城市集中供暖中节能技术的运用措施分析

王沾瑛

（太原市热力集团有限责任公司第三供暖分公司，山西 太原 030000）

集中供暖之所以能够快速发展，与其本身的特性密不可分，降低空气污染、节能、噪声小、自动化水平高、设备故障率低、降低城市交通流量。城市集中供暖是一种有效的节约能源和环境保护措施，是实现城市现代化重要基础，同时是经济发展和人民物质生活水平重要标志。

1 我国供暖能耗现状

目前，国家正处在经济和社会发展的关键性阶段，经济结构、城市化水平、消费结构等方面都有了明显变化，这一系列的变动导致了能源消费的快速增长，导致能源供求失衡。我国能源储量以煤炭为主，但相对于全球人均水平，仅为51.3%，而天然气则仅为11.3%，中国的能源资源状况决定了其能源结构将以煤炭为主，因此环境污染相对较重。我国经济发展速度很快，但2/3的发展都是以过度消耗资源和生态环境为代价的。例如，2019年，我国在全球煤炭生产中，仅占全球4.4%。

中国在能源系统和技术创新上有着极大发展空间，各个行业都有良好节能潜力，特别是工业、交通、建筑等，中国当前的能源消费非常庞大，中国2006年的建筑消费总量为3.3亿t，占全国消费总量的24%，而2011年则为3.76亿t，占全国能源消费总量的27.6%，年均增长5%。随着我国建筑业的迅速发展，人们的生活水平不断提高，建筑能源消耗在整个社会能源消耗中所占比重将不断增加，到2023年末，建筑能源消耗将由目前的27.6%迅速提高到超过1/3。中国目前拥有超过400亿m的城乡建设用地，其中95%以上为高能耗的建筑。到2023年，中国将新增城市和乡村房屋300亿m，如果不进行有效的节约能源，其能源消耗将达1.2兆千瓦时，4.1千万t标准煤炭，比目前的国家高出3个百分点。经过三十多年的能源研究与实践，人们普遍认为，建筑节能是最具潜力、最直接、最有效的方法，是缓解能源紧张、社会经济发展最有效的方法。

我国城市居民建筑能耗按照其特点可划分为：1）北方居民采暖能耗；2）居民生活能耗（照明、炊事、生活热水）；3）普通的非民用建筑（办公室、商店、学校等）能源消耗；4）大型公用建筑（高档写字楼、星级酒店、大型购物中心）。在这些城市中，我国的供暖能耗在全国范围内约为56%～58%，虽然热电联产作为热源，其热效率可达80%，地区锅炉的热效率可达60%～65%，而国内的供暖系统能耗却只有35%～55%，远远落后于世界供暖发达国家80%的水平。在我国北方，有60%以上的城市都使用了不同规模采暖，部分建筑因调整不当而过热，开窗散热所造成的热损失平均超过30%，一些小型燃煤锅炉的能源利用率降低也是导致能源消耗的一个重要因素，通过改善供暖方式、调整管网系统、提高热源利用率，可以降低建筑供暖的能耗。

2 工程介绍

A开发区目前的建设用地面积4.5km，分为东西南三个部分，园区内的建筑物以工厂和附属设施为主，从2000年至今，已有多家公司从各个地区前来投资、建厂，经过十余年的发展和建设，逐步形成了人口密集、工业发达、市场繁荣的城市，是交通方便，经济发展的综合性地区。一级热网概况南城区供暖锅炉房在2004年建成并投入使用，2006—2007年度南区已基本完成土地出让，供暖面积达到40，000m（以80 W/m计算），本锅炉房拥有14 MW的热水燃煤锅炉2台，29MW热水燃煤锅炉1台，合计57 MW，在供暖前期和后期，有两套机组运行，一套在严寒期运行29 MW机组，一套14 MW机组作为后备。锅炉设备包括鼓风机，引风机，循环水泵及补充水泵，无级调速炉排和锅炉给水流量表，14 MW锅炉设计供水温度为130℃/70℃，循环流量为200t/h，29 MW锅炉的设计供水温度为130℃/70℃，循环流量为400t/h。锅炉室配有一次网循环泵3个，泵的额定流量为500t/h，扬程为42.5 m，具有75 kW的动力。锅炉换热站的供暖面积为5.3万m，配有3个循环水泵，额定流量300MW，扬程33 m，配有37 kW的功率，安装3个板式换热器，共计129 m（43 m）；综合换热站拥有16.1000m的采暖面积，4个循环水泵，额定流量300t/h，扬程40 m，功率55 kW，安装4个板式换热器，共计184 m（46 m）；换热站供暖面积为18.6万m，其水泵和换热器的结构与综合站的结构基本一致。所有的换热器都是以水泵为基础进行持续的供水，其有效容积为30 m。集中供暖系统结构，热力站构成原理详情见图1。

图1 热力站构成原理

3 存在的问题

3.1 耗煤量大

2017年度，燃煤锅炉耗用10700公吨，供暖面积40，000m；根据《民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）》JGJ26—95的规定，每平米26.75 kg，T市第二阶段节能型住宅的能耗指标为11.8 kg/m标准煤，但由于该地区主要集中在工业厂房，目前虽没有相应的节能标准，但耗煤量会增加，但是用热量消耗指数来计算，其效率仍然处于较高范畴。产生这种情况的原因有：1）锅炉运行的效率低下：在T地区，按照供暖系统的实际运行情况以及近年来的气象资料，在整个供暖周期中，只有2%～5%的时间可以满足室内的实际运行。换句话说，通过算出的户外气温，在整个采暖期内，锅炉全负荷运转的时间仅有2%～5%，而其他时间则处于满载状态。超负荷运转的结果是：锅炉的工作效率低下，消耗大量煤炭，缩短锅炉使用寿命；2）鼓风机与引风机的配合不良，导致煤粉燃烧不足：该锅炉房与其他锅炉房系统设置一台风机不同，在系统中设置了两台风机，锅炉烟风系统中，本项目采用二级引风工艺，工艺流程如下：吹风—多管除尘器—一段引风—水浴—脱硫—二段引风—排烟，由于受低温喷水和高温排烟的影响，塔身麻石接缝填料常常会发生渗漏，如果不打开2级导风，则处于正压区，风机室内环境恶劣。2级导流阀打开后，烟气进入负压区，虽然烟气不会外泄，但一定会将空气引入脱硫塔，2级吸气系统会消耗更多的能量。2018年夏天，虽然采用高温玻璃纤维技术修复了麻石接缝，但至今仍有渗漏。这一设计会导致系统内压力分配不均匀，在正压区存在一定区域，使得锅炉内的压力难以得到有效控制，并且因为是两个风机一起工作，配合也是一个问题，在运转时，大量热能被抽走。

3.2 耗电量大

锅炉整体热水输送功率为1384893kWh，平均为3.46 kWh/m，电能消耗巨大，经过分析认为：1）调节难度大：锅炉房、换热器、用户使用的阀都是蝶阀，其调节效果不佳，每次调整都会对其造成一定的不利影响，调节工作困难，调整周期较长。在此期间，由于管网流量过大，导致水泵消耗较大；2）引风机与鼓风机没有调节：由于抽风器和鼓风器在工作状态下开始工作后，无法根据燃烧状况自动决定风量，单靠手动调节风箱的风流，造成无谓的电能损失；3）水泵没有变频调节：在当前的采暖模式中，虽然采用了变频泵，但由于在实际操作中不能启动变频调速功能，使其转速不发生变化。有两个主要的理由，其中一个原因就是时间的延迟。变频泵的起动，是根据一次系统的总回水水温来决定的。当一次系统主回水水温高时，采暖负载就会下降，此时就会减慢循环泵的转速，可降低循环泵送热水的流量，以均衡供暖负荷偏小，但事实上，循环泵送出的热量要经过一段时间才能到达各热交换站，也就是有一个延迟，而循环泵送出的热水经过各换热器后，新的供暖方式将带来新的改变，传统的循环泵供暖和热水的调节方式已经不能满足新一轮供暖的需要。

4 解决方案

4.1 锅炉房系统

为解决目前燃煤锅炉的低效问题，提出了通过调整机组的容积和增加机组功率来改善其工作性能的途径；而这一切的基础就是增加每一座机组的功率。1）增加炉温：选择14 MW机组工况良好的机组，进行实验，将机组的供水量逐渐升高到110℃，并对其他机组的炉温进行调整，结果表明，机组功率增加了20%；2）强化对煤炭质量的整体管控：以往采暖使用的煤炭来源较为杂乱，导致各批次煤炭的发热量和质量难以有效地监控，从而导致了机组功率的不稳定。为此，采取了点选、特殊布置煤位等方法，对煤炭品质进行全面控制，使其最终能满足如下条件：①使用基低发热量超过21500 kJ/kg；②在灰分中碳不超过10%的情况下，可燃性挥发性物质在20%以上；③煤粉最大颗粒尺寸不得大于50 mm，低于3 mm的煤炭不得大于15%；3）对锅炉吹风的技术进行改进：在锅炉厂中，通常安装有鼓风的设备，但通常很难由用户进行检查和计量，一般在实际操作中，利用风扇挡板调整空气流量，导致风机处于低效率工作区域，产生了大量的电能损耗。鉴于电力是一种高品质的能量，所以，在锅炉采暖的现状下，采用直流变频技术来降低锅炉的能耗，是目前节能的重要手段；4）严格控制锅炉水质质量，锅炉给水能否达到锅炉水质控制标准，是锅炉安全、经济运行的关键所在，也是保障锅炉出力、节约能源、防止事故发生的重要措施；5）减少固体不完全燃烧：降低煤炭的含水率，提前预热，保证燃料燃烧时间充足；6）回收烟气余热：燃煤锅炉在运行时，排出的烟气余热属于二次能源，为了响应国家节约能源的号召，燃煤锅炉可选择二次利用燃煤锅炉烟气余热。烟气通过空气预热器，用于加热燃烧用空气，提高炉膛温度和降低排烟温度，以提高燃烧效率。一般排烟温度每降低10℃，锅炉效率可提高0.5%～0.6%；另外也可采用省煤器，将烟气加热锅炉给水，提高给水温度。在该地区，有14 MW的高温热水锅炉2个，29 MW的高温热水锅炉1个，该锅炉所安装的吹风机的具体规格见表1。

表1 鼓风机与引风机型号

在鼓式送风系统上进行了改进，并在鼓式送风装置上安装了变频器，其型号见下表2。

表2 鼓风机与引风机配变频器型号

4.2 循环系统

根据水泵能耗高的特点，本文提出了如下技术优化：1）新增一次网电控阀门，以调整一次网流量，并更换热交换机，电控阀门为双通道阀门，一次网流量能适应热负荷的变化；2）将自动平衡阀安装到相应的分支管中，使每个分支管根据每个分支管的压力来调整流量，当其他用户的情况发生变化时，不会对使用者造成任何影响；3）根据锅炉进、出水设计温度差、各用户能耗及管网损耗，对循环水泵安装变频调速泵流量，由于锅炉的最终任务是按照用户需求来供暖，因此，在用户需要热量固定情况下，热源供给是一个重要问题。而热源的供热量，是根据水泵的流量和回水管的温度变化来确定。开发区锅炉房锅炉的设计供回水温差是60℃，但由于运行中的循环水流量较大，造成了实际的供回水温度相差20～30℃，锅炉长期处于低负荷工况运行。经计算，将此大流量小温差运行模式改为小流量大温差运行模式，采用变频设备降低流量，并适当增加供水温度，经计算，这种方法可以节省35～40%的电力消耗，节能效果非常显著；4）为降低失水率，对一级热网设备进行严格的检查、保养和维修，对腐蚀严重、失水量过大的二级热网进行了管网改造，改造后收到了很好的效果。在失水率降低，水量节约的同时，也将会大大降低热耗的损失；5）减少热力管道散热热损失：热网中如果供热管道保温良好，则管道散热热损失可以控制在一个很小的范围内，否则这部分热损失则会大大提高。将供热管网中保温破损、地下水渗透浸泡供热管道、补偿器未保温等情况进行进一步保温、堵漏，尽量将管道热损失降到最小；6）在换热站中添加一个气候补偿器，在外部环境改变时，设置在大楼外部的温度传感器将外界的气温资讯速传送给气候补偿装置，补偿装置会在不同的环境中调节。将返回的温度和调整曲线进行比较；在没有相匹配的情况下，温度补偿器向三通阀发送输出信号，改变三通阀的供水和回水比例，使得输出的温度与调整曲线一致。

4.3 室外管网系统

开发区南部地区供暖系统存在着较为明显的热力不平衡现象，其典型特征是，在近环路部分用户气温偏高，远环路部分用户气温在18℃以下。热力平衡的先决条件是要保证管网的水量均衡，并按需进行流量分配。为此，采用如下的最优操作方案：1）增加必要的设备，在各采暖用户的入口、进口和回水管上设置气压表，温度计，自动流量控制阀门等；2）根据各热用户、各环路供给水压力差、温度差和热源总回水的差值，进行水力平衡的调整。换言之，在恒温条件下，热源总回水的温度不会发生变化，实现了整体的温度稳定性。从原理上说，各回路、各热用户进水口的阀要根据各用户的供回水压力差、温度差与热源总供回水差和压力差来调节。对分支供回水温差比总供回水温差小的用户进行节流。依据此原则，记录、对比各个用户的回水温度，并将测量结果与实测的压力差、温度差进行对比，并按建筑面积的大小及温度的高低进行调整。由于热用户、热网、热源、循环水泵等组成了一个复杂的整体系统，各环节的水力运行状况相互影响，任何一种改变都会导致整个系统的状态发生变化；也就是造成了不同用户间流量的再分配。因此，在调整热网系统时，要按照从远到近、从大到小的某种规律，反复多次调节，方可实现，在各用户的供回水温差与供暖系统的总供回水温差相差小于2℃，该系统的水力运行状况基本平衡。

4.4 行为节能措施

在我国北方广大地区，现有大量的供暖系统存在着水力失衡，致使原有的有限热量无法按照需要进行分配；导致室内温度不均匀，无法满足使用者的要求。目前，供暖收费体制尚未全面实施，供暖系统运行费用居高不下，供暖质量难以提高；同时，要达到建筑节能的阶段性目标也比较困难。由于历史的原因，目前我国的建筑供暖存在着大量的"欠账"，其原因是居民节能意识不强，节能手段不够科学。在室内温度偏高的情况下，由于缺少必要的引导，“开窗放热”成为最佳选择，而室内温度太低的使用者却是束手无策，导致能源消耗加剧。因此，必须大力提倡节能和综合利用，在当前的能源结构中，行为节能可以积少成多，从而成为一种行之有效的节能方式。集中供暖供暖是一种封闭的、相对独立的系统，建成后难以改变其基本运行方式，由于受各种因素的影响，供暖系统难以完全满足人们的实际需求，因此，必须通过人为的干预或采用相应的技术措施来改善供暖系统的运行，以达到满足用户实际需求的目的。但是，这一行为的执行具有一定的必要条件，并非所有的普通供暖用户都能达到，行为节能是指不能改变系统形式，也不能对系统讲行进行很大的调整。通过人为其设置或采取一些技术措施和方法，可以满足人们的日常生活需求，同时也可以降低不必要能耗，节约能源。建筑的性质、结构和维护结构的隔热和蓄热是影响供暖效果的重要因素，由于气候条件及系统形态的影响，需要针对具体情况采取"行为节能"措施，以达到较好的效果。按照建筑节能设计的标准对新建建筑进行设计或者对现有的建筑进行节能改造，全面提高其维护结构的保温隔热的能力，加强墙体的保温，提高门窗气密性，加强屋顶的保温技术，有效的利用太阳的辐射。

对供暖的热用户，尤其要强化热量平衡的概念和认识，即热量总量有限，应合理地分配有限的热量，或者把过剩的热量返还给热源，然后再把多余热量输送到其他地方，这样，就可以防止过热的使用者采取错误的方法，避免资源的浪费。由于我国目前尚未完成对供暖收费系统的彻底改革，也没有按户计量、按热收费等措施，提高居民节约能源的基本观念显得尤为重要。当然，技术上也要有适当的指导。虽然“行为节能”并非最有效的应对能源消耗量的办法，但是在这样一个庞大的消费群和能源消费基础上，不能因为“利小”就放弃节约能源。

4.5 区域锅炉房供暖微机监控方案

除对锅炉、循环、外部管网等进行必要的改造外，还要购置一台计算机监测系统；锅炉房的现场控制器主要完成对锅炉房各个设备其工作过程的数据可自动获取，并可进行独立的实时监控，并可将工作数据经CATV网传送至热网监控系统。热网络监测中心还可以利用有线网络对各个站点进行数据采集，并以数字、棒图、曲线等形式进行数据处理；通过报警、报表、水力、热工等方法，实现对锅炉房及各热力站的集中监测和处理，并在特定条件下，根据管网的工作状况，实现对锅炉房及各热力站的参数控制。热网监测中心与热源监测系统可以实现网络连接，可以通过网络进行数据的读取和控制，但是无法进行任何的操作和修改。管理电脑还可以对热源和供暖网络进行网络监控，较少人力支出的同时还能管网运行安全。

5 结语

1）在节约能源方面，必须充分注意锅炉的效率。对影响其工作效率的因素进行了分析，提出了相应的改进措施；2）循环系统起到节电的作用。循环系统由一次网、二次网两部分组成，其中循环水泵的耗电量是采暖系统中的主要能源消耗，通过在循环系统中配置变频调速装置，使得循环系统的流量与负载的变化保持一致；因此，在实践中，节能是非常有必要的；3）外网水力失衡是造成系统循环流量大的主要因素。由于水力失衡，导致了系统供水系统的回水温差偏低，回水温度低于设计值，导致了系统的循环水量偏大；因此，增加了循环水泵的功耗。从该开发区锅炉的实际使用情况来看，这是一个非常严重的问题，通过安装相关的调整装置和进行了调试，取得了显著的节能效果；4）降低管网失水率，减少热力管道散热热损失，加大热用户文明用热宣传力度，都体现出了节能效果；5）采用计算机进行系统监测，是保证供暖系统正常工作和节约能源的重要手段。文章结合工程实例，提出了一种基于计算机的监测系统，并对其工作原理进行了阐述，并指出了利用计算机进行监测的优越性。