既有居住建筑供熱改造方案研究及效果分析

陳軻 許娜

中國建筑科學研究院天津分院

1 引言

目前我國北方地區大多實現了集中供熱，為改善人民生活和推動城市的經濟建設發展作出了巨大貢獻[1]。集中供熱系統因其環保節能、供熱質量高等優點在我國迅速發展。而部分集中供熱系統由于設計與管理不專業、不合理，造成供熱系統運行不暢、舒適性差，老百姓的供熱需求得不到保障。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[2]。

天津市某小區的供熱系統由于換熱站循環水泵選型不合理、同程式管網難以平衡調節、飄窗設計散熱量過大、用戶盤管間距不合理長度不均勻等問題使得住戶冷熱不平衡現象逐年嚴重，存在重大供熱隱患，不滿足居民冬季取暖需求，造成民生問題。為此，項目所屬的熱力公司積極組織運行管理人員對小區住戶進行連續測溫，確認存在嚴重不熱情況后，經技術人員進場診斷、檢測，對相關數據及結果進行分析，給出了相關改進方案。經過全面的供熱診斷和節能改造，該供熱系統換熱站供熱量大大提升，水泵節電約達到15%，入戶供水溫度滿足供暖要求。不僅解決了供熱民生問題，也減少了維修站的工作量。因此，將此次供熱診斷和改造的經驗做簡單的介紹和總結，以期對之后的居住建筑供熱系統節能改造具有工程實際參考價值。

2 項目概況

天津市某小區由天津市寶坻區恒安供熱有限公司所屬城南供熱站供熱（圖1），竣工于2013 年。換熱站位于小區內，供熱面積為112337 m2。供熱系統一次網設計供回水溫度80℃/60℃，設計熱負荷為5218.67 kW，設計工作壓力0.6 MPa。二次網供回水設計溫度50℃/40℃，系統末端分高低區，室內采暖末端為地板輻射采暖。

圖1 改造前小區供熱二網路由布置圖

3 問題診斷

3.1 診斷方法

集中供熱系統是一種涉及多專業的復雜系統，它的每一部分都對供熱質量和供熱能耗有著不同程度的影響[3]。因此，筆者在項目改造的問題診斷中采用了圖紙核查與現場調研相結合的方式，結合設計圖紙設計對換熱站，建筑末端及末端典型房間的熱負荷進行復核。根據二管網設計圖紙和換熱站設計負荷，分別對高低區二次管網進行了水力，流量和板換選型核算。并通過現場換熱站核查，對建筑末端進行實際調研，得出實際所需耗熱量。通過此供熱診斷模式在該項目的實踐經驗可知，該診斷方法能夠實現全方面的供熱復核，體現出多因素、復雜的綜合性供熱問題。

3.2 診斷結果

3.2.1 換熱站

1）二級泵流量選型偏小。兩臺二級泵并聯工頻運行下實際流量為142.61 m3/h，較理論設計所需流量190.63 m3/h 偏小25.19%。

2）高低區循環水泵選型不合理。高低區循環泵流量普遍過大，富裕系數分別達到1.22 和1.28。而實際運行流量偏小（低區445 m3/h、高區106 m3/h），無法滿足設計所需流量（低區448 m3/h、高區130 m3/h）。

3）根據設計圖紙，高低區采暖熱負荷分別為1500 kW、5200 kW，在室外氣溫-7.5℃、入住率100%的情況下，當前換熱站高區實際供熱量為1387 kW，低區實際供熱量為4609 kW。因此，換熱站實際的供熱量比末端需要的熱量少約10%～20%的供熱量。

3.2.2 二次管網

1）管網設計為同程式，不易達到水力平衡，且項目建設運行時未進行水力平衡調試，尤其結合住戶私加泵的情況，使得項目的冷熱不平衡現象逐年嚴重。

2）管網管徑設計不合理。低區比摩阻相對較大，多數管段實際比摩阻為135 Pa/m，遠超規范推薦值50～80 Pa/m。

3）管網水力計算不準確。高低區環路阻力分別為41.2 與24.5 m，而循環泵實際選型揚程均為33.6 m，導致低區水泵揚程選型偏低，高區揚程偏高。

3.2.3 熱力入口及末端用戶

1）部分樓棟熱力入口無壓差閥和靜態平衡閥，個別入口管路缺少蝶閥，無法進行全網水力平衡調節，過濾器前后無法管段，也無法及時清理，對管網平衡調節及過濾器清洗帶來嚴重影響。

2）末端各支路長度分布不均勻。不同分支之間的阻力差異相對過大，形成戶內水力失調，造成戶內部分房間冷熱分布不均。

3）飄窗設計散熱量過大。北側臥室設計為飄窗，由于在施工過程中未重視窗臺板下的保溫工作，出現冷熱橋現象（圖2），飄窗下沿溫度過低。加之盤管存在的設計、施工等方面的問題，導致目前北側小臥室溫度普遍過低。

圖2 16#1602 室飄窗冷橋熱成像圖

4）末端用戶私加管道循環泵現象嚴重。造成二次管網總體平衡破壞，戶內搶水現象且難以調節。管網供回水串流、降低熱品質，部分用戶供回水逆流。且各用戶私加泵型號和位置不一增大了管網阻力，導致換熱站循環水泵流量無法明顯提升，從而影響換熱站的總供熱量。

4 改造方案

4.1 室外管網改造方案

1）對原系統大環路進行分路設環。在管網中間位置增加一供一回兩根管道并將換熱站出口處管道進行適當改造調整，將原有大環路拆分為三個小環路。

2）針對既有建筑整體布局為各支路選擇合適的系統形式。如圖3 所示，二次網供熱管線自換熱站引出后分為三路：支路1 供給換熱站旁的14#、15 #、19 #、20#、24 #，此部分為異程式系統。支路2 沿原有供水管線，供給下部1# 至11#、16 #、26 # 至28# 之后，流經新加回水管直接返回換熱站，此部分形成同程式系統。支路3 從換熱站出來后引供水管至12#樓，之后沿原有供水管路，供給上部12#至13#、17 #至18#、21 #至23#、25 #，回水仍沿原管路返回，此部分形成了同程式系統。

圖3 室外管網改造方案

對此方案在末端設計負荷及按照實際測溫結果核算的保證末端22℃的校核負荷兩種狀態下的情況進行水力計算，各支路最不利環路管網部分阻力損失結果如表1 所示。

表1 各支路最不利環路管網部分阻力損失計算結果

在此改造方案下，整個系統最不利環路為支路2，經計算最不利用戶為25#，按照校核負荷計算得到的管網所需揚程為33.1 m，與原方案相比所需揚程降低了8.1 m。

4.2 二級泵改造方案

在設計階段，往往設計人員從計算熱負荷開始，到設備選型，會有層層設置保險系數的問題，到設備選型時再進行放大選型，導致設備選型不合適，設備額定出力偏離實際運行工況，設備不能在效率高的區間運行，造成能源的浪費。從設計階段應盡量避免此問題出現，設計人員在設計計算時應綜合考慮建筑節能情況，以及在此計算的前面已經考慮的富裕量，避免最終富裕量留的過高[4]。

通過診斷分析可知，本項目換熱站內兩臺二級泵并聯工頻運行實際流量比理論設計所需流量小25.19%，而換熱站變壓器富裕容量有限，一次網二級泵需要根據一次側實際運行溫差35℃進行選型。為了保證末端熱負荷需求，需要對二級泵進行改造。改造前后的設備工況及型號參數如表2。

表2 二級泵各工況型號

4.3 水力平衡調試方案

二級網供熱系統的各個熱力入口的水力平衡度，室外供熱管網各個熱力入口處的水力平衡度應為0.9～1.2[5]。該規定的目的在于通過水力平衡調節使得各供熱管網的實際循環流量為設計循環流量的90%～120%[6]。經過室外管網改造后，該供熱熱網的各管徑及流量均發生變化，因此需要根據現行標準及具體情況進行調試。

本供熱管網水力平衡調試流程為：調試前對現有未安裝靜態平衡閥的熱力入口進行排查，關閉全部的戶用加壓泵，避免影響測試參數的準確度。依據換熱站改造后實際情況，進行現場勘察測試，對供熱系統進行分析診斷。根據核算的各熱力入口的設計流量和供回水溫度，選定最不利環路，校核計算出各熱力入口所需實際流量，制定現場調試方案。

進入調試現場，使用調試工具進行項目供熱系統管網的調試。調試的具體方法為：按復核后的調試數據和回水溫度，分別調試了各熱力入口的自力式可調壓差控制閥等調節閥，以確保各支環路的阻力與流量平衡。

5 改造效果分析

5.1 供熱量提升分析

根據設計圖紙可知低區采暖熱負荷為5200 kW（室外溫度：-7.0℃[7]），根據改造前換熱站的實際運行數據核算，換熱站低區實際供熱量為4592.43 kW，為設計負荷的88%，負荷略微偏低。根據改造后換熱站的實際運行數據核算，換熱站低區實際供熱量為5746.1 kW，為設計負荷的110%，基本滿足負荷要求。通過現場測得的供回水溫度、流量等數據，可計算出供熱改造前后的供熱量，具體數據如表3。

表3 改造前后供熱量計算表

在循環水泵頻率低于改造前3.5 Hz 的情況下，改造后低區換熱站的流量仍然提升了7%，換熱量提高了1154 kW。若將循環水泵運行頻率提高到50 Hz，低區換熱站的總換熱量可進一步得到提高，且約有20% 的供熱量提升空間。

5.2 水泵節能分析

對循環水泵效率進行分析可知：改造前效率60.3%（水泵頻率48.4 Hz）、改造后效率61%（水泵頻率44.9 Hz），兩者基本相當。由此可知，由于原系統大環路的拆分，低區管網阻力明顯減小，若將水泵頻率提升至改造前的運行頻率，水泵的效率能夠得到進一步提升。

目前，低區換熱站的總流量提高了28 m3/h，循環水泵的揚程下降了6 m。在滿足末端需求情況下，循環泵頻率下降了7.2%，循環泵功率降低了7.7 kW，節約了大量的電能。以目前循環泵45 Hz 情況與改造前48.5 Hz 情況相比，水泵節電達到約15%，節電的效果明顯。

5.3 末端效果提升分析

針對末端16#、8#、18#、22#部分不熱用戶的情況原因進行分析，提出了整改措施，改造后對抽檢用戶進行了入室檢查。下面以22#不熱用戶為例，與去年調研情況進行對比分析，具體情況如表4 和圖4、5 所示。

表4 改造前后22#樓調研數據

圖4 22#2-201 客廳溫度

圖5 22#2-2401 北臥溫度

改造前由于202 室私加水泵，201 室反映不熱。改造后，201 室的室內溫度在六天內基本保持在19.9℃，滿足供熱標準。改造前由于飄窗、地板盤管、供熱量、水力不平衡等問題，存在大量不熱住戶，2017 年12 月進行現場核查時投保修訴量高達300 戶。通過本次供熱改造，供熱效果得到提升，基本做到了“零投訴”，僅個別住戶存在報修的情況。

6 結論

本項目通過供熱改造，在管網中間外置增加一供一回兩根管道并將換熱站出口處管道進行適當改造調整，將原有的大環路拆分為三個小環路。基本解決了住戶所面臨的不熱問題，滿足了供暖設計指標，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[8]。主要效果總結如下：

①改造后低區換熱站的供熱量得到了提高，目前循環泵45 Hz 情況下已經滿足了設計要求，嚴寒期供熱量還有進一步增大空間。

②改造后系統阻力減小，循環泵揚程降低6 m，水泵效率得到提升，循環水泵節電達到15%，效果較好。

③末端回水溫度、流量都有明顯的提高，根據檢測的室內溫度數據，基本都能保持在20℃左右，供熱效率明顯得到提升。

④本次改造后小區報修量大量減少，為供熱企業節省了大量的人力物力，同時極大的提高了老百姓用熱滿意度，解決了供熱民生問題。

供熱作為一項民生工程，其安全、高效、穩定運行應受到重點關注[9]。供熱企業首先在認識上需要進行調整，避免“頭疼醫頭，腳疼醫腳”的思維出現。供熱是系統性工程，亟需通過系統分析診斷，從全局性去著手制定系統的解決方案，同時要吸收類似項目經驗教訓，把握好新建項目，逐步改善優化既有供熱問題。