供热管网水力失调与节能改造
摘要：本文对供热管网水力失调的原因和改善方法进行了定性分析，对水力失调引起的热能和电能的浪费进行了定量计算。然后以新疆医科大学福利小区的二次管网为例，计算了水力失调的热能浪费占管网输送热能的31.13％，同时提出了水利平衡方案。
关键词：水力失调 平衡阀 能耗 1、前言 按 《城市集中供热管网改造“十一五”规划编制提纲》的要求，城市集中供热管网改造规划目标之一：管网水力失调改造后能明显改进，应控制在10％以内。 目前供 热管网的能源浪费严重。新疆医科大学福利小区换热站二次管网因水力失调引起的热能源浪费占管网输送热能的31.13％。当然是具体到每个管网，水力失调的 原因不同，水力失调引起的能源浪费程度不同，同时改善水力失调的方法也是不尽相同。 那么如何将供热管网的水力失调问题解决好，对于能源紧缺的我国，对于入不敷出的热力公司、对于专业的技术人员已经迫在眉睫。
水力失调的原因 由于设计、施工、设备和材料等方面存在的问题使系统管道的阻力特性 设计要求的管道阻力特性不一致；开始运行时，没有很好的进行初调整，从而导致系统用户的实际流量与设计流量不一致，引起水力失调。这种失调的直接后果就是“近热远冷”的现象较为严重，供热品质恶劣。
静态水力失调
近年来，随着我国集中供热事业发展迅速。现代化的大型住宅小区及大型商贸区的建设，扩网增容的现象十分普遍，使得供热事业越来越大。
用热单位又舍不得兑现有管网系统进行改造，单纯采用加大换热器和循环水泵流量的方法来缓解矛盾。这样不仅没有缓解水力失调，反而热能和电能的浪费投入了无底洞，这是得不偿失的。
我们通常把供热管网系统运行中流量再不变化的失调叫静态水力失调。 动态水力失调 目前采用热计量方式采暖的热用户越来越多，同时供热管网采用量调节方式维持热用户的室内计算温度。自系统运行过程中，热用户的用热量发生变化，通过改变控制 阀门（两通阀）的开度引起水流量改变。 由于热水供热系统是一个具有许多并联环路的闭路系统，环路之间的水流工况相互影响，系统中任何一个热用户的流量发生 变化，必然会引起其它热用户的流量发生变化，也就是在热用户之间流量重新分配，使得其它用户的流量偏离设计要求流量。这种水流失调叫动态水力失调。
2.2水力失调的改善办法 （1）用附加阻力技术消除用户剩余的资用压头
循环水泵压头是按照最不利环路消耗的阻力来确定的。所以其它环路通常有剩余的资用压头。因为静态失调管网和动态失调管网的水力失调原因不一样，我们最好区别对待。
对于静态失调管网，可以使用手动阀、平衡阀，通过人工调节阀门系统（如手动阀）使水力平衡是困难的，其原因是：调节过程互相影响，需反复调节，耗费人力和 时间多不说，真正调节好是很难的；当系统用户或用户负荷变化时，必须重新调节。 平衡阀与普通阀门的构造区别在于阀芯形状不同，它有开度指示、开度锁定装置 和测压小阀，在管网平衡调试时，可以通过测压小阀链接智能仪表，测量并显示流经阀门的流量值。 它是一种定量化的可调节流量的孔板，专用控制仪表不仅能用以 显示流量，更重要的是配合系统调试方法，使得只需要每一环路上的平衡阀做一次调整，即可有效保证管网静态水力及热力平衡。
对于动态失调管网，最好选用具有自动改变附加阻力功能的自力式平衡阀，如压差调节阀、流量限制阀等。压差调节阀又叫自力式压力调节阀，是使用户系统保持恒 定的压差的管路控制元件。 阀门由阀体、双节流阀座、阀瓣、感压膜、弹簧及压差调整装置组成。 它作为动态调控设备无需外力驱动，能够根据阀门前后（或系统） 压差的变化自动调节阀门的阻力，保持压差的恒定，压差还可以随时设定调整。流量限制阀又叫自力式流量控制器。 从机理上讲，在一定的工作压差范围内，它可以 有效地控制通过流量。 当阀门前后的压差增大时，通过阀门自动关小的动作，能够保持流量不增大；反之，当压差减小时，阀门自动开大，流量仍然恒定。 当压差小 于阀门正常工作范围时，由于它不能提供额外压力，此时阀门应全开，流量则比定流量低，不能控制。 因此也有称其为最大流量限制器的。自力式平衡阀也可用于静态水力失调的管网中。
不管是手动平衡阀还是自力式平衡阀一般安装在每幢建筑的热力入口；为保证阀门的使用性能，最好安装在回水管路上，并且它不能当截止阀用；为避免平衡阀入口处出现较大的扰动，平衡阀前后应有5倍和2倍管径长的直管段。
用附加阻力技术消除用户剩余资用压头的方法实现管网水力失调，使得循环水泵具有足够的流量和扬程，可以减少过热部分用户的热量浪费，获得节能效果，同时提高企业的经济效益。
（2）用附加压头提高用户不足的资用压头
随着小区住宅建设规模的不断扩大，系统循环水泵实际扬程不够的情况愈加明显。此时，采取附加阻力的方法调节系统的水力平衡是做不到的，而附加压头技术则是 经济、有效的改善方法。 当管网环路的资用压头不足时，可使用低扬程、小流量的水泵提高用户系统的压头，从而实现各个环路水力平衡。 这种方法最大程度的利用 了主循环泵的能力，节能效果更明显。但用户安装加压水泵的用户循环水流量增加了，这样会适得其反。所以在调控方面要谨慎，最好加压泵采用变频调节方式。 只要设计合理，水泵选择正确，初运行时作必要的调整，安全可以避免过去曾出现过的“抢水”问题。
这是一种新型的水力平衡措施，可靠性与推广性还需要进一步研究和实践。
3、水力失调能耗计算
前面都是很供热管网水力失调的定性分析，知道水力失调是供热管网能源浪费的罪魁，这种抽象的解释智能加大它的罪行的可疑性，甚至会怀疑它不是能源浪费的主 要因素。 数据才能说明一切，我们需要对水力失调对管网能源浪费的量化分析。
3.1数据测试
要计算供热管网的能耗和水力失调占输送热量的比例，必须要有管网的实测数据。 水力失调能耗计算与水力参数-流量、热力参数-温度都有直接关系。 所以数据测 试包括了管网热力入口处的流量和供回水温度。 测量选用的一切和测试方法都要根据（采暖居住建筑节能检验标准）JGJ132-2001进行。
3.2热能耗计算
热能耗计算的目的是为了计算水力失调浪费的热能占管网输送热能的比例。
Q1=1.163G(tg-th)
Q1一在供热室外计算温度TW下，热水网路输送给供热用户的热能，W；
Tg一热水网路供水温度，°C；
Th一热水网路回水温度，°C；
G一供暖热用户的循环水量，kg/h.
所有热用户的Q1值叠加后就是管网系统热用户入口的总热能，这个值没有包括管网的散热热能和漏水热能，热源处的热能Q2也可以由上式计算计算的来。
若供热管网按照设计流量运行，那么可以得出测试期间设计热能Qs
Qs=1.163Gs(tg-th)
式中Qs一假设管网在测试期间按照设计流量运行的热能，W；
Gs一供暖热用户的设计流量，kg/h;
Gs= (3)
式中Qs-----建筑设计热负荷（可从原始建筑设计图纸的设备图上查得数据），W；
Cs----水的热容量，kj/(kg·℃)；
tsg----建筑管网的设计供水温度（可从建筑设计图上查得数据），℃；
tsh----建筑管网的回水设计温度（可从原始建筑设计图上查得数据），℃。
因此水力失调引起的能耗Q3就是经测试流量及温差计算出的热能Q1与设计流量及温差计算出的热能Qs的差值
Q3= Q1-Qs （4）
水力失调引起的能耗浪费占目前管网输送热能的比例，也就是水力失调的能耗浪费比例可以由下式得到
ξs= = (5)
4、案例分析
4.1工程概况
福利小区换热站是新疆医科大学锅炉房的18个换热站之一，供热面积为116293平方米（数据来源于新疆医科大学水暖中心）。
一次水是锅炉房出来的高温水 或者是蒸汽（根据天气状况选择不同的热媒，我们测试期间一次水一直是高温水）。 换热站有管壳式换热器3台，两用一备（气温回升是一用两备，测试期间一台泵 运行）；循环水泵3台，一用两备；补水泵2台，一用一备。
表1 福利小区换热站水泵设备表
循环水泵 | 补水泵 | 扬程
m | 流量m3/h | 功率KW | 转速r/min | 效率 | 几用几备 | 扬程（m） | 流量m3/h | 配用功率KW | 转速r/min | 效率 | 几用几备 | 轴 | 配用 | 42 | 500 | 57.7 | 75 | 1485 | 85% | 1用2备 | 28 | 46.7 | 7.5 | 2900 | 73% | 1用1备 |
4.2 管网测试
1）温度测试
测试仪表：由清华大学研发的一种智能化的温度测量和记录装置-----RH-LOG智能型温度自记仪，精确度，0.1级；
测试时间：2007年2月15—2月24日（连续10天），每隔2分钟记录数据一次；
测试对象：二次网每个热力入口的供、回水温度值（测试期间的温度平均值见表2福利小区二次管网数据统计表中的（4）、（5））。
2）流量测试
测试仪表：TDS-100H型手持式超声波流量计，准确度，示值的±1%；
温度时间：2007年2月20日—21日（在测试温度的时间内），按照《采暖居住建筑节能检验标准》JGJ132-2001检测测试时间应持续30min，所以每隔5分钟读取数据一次，共读6组数据；
测试对象：二次网每个热力入口的供水流量（测点流量的平均值见表2中的（6））
4.3、能耗计算 表2，福利小区二次管网数据统计表 | （2） | （3） | （4） | （5） | （6） | （7） | （8） | （9） | （10） | 号 | 楼号 | 面积㎡ | 供水温度℃ | 回水温度℃ | 测试流量m3/h | 设计流量m3/h | 测试能耗w | 设计能耗w | 测试单位能耗w/㎡ | 图书馆 | 14580 | 55.87 | 49.31 | 65.36 | 32.22 | 498650 | 245815 | 34.20 | | 民族学生食堂 | 1859 | 55.72 | 48.70 | 13.16 | 8.18 | 107442 | 66784 | 57.80 | | 总机 | 1302 | 55.12 | 46.33 | 7.34 | 3.90 | 75035 | 39869 | 57.63 | | 工会楼 | 1013 | 55.12 | 47.11 | 8.91 | 3.03 | 83002 | 28226 | 81.94 | | 体育中心楼 | 6484 | 54.08 | 49.45 | 54.25 | 24.76 | 292119 | 133325 | 45.05 | | 行政大楼 | 2700 | 54.59 | 45.96 | 18.32 | 13.93 | 183872 | 139811 | 68.10 | | 3号学生公寓 | 8811 | 53.06 | 44.29 | 40.48 | 24.25 | 412876 | 247338 | 46.86 | | 学生公寓1号 | 2051 | 53.04 | 44.28 | 9.30 | 6.14 | 94747 | 62554 | 46.20 | | 43#学生宿舍 | 3998 | 53.04 | 46.78 | 24.63 | 12.77 | 179316 | 92970 | 44.85 | 0 | 苏园7号 | 3000 | 52.55 | 46.14 | 16.33 | 13.11 | 121737 | 97733 | 40.58 | 1 | 苏园6号 | 3000 | 52.57 | 42.96 | 10.35 | 13.11 | 115676 | 146523 | 38.56 | 2 | 门卫室 | 400 | 52.20 | 40.01 | 2.22 | 0.84 | 31473 | 11909 | 78.68 | 3 | 7#楼 | 845 | 54.24 | 43.98 | 2.33 | 2.53 | 27802 | 30189 | 32.89 | 4 | 6#楼 | 803 | 53.91 | 45.62 | 3.11 | 2.40 | 29984 | 23139 | 37.34 | 5 | 45#楼 | 485 | 53.50 | 46.11 | 2.51 | 1.45 | 21572 | 12462 | 44.53 | 6 | 34#楼 | 2993 | 53.22 | 42.86 | 10.76 | 8.96 | 129644 | 107956 | 43.32 | 7 | 8#楼 | 845 | 54.32 | 42.12 | 2.68 | 2.53 | 38025 | 35897 | 44.98 | 8 | 5#楼 | 827 | 53.71 | 42.15 | 1.77 | 2.47 | 23796 | 33207 | 28.78 |
9 | 17-1#楼 | 1962 | 53.55 | 44.26 | 7.08 | 5.87 | 76494 | 63421 | 38.99 | 0 | 24-1#楼 | 3116 | 54.51 | 44.92 | 25.67 | 11.24 | 286302 | 125362 | 91.88 | 1 | 女子医院 | 1826 | 52.01 | 43.67 | 8.19 | 4.90 | 79438 | 47527 | 43.5 | 2 | 留学生公寓 | 4260 | 53.68 | 44.59 | 34.52 | 24.82 | 364934 | 262389 | 85.67 | 3 | 汉学生餐厅 | 5580 | 53.68 | 43.24 | 10.41 | 16.19 | 126395 | 196574 | 22.65 | 4 | 81#楼 | 3601 | 53.58 | 49.50 | 34.00 | 11.11 | 161331 | 52717 | 44.80 | 5 | 80#楼 | 2146 | 53.92 | 49.97 | 23.40 | 6.9 | 107496 | 31698 | 50.09 | 6 | 79#楼 | 2952 | 51.24 | 48.86 | 23.31 | 9.08 | 64521 | 25133 | 21.86 | 7 | 32#楼 | 1296 | 53.92 | 46.24 | 9.27 | 3.84 | 82798 | 34298 | 63.89 | 8 | 22#楼 | 2368 | 53.07 | 46.46 | 16.3 | 6.00 | 125305 | 46125 | 52.91 | 9 | 19#楼 | 2495 | 53.97 | 46.77 | 11.3 | 6.57 | 94622 | 55015 | 37.93 | 0 | 21#楼 | 1920 | 53.23 | 43.92 | 7.83 | 4.74 | 84780 | 51322 | 44.16 | 1 | 24#楼 | 2783 | 53.15 | 43.96 | 12.31 | 8.39 | 121569 | 89672 | 47.28 | 2 | 23#楼 | 2615 | 53.00 | 43.64 | 10.14 | 7.98 | 110381 | 86868 | 42.22 | 3 | 18#楼 | 787 | 53.08 | 44.85 | 3.45 | 2.12 | 33022 | 20292 | 41.97 | 4 | 20#楼1号井 | 552 | 53.86 | 45.98 | 7.05 | 2.12 | 64609 | 19429 | 117.05 | 5 | 20#楼2号井 | 552 | 53.00 | 45.70 | 4.44 | 2.12 | 37695 | 17999 | 68.29 | 6 | 20#楼3号井 | 552 | 53.50 | 45.95 | 5.89 | 2.12 | 51718 | 18615 | 93.69 | 7 | 20#楼4号井 | 552 | 53.82 | 44.57 | 3.98 | 2.12 | 42816 | 22806 | 77.56 | 8 | 33#楼 | 1296 | 53.00 | 44.59 | 10.47 | 3.84 | 102405 | 37558 | 79.02 | 9 | 2#学生公寓 | 2988 | 53.50 | 43.57 | 17.23 | 8.94 | 198982 | 103244 | 66.59 | 0 | 科协2# | 3250 | 53.23 | 40.24 | 10.01 | 9.72 | 139583 | 135539 | 42.95 | 1 | 科协1# | 2340 | 51.10 | 46.18 | 9.96 | 7.00 | 56991 | 40054 | 24.36 | 2 | 科协办公楼 | 2440 | 51.91 | 44.33 | 16.00 | 7.30 | 141049 | 64353 | 57.81 | 3 | 科协3# | 3150 | 52.23 | 38.78 | 8.96 | 9.43 | 140155 | 147507 | 44.49 | 4 | 科协4# | 2920 | 51.33 | 35.9 | 6.41 | 8.74 | 114953 | 156738 | 39.37 | 5 | 平均值 | / | 53.38 | 44.88 | / | / | / | / | 52.57 | 6 | 合计 | 116293 | / | / | 630 | 370 | 5487116 | 3507964 | / | 7 | 换热站二次水 | / | 55.89 | 46.91 | 608.7 | / | 6356896 | / | 52.88 |
福利小区换热站承担的供暖面积为116293平方米，2007年2月15日-2月24日期间，各热力入口测试热量为Q1=5487116W,则从福利小区换热站出来的总热量为Q2=635689W，散热损失和漏水热损失占管网输送热能的比例
ξ1===0.1368
也就是说有13.68%的热能损失在管网保温不善和水量损失上。
上表统计的测试期间设计流量下的能耗Qs=3507964W，水力失调的能源浪费比例
ξs= ===0.3113
因为ξs是一个无因次量，所以与测试时间关系不大。也就是说，福利小区二次供热管网因水力失调导致的能源浪费占能源输送的31.13%.
4.4 解决方案
计算热能和电能的浪费量的最终目的还是为了说明供热管网水力平衡的重要性。前面分析的解决水力失调的方法中，比较适合福利小区换热站二次网的方案是选用流量限制阀，原因如下： 虽然福利小区二次管网属于静态水力失调，但是从长远来看，热用户采用热计量的采暖方式已经是大势所趋。这样可以一劳永逸。 不需要进行系统调试：可以为工程项目节约大量的时间，缩短施工周期，使工程提前竣工，节约施工成本，提高效益； 由于水系统的流量平衡是自动进行，杜绝了人为破坏性调节的可能性。 结论 水力失调是管网能源浪费的主要因素，这里的节能潜力是巨大的，要达到节能的目的，必须实地考察，分析原因，对症下药，才能事半功倍.
解决了这个难题对推动我 国集中供热事业的发展必然会产生深远影响，才能完成《城市集中供热管网改造“十一五”规划编制提纲》中的规划目标之一：管网水力失调度改造后能明显改进， 应控制在10%以内。 参考文献 杨新，《新疆医科大学福利小区二次管网水力平衡度分析》，待发表于/煤气与热力； 狄洪发、王智超、王威，《供暖系统调节设备的合理选用》，暖通空调，2001-3； 孙授荣、李剑锋，《自力式流量控制器在供热管网中的调节和节能作用》，节能技术，2003-7；
狄洪发、袁涛，《分布式变频调节系统在供热中的节能分析》，暖通空调，200 | 
