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当前供热技术中需要取得共识的几个问题石兆玉 王智超 清华大学 2023-05-30当前供热技术中需要取得共识的几个问题 国家建设部制定的民用建筑节能管理规定即将在全国执行，供热计量收费工作也将全面铺开，有关设计规范正在着手修改，供热协会也在酝酿制定行业技术措施。我想就大家比较关注又比较成熟的几个技术问题，谈一些见解，以期取得共识。一、供热系统设计供回水温度的拟定 这里重要指二次网设计供回水温度的拟定。我国设计规范，规定为95/70。但长期以来，人们普遍反映这个取值过高，理由是数年的实际运营经验告诉我们，供水温度只要达成70、80，用户室温都能在16以上。因此，不少人呼吁：将设计供回水温度降为85/65、75/55，甚至65/45。 这个建议是否对的？我认为是不妥的。因素是，我们既要认可实际运营中供水温度偏低这一事实，更要进一步了解为什么会发生这一现象？只要把表象后面的因素搞清了，结论也就自然而然地得出了。 一方面抛开由于近几年冬天气温比较暖，对供水温度的运营产生影响外，我认为长期以来，我国供热系统，供水温度普遍偏低重要是二个因素导致的：一是大流量、小温差的落后运营方式，二是散热器计算留有余地过多。 对于一个恒供热量的热源（锅炉或热力站）来说，当供热系统的实际循环流量超过设计循环流量时，其实际供回水温差必然减少，进而导致供水温度下降，回水温度上升。下表给出了这种变化的基本规律。设计供回水 温度（） 相对流量（） 运营流量/设计流量 实际供回水温度（） 供回水温差 （） 95/70 1.0 95/70 25 95/70 2.0 88.8/76.2 12.5 95/70 3.0 86.7/78.3 8.33 95/70 6.25 84.5/80.5 4.0 75/55 1.0 75/55 20 75/55 2.0 70/60 10 75/55 3.0 68.3/61.7 6.7 75/55 6.25 66.6/63.4 3.2 过去由于我国缺少科学的流量调节方法和设备，因此，长期以来依靠大流量、小温差的运营方式来消除因水力失调引起的冷热不均现象。在实际的供热系统中，运营流量超过设计流量23倍是常有的事情。表中给出了二种供回水设计温度，当运营流量提高23倍的情况下，供水温度一般都要分别下降56至89，而回水温度则提高相应的温度。这是引起实际运营供水温度下降的第一个因素。 引起供水温度下降的第二个因素是散热器选择富余量过多。对于旧有民用建筑，按照供热指标核算，平均一平方米的供热面积只需0.3片散热器（铸铁四柱813型）即够，而国内的设计通常都为0.5片，也就是说，富余量达成40。假如按这种标准选择散热器，室内设计温度仍为18，则供水温度也必然下降，其计算结果见下表。设计供回 水温度 相对散热器面积（） 实际传热面积/ 设计传热面积 实际供回 水温度 （） 供回水 温差 （） 室内 温度 （） 95/70 140% 85.7/56.8 28.9 18 75/55 140% 70.9/46.6 24.3 18 此时回水温度也跟着下降，这一点与循环流量增长时有所不同。 在实际的供热系统中，往往是即增长循环流量又增长散热器面积，在两者的共网作用下，其供水温度必然下降的更多，而回水温度则视实际情况而定。 假如我们肓目减少设计供水温度，而在散热器的面积选择上，和循环流量的实际运营上仍然不改初衷，则势必出现实际供水温度继续下降并且始终不能与设计值吻合的现象，这种恶性循环的发生，从反面进一步验证：实际供水 温度偏低的问题，绝不是设计理论的不妥，而是设计方法与运营方式急待完善的问题。 尚有人提出，国外供回水设计温度一般都比较低，如丹麦通常为85/60。丹麦的国情与我国不同。丹麦的建筑密度和负荷密度都小，相对而言，管网的输送距离比较长，他们通过进一步研究，减少供回水设计温度，可以减少管道散热损失，因而是经济的。而对于我国，情况恰恰相反，因此，减少设计供水温度是无的放失。再则，随着计量收费的普及，供热系统的调节性能逐渐改善，冷热不均的问题，也即将成为历史，在这种情况下大流量运营再没有实际意义。因此，再减少设计供回水温度不仅在理论上站不住脚，在事实上也是不合时宜的。因此，建议维持原设计规范为好。以上是对散热器采暖而言，对于地板幅射采暖则需另行研究。二、室内设计温度的选取 过去的设计规范一律定为18。计量收费后，供热系统应能随意调节，以满足用户对室温的不同规定。在这种情况下，又如何拟定设计室温？定低了，满足不了标准规定高的用户；定高了，又是一种浪费。现在，在新的设计规范尚未出台之前，有的设计院，在新的建筑设计中，已经考虑了设计室 温的变动。具体作法是最高室温能调到2425，并且从家里无人到主人回到家，在半小时内室温由值班温度达成规定室温。按照这样的目的作设计，对于节能民用建筑（对于北京地区，供热热指标在50W/m2左右），其散热器选取的数量将是本来的二倍。 散热器布置这样多，并且每个房间都按能调到2425规定，这样作设计是否合理？围绕这个问题，我们做了一些研究。重要作了二方面工作：一是当设计供回水温差在2025下，循环流量比设计流量增大23倍时，室温的调节幅度是多少？二是房间由值班采暖到规定室温的升温过程中，室内建筑热环境处在什么状况？通过模拟计算，前者的室温调节幅度能提高24。也就是说，在系统安装完毕后，依靠温控阀的调节，当流量增长23倍时，室内温度可升高24。假如我们拟定设计室温为18，考虑留有余地，室温至少能调到20。 关于房间升温速度问题。对于民用住宅，不能简朴理解为一个房间没人，周边围护结构皆看作值班采暖的冷表面，由于周边房间要向这个房间散热，并将引起周边房间散热量（保持同一室温）的增长。同时，若把一个民用住宅楼看作整体，可以认为整幢楼的平均室温为设计室温（如18）。对于节能建筑来说，外围护结构的保温性能和蓄热性能都比旧有民用建筑为好。针对上述情况，我们进行了模拟计算：从值班采暖升温至15约30分钟，从15升温至18约二个半小时。 根据上述分析计算再加上其他各种因素的考虑，我们建议民用建筑最佳依据不同的建筑标准拟定不同标准的室内设计温度。如把民用建筑按舒适限度的不同规定，分为三个等级。一级建筑室温可达25，二级建筑室温最高22，三级标准室温能调至20。这样，我们可规定，一级建筑的设计室温为23，二级建筑的设计室温为20，三级建筑的设计室温为18。可以设想，就我国目前人民生活水平的现状而言，大多数居民维持三级建筑水平，设计标准仍然维持原设计规范。部分民用建筑按二级标准设计。少数民用建筑按一级标准设计。这样，即满足了大多数居民的实际情况，又照顾了少数居民的特殊需求，也符合我国国民经济的发展水平。三、室内供暖系统形式的选择 为了适应计量收费，传统的室内系统形式必须做比较大的变动。一方面必须以户为单位设立系统。为叙述方便，把通常说的室内系统分为楼内系统和户内系统两部分。户内系统即指一户一个供暖系统的形式。楼内系统指户内系统与室外系统之间的系统连接形式。无论是楼内系统还是户内系统，从形式上分，都可以采用双管系统、单管系统（含跨越管）、异程系统和网程系统。这样就可有16种不同形式的组合，我们对其中比较常用的8种组合进行了水力工况计算，分析结果，认为： 楼内系统不宜采用双管同程系统，由于需要三根总立管，不经济，且不易布置；也不宜采用单管（含跨越式）系统，由于这种系统，末端供回水温度过低，导致散热器增长过多，也不经济。这样，比较合理的系统形式，应当是：楼内系统宜采用双管异程；户内系统可以采用双管，也可采用单管跨越。至于采用同程还是异程，可由设计人员根据实际工程选定，由于在散热器前安装温控阀后，系统的稳定性、调节性大为改善，为系统形式的选择增长了灵活性。 目前在户内系统中采用单管跨越形式时，人们特别关注的是分流系数的取值问题。国内外比较一致的意见认为分流系数选择70比较合适，即流入跨越管的流量占70，流入散热器流量占30。过去对这一数值的选取，我曾提出过疑义。最近通过对散热器特性的进一步研究，以及对供热系统水力工况和热力工况的具体的模拟计算，得出如下的结论： 1、对于新设计的单管跨越式系统，分流系数应当选择为70。这样选取，有二个理由：一是可以提高散热器的调节特性。通过计算我们知道，流经散热器的供回水温差越大（如2040）散热器的散热特性越好（愈按近于线性特性）；相反，流经散热器的供回水温差越小（如515），散热器的散热特性越差（愈按近于快开特性）。假如分流系数选取70，流经散热器的设计流量（立管总流量的30）较小此时通过散热器的供回水设计温差可按近1525。也就是说，这时的单管系统其调节特性可与双管系统媲美，可见这一设计思想是对的的。分流系数选取70的第二个理由是考虑了经济性。通过对一户有6个房间的单管跨越式系统的计算，取得下表的数据：分流系数 90 80 70 50 30 10 散热器总片数 120 89 81 76 74 74 由表中看出，虽然分流系数取值80甚至90，散热器调节特性会更好，但散热器片数增长过多，经济性不好；若分流系数取值过小（如1050），不仅散热器调节特性变差，并且散热器片数再不会有明显减少。因此，综合调节特性与经济性二个因素，分流系数选取70是很有道理的。 2、对于改建设计，选取70的分流系数，不能满足用户对室温的规定。所谓改建设计，是指将旧有民用建筑的单管顺流系统改建为能适应计量收费的单管跨越式系统。因此，前提条件是尽量少动户内原有设备，也就是只增设跨越管和温控阀，不改动原有散热器片数。 对于单管顺流系统，可以理解为分流系数为0的跨越管系统。此时，每组散热器的进出口水温差约为5左右，其散热器热特性明显表现为快开特性。当按70的分流系数改建跨越管时，流入散热器的实际流量将只是设计流量的30。根据单管顺流系统的散热特性曲线，可得出此时原有散热器的实际散热量是设计散热量的93.4，即散热量减少6.6，不超过10，这个结果与国内外许多学者的计算数据相吻合。但是，我们这时最关心的是室温如何变化？根据系统热力工况模拟计算，室温只能达成16，按照计量收费的原则，这个标准不能满足用户对室温的规定。即使分流系数增长到90以上，也不能达成设计室温。同时还应指出，加装温控阀后的单管跨越式系统，由于温控阀的阻力远远超过跨越管的阻力，事实上单靠调节温控阀的开度，立管总流量不会有太大变化。这就意味着，温控阀的调节已无能为力。 基于上述因素，我们认为在改建设计中，对于单管跨越管系统，不宜安装二通温控阀，而应安装三通温控阀。由于三通温控阀可以使系统的分流系数调节为0，也就是在最冷天，系统可按单管顺流系统运营，上述流量局限性的问题自然解决。当然业内也有的学者认为，三通温阀阀价格较贵，此外尚有质量问题。这些因素故然都是实际问题，但与系统的供热功能相比较，都应当降为次要因素。 还需要说明的一点是，我国旧有民用建筑的采暖设计中，散热器片数留有余地过大。在改建设计中，建议进行校核计算，如散热器片数超过设计需要的20，则可按分流系数为70进行计算，此时安装二通温控阀，室温也可达成设计规定。四、循环水泵的变流量调节 供热计量收费后，散热器上都装有温控阀。由于温控阀的调节作用，使供热系统从定流量（即质调节）运营变成了变流量运营。但这时系统循环流量的变化是由温控阀（或电动调节阀）的节流作用导致的。从循环水泵的工作曲线上观测，其工作点将向左偏移，导致水泵扬程增大，流量减小，而电机输出的功率，相称大的比例消耗在调节阀的节流上，导致电能的无谓浪费。目前国内，在相称多的冷热联供的水系统中，采用压差调节器进行变流量的调节。具体做法是将压差调节器装在热源或冷源的旁通管上，当用户需热（冷）负荷变化，散热器（或风机盘管）上的调节阀进行调节，将引起旁通管上压差的变动，此时压差调节器发挥作用，保持旁通管压差恒定，借以调节用户系统循环流量的变化。应当说，这种调节方法，对于改善用户调节阀（如温控阀、电动调节阀）的工作条件是有好处的，但从节电的角度观测，没有任何改善。 从提高系统能效的目的出发，在计量收费的供热系统的设计中，应当同步进行系统循环水泵的变流量设计。尽量减少不必要的节流引起的能量损失。这样做，至少可以带来以下一些好处： 一方面，提高了系统能效。循环水泵实现变流量调节，在整个运营期间，至少节电3050。这一技术措施，事实上的节能潜力远比目前大家谈论的循环水泵扬程选择不宜过大的效果更明显。 另一方面，改善了调节阀（温控阀、电动调节阀）的工作条件。假如循环水泵实行定流量运营，当负荷需求变化很大时，调节阀的开度将在很大的幅度范围内变动，不仅影响其使用寿命，并且容易发生故障。当循环水泵实现变流量调节时，其流量的大小，是随负荷的变化而适时控制的。这样，调节阀始终处在微调的状态，不仅提高了调节功能，并且大大改善其工作条件，优越性是显而易见的。 再另一方面，还可有效配合自力式平衡阀的调节功能。对于自力式平衡阀，国内目前已逐渐广泛采用。对于自力式平衡阀，在定流量系统中（如循环水泵定速运营，加装三通阀等）的使用，其优越性已为广大专业人员所认可。但在变流量系统中，还能否使用自力式平衡阀？更成为业内人员关注的热门话题。应当认可，在循环水泵定转速运营的变流量系统中，使用自力式平衡阀是有缺陷的。人们熟悉：自力式平衡阀的功能就是使系统流量自动地限定为设定流量。当系统需求小流量工况时，调节阀（温控阀、电动调节阀等）将关小，此时自力式平衡阀力图维持原设定流量，其阀芯趋于开大。这就出现调节阀与自力式平衡阀动作不协调现象。假如这时我们采用循环水泵变流量调节，系统总流量将随负荷的减少实时变小，进而导致自力式平衡阀前后压差小于其弹簧的工作压差，这时自力式平衡阀不再开大，不协调现象即可消失。那么有人会问，在变流量系统中，为什么还要安装自力式平衡阀？我认为，最重要的作用是在系统内能自动完毕初调节作用，这也是非常重要的。 为了使循环水泵变流量调节完满实现，系统的结构形式必须作适当调整，也就是说应当大力推广双级泵系统。目前我们在国内的 供热系统内，还很少采用这种系统，看到的几乎都是一组循环水泵的单级泵系统。所谓单级泵系统，就是该循环水泵即是热（冷）源循环泵又是管网循环泵。而双级泵系统，则是把热（冷）源循环泵与管网循环泵分开。在循环水泵的选择上，其循环流量都是系统的设计流量。只是扬程的选择不同，热（冷）源循环泵的扬程只考虑热（冷）源的阻力；管网循环泵只考虑管网和用户的阻力。为什么要强调循环水泵的变流量调节要与双级泵系统相匹配？其目的就是为了充足挖掘节电的潜力。我们知道，对于锅炉或制冷机，其循环水流量一般控制在不低于设计值的70。这就大大限制了系统循环流量的调节幅度。为了使系统循环流量在低于70的设计流量下调节，又不影响锅炉或制冷机的正常运营，采用双级泵系统就是顺理成章的事情了。但是现在的问题是，真正在实际工程中应用这一技术，却碰到了许多困难。重要是设计人员以不熟悉双级泵系统为由，拒绝采用这种设计方案。因此，在业内如何取得共识，就成为当务之急了。五、大力发展调频变速技术 实现循环水泵的变流量调节，核心问题是发展水泵的变转速技术。改变水泵转速的调节方法有多种：如转子串电阻、定子调压、电磁偶合、变极对数、可控硅串级等，这些方法，或者是转差损耗大，转速调节范围小，或者功率因数比较低、不是无级变速。目前在供热行业采用比较多的调速方法是液力偶合和变频调速两种。液力偶合是一种液力传动装置，通常装在电机与水泵之间。依靠油液的动能与机械能的转换，实现水泵的变速规定。这种变速方法，功率适应范围大，水泵功率从几十千瓦到上万千瓦都可以。并且运营可靠、维修方便、价格适中。重要局限性，是存在转差功率损耗，高转速时效率高，但随着转速的下降，效率呈线性下降的趋势。为了提高变转速效率，可以采用热回收措施，将油温的冷却热量进行再运用，效率明显提高。从变转速的调节性能考虑，最抱负的方法就是变频调速。其原理是通过变频器，改变电机的供电频率，进而改变水泵的转速。对于水泵、风机这类轻型负载而言，一般通过交直交的过程，在变频器中改变电源频率。变频调速属于无转差损耗的高效调速方法，功率因数能达成90以上。在变频的同时，电源电压也可以根据负载大小作相应调节。此外，还可以在额定电流下起动电机，因而能减少配用变压器的容量。变频器体积小巧，运营平稳，自保护功能强，可靠性高。功率可从0.75KW到几百KW。额定电压一般为380V。当功率在几百KW，电机电压为6千伏高压时，经常通过高低高的变压方式与变频器连接。目前这种调速方法已在国内外广泛采用。 国内采用变频调速，较多的场合是用于锅炉鼓引风机和供热系统补水定压以及给水恒压。凡已采用变频调速技术的单位，普遍感受到了节电的明显效果外，在技术上的效益是改善了传统的工艺流程。如自来水和生活热水供应，普遍取消了高位开式水箱，提高了水质的卫生条件。在供热空调的水系统补水定压中，采用变频调速定压方式代替传统的膨胀水箱和定压罐定压方式，已逐渐成为业内人员的共识。在采用变频调速补水定压方式中，有一些单位定压效果并不抱负。重要因素是系统恒压点的位置选择不妥。人们通常认为循环水泵的入口点即是恒压点，这是一种误解。对于膨胀水箱定压，由于膨胀水箱的膨胀管与循环水泵的入口相连接，自然这点无疑就是恒压点。然而采用变频调速补水定压以后，由于取消了开式膨胀水箱，系统成为完全意义上的闭式环路，系统的压力分布，与以前截然不同。此时系统的恒压点位置在绝大多数的情况下不在循环水泵的入口处，而是管网回水管上的某一点，具体的确切位置与系统结构，最高用户的建筑位置有关。由于系统真正的恒压点位置难以拟定，我们极力主张采用旁通定压的方式。即在循环水泵上加装一个口径很小的旁通管，作为待调压力的取压管。通过压力传感器与变频控制柜联动调试，拟定系统恒压点的确切位置，这种控制方法，效果相称抱负。 系统循环水泵的变流量调节中，目前在我国采用变频调速方案的还比较少，即使采用也多为手动控制。也就是循环水泵是靠变频器的变频调节转速的，但变频器的频率设定值是由运营人员现场给定的。我曾经走访过一些单位，采用这种调节方法，自然也能达成一定的节电效果，但应当认可这是一种低层次的调频变速方法。由于变频器属于高新技术，只有在调节器的匹配下，实现智能化的控制，才干充足发挥循环水泵变流量的节电潜力，也才干实现全自动化无人职守的运营。现在，通过软件设计，调节器可以实现很强的控制功能：如随着热负荷的变化，完毕不同控制决策的流量调节；也可以执行节假日、夜间不同运营制度的自动转化。这些控制功能靠手工调节无论如何都是难以实现的。 供热系统循环水泵的调频变流量控制，随着计量收费的执行，一定会有一个比较大的发展。由于循环水泵的功率比较大，它的节电潜力比补水变频定压要可观的多，因此，必将受到人们的更多关注。现在，在循环水泵的调频变流量的控制应用中，人们尚有一个比较关心的问题是初投资问题。假如单台变频器相应单台循环水泵，那么初投资比较大，但现在可以实现单台变频器控制多台循环水泵的运营，这样，价格就会明显减少，一般其成本当年即可回收。在单台变频器控制多台循环水泵时，其中一台循环水泵变转速运营，其它循环水泵实行工频运营即在50HZ下最高转速运营。当单台循环水泵功率大于75KW时，设立降压启动装置，当单台循环水泵功率为55KW以下时，无需降压启动，可由变频器直接控制实现软启动。 六、冷凝水的回收技术推广应当提到议事日程 我国供热工程设计规范规定，蒸汽系统的凝结水回收率宜在70以上。可是多少年来，实际运营结果，大多数系统冷凝水回收率连30都达不到，有的甚至连冷凝水回收系统都不于设计，而是直接放空。究其因素，除了人们对节能缺少足够结识外，从技术上考虑，重要是没有成熟过关的冷凝水回收设备。 以往冷凝水回收，大多采用开式系统，再加上疏水器质量但是关，经常出现汽水顶牛汽蚀现象、管道腐蚀、凝水二次污染，由于跑冒滴漏，不仅大量浪费能源（约占蒸汽热量的1017），并且对环境导致严重的热污染。 目前国外冷凝水回收技术有了很大发展，普遍采用闭式回收系统。疏水器的质量也都有了长足的进步。英国斯派莎克、美国阿姆斯壮，都采用蒸汽加压的闭式凝水回收装置。其原理是运用一次蒸汽的压力，间断性地把高温冷凝水输送回热源。其优点是不用附加电源，缺陷是消耗一次蒸汽。日本大风珠式会社的产品是属于低温闭式凝水回收装置。其基本特点是就地引出冷凝水的二次蒸发汽，运用喷射泵原理将冷凝水引射回热源。我国大连工学院有其仿制品生产。上述产品在我国已有销售，一般在工厂用的较多。 我国北京凝水动力技术有限责任公司发明了独特的高温凝水回收器。基本原理是运用多级水封原理，在回收器中始终保持凝水压力大于相应蒸汽的饱和压力，并通过水泵适时将高温凝水输送回热源。为保证冷凝水畅通地进入回收器，还同时设计了自动加压器和高低凝水共网设立。有了这些配套设备，就能保证不同压力的蒸汽用热设备能共网回收，并且防止了因地形起伏，导致凝水回收不畅的故障。冷凝水回收，是一个很复杂的系统工程，必须保证各个环节不出疏漏，才干收到好的效果。该公司生产的产品体现了这一指导思想，因此赢得了客户的赞扬。 国家计委非常重视这一技术的应用，并在1999年专门召开了新闻发布会，把冷凝水回收装置作为重要的节能设备在全国进行推广。目前在供热界，蒸汽管道的直埋技术的研制，方兴未艾。作为蒸汽系统的配套系统，冷凝水的回收也应当列入研究的议事日程。很显然，只有冷凝水的回收率有了显著提高，蒸汽供热系统的能效才干提高。因此，冷凝水回收技术的推广、应用，应当是执行民用建筑节能管理规定的重要组成部分。