試論供熱系統(tǒng)能耗的評價模型及應用

張銅強

摘 要：目前，面臨各行業(yè)高投低產(chǎn)現(xiàn)狀，我國開展提高能效、節(jié)約資源刻不容緩。供熱系統(tǒng)是建筑能耗最大的部分，也是節(jié)能潛力最大的部分。集中供熱是我國當前供熱的主要形式，比例高達70%。但在供熱系統(tǒng)運行過程中，受到維護結構、熱源效率等因素的影響，供熱系統(tǒng)能耗較高，且對生態(tài)環(huán)境造成了不良影響，構建供熱系統(tǒng)能耗評價模型，能夠發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中能耗較高的環(huán)節(jié)，并采取切實可行的措施加以處理和優(yōu)化，提高資源利用率。文章梳理并總結供熱系統(tǒng)能耗研究現(xiàn)狀，對現(xiàn)有評價模式當中存在的不足之處予以改進，并對不同供熱系統(tǒng)能耗評價模型具體應用進行深入探究，最后進行總結，并對供熱系統(tǒng)未來發(fā)展進行了展望。

關鍵詞：供熱系統(tǒng)；能耗；評價模型；應用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.233

0 前言

供熱系統(tǒng)在實踐應用中類型較多，但科學評價方法尚未統(tǒng)一，特別是熱電聯(lián)產(chǎn)科學評價準確難以確定。基于熱力學一、二定律來看，改進獲得的科學評價方法，能夠?qū)﹄姀S能耗水平予以分析和評價，并結合實際情況判斷供熱系統(tǒng)能耗，根據(jù)此制定節(jié)能減排方案，從而為實踐提供理論依據(jù)。

1 供熱系統(tǒng)能耗研究現(xiàn)狀

新時期下，節(jié)能環(huán)保理念早已深入人心，不同國家紛紛構建了不同的法定準則，重新審視聯(lián)產(chǎn)電廠。目前運用單一指標對系統(tǒng)能耗予以衡量時，常常運用熱力學第一定律的熱電廠總熱效率概念為主，但該定律忽視了熱、電能量的差別。一些國家在不引入?概念的情況下，對第一定律予以調(diào)整，使得能耗評價工作更加簡便。此外，各國學者從熱力學、熱經(jīng)濟學等多個角度進行分析，如Jose等人在熱經(jīng)濟學層面對聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進行建模，從中尋求最優(yōu)運行方案。J.Ballester等人從用戶需求層面，評價聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。但研究成果中，過于集中在某一方面，不夠全面和系統(tǒng)。總結國內(nèi)外學者研究成果來看，針對供熱系統(tǒng)能耗的評價，構建了TPES、PER、PESR等指標。全球氣候變暖趨勢愈發(fā)明顯，越來越多的學者開始關注能量系統(tǒng)減排效果，評估系統(tǒng)是否先進。

綜合現(xiàn)有研究成果，本文將以熱電聯(lián)產(chǎn)電廠評價指標入手，并在熱力學一、二定律，確定科學評價方法，然后將研究對象拓展到整個供熱系統(tǒng)上，結合實例進行方法研究，通過實踐分析和檢驗本文設計的評價模型具有較強的實用性。

2 熱電聯(lián)產(chǎn)總效率改進

熱電廠總效率、熱電比等是聯(lián)產(chǎn)電廠評價指標，并納入到有關規(guī)定當中，在區(qū)別真假電廠等方面發(fā)揮著積極作用，但是針對熱電廠能耗予以評價，還有待進一步完善。熱電廠總熱效率是熱電廠輸出的熱、電兩種產(chǎn)品總能量與消耗之間的比值，具體如下：

該公式是建立在第一定律基礎之上，在計算中僅是將熱與電兩種能量按照大小進行直接相加，無法體現(xiàn)出二者之間的不同。而熱力學第二定律對過程可逆性等予以明確的界定，在其指導下，?效率更加科學，具體表達式為：

綜上來看，熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)科學評價要以第二定律為核心，且要針對供電、供熱能耗進行針對性分析和評價，以此來確保評價先進性和科學性。

3 不同供熱系統(tǒng)能耗評價模型

3.1 一般化分析

通常情況下，供熱系統(tǒng)是由熱源、熱網(wǎng)及熱用戶構成，具體拓撲系統(tǒng)如圖1。

針對圖1來看，電能在實際運行中，為了避免流體流動不可逆產(chǎn)生的損失，而理想狀態(tài)當中不存在串聯(lián)關系。四種供熱系統(tǒng)中，鍋爐供熱是最簡單的類型。針對電熱，如果能夠基于一次能源予以考慮，那么燃料進入到鍋爐后，能夠轉(zhuǎn)換為熱能，并通過電網(wǎng)輸送到電熱器，借助電能產(chǎn)生供熱需要的熱能。

對于熱電聯(lián)產(chǎn)，電能、熱能同時存在于汽輪機單元當中，因此汽輪機兼具電能與熱能發(fā)生子系統(tǒng)雙重功能。基于此，各類供熱系統(tǒng)可以通過6個系統(tǒng)予以描述，具體如圖2。

生產(chǎn)單位在生產(chǎn)過程中，其產(chǎn)品消耗的一次能源，即產(chǎn)品燃料單耗，針對熱產(chǎn)品而言，其單耗可以規(guī)定為㎏/GJ。當處于理想狀態(tài)時，其單耗可以分為完全串聯(lián)與非串聯(lián)兩部分，其中內(nèi)部能耗主要以第二定律進行計算，如果系統(tǒng)運行中并未產(chǎn)生外部能量，那么可以確定其為串聯(lián)狀態(tài)，具體燃料單耗如下：

b=be+ba

3.2 內(nèi)部單耗計算

供熱系統(tǒng)生產(chǎn)并輸出的產(chǎn)品為熱能，其燃料為一次能源，根據(jù)第二定律可知：Fef=Pep+

其中F、P分別代表的是燃料量、產(chǎn)品量。針對一般供熱系統(tǒng)，忽視其外部能量完全串聯(lián)系統(tǒng)，針對系統(tǒng)中，從能量流由上至下的依次排序，針對所有的環(huán)節(jié)都要進行如下設置：

3.3 外部單耗計算

根據(jù)圖2可知，能量流中2、4等均為外部單耗的一部分，各個子系統(tǒng)外部單耗存在并聯(lián)關系，通過計算，能夠得出總體外部單耗，計算公式如下：

計算過程中，針對鍋爐外的供熱系統(tǒng)，其他供熱系統(tǒng)，要充分考慮兩個子系統(tǒng)合并到一起，對應的合并考慮成電廠的用電，并視為內(nèi)部單耗。如此一來，能夠省略對子系統(tǒng)的外部單耗計算，電能輸配子系統(tǒng)并無單耗[1]。熱能輸配子系統(tǒng)外部單耗，要結合實際情況，根據(jù)熱網(wǎng)布置及熱負荷分布情況計算出水力，或者根據(jù)設計等實踐經(jīng)驗進行確定。熱用戶子系統(tǒng)的外部能耗，是指用戶散熱器冷側(cè)使用外部動力，強制性對流換熱而產(chǎn)生的動力消耗。

4 評價應用與案例分析

4.1 電熱評價

一般情況下，熱用戶即居民供熱，其燃料可以按照發(fā)熱量進行計算，確定為標準煤，系統(tǒng)理論最低單耗為2.24㎏/GJ。電熱是供熱系統(tǒng)的一部分，是可逆性最低的環(huán)節(jié)，針對系統(tǒng)，子系統(tǒng)1、2分別代表的是鍋爐和汽輪機，二者能夠進行整體性計算，其?效率可以由平均供電煤耗計算得出。

子系統(tǒng)3為電網(wǎng)，早在2011年，國內(nèi)電網(wǎng)平均線損為0.0632，因此輸配電效率為0.9368。子系統(tǒng)4是電熱器，由于不存在熱輸配問題，故5不存在，而子系統(tǒng)6，是實現(xiàn)產(chǎn)生電能向熱用戶室內(nèi)空間傳遞的設備，如散熱板等。電熱供熱系統(tǒng)外部單耗不需要重新計算，影響電熱系統(tǒng)單耗的關鍵在于電網(wǎng)平均供電煤耗，當煤耗處于270～400g/KWh范圍內(nèi)，電熱系統(tǒng)單耗將會介于80～120㎏/GJ之間，具體如圖3所示。endprint

4.2 鍋爐供熱

鍋爐供熱作為相對傳統(tǒng)的供熱系統(tǒng)，是由圖2當中的1、5、6構成，具體可以劃分為三個類型，即戶型、小區(qū)型與區(qū)域型。其中第一種多以家用燃煤小鍋爐、壁掛爐式供熱為主。第二種以10、20t/h蒸汽鍋爐為熱源。第三種為410t/h大型蒸汽鍋爐為主，不同鍋爐熱效率取值為表1。

針對戶型采暖，家用鍋爐供回水溫度，即用戶供回水溫度，處于自然循環(huán)狀態(tài)，壓力損失可以忽略不計，并不會產(chǎn)生額外電能消耗。而對于小區(qū)、區(qū)域鍋爐，由于各個鍋爐參數(shù)有所差別，對應的蒸汽參數(shù)也會隨之發(fā)生變化。但鍋爐工質(zhì)、熱網(wǎng)水之間會設置換熱器，而換熱器熱網(wǎng)水的溫度基本處于固定狀態(tài)，此時熱網(wǎng)供回水溫度為95℃/70℃，并為子系統(tǒng)1的一部分，具體?效率具體如下：

上述公式能夠計算出子系統(tǒng)熱效率，經(jīng)過計算，三種型式鍋爐的?效率及單耗如表2。影響鍋爐供熱系統(tǒng)單耗的根本原因在于鍋爐效率，如果鍋爐效率能夠達到70%～95%之間，鍋爐供熱系統(tǒng)單耗將會集中在40～60㎏/GJ之間，具體變化趨勢如圖4。

5 分析與討論

目前，基于電廠節(jié)水要求的影響，空冷機組將會獲得較好的發(fā)展前景，且大容量空冷汽輪機的末級葉片相對較短，僅適用于低真空運行狀態(tài)。隨著科學技術快速發(fā)展，變頻控制技術的應用，使得水力工況調(diào)節(jié)難度有所下降，操作更加便利，且熱網(wǎng)能耗降至原來的1/3，在很大程度上緩解了直連熱網(wǎng)電耗的增加，故在供熱系統(tǒng)改進過程中，我們可以積極引入低真空供熱系統(tǒng)。

6 結論

根據(jù)上文所述，隨著城市化進程不斷深化，供熱系統(tǒng)得到了長足發(fā)展，但供熱系統(tǒng)在運行中，會消耗大量資源，且會對生態(tài)環(huán)境構成嚴重的危害。文章對聯(lián)產(chǎn)電廠進行科學評價，在熱力學第二定律理論及學者研究成果的指導下引入大量電耗率對總熱效率予以調(diào)整和改進，以此來獲得先進的能耗評價方法。針對不同類型的供熱系統(tǒng)，要結合單耗分析方法，從總能層面上，提出適用于不同類型供熱系統(tǒng)統(tǒng)一能耗評價模型，為供熱系統(tǒng)提供科學、標準的評價模型，及時發(fā)現(xiàn)各個環(huán)節(jié)能耗情況，并進行對比和分析，選擇出最佳供熱模式，從而推動供熱產(chǎn)業(yè)能夠朝著綠色、環(huán)保等方向發(fā)展。

參考文獻：

[1]李沛峰，戈志華，銀正一，楊志平，楊勇平.供熱系統(tǒng)能耗評價模型及應用[J].中國電機工程學報，2013（23）：19-28+13.

[2]馮國會，張劍，郝紅，趙秀娟.嚴寒地區(qū)太陽能——地源熱泵與熱網(wǎng)互補供熱系統(tǒng)能源配比研究[J].供熱制冷，2016（06）：24-28.endprint