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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,门窗的密闭授课:XXX、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)式中, Q 热源燃料总供热量;授课:XXX 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】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,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。授课:XXX 授课:XXX表1 北京(哈尔滨)供热系统能效统计节能阶段节能指标耗热指标w/m2概算热指标w/m2热用户冷热不均程度系统设备耗电w/m2技术条件系统能效%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%实际供热面积m2不含电耗含电耗理论供热面积m2热源热网1980年25.20(37.7)0.00.00.055.085.031.96(33.8)45.0(55.60)0.30(0.38)4000/13178(4000/10666)1.00.514.0(18.0)13.0(16.7)第一阶段17.64(26.39)30.022.747.2660.090.025.85(27.3)36.40(45.00)1.00.5第二阶段12.60(18.85)50.035.015.068.090.020.92(22.1)29.5(36.4)0.38(0.46)8000/21285(8000/17250)1.00.523.0(28.0)25.1(27.3)第三阶段7.80(15.30)65.065.00.070.092.015.00(20.0022.5(33.2)100%28500/28500(19300/19300)0.750.3推广计量收费、变频调速64.4(64.4)56.0(57.3)理想阶段6.90(13.40)77.40.012.480.092.015.00(20.00)22.5(33.2) 100%28500/28500(19300/19300)0.50.2推广计量收费、多泵变频调速、自动控制73.6(73.6)65.5(67.7)6.50(12.60)82.00.04.685.092.015.00(20.00)22.5(33.2) 100%0.50.278.2(78.2)69.6(71.9)6.00(11.70)88.40.06.490.094.015.00(20.00) 22.5(33.2) 100%28500/28500(19300/19300)0.50.284.5(84.5)74.4(77.7)注:括号内数据为哈尔滨地区的数据。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。授课:XXX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。授课:XXX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。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。 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、供热系统节能技术授课:XXX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
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