供熱運行調節及熱網平衡

山東建筑大學熱能工程學院 樊慶波

濟南市熱電總公司 王慶云

供熱運行調節及熱網平衡

山東建筑大學熱能工程學院 樊慶波

濟南市熱電總公司 王慶云

一、熱負荷

建筑物采暖熱負荷同室外氣溫、濕度、風向、風速等因素有關，室外氣溫有決定作用，在理論上，把熱負荷看作室外溫度的函數，即Q=f(tw)=K·F(tn-tW)。

供熱過程就是維持建筑物室內氣溫適宜人們工作、生活，維持建筑物得熱與失熱始終處于一個動態的平衡的過程。即熱平衡方程式：

Q=KF(tn-tw)=G·C(tg-th)·ρ/3600

Q，熱負荷W；K，建筑物傳熱系數W/m2·℃；F，建筑物外表面積m2；tn，室內氣溫℃；tw，室外氣溫℃；C，水的比熱J/kg·℃；G，采暖循環水流量m3/h；tg，供水溫度℃；th，回水溫度℃；ρ，水的密度kg/m3。

二、供熱節能

熱網總能耗包括2部分：一是供熱量；二是輸送熱量所消耗的電能。熱網節能有以下途徑。

1．減少供熱量。熱網熱負荷隨著室外氣溫變化而變化，每一時刻為滿足采暖建筑的采暖要求(室溫18℃)所供熱量的為最小值，即總供熱恰好等于基本的總需求。供小于需則供熱不達標，供大于需則用戶過熱室溫過高，熱能浪費。結合供熱區域的供熱半徑熱惰性情況，需分時段預測性的對熱網進行調節，以使供求熱量保持平衡，維持在最小值。

2．熱量分配均衡。熱量分配力求熱網上各用戶室溫均衡，避免因熱網的水平失衡，用戶垂直失衡，而造成用戶冷熱不均現象。即避免冷的用戶達標，而熱的用戶超溫，熱能浪費。熱網的平衡是熱網節能的基礎，是供熱調節的前提。室內散熱器恒溫溫控閥調節是按需分配的重要手段。調節恒溫控制閥可使房間的供熱需求最大化節能。

3．節省熱量輸送電耗。

熱量的輸送是消耗電能的過程，所耗有效功率：N e=V·△P·ρ·g/3 6 0 0 （2）熱量輸送所消耗有效功率Ne同流量V成正比，同系統阻力△p成正比。

式中：Ne，有效功率W；V，循環水流量m3/h；△p，系統阻力m；ρ，水密度kg/m3；g，常數N/Kg。由熱水網路的水力特性可知：

△P=S·V 2 （3）

將 （3）式代入（2）式可得：N=S·V3·ρ·g/3600(4)。可知有效功率Ne只同流量V的立方成正比，其它為常數(S值在熱網閥門不操作時也為常數)，減少熱網流量V將降低電耗。

當熱網采用水泵調速改變流量運行時也可從水泵相似理論獲得。由熱平衡方程Q=KF(tn-tW)=G·C·(tg-th)·ρ/3600可知，當室外溫度tw一定時，建筑物耗熱Q為一定值，即供熱量G·C·(tgth)·ρ/3600為一定值，此時可以通過增大(tg-th)，降低熱網循環流量G，從而降低輸熱電耗。

三、供熱調節

散熱器供暖系統供熱調節的基本公式為：

Q=Q/Qj=K·F·(tn-tw)/K·F·(tn-twj)=Ks·Fs·(tp-tn)/Ksj·Fs·(tpj-tn)=G·C·(tg-th)·ρ/3600/Gj·C·(tgj-thj)·ρ/3600

即Q=Q/Qj=(tn-tw)/(tn-twj)=(tg＋th－2tn)1+B/(tgj＋thj－2tn)1+B=G·(tg-th)·/Gj·(tgj-thj) （4）

式中，2Q—相對熱量比；Fs—用戶系統內散熱器的散熱面積，m2；Ks，Ksj—散熱器的供熱系數，W/m2·℃；tp，tpj—散熱器內載熱介質的平均溫度，℃；B—為常數，與散熱器構造有關。由此方程可知：

1 . 當（室）外溫度tw變化時，熱網各用戶樓需求熱量及熱網總需求熱量按同一比例變化。

2. 用戶的耗熱量Q隨著用戶室內溫度tn的升高而增加，當室內溫度tn等于設計的18℃時的耗熱量，為建筑物基本耗熱量，即保證建筑物供熱質量下的最少耗熱量。

四、熱網與熱用戶整體關系

供熱調節包括質調節、量調節、分階段改變流量的質調節和間歇調節。上述方法作為補充條件，代入供熱調節的基本方程式得各調節方法的調節公式。

1．質調節(常用于熱水網)。循環水流量保持不變而只改變供水溫度。適用于一、二級熱網，為國內采用的調節方法。優點為水力工程穩定，熱網易實現自動化調節，便于熱源廠及熱網的安全連續運行。缺點為只節熱，不節電。熱網遠、近端用戶溫度有時間差。

2．量調節（常用于水熱網、汽熱網）。保持供水溫度不變，只改變循環水流量。適用于一級熱網，且因目前熱網平衡控制方面存在困難，所以在國內較少應用。二級熱網采用量調節在技術上難以實現，原因有以下幾個方面。

二級熱網存在平衡控制方面的困難；隨著室外氣溫升高，網路水流量迅速減少，使室內供暖系統產生嚴重的垂直熱力失調。量調節的優點為節熱，節電。流量在管道中變化是以壓力變化來實現的，水又是不可壓縮的，傳遞速度非常快，因而此種調節可消除熱網遠近兩端在調節上的時間差，達到調節上的同步。

3．分階段改變流量的質調節，把整個供熱期按室外溫度的高低分幾個階段，在熱負荷大時采用大流量，在熱負荷小時采用小流量，流量變化不超過3～4個階段，在每一個階段采用流量不變的質調節。適用于一、二級熱網，應用僅次于質調節。

在每一個階段內，水力工況穩定，熱網遠近端用戶溫度存在時間差。在熱網平衡控制上較量調節稍易實現，比質調節稍難。流量變化不連續，只分幾段，故節熱同時只能部分節電。一級網使用少，二級網可推廣。

4．間歇調節（蒸汽熱網和熱水熱網都可以采用這種調節方式）。它不改變網絡的循環水量和供水溫度，只減少每天的供熱時間，只能作為一種輔助調節措施。優點是根據熱用戶需求進行供熱，適用辦公等間歇用熱的熱用戶，因供熱熱惰性，供熱啟停需要統籌安排。

5．熱水供暖系統的最佳調節工況（質和量的綜合調節）。上述4種調節方法，都是從熱網與熱用戶整體關系的角度來討論熱量的供求調節關系。它只能保證用戶整體在某一室外溫度下的耗熱量，只能保證用戶整體的平均室內溫度等于設計值，不能保證用戶內各個房間的室內溫度都符合設計值。從單個用戶樓室內采暖系統角度來考慮，供熱調節不僅應滿足用戶整體在某一室外溫度下的耗熱量，保證用戶整體的平均室內溫度等設計值，而且應保證用戶每個房間的室內溫度都等于設計值，即隨著室外溫度tw的變化，不但熱網總熱負荷與各用戶樓的熱負荷按相同的比例進行變化，而且應使用戶每個房間的散熱設備的放熱量也按相同的比例變化。由此可得出熱水供暖系統的最佳調節工況，公式如下：

雙管系統： G=G/Gj=Q1/3=(tn-tw/tn-twj)1/3

tg=tn+(1/2)·(tgj+thj-2tn)·(tn-tw/tn-twj)1/1+B+(1/2)·(tgjthj)·(tn-tw/tn-twj)2/3

th=tn+(1/2)·(tgj+thj-2tn)·(tn-tw/tn-twj)1/1+B-(1/2)·(tgjt h j)·(t n-t w/t n-t w j)2/3 （5）

單管系統： G=G/Gj=QB/1+B=(tn-tw/tn-twj)B/1+B

tg=tn+(tgj-tn)·(tn-tw/tn-twj)1/1+B

th=tn+(thj-tn)·(tn-tw/tn-twj)1/1+B （6）

由公式可知，不論是單管還是雙管熱水供暖系統，其最佳調節工況均是質和量的綜合調節。隨著室外氣溫tw的升高，不但應降低供水溫度tg，而且還應逐步減少網路的循環水流量G。同一供熱系統中，熱網循環水總流量與各用戶樓及用戶各房間的循環水流量的變化比例是一致的。(假定同一供熱系統中，各用戶樓室內采暖系統的型式完全相同)。對于二級熱水網來講，此法供熱質量最好，既節電又節熱。因為此種調節方法流量的變化也是連續的同量調節一樣，也存在熱網平衡控制上的困難，所以雖然國內供熱行業在二級熱網實施循環泵變頻調速變流量運行，進行質和量并調的工程實踐項目也較多，但效果不好。流量的變化幅度不大，降不下來，運行中流量多數都是始終高于設計狀態下的計算流量，沒有達到最佳調節工況的參數狀態。

在供熱設備與熱網負荷匹配，同時熱網也平衡的理想狀況下，二級熱網循環泵變頻調速的節電效益是很高的。正因為熱網的不平衡，導致二級熱網循環泵變頻調速變流量運行節能效益不高，阻礙了此項節能技術的推廣。因此，首先要對換熱站設備進行系統優化，站內設備嚴格按照設計工況下進行選型，實現最大節能效果。同時質、量調節的前提是二級網的水力平衡和熱力平衡，站內加裝自控裝置，二級網加裝必要的調控裝置及溫控裝置，在確保熱用戶用熱效果前提下，通過質和量調節運行，達到最佳節能效果。