节能——优化供热系统的调控方式

丹佛斯公司区域供热部技术经理   李滨涛

随着中国市场经济的发展，中国的供热系统正经历着由计划体制福利制度走向市场体制的变革，在这种大的趋势下，从热用户到供热公司都对原有的系统提出了更高的技术要求，用户方面由于热量收费措施的事实和个人负担热量费用，使得用户对供热系统的提出了可计量，可调控的要求。热作为一种商品用户按需取量，按量付价是是十分自然的要求，但是过去的传统的供暖形式都不能满足要求，因而采用新的设计形式和设备。另一方面供热者作为热量的生产和销售者也需要采用新的技术和设备来应对用户的要求，同时减低能耗提高热量分配和系统运行效率并配备完备的热量计量设备。由此可见形成一个有效且符合目前热量市场化要求的供热系统是一个涉及到供热系统各个方面，本文将对从热源到末端用户新型供热系统应采取的一些措施和设备进行一些相关的讨论，期望能够给大家提供一些有益的建议

热源部分的调控的最基本的原则就是使热量的产生与不断变化的负荷达到一个动态平衡，即产热量与需热量相匹配。所以在热源的控制中我们就应该找出导致符合变化的主要参数并加以监测，对于供热系统来讲影响负荷的主要参数主要有两个：一个是室外气温的变化，另一个是由室内自由热量例如人员，设备的散热或用户改变室内温度设定的情况下导致的室内负荷变化。在这两个参数中，室外温度是一个主要参数，因为室外气温的变化必然导致系统的整体负荷的变化，有必要就此调节系统的供热量，而单独用户的负荷增大和减小并不意味着供热总量需要改变，更多的时候是通过热量的重新分配来达到新的平衡。所以，热源的调节中应以室外作为基本参数调节产热量，同时可通过典型房间的室温或回水温度等作为参考值进行修订。这就是所谓的气候补偿原理，最常的实现方式是用户根据系统的特性设计出一条室外温度与供水温度关系曲线，随室外温度的变化自动实现系统的质调节，而调节的具体手段可根据热源的种类采用不同的方式，如调节换热站一次侧的电动调节阀的开度（见图1）、调节燃气，油锅炉的燃烧器等不同的方式。

        气候补偿热力站控制示意图                        不同室外温度和供水温度关系曲线 图1

在热源部分另一个需要进行调节是循环水泵，根据气候补偿原理调节供水温度是系统的质调节过程，由于系统未端用户调节是通过改变流量两来实现的因此即使在质调节的过程中也会有循环流量的不断的变化，这就需要循环水泵就有变频的功能，实现量调，避免水泵在流量变化时进入低效工作区，同时也可以节约大量循环电能，水泵的变频调节常用的有三种方式：恒定差压控制；比例差压控制；平行于系统曲线的差压控制（见图2）
　　

水泵流量和扬程关系 图2

图中，曲线1是无控制的水泵工作曲线，线2是采用恒压差控制的水泵工作曲线，线3是采用比例差压控制的水泵工作工作曲线，线4是采用平行系统特性曲线的的差压控制方式。从图中可以看出，在采用恒压差控制时，水泵的扬程不会因为系统的流量的减小而增加，而比例压差或平行系统压差控制时，水泵压差随流量的变化而下降，最低值为最最大流量压差的一半，当然，后两种控制会有更好的效果，但需要对系统的阻力特性曲线有较多的了解，而恒定差压控制相对简单安全。究竟采用那种型是应根据系统情况确定。

图3

2．供热管网的水力平衡：

图3

供热管网的任务是将热介质分配给各个用户， 保证各个用户之间的热平衡和水力平衡。同时在系统水力工况发生变化时也能自动的做出反应保证用户不受影响。我们知道由于热源的部分在运行过程中不断的量调节，所以外网的运行工况是一个变流量的过程，在变流量系统中手动平衡装置是不能保证系统的平衡水力工况的，因为在流量偏离调节状态的流量值时，手动调节阀门形成的水力平衡旋即遭到破坏，而手动阀门又无法对新的水力工况做出相应的反应，因而在变流量工况下无法保持系统的平衡状态。所以，在新系统中外网的水力平衡应由自力式差压控制来保证，差压控制器的主要原理是在外部资用压力发生变化时自动调节自身阻力保证其后的用户或分支的压差不变，这样就保证了在流量变化的情况下，用户的压差总保证一个恒定值，达到各个用户的平衡。又由于是自力式设备，只需在安装时根据所需压差设定弹簧松紧即可，省却了繁琐的调节工作。图3的水压图示意性地描述了差压控制器如何来平衡不同用户的水力平衡。差压自动调节自身阻力（浅色部分）使留给用户的压差（深色部分）恒定，无论位置和和流量变化。

3．室内供暖系统的室温控制和热计量

根据国内目前的状况可以把计量采暖系统分为两大类，一类是对原有采暖系统的改造，即对已有建筑的采暖系统的单管顺流式系统和垂直双管系统的可调控可计量化的改造。另一类是是新建建筑的计量采暖系统，因其避免了原有系统的固疾因而系统形式较为灵活多样。对于新建的住宅供暖系统，应当采用双管系统。有条件的应尽可能设计成水平双管系统，在每组散热器上安装散热器温控预调阀，实行分室控制，分户循环，分户计量，如图4 所示。

图4 带温控及计量的新建住宅水平双管供暖系统

图4 带温控及计量的新建住宅水平双管供暖系统

　　分户热表，锁闭阀（或截止阀），差压式平衡阀（八层及八层以上设），总立管及分户接管均设置在管道间内，以便管理。由于水平管道需埋地敷设，需要用寿命在50年以上的高性能管材，如PEX（交联聚乙烯）管，或铝塑管。不过，其供水温度一般要求低于90°C，而且铝塑管的所有连接件不能埋地敷设。埋地敷设的施工要求也十分严格，因为一旦埋管堵塞或泄漏，其后果不堪设想。

分户热表一般为机械式热表，价格较低。分户热表最好使用电池供电方式，内置5年以上寿命电池；应当在供水管上水平安装，以防止偷水或漏水造成的损失，在每组散热器上应当安装散热器温控阀，散热器温控阀应具有防冻功能，其阀门应当有预设定功能，有利于水力平衡。在八层及八层以上的住宅中，每层的水平干管或分户水平管道上应安装差压式自动平衡阀，以保证系统在动态条件下的水力平衡，

另外，新建住宅也可采用垂直双管供暖系统。每个散热器应当安装散热器温控阀和热分配计（蒸发式），热入口安装超声波热表。散热器温控阀用以控制室温，热分配计和热量总表配合进行按户热费分配。散热器温控阀应具有防冻功能，其阀门应当有预设定功能，以克服垂直失调。在高层住宅垂直双管供暖系统中，每组立管均应安装差压式自动平衡阀；在多层住宅中，如果立管数量较多，也应安装差压式自动平衡阀，以保证系统在动态条件下所有的温控阀工作都正常。见图5，为了安装差压式自动平衡阀的方便，系统应设计成下供下回方式。

在已有建筑中使用的大多是单管系统。单管由于系统构造简单，节省管材，造价低一直在我国被大量采用，在过去没有计量要求，舒适性要求教低以及相关调控产品缺乏的情况下确实满足了当时的需要，但时至今天这种采暖形式已不能满足节能和舒适性对系统计量和调控功能的要求必须加以改造，在讨论改造方案之前让我们分析一下单管顺流式系统的特点，单管顺流式系统由于散热器自上而下串联在一起，对流入每组散热器的流量无法调节，因此对单管顺流式系统改造的第一问题是使每组散热器的流量可调，进而采用适当设备测量每组散热器的散热量。使每散热的流量可调，目前采用的主要方式是加设跨越管，虽然跨越管对我们来说并不陌生，但在原有系统上加设跨越管对散热量的影响，旁通流量的设计比例，以及改造系统对外网的影响等都是确定任何改造方案前必须回答的问题。为了搞清这些问题让我们先看一下散热器的散热量与流量及入口温度的关系曲线图6。从图中我们可以看出入口水温对散热器散热量的影响十分显著，这是因为供水温度升高使散热器表面的平均温度提高进而使热量提高，但对于流量，在供水温度一定的情况下散热量开始随流量增加而快速增加但增长速率逐渐衰减，我们可以粗略地将该变化过程分为两个区域，一个是散热量随流量变化而迅速变化的流量敏感区，另一个是散热量随流量变化缓慢的流量非敏感区。之所以出现这种现象是因为在入口水温一定的情况下，开始随流量的增加散热器出口水温不断提高，整个散热器表面的平均温度也不断增高，散热量快速增加，但当流量增加到一定程度后，出口水温已接近入口水温，流量的增加对散热器表面的平均温度的影响变的很微弱，导致散热量随流量变化十分缓慢。

了解散热器的散热特性后让我们分析一下单管顺流式系统中的散热器的工况，由于该系统中该根立管中的流量顺序通过每组散热器，因而每组散热器均处于流量非敏感区，根据上面的分析我们可知在这种状况下旁通一部分流量对散热器的散热量的影响很小，同时旁通还可以提高散热器的入口水温从而也弥补了部分散热器流量减少造成的散热量降低。单管系统室温控制和热计量改造的基本方案是先在散热器供水支管上安装散热器温控阀，阀门应用高性能两通阀，即水阻力小，流通量大的阀门。在供回水支管之间加装旁通管，旁通管管径应比支管管径小一号。见图7，按以上方案连接后，在散热器温控阀开启的情况下，30％的水量通过散热器，70％的流量通过旁通管进入下一层。30％的水量经过散热器，比原有方案中散热器的散热量仅少8％. 由于在设计时，散热器的选用常常会比所需的面积多10％，因而，这样的改造方案不会使供暖效果变差。天津市凯立花园的已有住宅单管供暖系统改造工程，已有两年以上的经验，没有居民对室温达不到标准的任何投诉发生。因而，实践证明改造是成功的。另外，让我们看一下改造后的系统阻力变化，我们就以常见的四柱813型散热器加设DN15（小于主管一号）跨越管加温控阀的流通系数为例，分析这个问题。改造前散热器及其附件的的流通系数约为5，改造后在温控阀全开的情况下整个散热器单元的流通系数提高到5.8，而在温控阀全关的情况下流通系数为4.1，也就是说在定压差的情况下，系统在极端情况下的流量波动应在－18%至16％之间，考虑到水泵流量和扬程的特性曲线，在实际情况下该值还要小，不会对外网造成太大的影响，如果入口处加设旁通管差压控制器等，使流量和压差保持一定则效果更好。

考虑到原有垂直单管系统的特点， 热计量时， 采用散热器热分配计加楼表方案较为现实。 当然， 每栋楼的楼表应当用超声波热量计。因为楼表既是热力公司向居民收费的依据，也是能源服务公司计费的依据，必须准确。

在住宅热计量时， 有两点要说: a. 热分配计从对热计量的精度来说， 肯定不如热表， 但这并不等于它不能用. 相反， 已有建筑中的热计量恐怕舍此别无选择. 在西欧， 大多数建筑物热计量仍用热分配计的方式，并不影响节能; b. 即便采用一户一表， 供热公司也不能照热表的读数来收费. 因为即使用户没有用热， 读数为零， 他也得交费， 因为周围房间通过围护物会对它传热; 而且他还要付该房间供暖装置及相应的系统投资费用。在国外， 热费通常分固定费用和实际费用两部分. 固定费用一般为40%。

另外一点无论单管系统还是双管系统，无论新住宅还是已有住宅，实行温控和热计量，必须要有新的热入口装置，这种入口应该能够提供计量和水力平衡功能，同时在我国现有水质的条件下也必须具有保护社内热表和温控，差压等控制阀门。实践证明完备的热力入口装置是十分必要，在使用热量表和温控阀的初期工程中，很多没设置相应入口设备的工程出现了运行中温控阀和热表堵塞，入口无压力控制导致温控压差过大产生噪音等问题，经过几年的实践经验，发现如图7所示的入口设备形式是能够保证系统在现有的系统水质和运行方式下，相关的热量计量和控制设备长期稳定的运行。这样的入口装置其主要包括：

1、在楼入口处安装有超声波热表（楼表）的热入口装置。

2、热入口装置包括球阀，两道水过滤器（粗－3 mm 孔径，细－ 0.65~0.75 mm 孔径），差压控制器（双管系统）或流量限制器（单管系统）。

4．结语