。之后再流经分水器，分成几条不同的支路到各个建筑当中实现供热。

2、城镇集中供暖现存问题

首先，需要优化节能技术，虽然在我国现阶段，北方城市集中供暖已经实现初步普及，但是其节能效果相对落后，节能理念和节能技术的落后对集中供暖效果具有严重的影响。就节能设备而言，需要合理优化各系统设计，强化城市集中供暖，可以为城市所有用户提供热能，此时需要科学改进水循环技术和供暖管道。年久失修对部分供暖管道热水循环供暖造成了很大的影响，甚至还会进一步影响用户用热体验。与此同时，部分城市使用相对落后的集中供暖技术，没有对其进行及时有效的更新换代，会在很大程度影响供热系统节能效果，进而影响供热系统的节能性。其次，缺乏完善的管理体系，城市集中供暖发展规模具有一定的局限性，部分供暖企业在进行节能设备更新时，具有较高的成本需求。用户数量也会对其造成一定的制约，使其产出和投入无法形成正比，使其节能具有一定的形式化，无法融入企业实践，很难进行有效的管理，对供暖企业实施节能概念造成严重的制约。与此同时，在具体进行供暖工作时，部分操作人员对节能技术的要求和操作标准缺乏了解，导致无法真正实现节能效果，所以，相关部门需要高度重视管理体系，在成本和收入上进行合理疏导，确保供热企业能够积极更新使用节能技术，人员能够合理规范进行节能操作，进而保障企业发展的可持续性和城镇集中供暖节能理念的普及。

3、换热站节能指标的选取

通过对国家规范要求的研究，将安全指标、能效指标选为换热站节能评价指标。（1）安全指标。对于换热站来说，不管系统如何优化，最基础的是要保证供热质量不受影响，控制供热品质，满足热用户的热舒适度。选取室温合格率和系统可靠性两大指标作为换热站的基础指标。（2）能效指标。能效指标是节能评价指标体系的重要组成部分，热站内的能耗主要包括热耗、电耗、水耗。能效指标包含：单位面积电耗、换热有效利用率、单位面积水耗、单位面积热耗、单位面积综合耗能。

4、集中供热系统换热站节能优化措施分析

4.1热网监控系统

热网监控系统即用计算机或其他的智能控制设备完成对热力系统的自动的检测与控制的一体系统。主要使用“热网数字化管理”，把所有的换热站现场仪表数据与现代通信技术相结合并上传至数据库，运用远程控制手段，通过分析数据并及时调控，从而达到“节能降耗”目的。在使用热网监控系统时，能够及时查看到参数的变化情况，了解系统的工作状态，随时做出调整。热网监控系统还有很多优势：第一，能够解决热网的运行失调情况，保持热网运行平衡从而提高供热的效果;第二，可以做到节能降耗，它能够根据室外温度自动调节供水温度;第三，热网监控中心的数据几乎与现场数据保持同步，这是以往热网运行中投入多大的人力及物力都不可能实现的。

4.2换热站的优化

换热站是集中供热系统中的一个重要组成部分，是处理水力平衡的关键。它主要是对热源过来的热进行了一次换热，并不生产热。然后，通过水泵将热量输送到居民住户。在集中供暖过程中的具体应用主要体现在：各换热站信息数据的备份、维护和管理，各换热站工作情况统计、分析。其工作原理为：板式换热站把一次网得到热量，自动连续的转换为用户需要的生活用水和采暖用水。即热水（或蒸汽）从机组的一次侧入口进入板式换热器进行热交换后，从一次侧出口流出;二次侧回水经过过滤器除去污垢后，通过二次侧循环水泵进入板式换热器进行热交换，生产出与采暖、空调、地板采暖或生活用水等不同温度的热水，以满足用户的需求。为了更好地发挥集中供熱系统的作用，应该对换热站进行优化。从设备方面出发：第一，在额定出力以及设计好的热负荷基础上，选择出换热器，再根据供热系统实际设计情况对换热器的热力能力开始校核;第二，选择合适的循环泵，因为它对供热系统的运行有很大的影响;第三，注意热网水力失调的相关影响，确保其造成的损失尽量最小。

4.3热负荷预测

供热负荷的准确预测可以为供热系统的科学合理运行调度提供数据支持，是实现按需供热的前提和基础;按需供热既保证用户的用热需求，又从源头上控制耗热量，从而达到节能减排目的。集中供热系统具有强非线性、长时滞性、大惯性、供热管网内部相互耦合性强等特定。同时供热负荷受到室外温度、室外风速、太阳辐射强度、建筑类型、建筑保温情况等多种因素影响，很难建立定量数学模型进行精准热负荷预测。目前，各供热企业已经意识到热负荷预测工作的重要性和其预测的合理性。经过国内外学者的不断研究，热负荷预测发展迅速，在预测理论和技术创新上都取得巨大突破，从传统热负荷预测方法，如采用最小二乘法建立建筑物的热负荷预测模型，到人工智能理论作为新技术引入到热负荷预测中，如应用比较广泛的神经网络技术、遗传算法及大数据等方式的介入进行自学习自诊断形成热负荷预测模型。综合看来，热负荷预测向着稳定、准确和快速的方向进行发展。无论是传统数据拟合方式的热负荷预测还是人工智能大数据介入后的智慧化负荷预测模型，其共同点是理论性专业性极强，需要投入大量的科研工作进行研发和培训学习。目前仍有很多供热企业不具备此种条件，都以粗放式进行热负荷预测，此时在合同能源管理机制下，通过节能服务公司提供相关的技术支持，直接实现热负荷的精准预测，实现在供热系统源头进行节能降耗目标。同时节能服务公司通过与供热企业合作产生的节能效益不断进行科学研究和技术创新，推动供热技术的发展。

4.4气候补偿器

气候补偿器的工作原理为：通过测量供暖期内的室外温度并在程序内得出适当的供回水温度范围，将程序得出的适当的供回水温度与二次网温度进行对比，最终通过调节一级网的流量来调节二次网的供回水温度，实现按需供热，达到节约能源的目的。根据室外气象温度将供暖分成3个阶段，分别为初寒期、严寒期、末寒期，并对系统制定供回水温度曲线并输入气候补偿器.气候补偿器能够根据测定的随着室外温度变化，气候补偿器将调节一次网调节阀的开度大小，从而达成二次网供水温度随室外气温变化的实时智能调节。

4.5选择调节参数

针对二级网水力平衡调节来讲，其最终目标是将用户层面的室温调节到比较相近的数值，而直接将室温当作调节目标则不确定性比较显著，因此需要寻找其他目标对室温进行代替。调节的目标通常涵盖单位面积流量、回水温度以及单位面积供热量等等。对于以上因素与室温二者之间的关联性，最后将单位面积流量选作调节目标。

调节步骤：（1）绘制出热力站供热详细的平面图。（2）记录热力站初期的实际运行工况。（3）计算各个支路中的目标流量大小。（4）借助于过渡系数针对目标流量做出修正，接着在修正目标流量基础之上，和实测流量偏差值对比，编制出调试表。（5）依据调试表开展具体的流量初调节工作。（6）测量初调节完成之后，各个支路的实际流量。（7）将测量流量和目标流量二者做出相应的对比。如果偏差过小，那么需要开展局部修正工作。如果偏差过大，则需要重复以上步骤（4）到步骤（6），直至平均水力失调度保持在±0.1，并且水力离散度在0.5以下为止。

5、集中供热节能运行管理措施

5.1室外温度补偿运行管理措施

随着室外温度变冷，供暖主干管的供/回水管道上的热负荷增加，用户需要更多的热量，以维持室内温度的要求，这时候供暖系统应提供较高温度的循环水或更大的水流量以满足系统各用户的用热需求。反之，随着室外温度升高，供暖系统可适当降低系统供热温度。通过绘制“室外温度/热力出水温度”的供暖曲线，系统按照此曲线供暖，不但能够满足用户需求，也可以节约大量能源。这种通过室外温度的变化，带有预测性地调整系统供热温度的控制方法称为室外温度补偿运行。可见，室外温度补偿运行方案是热力管网调质调节运行的一种具体运行调节形式。

5.2远程数据采集、设备控制节能技术

为进一步节省能源消耗，集中供热系统的循环水泵建议采用变频器调节控制以适合调节系统总流量，节约能源输送运行成本。在燃气锅炉上设置锅炉烟气余热回收装置以提高锅炉热能利用效率，加强热力管网的保温性能减少管道热损失，建筑物增加保温层以增加建筑物保温性能，进一步降低由围护结构引起的热量损失。上述措施的实施也相应减少了热力系统能耗，达到进一步节能运行的目的。

6、实施供热碳中和的主要路径

6.1建筑与供热系统节能提效

坚持节能优先的方针，将建筑与供热系统节能提效作为供热行业永恒的主题，纳入实现零碳供热目标重要的路径之一，其重点是要在新技术、新材料、新设备不断创新的支撑下，通过推进供热资源整合以及建筑与供热系统节能改造，提升按需精准供热能力，面提升供热能效，提高能源利用率，降低能源消耗，助力零碳目标的实现。

6.2基于分散供热实施电气化实施路径

建立在绿电资源与区域电力输配安全、稳定保障能力基础上，以绿电为主，新能源、可再生能为辅多能互补的方式，采用“+热泵”技术路线，对城市分散化石燃料供热锅炉进行能源替代，同时对建筑与供热系统进行节能提效改造，实现零碳供热目标。第一，分散供热需关注和把控的要点是：一是电力行业绿电资源与电力运行是否具备安全、稳定、灵活的设施与运行保障能力;二是电力供应是否具备冬季供热调峰与电力系统应急状态下的保障能力;三是供热系统电气化改造须正确选“+热泵”技术路线的具体模式，可以适应电气化的方式;四是：供电和供热系统双项改造的经济性与可行性应保证项目在改造费用方面可承受，在后期运行费用方面可持续。第二，基于电气化路径适用分散于城市或大型区域集中供热管网之外独立的燃煤、燃气、燃油锅炉房供热以及燃气壁挂炉自采暖的能源替代。

结语：

集中供热一直是北方采暖的重要节能手段，对管网进行研究的目的也是为了减少能耗，提高用户的使用舒适度，实现供热系统的“清洁低碳，高效节能”。当前“智慧供热”已经成为行业发展共识，智慧供热基于信息化和自动化，再结合大数据、互联网等技术，在供热系统的“源—网—荷—储”全过程进行模拟仿真分析，运用模型对系统各部分的不同需求进行预测，从而达到对供热系统各部分的调控与优化，进化成新一代的智慧供热系统。但是由于我国城市供热系统的构建时间不一样，地理位置存在差异，管网的结构形式也存在多样性，不论是对于热网建模的仿真分析，还是对于整个供热过程分布进行建模仿真分析，仍存在许多问题需要解决，在进行建模时还需注意系统的适用性。未来研究方向可以从以下几方面入手：（1）在新能源不断应用的背景下，以往系统建模不能满足实际需求，系统的稳定性、可靠性都产生相应的波动，关于供热系统建模的问题需要综合考量。（2）研究总结的内容都是在系统设备正常运行、管网结构相对完好的前提下，但是实际运行过程中，常出现很多无法预料的问题，如何应对突发情况、如何修系统模型，都是富有挑战的研究。

参考文献：

[1]张喜明，李钊，刘俊锋，张帆.集中供热系统换热站节能优化分析[J].吉林建筑大学学报，2019，38（06）：29-33.

[2]曹梦轩.关于城镇集中供热节能改造工程技术的思考[J].居舍，2019（31）：97-99.

[3]张喜明，刘俊锋，李钊，张帆.换热站的能耗分析及节能改进[J].建筑节能（中英文），2019，49（04）：49-53+66.

[4]杨秀龙.分布式变频泵供热输配系统节能性研究[D].吉林：长春工程学院，2019.

[5]刘东洋.集中供热系统中管网运行分析及节能研究[D].山西：太原理工大学，2019.

[6]张爽.集中供热调度监控系统设计及节能优化[D].黑龙江：哈尔滨理工大学，2019.

[7]刘亚鹏.集中供热系统换热站运行节能研究[J].工程建设与设计，2019（14）：81-82.

[8]连慧敏.城市集中供暖的节能技术途径分析与研究[J].四川水泥，2019（07）：127+129.

[9]张冰冰.集中供热热负荷预测与管理系统研究与实现[D].山东：山东科技大学，2019.

[10]耿鵬飞.集中供热系统换热站的节能措施分析[J].机电信息，2016（03）：21-22.