張家口某小區供熱系統節能改造分析

許慧萱 張宏喜 劉 洋 劉聰聰 牛金花 劉帥帥

(河北建筑工程學院，河北 張家口 075000)

0 引 言

我國是一個消耗能源的大國，尤其是每年冬季，北方采暖時期的能源消耗量占國家年能源消耗量的2/3.由于運行方式不合理，供暖系統耗能量大，能源有效利用率低，對環境污染嚴重[1].2018年10月國家重新修訂了《中華人民共和國節約能源法》[2]，深化了節約能源的具體要求完善了相關法律，依據國家出臺的節能減排發展戰略.在供熱管網改造的過程中須以節能為設計和施工的原則將供熱資源不斷整合，系統不斷優化，實現城市現代化建設和供熱設施節能改造步伐的加快，促進能源利用效率和供熱保障能力的提高[3-5].

1 基本概況

此小區位于張家口市經濟開發區沙嶺子鎮，小區建筑面積為33046.21 m2，實供建筑面積為32840 m2.住宅屬于民用建筑，室外庭院管網采用直埋敷設，室內采暖形式為散熱器.

小區于2016年改造為集中供暖，換熱站采用補水定壓采用變頻式補水泵定壓，軟化水采用全自動軟水器制取.采暖系統定壓范圍0.22-0.27 MPa,安全閥起爆壓力0.37 MPa.換熱站內設備參數如表1所示：

表1 設備參數

2 供熱系統節能改造

2.1 改造原因

張家口屬于北方嚴寒地區，采暖期累積151天，在實地走訪、調查中發現，原庭院管網漏水現象嚴重，熱量在輸送過程中散失嚴重，造成大量熱水的浪費，導致補水量偏高，但是熱量較少，造成能源的浪費；由于管網漏水致使管網保溫層吸水嚴重，影響保溫效果，并且管網使用時間較長，保溫層有嚴重的腐蝕現象，會造成熱量損失.通過走訪調查，居民普遍反映冬季供暖季室內溫度較低，舒適性差，為了響應國家節省能源的號召和提高熱用戶冬季室內供暖溫度和舒適度，對本小區的庭院管網進行改造，主要改造項目是完善保溫層，更換不合適管徑，增加閥門等.

2.2 改造項目及費用

對此小區的供熱管網的改造主要是更換部分不合格管徑，完善保溫層，更換漏水管徑，供熱管道保溫層采用聚氨酯保溫，聚乙烯保護外殼，管道焊接部分有泡沫膠包裹，熱力站進出口井供、回水管道上裝有一個截止閥，一個放氣閥，單元井中供水管道上裝有一個截止閥和一個泄水閥，回水管道上裝有兩個截止閥、一個過濾器和一個泄水閥.管道費用、閥門費用以及人工費用總計供3.58萬元.

3 改造效果

3.1 改造前后管網節能診斷

3.1.1 補水率

以一個供暖季(151天)為檢測期間，根據《居住建筑節能檢測標準》規定[6]，采暖系統補水率不應大于0.5%.

補水率計算公式如式1所示：

(1)

式中：Rmu——供熱系統補水率

Gmu——檢測持續時間內系統的總補水量(t)

Gwt——檢測持續時間內系統的設計循環水量的累積值(t)

改造前

改造前檢測到檢測期間內系統的總補水量為2125.97 t,檢測供暖期內系統的設計循環水量的累積值：

Gwt=96.17×24×151=348520.08t

因此，改造前采暖系統的補水率為：

改造后

改造后檢測到檢測期間內系統的總補水量為1349.40 t,檢測供暖期內系統的設計循環水量的累積值：

Gwt=74.47×24×151=269879.28t

因此，改造前采暖系統的補水率為：

根據對供熱系統補水率的計算和整理，分析得改造前的補水率為0.61%，不符合相關規定，改造后的補水率為0.5%，符合相關規定，通過更換庭院管網，極大地改善了管網漏水的現象，因此，在供暖季期間，補水量減少，熱損失減少，節省了能源，符合國家相關規定.

3.1.2 室外管網輸送效率

以一個供暖季(151天)為檢測期間，根據《居住建筑節能檢測標準》規定[6]，室外管網的輸送效率不應小于90%.

室外管網輸送效率計算公式如式2所示：

(2)

式中：η——室外供熱管網輸送效率，%

∑Qy——檢測期間各用戶供熱量之和，GJ

Q——檢測期間換熱站輸出熱量，GJ

改造前

改造前檢測到檢測期間各用戶供熱量之和為14596.93 GJ，檢測期間總輸出熱量為18238.68 GJ.

因此，改造前室外管網輸送效率為：

改造后

改造后檢測到檢測期間各用戶供熱量之和為15459.47 GJ，檢測期間總輸出熱量為16446.25 GJ.

因此，改造后室外管網輸送效率為：

綜上所述，改造前總輸出熱量大于改造后的總輸出熱量，但是檢測到的各用戶的供熱量比改造后地少，不僅提高了各熱用戶的供熱量，而且降低了總輸出熱量，節省了能源，達到了及節能減排的效果.

3.1.3 耗電輸熱比

采暖系統耗電輸熱比(EHRa,e)應滿足式3：

(3)

式中：EHRa,e——采暖系統耗電輸熱比；

L——室外管網主干線(從采暖管道進出熱源機房外墻處算起，至最不利環路末端熱用戶熱力入口止)包括供回水管道的總長度(m)，260.06×2米；

a——系數，其取值如表2所示

表2 系數a取值范圍

此小區的采暖系統耗電輸熱比的取值范圍應為：

耗電輸熱比計算公式如式4所示：

(4)

式中：Q——每小時供熱量(KW)；

N——每小時輸電量(KW);

改造前

根據公式4可知，每小時的輸電量為307.53 kw·h，每小時的供熱量48814.28 kw.

改造前的耗電輸熱比：

改造后

根據公式4可知，每小時的輸電量為289.76 kw·h，每小時的用熱量為52565.8 KW.

改造后的耗電輸熱比：

一般情況下，常見的不均勻荷載方式是由單向混合交通產生的，也就是車輛在行駛的過程中，導致的荷載停留時間過長、車輛速度過快、車輛載重過高等問題產生的，相關研究資料表明，當行車荷載停留時間過長，則會在一定的范圍內引起路基路面的荷載作用，從而導致路段出現下沉以及發生錯臺現象。而針對填充材料失效問題，若瀝青路面處于高溫條件影響下，瀝青路面材料會產生膨脹現象，同時當溫度達到巔峰值后，填充材料會從連接縫中溢出；同時在氣溫下降之后，瀝青路面收縮速度就會加快，此時填充物就會被擠出，進而形成空隙，若雨水侵入其中則會對路面層結構、路基基層結構產生破壞，導致整體路面出現變形現象。

綜上所述，管網改造前的耗電輸熱比為0.0063，不符合相關規定，改造后的耗電輸熱比為0.0055，符合規范要求.

3.1.4 水力不平衡率

根據相關標準規定[6]，管網的水力不平衡率不應大于15%，在對此小區以每棟樓為單位進行水力平衡率的計算.

根據流量和選擇好的管徑，可計算出各管段的壓力損失，可計算出各管段的壓力損失P，按已經算出的各管段壓力損失，進行各并聯環路間的壓力平衡計算.

水力不平衡率的計算公式如式5所示：

(5)

式中：∑Δp1——第一環路總壓力損失，Pa

∑Δp2——第二環路總壓力損失，Pa

根據對此小區進行水力不平衡率計算可知，改造前的管網水力不平衡率在20%-30%左右，水力不平衡率最大為29.8%，最小為22.3%，不符合相關規定；改造后的庭院管網的水力不平衡率在10%-15%左右，水力不平衡率最大為15.2%，最小為10.6%，符合相關規定.

3.2 室內溫度

在供暖系統改造前，溫度較高的大部分家庭處于庭院管網的前端，熱量比較充足道改造前的室內溫度，數據整理如圖1所示，在供暖系統改造前，供暖期間大部分家庭的室內溫度為20-21 ℃，室內溫度為23-25 ℃的家庭僅占20%，且室內溫度，而處于管網末端的家庭室內溫度往往不超過21 ℃.

在改造了供暖系統以后，供暖期間大部分家庭的室內溫度為23 ℃-25 ℃，室內溫度為23 ℃-25 ℃

表3 系統改造前后熱用戶室內溫度分布

的家庭占70%，位于庭院管網前端的部分家庭的室內溫度甚至可能達到26 ℃，而室內溫度為18 ℃-20 ℃的家庭僅占調查家庭的5%.且據反映熱量損耗主要是圍護結構外保溫和門窗的冷風滲入量較大造成的.處于管網末端圍護結構保溫較好的熱用戶溫度也會達到23-24 ℃.供熱系統改造前后熱用戶室內溫度分布如表3所示，改造前后室內溫度對比如圖1所示.

圖1 改造前后室內溫度對比

圖2 改造前后室內舒適度對比

3.3 供熱滿意度

管道改造前的室內舒適度，在供暖系統改造前，有114戶熱用戶認為室內的舒適度極差或者極不舒適，有108戶熱用戶認為供暖期間室內的舒適度較差或者較不舒適，認為不舒適的熱用戶占73%，53戶熱用戶認為室內比較舒適，僅有25戶熱用戶認為供暖期間室內舒適.

管道改造后的室內舒適度，在供暖系統改造后，有14戶熱用戶認為室內的舒適度極差或者極不舒適，有34戶熱用戶認為供暖期間室內的舒適度較差或者較不舒適，認為不舒適的熱用戶僅占16%，89戶熱用戶認為室內比較舒適，有163戶熱用戶認為供暖期間室內舒適，認為舒適的熱用戶占84%.改造前后熱用戶對室內供熱滿意度對比如圖2所示.

3.4 能源消耗

3.4.1 耗電量及其費用

(1)改造前.

改造前的耗電量為56557.92 KW·h，單價為0.8元/KW·h，因此，改造前的的費用為：

費用=56557.92×0.8=4.52萬元

(2)改造后.

改造后的耗電量為45838.9 KW·h，單價為0.8元/KW·h，因此，改造前的的費用為：

費用=45838.9×0.8=3.67萬元

因此，改造前后共節省電費0.86萬元.

3.4.2 耗水量及其費用

(1)改造前.

改造前的耗水量為35.06萬噸，單價為5元/噸，因此，改造前的的費用為：

費用=35.06×10000×5=175.31萬元

(2)改造后.

改造后的耗水量為27.12萬噸，單價為5元/噸，因此，改造前的的費用為：

費用=27.12×10000×5=135.60萬元

因此，改造前后共節省水費39.7萬元.

改造前后的總費用對比如表3所示：

表3 改造前后總費用對比

4 結 論

通過對供熱管網系統實施全面的節能改造，管網水力平衡率保持在相關標準要求范圍內，解決了供熱系統冷熱不均的問題，管道的密閉性和保溫得到了大幅改善，解決了管網漏水和熱量損失嚴重造成的能源的大量浪費，是熱用戶的室內溫度整體達到要求的室內溫度.使供熱系統用能過程整體優化，達到大幅的節能減排的目的.實現了以提升熱用戶的滿意度為目標的，以節能減排為原則，供熱管網系統的節能性和持續性的發展.

供熱系統改造前后能源節約十分顯著，改造前用水35.06萬噸，用電5655.792 kw·h，費用為179.83萬元，改造后用水27.12萬噸，用電45838.9 kw·h，費用為139.27萬元，改造前后共節省費用40.56萬元.

供熱系統的節能改造帶來了巨大的環境效益、節能效益及社會效益，對張家口市經濟的可持續發展具有重要意義.