影響供熱管網(wǎng)輸熱能效的因素及解決措施研究

徐世軍

大連大發(fā)電工熱有限公司，遼寧 大連 116021

引言

能源作為推動各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要?jiǎng)恿Γ絹碓降玫礁鲊闹匾暎欢ǔ潭壬现v，誰掌握了能源，誰就掌握了經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主動性。但是，隨著能源需求量的不斷攀升，世界上絕大多數(shù)國家都面臨著能源短缺的挑戰(zhàn)，如何解決能源問題，保證一國的能源供應(yīng)，已成為各國發(fā)展過程中的一項(xiàng)嚴(yán)峻任務(wù)。我國作為能源消費(fèi)大國，為保證我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，不得不重視能源問題。中國人均用能雖然還不到世界人均的50%，但中國的能源消耗總量已躍居世界第二位[1]。據(jù)有關(guān)預(yù)測顯示，2010年中國能源缺口已達(dá)到8%，預(yù)計(jì)到2040年，國內(nèi)能源缺口將達(dá)到24%。目前，作為能源消耗的一個(gè)重要方面，全國供熱采暖耗能占全社會總能耗的10%，但供熱系統(tǒng)熱損失也高達(dá)30%。隨著中國城鎮(zhèn)化建設(shè)的深入，能耗需求也將進(jìn)一步上升。這就使得降低供熱能耗、提高供熱效率顯得尤為緊迫。

1 我國集中供熱存在的主要問題

設(shè)施及資金投入不足。目前我國大部分地區(qū)集中供熱所依托的管網(wǎng)多為枝狀管網(wǎng)，且多數(shù)室外枝狀管網(wǎng)的主要節(jié)點(diǎn)處缺乏相應(yīng)的調(diào)控設(shè)備，致使管網(wǎng)水力失調(diào)問題較為嚴(yán)重。如何有效地解決供熱管網(wǎng)的水力失調(diào)問題，成為集中供熱必須面臨的主要挑戰(zhàn)之一。此外，要想使供熱管網(wǎng)保持較好的水力平衡狀態(tài)，需要大量的人力、資金，以及設(shè)備投入，這也給實(shí)際供熱工作和供熱企業(yè)帶來一定壓力。

供熱系統(tǒng)調(diào)控方式落后。隨著城市化進(jìn)程的加快和集中供熱覆蓋區(qū)域的擴(kuò)大，城市供熱管網(wǎng)已經(jīng)具備一定規(guī)模，但與此同時(shí)，現(xiàn)有管網(wǎng)普遍缺乏熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，供熱調(diào)節(jié)設(shè)備的自動化程度比較低、管理粗放，這在很大程度上影響了供熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

供熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)不靈活。現(xiàn)在的供熱系統(tǒng)多數(shù)不能及時(shí)有效地根據(jù)用戶的需求調(diào)節(jié)供熱流量和供水溫度，操作人員大多憑借經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)熱量，很難做到對整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。另外，缺乏氣候補(bǔ)償技術(shù)，在實(shí)際運(yùn)行過程中，系統(tǒng)不能自動進(jìn)行分時(shí)按需供熱，造成采暖過程中熱量的浪費(fèi)和寒冷天氣伊始時(shí)供暖熱量補(bǔ)給的滯后。

2 影響供熱管網(wǎng)輸熱能效的主要因素

2.1 供熱管網(wǎng)水力失調(diào)

所謂水力失調(diào)，是指在供熱系統(tǒng)之中，用戶的實(shí)際流量與供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求流量之間存在不一致的狀況。產(chǎn)生水力失調(diào)的根本原因在于，供熱管網(wǎng)不能在用戶需要的流量下實(shí)現(xiàn)各用戶環(huán)路的阻力相等，即阻力不平衡導(dǎo)致水力失調(diào)[2]。

造成水力失調(diào)的主要原因有以下幾個(gè)方面[3-4]：

實(shí)際供熱系統(tǒng)建設(shè)過程之中，由于材料或設(shè)備的選擇不當(dāng)造成的水力失調(diào)情況。例如，若循環(huán)水泵選擇不當(dāng)，就會出現(xiàn)揚(yáng)程或流量偏小或偏大的情況，進(jìn)而導(dǎo)致管網(wǎng)水力狀況偏離最佳的運(yùn)行狀態(tài)，從而導(dǎo)致水力失調(diào)的情況。

供熱管網(wǎng)用戶的增加或減少會導(dǎo)致水利失調(diào)。供熱管網(wǎng)用戶的增加或部分熱用戶停供都會導(dǎo)致全網(wǎng)阻力特性改變。另外，供熱系統(tǒng)中某些用戶需熱量的變化亦會引起管網(wǎng)整體流量和溫度的變化，從而破壞供熱管網(wǎng)的水力平衡狀態(tài)。

供熱管線及人為因素也會導(dǎo)致水利失調(diào)。比如：流量調(diào)節(jié)閥的選擇不當(dāng)；人為的隨意調(diào)節(jié)入口處閥門，分支閥門口徑設(shè)計(jì)不合理；管網(wǎng)中個(gè)別管段水流不暢，管網(wǎng)壓力增大；供熱管網(wǎng)失水狀況嚴(yán)重，補(bǔ)水措施不及時(shí)，失水嚴(yán)重時(shí)甚至造成管網(wǎng)運(yùn)行壓力不足；用戶室內(nèi)的水力工況改變等。

2.2 供熱管網(wǎng)失水

管網(wǎng)失水造成了水資源和熱能浪費(fèi)，管理得當(dāng)?shù)南到y(tǒng)能把失水率控制在2%以下，較為先進(jìn)的系統(tǒng)甚至能將失水率控制在0.5%左右，而較差的管網(wǎng)失水率會達(dá)到10%以上，其中的差距懸殊，而這也說明降低管網(wǎng)失水率仍存在巨大的空間。造成管網(wǎng)失水的主要原因有以下兩個(gè)方面：

施工質(zhì)量低劣造成的管網(wǎng)失水。某些施工單位施工時(shí)預(yù)留管段接頭不保溫發(fā)泡極易腐蝕泄露；管理單位監(jiān)管不到位，管道年久失修，跑、冒、滴、漏現(xiàn)象嚴(yán)重；某些供熱及施工單位為了降低成本，采用低劣管材及配件，極易造成管道破損漏水；采用無補(bǔ)償直埋方式進(jìn)行管道敷設(shè)時(shí)，未滿足規(guī)定的敷設(shè)深度，造成管道受壓變形、漏水等。

熱網(wǎng)運(yùn)行過程中的管網(wǎng)失水。因?yàn)槿狈ο冗M(jìn)的調(diào)控手段和監(jiān)控設(shè)備，某些失水點(diǎn)很難被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，加之維修處理工作不到位，使得一些管網(wǎng)的失水問題得不到及時(shí)解決。某些供熱單位補(bǔ)水時(shí)直接補(bǔ)充地下水或自來水，致使鍋爐、換熱器腐蝕結(jié)垢，大大降低了供熱設(shè)備的使用壽命和換熱效率。另外，在系統(tǒng)的供熱過程中，補(bǔ)充的冷水必然會使供熱溫度下降，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致用戶室內(nèi)溫度不達(dá)標(biāo)。而用戶在享受不到供熱帶來的舒適時(shí)，放水、竊水現(xiàn)象就難以避免，從而進(jìn)一步加劇了管網(wǎng)失水的嚴(yán)重程度。

2.3 保溫?fù)p失

熱能是一種特殊能源，其傳遞以熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射3種形式進(jìn)行。集中供熱系統(tǒng)一般由熱源（包括電廠熱源、熱源廠熱源等）、換熱站、散熱器等組成，這些設(shè)備通過不同直徑的管道相連，進(jìn)而構(gòu)成完整的熱流體管道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。由于熱力管道的溫度常常高于周圍環(huán)境的溫度，因此熱量非常容易通過管道及其他介質(zhì)散失到周圍環(huán)境之中，大大降低了管網(wǎng)的載熱量，不僅影響供熱質(zhì)量，還會造成能源的巨大浪費(fèi)。因此，提高施工中供熱管道（及其附件）的保溫質(zhì)量就顯得十分重要[5]。

在管溝敷設(shè)的情況下，管道周圍時(shí)常會有積水出現(xiàn)，由于水的導(dǎo)熱性是空氣的25倍，因此管溝積水的存在會嚴(yán)重影響管道的保溫效果。此外，保溫管道在嚴(yán)重受潮的情況下，大量水分子進(jìn)入保溫材料的孔隙中，此時(shí)，除空氣分子的導(dǎo)熱、對流傳熱和孔隙壁面的輻射換熱外，還存在由蒸汽擴(kuò)散引起的附加熱傳導(dǎo)，以及通過孔隙中的水分子的導(dǎo)熱[6]。因此，保溫材料在吸水后，其導(dǎo)熱性會大大增加，直接影響了供熱管道的輸熱效率。

3 提高供熱管網(wǎng)輸送效率的措施

3.1 解決供熱管網(wǎng)水利失調(diào)

要解決供熱管網(wǎng)水利失調(diào)的問題，首先可以在換熱站設(shè)置動態(tài)壓差調(diào)節(jié)閥，在管網(wǎng)分支處設(shè)置平衡閥，進(jìn)而滿足一次網(wǎng)回水系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)需要。對于用戶入口處，可以設(shè)置自力式流量調(diào)節(jié)閥、自力式壓差平衡閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。另外，可增設(shè)變頻水泵，達(dá)到根據(jù)用戶熱負(fù)荷的變化，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)管網(wǎng)流量的效果，通過對管網(wǎng)流量進(jìn)行重新分配滿足用戶需要，從而減輕閥門損耗，減少能源浪費(fèi)。最后，加大投入力度，即加強(qiáng)人力調(diào)節(jié)與增設(shè)調(diào)節(jié)閥等自控設(shè)施來根除管網(wǎng)水力失調(diào)現(xiàn)象，是供熱管網(wǎng)節(jié)能運(yùn)行的首要條件，也是供暖技術(shù)人員追求的目標(biāo)[7]。

3.2 減少供熱管網(wǎng)失水

供熱單位要把好施工質(zhì)量關(guān)，選用質(zhì)量合格的管材及配件，嚴(yán)格按照施工步驟與程序進(jìn)行。提高工人的技術(shù)水平，防止由于技術(shù)不到位和簡化工序造成的施工質(zhì)量問題。采用不預(yù)熱的無補(bǔ)償直埋管道敷設(shè)方式時(shí)，其覆土深度必須符合標(biāo)準(zhǔn)，必要時(shí)采取一定的保護(hù)性措施，防止管道受力過大而產(chǎn)生滲水甚至破裂。

供熱管網(wǎng)運(yùn)行過程中，應(yīng)采用先進(jìn)的分級分布式監(jiān)控管理系統(tǒng)，使管網(wǎng)水力調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)自動化，實(shí)時(shí)對流量的動態(tài)平衡進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，盡早發(fā)現(xiàn)失水點(diǎn)，及時(shí)采取必要措施進(jìn)行補(bǔ)救，最大限度的減少失水量。同時(shí)也要加強(qiáng)對公眾供熱常識和公共道德的宣傳教育，減少用戶人為放水現(xiàn)象的發(fā)生。

3.3 降低熱量的保溫?fù)p失

在地下敷設(shè)的情況下，由于難免會有水汽存在，所以材料的吸水率直接影響管道的保溫效果，如聚氨酯硬質(zhì)泡沫等吸水率較低的材料保溫效果更為理想。選擇保溫材料應(yīng)考慮的因素主要有：導(dǎo)熱系數(shù)小、容重小、堅(jiān)固耐用、有一定的抗壓強(qiáng)度、耐溫，不燃或難燃、抗?jié)裥詮?qiáng)、吸水率低、不因水泡受潮而變質(zhì)損壞、原料來源廣、施工方便、價(jià)格低廉等。同時(shí)，保溫材料的厚度也有一定要求。經(jīng)濟(jì)合理的保溫層厚度的簡便計(jì)算方法，可按下式進(jìn)行：

上式中,D為管道外徑（mm）；λ為保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)（w/m.k）；t1為管道外表面溫度（℃）；q為允許最大散熱損失(w/m)；δ為保溫層厚度（mm）[8]。

直埋管道技術(shù)與磚砌地溝相比，其施工工藝更加簡單，施工質(zhì)量容易得到保障，比較不易受到潮濕、浸水等因素的影響。因此，在地下條件達(dá)到要求的情況下，并且管內(nèi)介質(zhì)的工作溫度不會超出范圍時(shí)，其使用效果具有十分明顯的經(jīng)濟(jì)效用[9]。

[1]李仕國，王燁.中國建筑能耗現(xiàn)狀及節(jié)能措施概述[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2008.

[2]杜改平，秦晉中.解決供熱系統(tǒng)水力及熱力失調(diào)的途徑[J].山西建筑，2008，34（35）.

[3]孫清典，李燦新，楊學(xué)敏.供熱管網(wǎng)熱平衡調(diào)節(jié)技術(shù)探討[J].暖通空調(diào)，2010（5）.

[4]夏學(xué)彬，賀志偉.供熱系統(tǒng)的平衡調(diào)節(jié)[J].黑龍江科技信息，2010.

[5]李秉仙.集中供熱工程預(yù)制直埋保溫管接頭保溫的施工工藝[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2012（10）.

[6]李德英.供熱工程[M].北京建筑工業(yè)出版社，2004.

[7]趙燕.集中供熱系統(tǒng)的水力平衡調(diào)節(jié)與節(jié)能措施[J].機(jī)械研究與應(yīng)用 ，2012（5）.

[8]魏玉滿.供熱管道保溫材料的選擇及經(jīng)濟(jì)保溫層厚度計(jì)算[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2012（4）.

[9]趙曉海.淺議供熱工程直埋管道保溫技術(shù)[J].科技風(fēng)，2012（14）.