熱水低溫直供集中供暖系統(tǒng)輸熱能力提升技術(shù)分析

王全福，趙云鵬，倪 珅

（黑龍江建筑職業(yè)技術(shù)學院，黑龍江 哈爾濱 150025）

在城鎮(zhèn)集中供暖發(fā)展歷程中，早期最常采用的供熱方式是熱水低溫直供集中供暖系統(tǒng)，后續(xù)伴隨著城鎮(zhèn)供熱系統(tǒng)的整合，很多這類系統(tǒng)改造成了間供換熱站的供熱模式。但是目前仍有一定比例的熱水低溫直供集中供暖系統(tǒng)的存在，尤其是利用熱電廠凝汽器余熱的低真空供熱系統(tǒng)[1-2]。然而與此相矛盾的是，隨著區(qū)域供熱面積逐年遞增，導致原有的供熱管網(wǎng)輸熱能力不足。在此針對熱水低溫直供集中供暖系統(tǒng)輸熱能力提升技術(shù)進行研究分析。

1 熱水低溫直供集中供暖系統(tǒng)存在的問題

熱水低溫直供集中供暖系統(tǒng)的供熱主管道由熱電廠或區(qū)域鍋爐房等熱源內(nèi)直接引出，沿相應的城鎮(zhèn)道路直埋敷設。將整個供熱區(qū)域分成多個小型的供熱區(qū)，每個小型供熱區(qū)設置一座分配站，并就近通過供熱支管與供熱主管道相連接，最終形成如圖1 所示的管道連接形式。

以上的系統(tǒng)形式在運行中出現(xiàn)了如下的問題：

（1） 由于熱源出來的主管道與眾多分配站直接連接，而分配站內(nèi)僅僅設置了分集水器及手動關(guān)閉閥，這些閥門屬于快開特性的閥門，不具備良好的流量調(diào)節(jié)能力，這使得系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)異常困難，基本沒有辦法真正調(diào)平，于是出現(xiàn)冷熱不均的問題。

（2） 該系統(tǒng)為了保證用戶溫度達到供熱條例和相應規(guī)范的要求，往往采用增大循環(huán)流量的方式，導致熱源廠內(nèi)總循環(huán)泵的運行耗電量大幅增加。

（3） 由系統(tǒng)水壓圖2 明顯看到，該系統(tǒng)距離熱源廠近的分配站（比如1#）資用壓差很大，末端分配站（n#）資用壓差最小。而要保證供熱質(zhì)量，就必須保證末端具有足夠的資用壓差，則系統(tǒng)前端大部分分配站的資用壓差將大于實際所需，尤其是距離熱源最近的幾個站剩余資用壓頭過大，這些站就需要采用閥門節(jié)流的方式將多余的資用壓頭消耗掉，而通過節(jié)流損失消耗掉的壓頭恰恰是系統(tǒng)耗電量的一部分，所以進一步加劇了電能的浪費。

（4） 伴隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，各地城區(qū)的供熱面積都在逐年增加，給該系統(tǒng)帶來了更為嚴峻的問題。原有主管道管徑的選擇往往沒有充分考慮到城鎮(zhèn)化發(fā)展如此快速的情況，當建筑面積增加到一定程度，區(qū)域熱負荷就超過了原有管道所具備的輸熱能力，這時候就勢必影響到了正常的供熱質(zhì)量。有些熱企在此時往往采用更換大管徑管道的方式解決這個問題，但是這帶來了較大的建設投資，而且破環(huán)了城鎮(zhèn)道路，影響正常的交通出行，有的時候城區(qū)的特殊路段還無法獲批施工。有的熱企又采用更換更大流量和揚程的循環(huán)泵試圖解決這個問題，結(jié)果非但沒有解決問題，反而還帶來了更為嚴重的冷熱不均現(xiàn)象。

2 供熱管道輸熱能力提升的途徑

由熱量計算公式（1）[3]我們可以看到，供熱管道輸熱能力取決于運行流量和供回水溫差。要想提升輸熱能力有兩個途徑：一是增大管網(wǎng)的循環(huán)流量；二是增大管網(wǎng)的供回水溫差。

式中，Q- 供熱管網(wǎng)輸送熱量，kW；c- 水的比熱容，kJ/(kg·℃)；G- 供熱管網(wǎng)的循環(huán)流量，t/h；Δt- 供回水溫差，℃；tg- 供熱管網(wǎng)供水溫度，℃；th- 供熱管網(wǎng)回水溫度，℃。在不更換大管徑管道的情況下增大循環(huán)流量，會使管道運行比摩阻過大，不滿足規(guī)范的要求。同時，增大流量會帶來阻力的增加，原有循環(huán)水泵可能無法滿足使用要求。所以，增大循環(huán)流量的方法并不是提升管道輸熱能力的最佳方案。如果采用增大管網(wǎng)的供回水溫差來提升輸熱能力，則維持了原有系統(tǒng)的循環(huán)流量，不改變原有系統(tǒng)的阻力，循環(huán)泵的功耗不增加。如果采用最小循環(huán)流量運行（滿足凝汽器冷卻運行需要），就會使系統(tǒng)運行阻力降低，減小循環(huán)水泵的電功耗。增大供回水溫差可以采用降低回水溫度或者增加供水溫度兩個方式來解決，回水溫度降低勢必會引起用戶側(cè)末端設備的平均水溫降低，導致用戶側(cè)室溫下降，所以不能隨意降低回水溫度；那么提高供水溫度就成為優(yōu)選項，只要增大熱源供熱量就可以提高熱網(wǎng)的供水溫度，溫差增大的程度取決于實際熱負荷需求。

3 熱水低溫直供集中供暖系統(tǒng)輸熱能力提升技術(shù)

提高供水溫度增大供回水溫差雖然解決了主管網(wǎng)的輸熱能力問題，但是帶來了另外一個問題，就是可能出現(xiàn)與熱用戶所需供水溫度不匹配的問題，尤其是地熱用戶規(guī)范要求供水溫度不超過60 ℃[4]。原有系統(tǒng)為了兼顧散熱器和地熱兩種用戶需求，將供水溫度控制在≤60 ℃，但是當提高供水溫度后，就會出現(xiàn)超過60 ℃的情況，那么對于地熱而言就超出了規(guī)范的要求，也將嚴重影響舒適感。需要采用相應的技術(shù)手段來解決這一矛盾。解決矛盾也存在兩種方法：一是增設板式換熱器，通過間接換熱的方式降低用戶側(cè)供水溫度，但這也降低了用戶側(cè)回水溫度，同時增加的間接換熱環(huán)節(jié)也會產(chǎn)生散熱損失；二是通過向供水中混入適當?shù)幕厮髁繌亩淖冇脩魝?cè)供水溫度，該方法不降低回水溫度，換熱效率也高，是理想的解決方法。

3.1 多元化混合回水模式的應用

混入適當?shù)幕厮髁康姆绞胶芏啵谳敓崮芰μ嵘脑爝^程中要結(jié)合實際情況綜合應用各種模式。

3.1.1 旁通加壓混合回水的應用

對于資用壓差足夠大、完全滿足二次側(cè)用戶管網(wǎng)系統(tǒng)循環(huán)阻力的分配站，應采用旁通加壓混合回水的方式進行改造，具體流程見圖3。

該模式是在需要改造的分配站內(nèi)原有供回水管之間增設旁通管，并在旁通管上設置混合水泵。運行時，利用旁通管上的混合水泵將二次側(cè)回水管中的部分回水加壓后打入一次側(cè)供水中，混合降溫后形成二次側(cè)供水向用戶供熱，而另外的一部分二次側(cè)回水返回至一次側(cè)回水管中。該混合水泵的流量為實際需要的設計混合水量大小，揚程需要滿足二次用戶側(cè)管網(wǎng)阻力損失加上站內(nèi)阻力損失及用戶內(nèi)部阻力損失的和，同時水泵需要設置變頻器，以能夠適應靈活調(diào)節(jié)的需要。該模式由于水泵流量僅僅為混合回水量，小于二次側(cè)用戶循環(huán)水量，所以在各種混合回水模式中，這是運行狀態(tài)下泵功耗最小的方案，所以在條件允許的情況下應優(yōu)先采用此方案。

在提高輸熱能力改造的過程中，應在供水管上安裝電動調(diào)節(jié)閥，以適應變流量運行需要。不必拆除原有減壓閥或手動調(diào)節(jié)閥，這樣可以使電動調(diào)節(jié)閥的閥權(quán)度處于合理范圍，保證其有效的調(diào)節(jié)能力。

3.1.2 供水加壓混合回水的應用

對于某一些二次側(cè)供水壓力需求大于一次側(cè)供水壓力的分配站，應采用供水加壓混合回水的方式進行改造，具體流程見圖4。

該模式是在旁通管和一次側(cè)供水管上加設電動調(diào)節(jié)閥，混合水泵設置在二次側(cè)供水母管上。該系統(tǒng)運行時，由混合水泵將一次側(cè)供水與二次側(cè)部分回水同時吸入，混合降溫后形成二次側(cè)供水向用戶供熱，而另外的一部分的二次側(cè)回水直接返回到一次側(cè)回水管中。兩個電動調(diào)節(jié)閥在如下情況下進行適當控制：當一次側(cè)供水壓力高于二次側(cè)回水壓力時，可調(diào)節(jié)一次側(cè)供水管上的電動調(diào)節(jié)閥使其閥后的壓力與二次側(cè)回水壓力平衡；而當二次側(cè)回水壓力高于一次側(cè)供水壓力時，可調(diào)節(jié)旁通管上的電動調(diào)節(jié)閥使其混入供水管中的壓力與一次側(cè)供水壓力平衡。該模式中混合水泵的流量需符合二次側(cè)用戶的實際流量的要求，揚程需要滿足二次側(cè)管網(wǎng)阻力損失加上站內(nèi)阻力損失及用戶內(nèi)部阻力損失的和，水泵需要設置變頻器。

3.1.3 回水加壓混合回水的應用

對于某一些二次側(cè)回水壓力小于一次側(cè)回水壓力的分配站，應采用回水加壓混合回水的方式進行改造，具體流程見圖5。

該模式是在旁通管和一次側(cè)供水管上加設電動調(diào)節(jié)閥，混合水泵設置在二次側(cè)回水母管上。該系統(tǒng)運行時，由混合水泵將二次側(cè)回水加壓，其中一部分回水直接進入一次側(cè)回水母管中，另外一部分回水則通過旁通管流入一次側(cè)供水母管中，混合降溫后形成二次側(cè)供水向用戶供熱，混合水量可由旁通管上電動調(diào)節(jié)閥控制。該模式中混合水泵選型原則同供水加壓混合回水模式。對于二次側(cè)回水壓力小于一次側(cè)回水壓力的分配站，有時也可以選擇如下的旁通加壓混水+一次側(cè)提升加壓回水的方案，流程見圖6。

該模式是在旁通管上設置混合水泵，同時在一次網(wǎng)回水管上設置提升加壓泵。運行時，利用旁通管上的混合水泵將二次網(wǎng)回水管中的部分回水加壓后打入一次網(wǎng)供水中，混合降溫后形成二次側(cè)供水向用戶供熱，而另外的一部分二次側(cè)回水經(jīng)由一次側(cè)提升泵加壓后送回到一次側(cè)回水管中，以滿足系統(tǒng)回水壓力的需要。該混合水泵選型原則同旁通加壓混合回水模式；一次側(cè)提升泵流量滿足一次側(cè)設計流量的要求，揚程需滿足設計提升壓力差的要求。兩種水泵均需要設置變頻器。

3.2 最佳混合水量控制的應用

打破傳統(tǒng)二級網(wǎng)定流量質(zhì)調(diào)節(jié)的運行方式，不斷尋求最優(yōu)運行循環(huán)流量及最佳混合水量，以最大限度的節(jié)約電能和熱能。最優(yōu)運行循環(huán)流量就是指在某一工況下每座熱力站對應唯一的可以保證區(qū)域熱用戶不出現(xiàn)水力失調(diào)的運行流量[5]，而在該流量基礎上計算出來的混合水量即為最佳混合水量。系統(tǒng)在最佳混合水量情況下運行，就可以保證系統(tǒng)熱力工況的穩(wěn)定。公式（2）為室內(nèi)雙管用戶系統(tǒng)對應的最佳混合水量的計算方法，公式（3）為室內(nèi)單管用戶系統(tǒng)對應的最佳混合水量的計算方法。

式中：Gh- 最佳混合水量，t/h；tn- 室內(nèi)空氣溫度，℃；tw-某一室外溫度，℃；t'n- 室內(nèi)設計溫度，℃；t'w- 供暖室外計算溫度，℃；B- 傳熱指數(shù)；對于鋼制和鑄鐵散熱器B=0.2-0.35，對于地熱B=1.032；u- 設計混合比；t1- 一次網(wǎng)設計供水溫度，℃；θ1- 二次網(wǎng)設計供水溫度，℃；t2- 供熱管網(wǎng)設計供水溫度，℃。

在實際供熱系統(tǒng)運行過程中，根據(jù)每一座分配站的用戶實際情況并針對各種室外氣溫條件進行最佳混合水量的計算，并通過智能控制系統(tǒng)對混合水泵進行變頻調(diào)節(jié)、對電動調(diào)節(jié)閥開度進行適當調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)輸熱能力提升后系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、節(jié)能、節(jié)電的最優(yōu)化運行。

4 結(jié)論

熱水低溫直供集中供暖系統(tǒng)存在著能耗電耗高、供熱效果不均衡、面積增大后難以適應的弊端，為有效解決這些問題，提出了基于增大一次側(cè)供回水溫差和尋求最佳混合水量控制的輸熱能力提升技術(shù)。采用增大一次側(cè)供回水溫差方法實現(xiàn)在不改造原有供熱主管道的情況下提升輸熱能力的目的，同時配合采用多元化混合回水模式并通過自動控制系統(tǒng)尋求最佳混合水量控制的方法實現(xiàn)與用戶需求的良好契合。該技術(shù)的應用，可以有效的降低系統(tǒng)的能耗和電耗，帶來顯著的經(jīng)濟效益、環(huán)保效益、社會效益。