住宅小区供暖系统的优化运行分析

.概述
近年来，住宅小区供热系统在我国大中型城市得到迅速的发展，住户对房间内供热质量的要求也在不断的提高，他们不仅满足于房间的温度，而且对房间的湿度，热舒适性，均衡性和稳定性等都有更高的要求。解决的方法就是实现科学的运行管理和有效的调节，即在保证供热系统的设计、施工安装以及设备质量符合规定的前提下，正确的调节方法和科学的管理措施是十分重要的。因此，在运行中应设置必要的监测装置，对供热系统的运行状况进行监测，分析和研究监测结果，制定出供热系统的优化运行方案，指导运行管理人员按规定进行操作，从而达到提高供热质量，节约能源的目的。

2.工程概况
为了更加系统而准确的获得分析数据，我们取北京市两个不同类型的住宅小区作为示范单位进行测试（下简称A小区和B小区），并对测试数据进行了整理和分析。

2.1 A小区供暖系统

A小区采用锅炉房供暖系统，原有供暖面积为30万㎡，后来因为扩建增加了14万㎡。整个系统使用5台10t/h锅炉，4用1备，循环水泵3台，2用1备，补水泵3台，2用1备，每年耗煤1万吨左右。由于小区的扩建，能耗逐渐增加，为了节能降耗，在1998年采用量化管理节能技术。在总体方案中对锅炉房供暖系统实行计算机实时监测，在线监测供热系统的供热负荷、供回水温度、循环水量、累计热量等，随时了解系统的运行情况。 

2.2 B小区供暖系统

B小区采用集中换热站供暖系统，原有供暖面积11.5万㎡，由于设计时期不同，各建筑物散热器面积相差悬殊。即使同期设计的住宅楼，也由于设计单位不同，设计热指标也相差很大，加上不断扩大的供暖面积，管网失调严重。1999年将锅炉房供暖系统改为城市热力管网供热，热力站采用快速换热器进行换热，并采用量化管理节能技术。改建后的系统包括1、2#热力站，其中1#热力站采用5台换热器，3台循环水泵，2用1备，2台补水泵，1用1备，在该热力站安装了插入式涡轮流量计和计算机监测系统；2#热力站采用3台换热器，3台循环水泵，2用1备，2台补水泵，1用1备，在该热力站安装弯管流量计监测系统。

3.技术方案的确定
通过对北京市供热系统进行系统的调查研究，收集有关资料和相关数据，并对供暖示范单位进行调查，在进行研究论证后，最终确定了如下的技术方案。

3.1 热源系统

A小区锅炉的台数是按照北京市供暖室外计算温度确定的，根据收集到的北京地区近几年的气象资料的不完全统计，整个供暖期能达到室外设计温度值的小时数只占总供暖小时数的2%~5%。也就是说，按照室外计算温度确定的锅炉台数在整个供暖期中，锅炉只在2%~5%的时间里是满负荷运行的，而其余大部分时间里是非满负荷运行的。提高锅炉运行效率的方法有两种，一是改变锅炉的容量；另外一种是提高锅炉的出力值，其中最为根本的是提高单台锅炉的出力值。为此采取的优化技术方案为：

1.提高锅炉炉膛温度

选取运行状态比较好的1#，2#，3#锅炉进行试验，逐步使其供水温度上升至110℃左右，并相应调节其它锅炉的炉膛温度，经测试，可提高锅炉出力20%左右。

2.加强对煤质的总体控制

由于以前供暖所用煤的渠道比较混乱，每批煤的发热值以及煤质都无法得到有效的控制，造成锅炉出力的不稳定性。因此，采用定点定矿以及设置专门的配煤点等措施，从整体上把握煤的质量；通过反复的燃用对比实验及煤质的工业分析和化学分析，确定合理的煤渣比，最终煤质达到以下要求：

（1）应用基低发热值大于21500KJ/Kg；

（2）可燃烧挥发物大于20%，灰分中碳的含量小于10%；

（3）煤的粒度最大不超过50毫米，小于3毫米的煤不应超过15%。

3.2 泵房系统

3.2.1 为了保证高层供暖系统安全稳定的工作，设置变频补水控制装置，通过变频器连续的改变水泵的转速，从而可以实现连续的调节补水量，使供热系统不超压、不倒空、不气化。此项技术为优化运行技术的顺利实施提供了保障。

3.2.2 循环水泵的流量应根据锅炉进、出水的设计温度差、各用户的耗热量和管网损失等因素确定。用户的需热量一定时，热源的供热量是主要问题，而热源的供热量主要取决于循环水泵的流量和供回水温差。A小区锅炉房的锅炉设计供水温差为60℃，自运行以来，由于循环水量偏大，实际供回水温差只有20~30℃，锅炉一直处在低负荷状态下工作。通过核算停掉并联运行的1台水泵，适当增大供回水温差。由于这样做势必增大单台水泵的功耗，容易造成水泵电流的超载，因此必须对其管路系统进行节流才能保证水泵工作正常，通过测算这样做可节约电能35~40%左右。按照要求，热水采暖系统的耗电输热比应按照下列公式计算：

EHR= 

式中： EHR——设计条件下输送单位热量的耗电量

——全日系统供热量， kw·h

——全日理论水泵输送耗电量， kw·h

——全日水泵运行时数， h

N——水泵铭牌轴功率， kw

q——设计热指标， kw/m2

A——供热面积， m2

——设计供回水温差， ℃

——室外管网主干线长度， m

计算结果见表1。

表1 育新小区水泵耗电输热比计算表 供暖面积

A（m2）
 热指标

q(kw/m2)
 水泵轴功率

N(kw)
 室外干线总长度

∑L(m)
 耗电输热比EHR
 
42104
 0.0411
 75
 3200
 0.0043
 

其EHR值小于计算值0.0045，符合要求。

3.3 热力平衡的调整

经过调查研究，我们发现示范单位的热力失调现象比较严重，经常出现部分用户温度过高，昼夜开窗，有的用户温度则低于18℃，所以有必要对系统进行热力平衡的调整：

3.3.1 各热用户引入口设置暖气井；各环路、各热用户供回水管安装压力表、温度计和调节阀等，并采用多点测温装置收集各热用户的回水温度。（见图1）


图1 用户入口示意图 
3.3.2 将外网的所有不能正常使用的阀门全部换掉，采用调节性能较好的调节阀代替截止阀和闸阀，确保以后调节工作的顺利进行。

3.3.3 采用等温降法，根据各热用户、各环路供回水压力差、温度差与热源总供回水温差，经测试、计算，分别调整其循环流量。

⊿P=⊿Py（⊿ty / ⊿tr） a

⊿Py----调节前热用户供回水压力差 Pa 

⊿ty----调节前热用户供回水温度差 ℃

⊿tr----调节前热源总供回水温度差 ℃

a----修正系数

理论上，应根据各热用户供回水压力差、温度差与热源总供回水温差和计算所得的压力差分别对各环路、各热用户引入口装设的阀门进行调节。供回水温差小于总供回水温差的热用户节流，反之则开大。根据这个原理，我们利用微机监测系统提供的多点测温装置显示、记录比较重要用户的回水温度，按照建筑物面积的多少和多点测温装置所传送的温差偏高程度顺序调节。当各用户供回水温差与热源总供回水温差的差额不超过2℃时为达到要求。

4．测试结果分析
在采暖季，对两个示范工程供暖系统进行连续监测，并把各种数据进行整理和分析，得出不同室外温度、不同时间段所需的热负荷表或曲线，这样做还对以后的供暖系统实行计热收费提供指导依据。

4.1 室内温度和供回水温度分析

制定锅炉运行方案主要是针对室外温度随各个时刻的变化规律来确定系统的运行参数，满足用户各个时刻对热量的不同需求。较为理想的用户室内温度曲线如图2，这样的运行曲线可通过采用优化运行方案后，依靠监测系统的控制来实现。


图2 小区室内温度随时间变化对比图 
由图3可以看出，对于热力站供暖系统，二次网的供回水温度波动较小，但室内温度波动较大且与室外温度的变化趋势基本保持一致。这是因为一次网的供水温度由热力公司控制，在一段时间内或某一天其值基本保持恒定，而一、二次网的流量波动很小，所以，二次网的供回水温度波动较小，系统的供热量也基本不变（瞬时热量变化较小）。而对用户来说，当室外温度降低，热负荷增加，如供热量不变，室内温度降低；反之亦然。


图3 B小区1#热力站参数变化趋势图（2000.3.8） 
图4 A小区参数变化趋势图 （2000.1.22） 
由图4看出，锅炉房供暖系统的供回水温度波动较大，由于工作人员会根据室外气象条件的变化来调节锅炉的出水温度，决定什么时候启炉，什么时候停炉以及开几台炉，所以供水温度基本上是随着室外温度的变化而变化的（存在时间滞后），瞬时热量变化也较大。所以锅炉房供暖系统的用户室温比热力站供暖系统波动小。

4.2 供暖面积热指标分析

4.2.1 热力站供暖系统

由表2、表3可以看出，在采暖期的大部分时间里，两个热力站的实际供热指标比实需供热指标高得多，特别是在采暖期的末期尤为明显。由表5可以看出，1#、2#热力站在整个采暖期的平均供热指标（对应-9℃下）为72.5w/m2和44.1w/m2，而他们实际需要的供热指标（对应-9℃下）为55.3w/m2和36.7w/m2，这造成大量的热量浪费。但是，有时也会出现热量供给小于需求，这正是热力站供暖系统的关键问题所在，所以，有必要对系统进行调节，保证按需供热。

时间段
 小时数
 实测室外

平均温度
 实需热

指标
 实需供

热量
 实际供

热量
 实际热

指标
 
（h）
 （℃）
 （w/m2）
 （GJ）
 （GJ）
 （w/m2）
 
24/1 13:29-24/1 15:59
 2.5
 -5
 42.59
 26
 38.8
 63.5
 
24/1 20:45-24/1 21:50
 1.08
 -8.2
 48.52
 12.8
 17.2
 65.1
 
26/2 08:40-26/2 14:23
 5.72
 7.5
 19.44
 27.2
 55.1
 39.4
 
27/2 16:15-28/2 08:44
 16.48
 3.6
 26.67
 107.5
 161.8
 40.1
 
08/3 09:06-08/3 15:09
 6.05
 5.1
 23.89
 35.4
 53.1
 35.9
 
22/3 08:50-22/3 15:07
 6.28
 15.1
 5.37
 8.2
 54.1
 35.2
 
表2 1#热力站供暖面积热指标对比表 时间段
 小时数
 实测室外

平均温度
 实需热

指标
 实需供

热量
 实际供

热量
 实际热

指标
 
（h）
 （℃）
 （w/m2）
 （GJ）
 （GJ）
 （w/m2）
 
21/1 15:28-22/1 08:54
 17.43
 -3.2
 39.26
 116.0
 136.2
 46.1
 
22/1 13:00-22/1 16:08
 3.13
 0.7
 32.04
 17.0
 25
 47.1
 
26/2 08:30-26/2 14:04
 5.57
 7.5
 19.44
 18.4
 21.7
 23.0
 
12/3 08:15-12/3 14:28
 6.22
 13.5
 8.33
 8.8
 14.5
 13.8
 
17/3 14:29-18/3 08:51
 18.37
 12.3
 10.56
 32.9
 37.1
 11.9
 
22/3 08:38-22/3 15:00
 6.37
 14.6
 6.30
 6.8
 12.7
 11.8
 
表3 2#热力站供暖面积热指标对比表 
4.2.2 锅炉房供暖系统

由表4可知，锅炉房供暖系统在采暖期中供热指标比实际需要供热指标高。表5表明，在整个采暖期中，系统平均供热指标（对应-9℃下）为44.1w/m2，而实际需要的供热指标（对应-9℃下）为41.1w/m2，从节能的角度看，如果实现按需供热，可以节约大量的煤，也减少了对环境的污染。

表4 A小区供暖面积热指标对比表 时间段
 小时数
 实测室外

平均温度
 实需热

指标
 实需供

热量
 实际供

热量
 实际热

指标
 
（h）
 （℃）
 （w/m2）
 （GJ）
 （GJ）
 （w/m2）
 
24/01 17:00-25/01 08:00
 15
 -8.7
 49.44
 125.7
 279.12
 76.1
 
26/01 08:00-26/01 15:00
 7
 -2.5
 37.96
 65.0
 122.23
 71.4
 
02/02 09:00-02/02 15:00
 6
 -0.98
 35.15
 51.6
 98.86
 67.4
 
15/02 14:00-16/02 08:00
 18
 -0.15
 33.61
 148.0
 193.25
 43.9
 
22/02 10:00-22/02 16:00
 6
 6.51
 21.28
 31.2
 63.60
 43.3
 
05/03 14:00-06/03 09:00
 19
 8
 18.52
 86.1
 175.86
 37.8
 
16/03 08:00-16/03 15:00
 7
 13.4
 8.52
 14.6
 47.43
 27.7
 

4.3 节能效益分析

4.3.1 节热分析

由表5中可以看出，A小区和B小区1#、2#热力站在整个采暖期中的供热量都比实际需要的供热量高，他们的室内平均温度分别为19.3℃、23.45℃、21.5℃，比室内设计温度18℃高，导致有些用户由于室温太高而昼夜开窗，从而造成大量热量的浪费，所以，如果让室内平均温度维持在18℃，则相应所需的供热量分别为132502.92GJ、28126.68GJ、13058.93GJ，如此即可分别节能6.93%、23.78%、16.69%。

　 A小区
 B小区（1#）
 B小区（2#）
 
采暖期室内平均温度tn（℃）
 19.3
 23.45
 21.5
 
采暖期室外平均温度tw（℃）
 0.53
 0.53
 0.53
 
采暖天数（days）
 138
 134
 135
 
采暖面积（m2）
 418 200
 67 943
 47 092
 
采暖期总供热量（GJ）
 142362.9
 36901.17
 15675.2
 
对应tw的供热指标（w/m2）
 28.6
 46.9
 28.5
 
对应-9℃的供热指标（w/m2）
 44.1
 72.5
 44.1
 
tn为18℃时需供热量（GJ）
 132502.92
 28126.68
 13058.93
 
对应tw 的需供热指标（w/m2）
 26.6
 35.8
 23.8
 
对应-9℃的需供热指标（w/m2）
 41.1
 55.3
 36.7
 
节能百分数
 6.93%
 23.78%
 16.69%
 
表5 1999～2000采暖季供热量统计表 
4.3.2 节电分析

A小区的供暖面积为29.8万m2,其供暖系统一次网采用三台ISB200/150-400-50A型水泵（N=75Kw），其中一台作为备用。根据系统一次网的设计流量，采用一台水泵即可满足系统的正常使用要求。而实际工程中采用了两台水泵，造成系统“大流量小温差”运行，浪费大量电能。如果一次网由原来的两台水泵改为一台运行，则99～00采暖季，系统一次网循环水泵可节电75×24×138=248 400kWh。

5.结语
住宅小区供热系统从锅炉房、换热站、外网等在运行上都存在一些内在的规律，通过对实际运行过程中各种参数的分析，可以发现其中的一些规律，从而达到节能的目的。

参考文献：
[1] 温丽.对推进我国供热系统节能的看法和建议.暖通空调,1998.1 (28)：3~5

[2] 李德英.锅炉供暖量化管理与节能技术.北京:中国建筑出版社,1992

[3] 黄永生.离心式泵与风机变速运行的节能原理与实现.能源研究与利用,1999.5

[4] 李联友.热水供暖锅炉容量和台数的确定.暖通空调,1997.2(27)：1~3

[5] 顾兴蓥 主编.民用建筑暖通空调设计技术措施.中国建筑工业出版社,1996.2

[6] 李联友，刘玉堂.锅炉供暖系统综合治理技术.河北建筑工程学院学报,2001.2（19）40~42

[7] 李联友.住宅小区锅炉房供暖系统优化运行的应用研究.北京建工学院硕士学位论文,2002.12

附 ：第一作者：李联友 男 1967年生 硕士研究生 讲师 河北建筑工程学院城市建设系 教学工作 

联系人：李联友 河北省张家口市建国路33号 河北建筑工程学院 城市建设系

邮编： 075024 mp：013081828571 E-MAIL：sarge@sohu.com

附2，3，4作者；2 北京建筑工程学院 3 杭州长城建筑集团公司北京分公司 4天津大学