1、供热系统节能潜力与节能技术清华大学 石兆玉【摘要】本文详细分析了供热系统各个环节的节能潜力，并有针对性的对相关环节（热源、热网、热用户）的节能技术进行了论述。【关键词】供热系统、节能潜力、节能技术我国“十一五”规划的节能指标是 20%，其中建筑节能担负着举足轻重的责任。为了更有效地推动建筑节能工作，有必要对供热系统的节能潜力与节能技术，做一比较详细的分析，目的在于提高建筑节能工作的有效性，克服盲目性。一、 供热系统的节能潜力建筑能耗占全国能耗的 1/3，供热、空调又占建筑能耗的 1/3，因此，供热、空调的节能对建筑节能具有重要意义。供热的建筑能耗，其影响因素主要由四部分构成：1）建筑物围护结构
2、的保温状况；2）建筑物的室内温度设计标准；3）建筑物自由热的有效利用程度；4）供热系统的能效水平。首先讨论建筑物围护结构的保温性能。我国公共建筑节能设计标准（GB50189-2005）已于 2005 年 7 月 1 日公布实施，国家严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准已完成送审稿，即将批准发布实施。在制定这些国家的设计标准的过程中，对建筑物围护结构的保温性能做过深入研究，基本认为：建筑物围护结构的保温状况对供热、空调的热（冷）负荷的影响要占到 20-50%。若把全国的气候分为五个区，则夏热冬暖地区（广州、香港等） ，约占 20%；夏热冬冷地区（上海、重庆、成都等）约占 35%；寒冷地区（北京、西
3、安、兰州等）约占 40%；严寒地区 A （海拉尔、哈尔滨等） 、B（长春、沈阳、呼和浩特、乌鲁木齐等）约占 50%。越是北方寒冷地区，建筑物围护结构的保温状况对供热热负荷的影响愈大。过去我国的居民建筑，基本上没有外墙保温，门窗的密闭、保温性能也差。与世界发达国家相比，我国的建筑能耗过大，这是其中的一个重要原因。我国新的设计标准，在这方面已经作了很大改进。普遍推广外墙保温后，墙体的保温性能已接近先进国家的设计标准，只是窗的保温性能与国外相比尚有 10-20%的差距。建筑物室内温度设计标准与建筑能耗有密切关系。研究表明：在加热工况下，室内设计温度每降低 1，能耗可减少 5-10%；在冷却工况下，室
4、内设计温度每提高 1，能耗可减少 8-10%。长期以来，由于缺乏节能意识，我国在室内温度的控制上，常常过于粗糙。特别是行政办公等公共建筑，不论春夏秋冬，也不考虑上班时间，还是节假日，冬天室内温度一律 18，夏天室内温度经常要求在 24。实际上，冬天在无人居住的房间，只要保持 8室温，避免设备冻坏是完全可能的。过去外国人在夏天上班都要西装革履，室温必须保护在24，现在为了节能，室内提高到 26，允许上班穿衬衫，连生活习惯都改变了。几年前国务院在节能措施中，明确提出，冬天室温 18，夏天室温 26。严格执行这些举措，建筑能耗就会有明显的降低。建筑物自由热的有效利用。自由热主要指太阳能，家电和人体的
5、散热。这部分热量，对于夏天，是冷负荷的重要组成部分，应尽量避免；对于冬天，是加热室温的有效热量，应尽量利用。这部分热量，随着地区、季节的不同而不同，在冬季，大体上约占总热负荷的 10-15%左右。对于太阳能日照，在建筑物热负荷计算中，考虑了这部分影响，主要体现在散热器传热面积的选择上。但由于过去，供热属于社会福利，未进入商品市场，也未推广计量收费，室内供暖系统难以实现室温的自动调节，因此，在我国的大部分地区，房间的自由热，还很难在供热系统中充分利用，这也是我国建筑能耗大的一个重要因素。最后谈到供热系统能效问题，系统能效表示系统热源处输入的总能量（包括热能与电能的折合热能）在热用户中真正用来提高
6、室温的有效热量（将室温加热到设计室温）的份额。系统能效的计算方法我在参考文献【1】中有详细介绍，粗略估算可用下公式（1）计算：（1）Qqjrg式中， Q 热源燃料总供热量；Q 热源燃料、电力总供热量，其中 1Kwh(电)=3.314 Kwh(热)； g、 r 分别为热源、热网效率； j 系统冷热不均系数，粗略按照 1 蒸吨锅炉热量，实际所带供热面积与理论能带供热面积之比；q 有效利用的自由热量。按照上述公式（1）和前述的有关国家的建筑节能规范，对北京哈尔滨（选择了北方二个典型地区）的供热系统的能效进行了统计计算，见表 1 所示。该表给出的数据，与“提高供热系统能效是建筑节能的重要途径” 【2】
7、一文有一些修正，主要是因为国家节能建筑设计规范（三步节能）的基础数据做了调整。主要的调整：一是将室内设计温度由 16提高为 18；二是将锅炉的年均运行效率提高到 70%，管网的输送效率提高到 92%；三是考虑到设计标准涉及不到运行调节，因此未计入耗煤量指标；四是根据近十年的气象数据，重新修正了供暖天数和室外平均温度。表 1 的计算数据，与国家节能建筑设计规范给出的数据有些不同，后者只给出了耗热指标，表 1 不但给出了耗热指标，而且给出了概算热指标。另一不同是后者只给出了第三阶段的节能标准，表 1 同时给出了理想阶段的节能标准。在表 1 的计算中，突出分析了冷热不均对供热系统能效的影响。由于我国
8、的供热系统规模大，再加自控技术比较落后，因此，冷热不均的现象尤为突出。长期以来，业内人员对冷热不均对系统能效的影响未于重视。近年来，虽然给予了关注，但常常把冷热不均归于系统管网热损失中，这样做，不但性质搞错了，而且数量也难以准确统计。必须了解：冷热不均的热量不是在管网中损失的，应该承认，这部分热量，它是被送到了热用户，只不过由于房间过热通过开窗户散掉了。因此，冷热不均的热损失应该属于建筑热用户的无效热耗，必须单独统计。从表 1 可以看出：以 1980 年为基础，锅炉效率为 55%，热网效率85%（管网热损失 15%） ，按理论，供热系统能效应为 46.8%。但实际情况并非如此，以北京为例，当时
9、，每 1t/h 蒸吨应带供热面积为 1.32 万 m2，哈尔滨应带1.1 万 m2，而全国实际考察的结果，每 1t/h 蒸吨只能带 4000m2。这种差距，正好反映了热用户的冷热不均匀率（约 30%-38%） 。如果考虑了冷热不均匀率，则1980 年北京、哈尔滨供热系统的能效实际分别只有 14%和 18%，估计全国在 15%左右。当然，这是在设计外温下的统计数据，由于冷热不均率是随着室外温度的升高逐渐趋缓的，若考虑全年平均，全国供热系统当年的能效约在 20%左右，也就是说，冷热不均引起的热量损失约在 20-30%左右。 表 1 北京（哈尔滨）供热系统能效统计节能指标 热用户冷热不均程度 系统能
10、效%实际供热面积 m2系统设备耗电w/m2节能阶段煤耗量kg/m2节能总量%围护结构节能%系统节能%锅炉效率%热网效率%耗热指标w/m2概算热指标w/m2%理论供热面积 m2 热源 热网技术条件 不含电耗含电耗1980 年 25.20(37.7)0.0 0.0 0.0 55.0 85.0 31.96(33.8)45.0(55.60)0.30(0.38)4000/13178(4000/10666)1.0 0.5 14.0(18.0)13.0(16.7)第一阶段17.64(26.39)30.0 22.74 7.26 60.0 90.0 25.85(27.3)36.40(45.00)1.0 0.5第
11、二阶段12.60(18.85)50.0 35.0 15.0 68.0 90.0 20.92(22.1)29.5(36.4)0.38(0.46)8000/21285(8000/17250)1.0 0.5 23.0(28.0)25.1(27.3)第三阶段7.80(15.30)65.0 65.0 0.0 70.0 92.0 15.00(20.0022.5(33.2)100% 28500/28500(19300/19300)0.75 0.3 推广计量收费、变频调速64.4(64.4)56.0(57.3)6.90(13.40)77.4 0.0 12.4 80.0 92.0 15.00(20.00)22.
12、5(33.2) 100% 0.5 0.2 73.6(73.6)65.5(67.7)6.50(12.60)82.0 0.0 4.6 85.0 92.0 15.00(20.00)22.5(33.2) 100%28500/28500(19300/19300) 0.5 0.2 78.2(78.2)69.6(71.9)理想阶段6.00(11.70)88.4 0.0 6.4 90.0 94.0 15.00(20.00) 22.5(33.2) 100% 28500/28500(19300/19300)0.5 0.2推广计量收费、多泵变频调速、自动控制 84.5(84.5)74.4(77.7)注：括号内数据为
13、哈尔滨地区的数据。第一、二阶段，室内设计温度 16，第三阶段以后，室内设计温度 18。北京新的供暖天数 114 天，供暖期间平均外温 0.1,度日数 2040.6。哈尔滨新的供暖天数 167 天，供暖期间平均外温-8.5，度日数 4425.5。表 1 还考虑了供热系统含电的输送效率，对于 1980 年，由于系统能效值过低，电耗在系统能效中的比例只占 1%左右。随着技术进步，系统能效的提高，电耗在系统能效中的比例逐渐提高，甚至高达 10%左右。可见，随着节能减排工作的逐渐深入，提高系统的含电输送效率也将愈来愈重要。根据上述分析，可以一目了然地了解各个环节的能量损耗，进一步掌握供热系统的节能潜力。
14、结合表 1 可以得出二点结论：1）如果确定理想节能阶段（锅炉效率 80%，热网效率 92%，冷热不均匀率消除，建筑围护结构同第三队段标准）的供热系统能效为 70%左右，则我国的供热系统节能潜力尚有 40%（目前我国正处于节能第二阶段，供热能效约为 30%）空间，其中热源 10-15%，热网2-4%，热用户 18-26%，要达到这个标准，其中一个重要指标是每 1t/h 蒸吨要带到 2.85 万 m21.90 万 m2， （前者为北京，后者为哈尔滨）这是相当艰巨的。2）改善建筑围护结构的保温性能，和分阶段保持不同室温的措施，即减少建筑物的耗热量，节约的只是耗煤量，而不能改变供热系统的能效。自由热的
15、利用则不然，可以提高有效用热量，因此，自然会增加供热系统的能效。 系 统 能 效 =有 效 热 量 /系 统 计 算 总 热 量 多 余 建 筑 热 耗 有 效 热 量管 网热 损 失 耗 电热 损 失 泄 漏热 损 失热 网 热 损 失热电总输入热量 系统计算热量 热 源热 源热 损 失 热 网 热 用 户冷 热 不 均热 损 失 自 由 热利 用 图 1. 供热系统热流图图 1 给出了供热系统热流图，该图能形象描述供热系统各环节的热损失状况，引而能有效指导节能工作的进行。二、供热系统节能技术纵观供热系统各个环节的耗能状况，不难看出，粗放式经营是根本的原因所在，而且至今，在我们行业，技术进步
16、并没有放到应有的地位。相当多的人，认为技术可有可无， “权” “钱” ，才是决定一切的。但世界的发展趋势，将不断证明，只有科学创新，才是社会财富的源泉。建筑节能也毫无例外，只有提高各个环节的技术含量，供热系统的节能目标才能实现。1、严格执行建筑围护结构的节能设计标准。随着新的国家建筑节能设计规范的陆续颁布，我国即将全面开始实行第三阶段的建筑节能标准。有关围护结构的保温性能，是根据 1980 年的现状基准，以节约 65%为目标，参照热源、热网效率，按照特定建筑物推算出来的。其中外墙的传热系数由 1.28-2.35w/m2k 下降为 0.45-1.5w/m2k(北方至南方),即保温性能提高了 1.
17、6-2.8 倍。外窗的传热系数普遍降低了一半（由 3.26-6.45w/m2k 下降为 1.7-2.7w/m2k） 。此外，对影响建筑物耗热量比较大的一些参数如体形系数，窗墙比等都做了强制性规定。对于外墙保温技术，我国经过多年研发，已完全成熟。现在市场上能看到各种不同品牌的产品，基本的发展趋势是保温性能更好，利于一体化组装，便于现场施工和使用寿命长。对于节能型的建筑物围护结构，从设计标准到技术开发，都已完备。现在关键是如何贯彻执行，努力的目标是使所有的新建筑都按新标准设计施工；既有建筑，有计划有步骤的向新标准靠拢。2、大力推广分时段变室温调节为了防止大量存在的超标耗能现象，全国各行业应严格执行
18、国务院规定的建筑物室温标准（冬季 18，夏季 26） 。特别是各类公共建筑，包括火车、轮船等，毫无例外地不应超出国家规定的室温标准；要区分上班、下班，工作日、节假日，白天、夜间，进行分时段的变室温调节。目前国内外都有比较成熟的分时变室温控制器。这种控制器，用户可以根据自己的需求，自由设定上班、下班，白天、晚上，周末、节假日的室温标准和运行时段。设定一旦确认，控制器即可根据设定要求，进行自动调节与控制。这种调节、控制，对于热水供热系统，主要是靠改变循环流量来实现，对于空调系统，则是通过变风量来完成。实现分时变室温调节，不但节能效益可观，还可以提高人的舒适度，有利于人的健康。长期实践证明，人在恒温
19、下生活，并不舒适，还容易得“空调病” 。因此分时变室温调节，是提高人的生活质量的一项重要举措。分时变室温调节技术能否大力推广，在经营方式上必须体现双蠃原则，使节能效益，在供热的买卖双方的经济效益上得到落实。实践证明，凡是这样做的，都能得到比较好的效果。3、积极采用大容量的产热源目前我国各种锅炉的平均效率约为 65%，达到第三阶段的锅炉效率 70%标准，尚有 5%的提高量，若按理想节能阶段的 80%考虑，还须再提高 15 个百分点。现在提高锅炉热效率的技术措施有许多种，但最有效的技术手段还是提高锅炉的热容量。为此，我国热水锅炉的热容量已经达到了 90MW（130t/h）以上，热效率实现了 80%
20、的目标。两年前，我国出台了热电联产的新政策，即大力发展200MW（20 万 KW） 、300MW（30 万 KW）以上机组的热电联供，逐渐关停小容量的热电机组。其基本目的还是为了提高热源的热效率。我们知道，小容量的热电机组，发电效率只有 30%左右，煤耗量高达 370g/kw，而 300MW 的热电机组锅炉效率高达 90%，发电效率可达 40%，煤耗量只有 310 g/kw，可见节能的意义是很大的。现在我国正处于工业化、城市化的高速发展时期，百万人以上的大城市不断涌现，为适应这一发展趋势，大力发展大容量的热电联产供热，是必经之路。4、有计划地实现多热源联网运行对于百万人口以上的大城市，集中供热
21、的规模常常在几百万甚至几千万 m2的供暖面积，其热源可能有多个热电厂和多个区域锅炉房。过去我们的习惯做法是一个热源、 带一个区域的供热面积，形成一对一的单热源供热系统。实践证明，这种供热方式，造成的主要缺点是装机备份过多，大量锅炉不能满负荷运行，进而导致热源效率不高。为克服上述弊端，在积极采用大容量热电联产、大容量热水锅炉的同时，有计划实现多热源联网运行将是理想的供热方案。多热源联网运行的供热系统，类似于高压电网，多个热源同时向热网（多数为环形网）输送热量。众多热用户根据自身需要，向热网提取热量。一般热容量最大的热电厂担任主热源，在供热期间，自始自终满负荷向热网输热。其余热源成为辅助热源，在供
22、热期间，分别有序的启动满负荷运行，以适应热用户的不同供热需求。在多热源联网运行中【3】 ，通过热量平衡的调度，使各个热源的运行锅炉都能在满负荷下运行。通过压力平衡的调度，使各个热源自动承包一个固定的供热区域，实现一对一的单热源供热。通过流量平衡调度，保证各个热用户所需的循环流量。通过上述三种平衡的调度，除了确保热用户的供热质量外，还有一个很大的优点，那就是所有热源的运行锅炉，都能在满负荷下运行，这就大大提高了热源的平均热效率，这是多热源联网运行的最大特点。5、进一步完善二次网的直埋技术改革开放以来，在引进、消化吸收国外先进技术的工作中，在本行业里，直埋技术是比较成功的一例。现在已经应用到了蒸汽
23、管道和大管径的直埋工程中了。据实地考察，由于采用直埋敷设技术，一次网的管道热损失一般已能控制在 2-7%之间，显然是相当理想的。目前供热管网热损失超标主要在二次管网，一般都在 10-15%。分析原因，主要是二次网属于庭院管网，常常由于分支过多，必须加设阀门，构筑检查井，导致直埋敷设，变成了变相的半管沟敷设，再加上条件复杂，多年失修，管网热损失过大，是不难理解的。目前看来，要想继续降低管网热损失，就必须进一步完善二次网的直埋技术，其中关键的技术环节是积极采用直埋球阀，取消检查井的过多设置，使二次网成为真正名符其实的直埋敷设，这样，整个供热系统的管网热损失是有望控制在规定标准以内的。6、选用防腐阻
24、垢剂，降低系统失水率在供热系统的管网热损失中，除了管道保温层的散热损失外，热网因漏水引起的补水热损失，也不允忽视。据有关资料给出，目前我国平均每平方米供暖面积每年的补水量约在 80-90 公斤【4】 ，热损失率约为 8-10%，因此，降低系统补水率减少系统漏水热损失，也是当务之急的任务。系统漏水，除了跑、冒、滴、漏的原因外，用户偷水是重要原因。目前比较好的解决办法是在系统中加投防腐阻垢剂。这种防腐阻垢剂，既能除垢，也能防锈。由于提高了水系统中的 PH 值（PH10） ，使钢管表面形成了保护膜，不但起到了水的软化作用，也起到了防止氧腐蚀和二氧化碳腐蚀的作用。这种防腐阻垢剂对人体无害，但带有颜色（
25、黑色） ，能方便、有效地降低偷水现象，多年实践，有明显效果。另外，据不少实际工程反应，在系统里加装臭味剂，也能取得良好的效果。7、努力发展分布式变频水泵的设计理念传统的循环水泵设计方法（在热源处设置大循环泵） ，由于过多的资用压头的节流，消耗了大量的无效电能，致使系统的电的输送效率低下。创新的分布式变频循环水泵的设计理念，按照“自助餐”的思维，用户通过自行取热，彻底消除了无效电耗的发生。理论上，节电可在 60-80%左右。这种新型的设计理念，已经愈来愈被国内外行业人员关注。我国已有不少工程示范采用，都有较好的效果。作者在“供热系统分布式变频循环水泵的设计” 【5】和“供热系统分布式混水连接方式
26、的优选” 【6】二篇文章中，对分布式变频水泵的设计原则、系统结构、设备选型、运行调节等诸多问题，都进行了详细介绍，一般在工程设计、运行中遇到的问题都有所涉及，对于感兴趣的同行可供参考。8、坚定计量收费技术的推行供热计量收费技术的推行目的，从节能的意义上讲，最主要的是能消除冷热不均带来的热损失，其次是提高行为节能，进而充分利用自由热，降低热源能量的消耗。供热计量技术，已在全国许多城市示范多年，今年 7 月国家建设部又发布了供热计量技术规程 （JGJ173-2009） ，在技术规程中除明确规定：在热量结算点（热力站或楼栋热入口）处安装热量表外，还应在散热器和建筑热入口处安装恒温控制阀和流量调节阀。
27、安装热量表，是用来计量耗热量，进行贸易结算。安装各种调节阀，是用来提高系统的可调性，实现水力平衡，消除冷热不均。多年的实践证明：只要按规定安装调节阀，并进行有效调节，系统的水力平衡完全能够实现，冷热不均现象完全能够消除。20-30%因冷热不均而浪费的热量，一定能够遏制。衡量系统是否真正实现了水力平衡？当然更直观的是考察各建筑物室温是否均匀达标。除此之外，还有一个重要的考查指标，就是每 1t/h 蒸吨能带的供热面积，如果能带到 1.9 万 m2(哈尔滨)和 2.8 万m2(北京),那么这个供热系统一定实现了很好的水力平衡。目前在热计量技术的推广过程中，出现了许多不同的看法，也遇到不少的阻力。据我
28、观察，一个重要原因是对热计量技术缺乏全面的理解。有相当数量的业内人员，把热计量技术只理解为装热表，因此，误以为热计量技术本身不节能。或者在热计量推广中，没有把提高系统的可调性放到重要地位，因此在新建、既有建筑的改建中，大量存在只装锁闭阀，不装恒温阀的现象，结果导致更为严重的垂直失调，不但浪费了大量的人力、财力，而且严重影响居民的正常生活。这些年来，在推广热计量技术的过程中，积累了不少经验，也存在许多失败的教训，我们应该很好的进行这方面的总结，做到统一认识，统一步调，把这项推广工作做得更好。参考文献：【1】清华大学石兆玉、陈弘“供热系统综合指标的探讨” ， 区域供热1994.2【2】清华大学石兆玉“提高供热系统能效是建筑节能的重要途径” ， 供热与制冷 ，2005.12【3】清华大学石兆玉“供热系统多热源联网运行的再认识” ， 供热与制冷 ，2006.2【4】北京联合大学王雅珍“供热采暖工作应着重注意的一些问题” ，2009 年全国供热技术研讨会论文集 ，海口。【5】清华大学石兆玉“供热系统分布式变频循环水泵的设计” ， 暖通空调标准与质检 ，2006 年三期。【6】清华大学石兆玉“供热系统分布式混水连接方式的优选 ， 区域供热2009，6。
