基于典型熱力站測(cè)試下的能耗分析與節(jié)能策略探討

摘 要：供熱系統(tǒng)的能耗是熱力企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行中的重要指標(biāo)，它不僅體現(xiàn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，更是降本增效的指引。集中供熱系統(tǒng)中，供熱形式多樣、覆蓋面積大、設(shè)備種類繁多、運(yùn)營(yíng)水平參差不齊，如何科學(xué)合理地分析供熱系統(tǒng)的能耗，具有十分重要的意義。供熱能耗分析的最終目的是為了找出相應(yīng)的節(jié)能措施，本文以熱力站為研究對(duì)象，選取了不同供熱形式、不同建筑類別的典型熱力站進(jìn)行測(cè)試分析，并依據(jù)測(cè)試結(jié)果提出節(jié)能措施。

關(guān)鍵詞：熱耗；電耗；阻力損失；不平衡率

中圖分類號(hào)：TU995 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" 文章編號(hào)：1673-260X（2025）04-0014-06

在“雙碳”背景下[1]，冬季北方熱電聯(lián)產(chǎn)受到了越來(lái)越多的關(guān)注[2]，熱力站是集中供熱系統(tǒng)中連接熱源和熱用戶的樞紐，主要作用是將熱網(wǎng)輸送的熱媒加以調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換，向熱用戶系統(tǒng)分配熱量以滿足用戶需求，并根據(jù)需要，進(jìn)行集中計(jì)量和監(jiān)控?zé)崦降膮?shù)。集中供熱系統(tǒng)中，企業(yè)通常以熱力站為單位開(kāi)展運(yùn)行調(diào)節(jié)工作，熱力站是供熱系統(tǒng)中能耗指標(biāo)分析的基本單位，通常涵蓋的能耗指標(biāo)為熱耗、電耗、庭院管網(wǎng)熱損失及不平衡率等。目前北方城鎮(zhèn)集中熱網(wǎng)基本覆蓋全部城區(qū)成為城市的寶貴資源[3]，以赤峰富龍熱力有限責(zé)任公司為例，目前承擔(dān)赤峰市中心城區(qū)70%以上供熱面積的供熱任務(wù)，因集中供熱發(fā)展起步較早，轄區(qū)內(nèi)熱力站的形式多樣。管網(wǎng)的大規(guī)模化和日趨復(fù)雜化導(dǎo)致管網(wǎng)調(diào)節(jié)存在延遲和連鎖反應(yīng)[4]，建筑節(jié)能情況復(fù)雜，根據(jù)以上情況歸納分析建筑采暖情況。2022—2023年采暖季，筆者分別對(duì)21座熱力站，共計(jì)967 751 m2供熱面積進(jìn)行了能耗分析，不考慮建筑的歇性負(fù)荷需求[5]。

1 典型熱力站的選取

根據(jù)建筑性質(zhì)可分為民用建筑、公共建筑及商業(yè)建筑；根據(jù)建筑節(jié)能等級(jí)，可將民用建筑分為節(jié)能建筑、既有節(jié)能改造建筑及非節(jié)能建筑三類；根據(jù)供熱方式分類可分為換熱、直供及大溫差供熱；根據(jù)用戶內(nèi)采暖形式可分為散熱器和地板輻射采暖，因此熱力站的分類差異性較大。相較于熱泵、太陽(yáng)能及儲(chǔ)熱等分布式熱源熱電聯(lián)產(chǎn)作為集中供熱熱源具有較佳的穩(wěn)定性[6，7]。本文分析時(shí)間長(zhǎng)度涵蓋整個(gè)采暖期，根據(jù)歸納分類原則選取直供混水站5座，常規(guī)換熱站9座，大溫差換熱站（采用吸收式換熱機(jī)組）7座。

2 測(cè)試目的與方法

2.1 研究方法

（1）測(cè)試上述21座熱力站熱耗以及選取部分熱力站測(cè)試電耗，站內(nèi)阻力分布情況。橫向?qū)Ρ炔煌ㄖ愋汀⒔ㄖ再|(zhì)、供熱方式、采暖形式的熱力站之間存在的差異。（2）選取了7條支線，從熱力站到末端樓棟入口逐步梳理每個(gè)環(huán)節(jié)耗熱量構(gòu)成，分析庭院管網(wǎng)熱量損失情況，包括庭院管網(wǎng)熱損失、樓棟間不平衡率。

2.2 測(cè)試目的

主要目的包括：（1）需要測(cè)試參數(shù)包括熱力站供水溫度、回水溫度、流量、壓力、水泵功率；（2）需要測(cè)試參數(shù)包括熱力站所轄各樓棟供水溫度、回水溫度、流量。表1給出了21座熱力站及7條支線實(shí)際測(cè)試物理量及測(cè)試儀器布控位置。測(cè)試物理量及測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)表1。

現(xiàn)對(duì)測(cè)試方法進(jìn)行說(shuō)明。

（1）目的一：熱力站熱量測(cè)試，有如下公式：

式（1）中：Q為單位時(shí)間內(nèi)供熱量，單位：kW；C為供熱介質(zhì)比熱，對(duì)于水通常取4.187 kJ/（kg·℃）；M為熱水流量，單位為kg/s；tg，th為熱水供水和回水溫度，單位：℃。

受流量測(cè)試的難度和儀器條件限制，在管網(wǎng)水力工況穩(wěn)定和不進(jìn)行任何流量調(diào)節(jié)的前提下，可以認(rèn)為流量近似保持穩(wěn)定，僅測(cè)試小段時(shí)間內(nèi)的平均流量，替代整個(gè)測(cè)試過(guò)程的流量。而溫度可以使用溫度自記儀長(zhǎng)期布點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

站內(nèi)阻力、水泵電耗有如下公式：

式（2）中：H為阻力部件阻力，單位為m；Pin、Pout為阻力部件進(jìn)出口壓力表壓力，單位為MPa；Z為進(jìn)出口壓力表高差（出口高度-進(jìn)口高度），單位為m。水泵電耗采用電功率計(jì)在水泵配電柜處測(cè)試讀取。

（2）目的二：庭院管網(wǎng)熱損失測(cè)試，有如下公式：

式（3）中：△Q庭院為庭院管網(wǎng)熱損失，單位為kW；Qco為熱力站出口熱量，單位為kW；Qci為樓棟入口熱量，單位為kW。

樓棟間不平衡率測(cè)試，有如下公式：

式（4）中：I為庭院管網(wǎng)不平衡率；Qci為樓棟入口熱量，單位為kW；Qa為樓棟平均熱量，單位為kW；Aci為樓棟面積，單位為m2；A庭院為庭院管網(wǎng)總面積，單位為m2。

2.3 測(cè)量?jī)x器安裝要求

溫度測(cè)量使用溫度自記儀，溫度自記儀采用鉑電阻溫度傳感器，可以測(cè)量并存儲(chǔ)溫度數(shù)據(jù)。由鉑電阻溫度探頭、導(dǎo)線和設(shè)備面板構(gòu)成。使用時(shí)注意將探頭測(cè)量面緊貼被測(cè)量物體，避免夾隔空氣從而誤測(cè)空氣溫度帶來(lái)誤差；可以使用保溫棉覆蓋整個(gè)探頭非測(cè)量面，并且涂抹導(dǎo)熱油/導(dǎo)熱硅脂避免與空氣接觸帶來(lái)誤差；探頭需要牢固安裝在被測(cè)物體上，防止脫落；測(cè)試時(shí)注意記下儀器編號(hào)和測(cè)試點(diǎn)位置，方便后期數(shù)據(jù)處理。

2.4 數(shù)據(jù)校核修正

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，為避免溫度和流量出現(xiàn)誤差，測(cè)試儀器首次安裝后，多次前往現(xiàn)場(chǎng)讀出數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)初步判斷測(cè)試結(jié)果是否正確，及時(shí)進(jìn)行修正再進(jìn)行后面的分析。

對(duì)于溫度測(cè)試，主要的誤差來(lái)源于溫度計(jì)探頭并未充分接觸被測(cè)物體，有空氣夾層混入，導(dǎo)致實(shí)際測(cè)試結(jié)果是被測(cè)物體與空氣的中間溫度。空氣溫度顯著低于被測(cè)物體溫度，對(duì)溫度接近空氣溫度的自記儀加固溫度計(jì)探頭，隔絕空氣。

同時(shí)，對(duì)于庭院管網(wǎng)而言，供熱管線從上游（熱力站）流至末端，經(jīng)過(guò)層層漏熱損失后，供水溫度應(yīng)該呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。測(cè)試中發(fā)現(xiàn)末端供水溫度高于上游供水溫度，檢查儀器布置返回上游重新修正。

流量測(cè)試時(shí)，對(duì)總流量與分支流量和進(jìn)行校驗(yàn)。將流量測(cè)試的誤差控制在10%以內(nèi)，見(jiàn)式（5）。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 目的一：測(cè)試熱力站熱耗、電耗、阻力分布情況

3.1.1 熱耗測(cè)試分析

2022—2023年采暖季21座熱力站熱耗熱測(cè)試結(jié)果如表2所示。

節(jié)能建筑初寒期平均熱指標(biāo)為17.5 W/m2，嚴(yán)寒期平均熱指標(biāo)為24.9 W/m2，末寒期平均熱指標(biāo)為17.7 W/m2，采暖季平均熱耗為0.32 GJ/m2；非節(jié)能建筑初寒期平均熱指標(biāo)為28.1 W/m2，嚴(yán)寒期平均熱指標(biāo)為39.2 W/m2，末寒期平均熱指標(biāo)為28.4 W/m2，采暖季平均熱耗為0.49 GJ/m2；節(jié)能改造建筑初寒期平均熱指標(biāo)為28.5 W/m2，嚴(yán)寒期平均熱指標(biāo)為35.8 W/m2，末寒期平均熱指標(biāo)為24.5 W/m2，采暖季平均熱耗為0.47 GJ/m2。從建筑節(jié)能情況來(lái)看，節(jié)能建筑熱耗明顯低于非節(jié)能建筑和節(jié)能改造建筑，整體熱耗降低34.7%。節(jié)能改造建筑整體熱耗相對(duì)于改造前略有降低，雖熱耗降低不明顯，但改造后居民室內(nèi)溫度有2～3 ℃的提升。另外，赤峰屬于嚴(yán)寒地區(qū)范圍，初末寒期和嚴(yán)寒期熱指標(biāo)相差約30%。

從建筑性質(zhì)角度看，居民建筑平均熱耗為0.37 GJ/m2，公用建筑平均熱耗0.41 GJ/m2，商業(yè)建筑平均熱耗0.40 GJ/m2。居民建筑耗熱量低于公用建筑和商業(yè)建筑，居民用熱時(shí)段穩(wěn)定，對(duì)供熱效果要求較高，分析結(jié)果顯示居民用熱反而最低，說(shuō)明對(duì)公用建筑和商業(yè)建筑缺乏有效控制，此部分節(jié)能潛力巨大。

另外，應(yīng)對(duì)非節(jié)能建筑實(shí)施外墻保溫改造和門(mén)窗密閉性改造，減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)所造成的熱耗損失，對(duì)老舊管網(wǎng)（含水泵、閥門(mén)等設(shè)備），推廣應(yīng)用節(jié)能技術(shù)產(chǎn)品，通過(guò)對(duì)老舊管網(wǎng)的改造，可以有效降低庭院管網(wǎng)及樓棟漏熱、漏水情況，有效減少庭院管網(wǎng)及樓棟的不均勻損失，消除供暖死角，從而提高供暖質(zhì)量和室內(nèi)溫度的穩(wěn)定性。

3.1.2 電耗測(cè)試分析

2022—2023年采暖季換熱站和混水站電耗、阻力分布情況如表3所示。

換熱站采暖季平均電耗為0.49 kW·h/m2，循環(huán)泵平均效率68%；混水站采暖季平均電耗為0.47 kW·h/m2，混水泵平均效率54%。混水站內(nèi)無(wú)換熱器，壓力損失要小于換熱站，電耗也應(yīng)低于換熱站，但上表分析混水站電耗與換熱站電耗基本持平，主要原因?yàn)榛焖狙h(huán)泵效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于換熱站，如果將混水泵效率提升至68%，則電耗將降低至0.37 kW·h/m2，節(jié)能21.2%。應(yīng)對(duì)混水泵進(jìn)行重新選型匹配，提升水泵效率，對(duì)現(xiàn)有換熱站效率較低的循環(huán)泵進(jìn)行更換，合理選擇循環(huán)泵型號(hào)，避免工作點(diǎn)“左偏”（揚(yáng)程選型偏小）、“右偏”（揚(yáng)程選型偏大）的情況出現(xiàn)，若循環(huán)泵運(yùn)行未在工作曲線上或額定點(diǎn)效率不達(dá)標(biāo)，需檢查循環(huán)泵本身是否有葉片腐蝕或臟堵現(xiàn)象，基于熱力站測(cè)試分析的設(shè)備重新合理選型。

2022—2023年采暖季換大溫差換熱站（集中、樓宇）電耗及分布情況如表4所示。

大溫差站相對(duì)于常規(guī)換熱站機(jī)組形式不同，溴化鋰機(jī)組本身設(shè)有溶液泵和冷劑水泵，增加了換熱站電耗。樓宇式大溫差機(jī)組整體電單耗平均值0.48 kW·h/m2，循環(huán)泵平均電耗0.16 kW·h/m2，機(jī)組溶液泵及冷劑泵平均電耗0.32 kW·h/m2，電耗主要集中在機(jī)組電耗。為進(jìn)一步分析樓宇式大溫差機(jī)組的電耗情況，對(duì)各個(gè)部分壓降進(jìn)行詳細(xì)分析。樓宇式大溫差機(jī)組的熱力站庭院管網(wǎng)供熱半徑小，整體壓降較低，平均值為3.4米，所以循環(huán)泵電耗較低。存在的問(wèn)題是，機(jī)組溶液泵及冷劑泵平均電耗0.32 kW·h/m2，相對(duì)較高。分析樓宇式機(jī)組耗電量高的原因?yàn)椋瑯怯顧C(jī)組的自身冷劑泵和溶液泵一般選型偏大，而且沒(méi)有變頻控制。

本次分析大溫差集中站數(shù)量較少，數(shù)據(jù)不具有代表性，因此不做數(shù)據(jù)分析。

3.2 目的二：測(cè)試庭院管網(wǎng)熱損失、樓棟間不平衡率

3.2.1 庭院管網(wǎng)熱損失情況

相比于一次網(wǎng)，庭院管網(wǎng)由于管道泡水、保溫層脫落、“跑冒滴漏”等問(wèn)題，熱損失較高，具體包括兩部分：漏水導(dǎo)致的熱損失和管道散熱損失。庭院管網(wǎng)熱損失測(cè)試需要記錄支線出熱量，測(cè)試每棟樓的熱量，最終得到庭院管網(wǎng)的熱損失。本次測(cè)試7條支線，熱損失情況如表5所示。

庭院管網(wǎng)熱損失與保溫的形式、管道的敷設(shè)方式和埋深、保溫破損情況、運(yùn)行溫度和跑冒滴漏等因素有關(guān)，測(cè)試支線熱損失在2%～12%之間不等，變換范圍跨越幅度較大，平均熱損失占比供熱量的6.7%。

3.2.2 樓棟間不平衡率

樓棟間熱量不均現(xiàn)象在我國(guó)北方地區(qū)集中供熱系統(tǒng)中普遍存在，具體原因有兩點(diǎn)：一部分小區(qū)的庭院管網(wǎng)流量和熱量無(wú)法根據(jù)用戶需求調(diào)節(jié)、分配不均，出現(xiàn)樓棟間不均勻現(xiàn)象；另一部分小區(qū)為了保證最遠(yuǎn)端不利用戶滿足需求，往往加大二次循環(huán)流量，使得近端過(guò)熱，近端用戶供暖季開(kāi)窗通風(fēng)次數(shù)增加，造成熱量浪費(fèi)。

為了解赤峰市庭院管網(wǎng)供熱不均勻損失情況，以歐風(fēng)帝景支線一為例對(duì)比各樓單位面積供水流量，可以發(fā)現(xiàn)，樓棟間供熱量不均主要是由供水流量不均造成的。

由圖1、圖2可知，風(fēng)帝景支線一各樓棟間供熱量不均主要是由供水流量不均造成的。

以歐風(fēng)帝景低區(qū)支線一為例，以平均值為基準(zhǔn)線進(jìn)行計(jì)算樓棟間不平衡供熱率，如圖3所示。

歐風(fēng)帝景小區(qū)各樓棟平均熱耗0.36 GJ/m2，其中8號(hào)樓熱耗最高，單位面積熱耗為0.43 GJ/m2，供熱不平衡率19.7%；各樓棟面積加權(quán)計(jì)算歐風(fēng)帝景低區(qū)支線一整體不平衡率為12%。

其它5座換熱站7條支線測(cè)試結(jié)果如表6所示。

除歐風(fēng)帝景支線二不平衡率控制在4%，其他六條支線不平衡率均在10%左右。

4 結(jié)論

（1）節(jié)能建筑熱耗明顯低于非節(jié)能建筑和節(jié)能改造建筑，整體熱耗降低34.7%。居民建筑耗熱量低于公用建筑和商業(yè)建筑，居民用熱時(shí)段穩(wěn)定，對(duì)供熱效果要求較高，分析結(jié)果顯示居民用熱反而最低，說(shuō)明對(duì)公用建筑和商業(yè)建筑缺乏有效控制，此部分節(jié)能潛力巨大，應(yīng)繼續(xù)推進(jìn)對(duì)老舊小區(qū)非節(jié)能建筑的節(jié)能改造，對(duì)非節(jié)能建筑實(shí)施外墻保溫改造和門(mén)窗密閉性改造，減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)所造成的熱耗損失。

（2）熱力站循環(huán)水泵的選擇與配置十分重要，選擇與配置得當(dāng)，泵運(yùn)行工作點(diǎn)處于設(shè)備高效率區(qū)域，耗能較少；選擇與配置不當(dāng)，泵運(yùn)行工作點(diǎn)偏離設(shè)備高效率區(qū)域，則耗能高，兩者相差可達(dá)10%～13%。循環(huán)水泵配置不當(dāng)，還會(huì)影響系統(tǒng)水力工況。循環(huán)泵的運(yùn)行方式不當(dāng)也會(huì)導(dǎo)致耗能量過(guò)高。

（3）熱力站支線之間的不平衡率較高，導(dǎo)致同一建筑類型建筑的熱耗偏差較大，主要原因?yàn)楣芫W(wǎng)的水力失調(diào)。庭院管網(wǎng)平衡是節(jié)能工作的基礎(chǔ)，加強(qiáng)調(diào)節(jié)可降低循環(huán)流量，有效降低電耗，同時(shí)可杜絕前端用戶過(guò)量供熱的現(xiàn)象，有效降低電耗和熱耗。

（4）應(yīng)對(duì)所有熱力站進(jìn)行能耗測(cè)試分析，包括樓棟的熱耗、庭院管網(wǎng)的熱損失、循環(huán)水泵的電耗、各部件的阻力損失、循環(huán)泵的效率、庭院管網(wǎng)水力計(jì)算。只有充分了解熱力站的各項(xiàng)能耗指標(biāo)，才能科學(xué)合理地提出改造方案，指導(dǎo)節(jié)能降耗工作開(kāi)展。

（5）逐步提升供熱智能化水平，完善智慧供熱系統(tǒng)，完善數(shù)據(jù)采集模式，打造智慧供熱平臺(tái)，提升智能化水平。通過(guò)優(yōu)先提升數(shù)據(jù)采集質(zhì)量和全面性，有條件的熱力站數(shù)據(jù)采集可擴(kuò)展至樓棟及室內(nèi)，使用樓棟平衡調(diào)節(jié)裝置，對(duì)典型建筑室內(nèi)加裝測(cè)溫裝置等措施提升供熱精準(zhǔn)化水平。

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收稿日期：2024-12-18