北方城市集中供暖系統能耗與過量供熱案例分析

種道坤 周海珠 李曉萍 李以通

中國建筑科學研究院有限公司

0 引言

過量供熱會加劇集中供暖系統的能耗水平，其原因可分為以下三點：供暖系統熱惰性[1]、建筑熱工性能差異[2]、人員用熱行為[3]。相關學者開展了大量研究，但仍存在以下問題：一是，對于過量供熱問題大多為定性描述，過熱程度的評價也是基于主觀感受，缺乏準確定量評估。二是，集中供暖是一個復雜的多因素、多環節耦合系統，應從源頭出發對整個系統層面的過量供熱問題進行研究。

因此，本文選取了不同城市的三個大規模集中供暖系統，基于實際運行數據，對系統總能耗以及熱源、輸配管網、建筑末端的分項能耗進行了分析。分別提出了描述時間和空間過量供熱程度的量化方法，對其中一個系統的過量供熱程度進行了評估，將時間因素和空間因素進行了獨立分析。

1 系統介紹

本文所選取的三個集中供暖系統分別位于哈爾濱市、天津市、青島市，覆蓋嚴寒和寒冷氣候分區，且都是采用燃煤鍋爐作為熱源，但天津市和青島市的系統為熱電聯產形式，三個系統的情況介紹如表1 所示。我國北方城市大規模區域集中供暖仍存在大量傳統燃煤鍋爐形式，由于經濟成本、現場條件等原因，目前此類燃煤鍋爐并無法被完全替代，因此在現有基礎上如何最大程度地進行節能改造，從而提升其節能低碳水平，是需要重點研究的問題[4]，系統1 即為典型代表。對于條件允許的地區，傳統燃煤鍋爐應轉型為熱電聯產，而對于新建項目則優先考慮熱電聯產形式，因此，本文選取了系統2 和系統3。

表1 集中供暖系統介紹

2 分析方法

2.1 能耗分析

本文采用 GB/T 51161-2016《民用建筑能耗標準》中嚴寒和寒冷地區建筑供暖能耗的計算方法，對三個系統的供暖綜合能耗指標、熱源能耗指標、輸配系統能耗指標（包含管網熱損失率和管網水泵電耗）以及建筑耗熱量指標進行了計算，原始數據來源為各熱電廠的自動監控平臺以及能耗臺賬。最后，所有能耗指標均與表2[5]列出的標準約束值和引導值進行了對比分析。

表2 三個城市的集中供暖能耗指標約束值與引導值

2.2 過量供熱分析

建筑理論熱負荷應作為是否過量供熱的評判基準，而理論熱負荷可假設與室內外溫差存在線性關系[6]，最大熱負荷應為供暖季最冷天的實際熱負荷。因此，室內理論熱負荷可由式（1）計算得出：

式中：Qt為建筑理論熱負荷，W/m2；Qd為建筑設計熱負荷，W/m2；Ti,d為供暖室內設計溫度，℃；To為室外氣溫，℃；To,min為最低室外氣溫，℃。

對于過量供熱率，目前專業領域并未形成統一的計算方法和標準，本文將其定義為實際供熱量與理論熱負荷的相對差異率。因此，對于某一供暖時間段，通過計算平均室內溫度，則可得出過量供熱率ε，如式（2）所示：

式中：Ti,a為供暖平均室內溫度，℃。

3 分析結果

3.1 系統能耗水平

3.1.1 供暖綜合能耗

供暖綜合能耗指標是以一個完整的供暖期單位建筑面積供暖系統能耗量作為指標的表現形式，并應包括供暖系統的熱源所消耗的能源和供暖系統的水泵輸配電耗。其中輸配電耗按照供電煤耗320 gce/kWh 折合為標煤計入供暖能耗。

按照 GB/T 51161-2016《民用建筑能耗標準》中的計算方法，所選取的三個集中供暖系統的供暖綜合能耗指標與標準約束值、引導值的對比情況如圖1 所示。哈爾濱、天津、青島三個系統的供暖綜合能耗指標分別為18.5 kgce/m2、7.0 kgce/m2、9.4 kgce/m2，系統1 和3 均高于標準約束值，而系統2 高于引導值低于約束值。其中，系統1 能耗水平最高，高出約束值60.7%，由于該系統為傳統燃煤熱水鍋爐，建成時間較長，與另外兩個熱電聯產系統相比，在能源利用效率上處于劣勢。系統3 的能耗水平最低，略微低出約束值4.1%，而系統2 處于中間地位，高出約束值51.6%。然而，總能耗不能反應出系統各環節的能耗水平，還需要對系統各個環節單獨分析。

圖1 各系統供暖綜合能耗指標

3.1.2 熱源能耗指標

三個系統的熱源能耗指標如圖2 所示，數值依次為51.0 kgce/GJ、26.8 kgce/GJ、41.4 kgce/GJ，分別超出了標準約束值131.8%、21.8%、88.2%。由此可見，三個系統熱源總體能耗水平欠佳，其中系統1 的傳統燃煤熱水鍋爐能耗最高，效率低下，經調研發現，該系統鍋爐采用老式鏈條爐排，相對于往復式爐排，熱效率較低，同時尾部受熱面積灰嚴重，使得排煙阻力增大，排煙溫度升高。系統2 和系統3 為熱電聯產形式，均采用燃煤蒸汽鍋爐，類型包含循環硫化床鍋爐、煤粉鍋爐以及水煤漿鍋爐，內部采取了一些有效的節能改造技術，例如安裝了高效省煤器和脈沖吹灰器，因此在熱源效率上高于系統1，而系統2 的能耗指標比系統3 進一步低出35.3%。

圖2 各系統熱源能耗指標

3.1.3 輸配系統能耗指標

所選案例均為城市大型集中供暖系統，管網規模非常巨大，其中系統2 的管網總長度更是高達1087 km，勢必會造成大量的管網熱損失。如圖3 所示，各系統的管網熱損失率均超出了標準約束值，數值依次為6.8%、15.0%、9.1%，分別超出約束值36.0%、200.0%、82.0%。系統1 的管網長度相對最小，僅為78 km，所以熱損失率也最小，系統3 處于中間位置。而系統2 的管網熱損失顯著高于其他系統，原因主要是管網長度非常大、覆蓋范圍廣、維護難度高，經調研發現，由于涉及大面積老舊街道和小區，二次網保溫性能下降且存在跑冒滴漏現象。此外，即使管網熱損失控制在5%以下，長距離輸送的正常管道熱損失也相當大，因此合理的管網設計布局與優化的運行策略對于集中供暖系統節能十分重要。

圖3 各系統管網熱損失率

輸配系統水泵電耗也是系統總能耗不可忽視的一部分，各系統的管網水泵電耗指標如圖4 所示。系統1 和系統2 分別高于約束值12.0%和33.3%，而系統3 的數值相對最低，低出約束值14.3%。

圖4 各輸配系統水泵電耗指標

3.1.4 建筑耗熱量指標

建筑耗熱量指標是對建筑本體節能性能以及建筑樓內運行調節性能的綜合評價，是指為滿足冬季室內溫度舒適性要求，在一個完整供暖期內需要向室內提供的熱量除以建筑面積所得到的能耗指標[7]。各系統建筑耗熱量指標如圖5 所示，雖然供暖范圍都覆蓋了一部分老舊小區，但其中大部分已經過節能改造，所以三個系統的建筑耗熱量指標均低于標準約束值，分別為0.35 GJ/m2，0.20 GJ/m2和0.19 GJ/m2，相對于熱源和輸配系統而言，建筑末端的能耗水平最低。

圖5 各系統建筑耗熱量指標

3.2 過量供熱程度

針對過量供熱問題的分析需要較為全面的供暖季建筑室內溫度監測數據，由于系統2 的室內熱環境監測數據較為齊全，共涉及10 個換熱站，對應10 個住宅小區，因此選取系統2 進行過量供熱程度的案例分析。這10 個住宅小區包含了74%的三步節能建筑、16%二步節能建筑以及10%的非節能建筑。此外，天津市供暖室外計算溫度為-7℃，該系統的供暖時長為5 個月。

3.2.1 時間過量供熱

時間過量供熱指的是由于系統熱惰性造成的建筑末端整體供熱過量，往往是因為系統無法根據天氣變化及時作出響應而造成的[8]。若要僅從時間維度進行分析，則需要盡量消除管網空間差異所帶來的影響，因此，在進行不同建筑之間的室內溫度對比時，應選取同一換熱站下，同一支路上的不同建筑。在此條件下，選取的居住建筑包括三步節能10 棟、二步節能10 棟、非節能6 棟，它們在供暖季每月的平均室內溫度如圖6 所示。從圖中可以看出三步和二步節能住宅在整個供暖期的室內平均溫度顯著高于非節能住宅，同時，圍護結構保溫性能越好，月平均溫度之間的差異越小，室內熱環境越穩定。以供熱公司20℃的室內溫度標準來衡量，三步和二步節能住宅室溫明顯偏高。此外，三類建筑的最大月平均室內溫度差異分別為0.8℃、1.7℃、3.2℃，二步節能和非節能住宅的最高室內氣溫出現在供暖初期和末期，而三步節能住宅出現在中期的1 月份。經過調研發現，三步節能住宅室內人員在供暖初期和末期的開窗時間顯著增大，造成溫度變化趨勢與二步和非節能住宅相反，同時也印證了三步節能住宅在供暖初期和末期存在較為嚴重的過量供熱現象。最后，根據式（2）計算得到三步、二步和非節能住宅建筑的過量供熱率分別為22%、17% 和5%。

圖6 不同節能程度居住建筑平均室內溫度

由于設備、人員等條件限制，無法對所有的建筑室內溫度進行測量，因此若想了解系統更大范圍內的過量供熱程度，可計算建筑理論熱負荷并與實際供熱量進行對比而得出。此處以2 號換熱站為例，利用式（1）計算該換熱站覆蓋的所有建筑的理論熱負荷，再與實際供熱量進行對比，如圖7 所示。可以看出，在室外氣溫相對較高時，建筑的實際供熱量普遍高于理論需熱量，圖中所有點與直線的累計總差異率即為2 號換熱站的過量供熱率。然后利用此方法，可以分別得到系統2 的10 個換熱站的過量供熱程度，具體如圖8 所示。

圖7 2號換熱站建筑理論需熱量與實際供熱量

圖8 系統2 所選取的區域換熱站過量供熱率

3.2.2 空間過量供熱

空間過量供熱指的是，由于管網水利失調而導致處于不同管網位置建筑的供熱量具有顯著差異，從而造成部分建筑室內溫度過高。供熱站往往為了保證最不利末端建筑的室內溫度達標，而加大整體供熱量，使得那些室溫已經較為舒適的住宅變得過熱[9]。為了排除時間因素，此處選取1 月份的平均室內溫度進行分析，將每個小區處于不同支路的建筑進行對比，如圖9 所示。其中，不同建筑室內溫度差異最大值為4.1℃，出現在5 號換熱站，而該換熱站所對應的小區均為非節能住宅建筑。差異最小值為0.7℃，出現在9 號換熱站，此換熱站對應的小區為三步節能住宅。

圖9 系統2 所有區域換熱站中不同建筑一月份平均室內溫度

進一步對差異最大的5 號換熱站所對應的小區進行分析，所選取的不同支路的住宅樓一共有12 棟，根據熱力入口的監測數據，將每棟住宅樓的實際供熱量進行對比，如圖10 所示。其中6、7 號樓的實際供熱量高達35 W/m2，是1 號樓的1.5 倍，由此可見小區管網的供熱不平衡問題十分明顯。經調研發現，該小區于90 年代建成，供熱管網缺乏自動監控系統，熱力調節手段為基于經驗的人工調節，在供需匹配方面具有明顯不足。

圖10 5號小區換熱站不同建筑一月份供熱量與平均室內溫度

4 結論

本文選取了位于哈爾濱、天津、青島的三個大型燃煤集中供暖系統作為研究對象，通過對實測數據的分析，分別計算出了熱源、輸配系統、建筑末端以及綜合供暖能耗指標，并與國標約束值和引導值進行了對比，從而評估每個系統的能耗水平，再進一步選取位于天津的2 號系統為典型案例，對普遍存在的過量供熱問題進行了量化分析，得到了如下結論：

1）哈爾濱、天津、青島三個系統的供暖綜合能耗指標分別為18.5 kgce/m2、7.0 kgce/m2、9.4 kgce/m2，系統1 和3 均高于標準約束值，而系統2 低于約束值。其中系統1 能耗高出約束值60.7%，由于該系統為傳統燃煤熱水鍋爐，建成時間較長，與另外兩個熱電聯產系統相比，在能源利用效率上處于劣勢。

2）對于分項能耗，三個系統在熱源和輸配系統環節的能耗水平均高于標準約束值，而在建筑耗熱量方面均低于約束值。結合系統建設情況可知，得益于老舊小區節能改造效果，三個系統在建筑末端能耗表現良好，但熱源效率和輸配系統效率仍需進一步提升。

3）不同節能水平的住宅建筑具有不同的過量供熱率，圍護結構保溫性能越高，過熱程度越大，本文所選取的三步、二步和非節能住宅建筑的過量供熱率分別為22%，17 %和5%。系統2 中的10 個換熱站的平均過量供熱率為15.8%，在時間維度上，由于室外氣溫較高，供暖初期和末期的過量供熱率明顯高于中期。

4）同一換熱站的小區管網內不同建筑的供熱量差異明顯，小區管網水力失調造成了建筑之間熱量分布不均勻，從而導致了空間過量供熱問題，在系統2 的10 個換熱站中，不同住宅樓平均室內溫度差異最大達到了4.1℃。