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5.2 热源、热力站及热力网

5.2.1 建设部、国家发改委、财政部、人事部、民政部、劳动和社会保障部、国家税务总局、国家环境保护总局颁布的《关于进一步推进城镇供热体制改革的意见》(建城[2005]220号)中,在优化配置城镇供热资源方面提出“要坚持集中供热为主,多种方式互为补充,鼓励开发和利用地热、太阳能等可再生能源及清洁能源供热”的方针。集中采暖系统应采用热水作为热媒。当然,该条也包含当地没有设计直接电热采暖条件。

5.2.2 目前有些地区的很多城市都已做了集中供热规划设计,但限于经济条件,大部分规模较小,有不少小区暂时无网可入,只能先搞过渡性的锅炉房,因此提出该条文。

5.2.3 根据《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》JGJ 26-95中第5.1.2条:
    1 根据燃煤锅炉单台容量越大效率越高的特点,为了提高热源效率,应尽量采用较大容量的锅炉;
    2 考虑住宅采暖的安全性和可靠性,锅炉的设置台数应不少于2台,因此对于规模较小的居住区(设计供热负荷低于14MW),单台锅炉的容量可以适当降低。

5.2.4 本条文是强制性条文。
    锅炉运行效率是以长期监测和记录的数据为基础,统计时期内全部瞬时效率的平均值。本标准中规定的锅炉运行效率是以整个采暖季作为统计时间的,它是反映各单位锅炉运行管理水平的重要指标。它既和锅炉及其辅机的状况有关,也和运行制度等因素有关。在《民用建筑节能设计标准》JGJ 26-95中规定锅炉运行效率为68%,实际上早在20世纪90年代我国有些单位锅炉房的锅炉运行效率就已经超过了73%。本标准在分析锅炉设计效率时,将运行效率取为70%。近些年我国锅炉设计制造水平有了很大的提高,锅炉房的设备配置也发生了很大的变化,已经为运行单位的管理水平的提高提供了基本条件,只要选择设计效率较高的锅炉,合理组织锅炉的运行,就可以使运行效率达到70%。本标准制定时,通过我国供暖负荷的变化规律及锅炉的特性分析,提出了锅炉设计效率达到70%时设计者所选用的锅炉的最低设计效率,最后根据目前国内企业生产的锅炉的设计效率确定表5.2.4的数据。

5.2.5 本条公式根据《民用建筑节能设计标准》JGJ 26-95第5.2.6条。热水管网热媒输送到各热用户的过程中需要减少下述损失:(1)管网向外散热造成散热损失;(2)管网上附件及设备漏水和用户放水而导致的补水耗热损失;(3)通过管网送到各热用户的热量由于网路失调而导致的各处室温不等造成的多余热损失。管网的输送效率是反映上述各个部分效率的综合指标。提高管网的输送效率,应从减少上述三方面损失入手。通过对多个供热小区的分析表明,采用本标准给出的保温层厚度,无论是地沟敷设还是直埋敷设,管网的保温效率是可以达到99%以上的。考虑到施工等因素,分析中将管网的保温效率取为98%。系统的补水,由两部分组成,一部分是设备的正常漏水,另一部分为系统失水。如果供暖系统中的阀门、水泵盘根、补偿器等,经常维修,且保证工作状态良好的话,测试结果证明,正常补水量可以控制在循环水量的0.5%。通过对北方6个代表城市的分析表明,正常补水耗热损失占输送热量的比例小于2%;各城市的供暖系统平衡效率达到95.3%~96%时,则管网的输送效率可以达到93%。考虑各地技术及管理上的差异,所以在计算锅炉房的总装机容量时,将室外管网的输送效率取为92%。

5.2.6 目前的锅炉产品和热源装置在控制方面已经有了较大的提高,对于低负荷的满足性能得到了改善,因此在有条件时尽量采用较大容量的锅炉有利于提高能效,同时,过多的锅炉台数会导致锅炉房面积加大、控制相对复杂和投资增加等问题,因此宜对设置台数进行一定的限制。
    当多台锅炉联合运行时,为了提高单台锅炉的运行效率,其负荷率应有所限制,避免出现多台锅炉同时运行但负荷率都很低而导致效率较低的现象。因此,设计时应采取一定的控制措施,通过运行台数和容量的组合,在提高单台锅炉负荷率的原则下,确定合理的运行台数。
    锅炉的经济运行负荷区通常为70%~100%;允许运行负荷区则为60%~70%和100%~105%。因此,本条根据习惯,规定单台锅炉的最低负荷为60%。对于燃煤锅炉来说,不论是多台锅炉联合运行还是只有单台锅炉运行,其负荷都不应低于额定负荷的60%。对于燃气锅炉,由于燃烧调节反应迅速,一般可以适当放宽。

5.2.7 燃气锅炉的效率与容量的关系不太大。关键是锅炉的配置、自动调节负荷的能力等。有时,性能好的小容量锅炉会比性能差的大容量锅炉效率更高。燃气锅炉房供热规模不宜太大,是为了在保持锅炉效率不降低的情况下,减少供热用户,缩短供热半径,有利于室外供热管道的水力平衡,减少由于水力失调形成的无效热损失,同时降低管道散热损失和水泵的输送能耗。
    锅炉的台数不宜过多,只要具备较好满足整个冬季的变负荷调节能力即可。由于燃气锅炉在负荷率30%以上时,锅炉效率可接近额定效率,负荷调节能力较强,不需要采用很多台数来满足调节要求。锅炉台数过多,必然造成占用建筑面积过多,一次投资增大等问题。
    首先,模块式组合锅炉燃烧器的调节方式均采用一段式启停控制,冬季变负荷调节只能依靠台数进行,为了尽量符合负荷变化曲线应采用合适的台数。台数过少易偏离负荷曲线,调节性能不好,8台模块式锅炉已可满足调节的需要。其次,模块式锅炉的燃烧器一般采用大气式燃烧,燃烧效率较低,比非模块式燃气锅炉效率低不少,对节能和环保均不利。另外,以楼栋为单位来设置模块式锅炉房时,因为没有室外供热管道,弥补了燃烧效率低的不足,从总体上提高了供热效率。反之则两种不利条件同时存在,对节能环保非常不利。因此模块式组合锅炉只适合小面积供热,供热面积很大时不应采用模块式组合锅炉,应采用其他高效锅炉。

5.2.8 低温供热时,如地面辐射采暖系统,回水温度低,热回收效率较高,技术经济很合理。散热器采暖系统回水温度虽然比地面辐射采暖系统高,但仍有热回收价值。
    冷凝式锅炉价格高,对一次投资影响较大,但因热回收效果好,锅炉效率很高,有条件时应选用。

5.2.9 本条文是强制性条文。
    2005年12月6日由建设部、发改委、财政部、人事部、民政部、劳动和社会保障部、国家税务总局、国家环境保护总局八部委发文《关于进一步推进城镇供热体制改革的意见》(建城[2005]220号),文件明确提出,“新建住宅和公共建筑必须安装楼前热计量表和散热器恒温控制阀,新建住宅同时还要具备分户热计量条件”。文件中楼前热表可以理解为是与供热单位进行热费结算的依据,楼内住户可以依据不同的方法(设备)进行室内参数(比如热量、温度)测量,然后,结合楼前热表的测量值对全楼的用热量进行住户间分摊。
    行业标准《供热计量技术规程》JGJ 173-2009中第3.0.1条(强制性条文):“集中供热的新建建筑和既有建筑的节能改造必须安装热量计量装置”;第3.0.2条(强制性条文):“集中供热系统的热量结算点必须安装热量表”。明确表明供热企业和终端用户间的热量结算,应以热量表作为结算依据。用于结算的热量表应符合相关国家产品标准,且计量检定证书应在检定的有效期内。
    由于楼前热表为该楼所用热量的结算表,要求有较高的精度及可靠性,价格相应较高,可以按楼栋设置热量表,即每栋楼作为一个计量单元。对于建筑用途相同,建设年代相近,建筑形式、平面、构造等相同或相似,建筑物耗热量指标相近,户间热费分摊方式一致的小区(组团),也可以若干栋建筑,统一安装一个热量表。
    有时,在管路走向设计时一栋楼会有2个以上入口,此时宜按2个以上热表的读数相加以代表整栋楼的耗热量。
    对于既有居住建筑改造时,在不具备住户热费条件而只根据住户的面积进行整栋楼耗热量按户分摊时,每栋楼应设置各自的热量表。

5.2.10 户式燃气采暖炉包括热风炉和热水炉,已经在一定范围内应用于多层住宅和低层住宅采暖,在建筑围护结构热工性能较好(至少达到节能标准规定)和产品选用得当的条件下,也是一种可供选择的采暖方式。本条根据实际使用过程中的得失,从节能角度提出了对户式燃气采暖炉选用的原则要求。
    对于户式供暖炉,在采暖负荷计算中,应该包括户间传热量,在此基础上可以再适当留有余量。但是若设备容量选择过大,会因为经常在部分负荷条件下运行而大幅度地降低热效率,并影响采暖舒适度。
    另外,因燃气采暖炉大部分时间在部分负荷运行,如果单纯进行燃烧量调节而不相应改变燃烧空气量,会由于过剩空气系数增大使热效率下降。因此宜采用具有自动同时调节燃气量和燃烧空气量功能的产品。
    为保证锅炉运行安全,要求户式供暖炉设置专用的进气及排气通道。
    在目前的一些实际工程中,有些采用每户直接向大气排放废气的方式,不利于对建筑周围的环境保护;另外有一些建筑由于房间密闭,没有考虑专有进风通道,可能会导致由于进风不良引起的燃烧效率低下的问题;还有一些将户式燃气炉的排气直接排进厨房等的排风道中,不但存在一定的安全隐患,也直接影响到锅炉的效率。因此本条文提出对此要设置专有的进、排风道。但对于采用平衡式燃烧的户式锅炉,由于其方式的特殊性,只能采用分散就地进排风的方式。

5.2.11 根据《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》JGJ 26-95第5.2.1条。本条强调,在设计采暖供热系统时,应详细进行热负荷的调查和计算,合理确定系统规模和供热半径,主要目的是避免出现“大马拉小车”的现象。有些设计人员从安全考虑,片面加大设备容量和散热器面积,使得每吨锅炉的供热面积仅在(5000~6000)m2左右,最低仅2000m2,造成投资浪费,锅炉运行效率很低。考虑到集中供热的要求和我国锅炉的生产状况,锅炉房的单台容量宜控制在(7.0~28.0)MW范围内。系统规模较大时,建议采用间接连接,并将一次水设计供水温度取为(115~130)℃,设计回水温度取为(50~80)℃,主要是为了提高热源的运行效率,减少输配能耗,便于运行管理和控制。

5.2.12 水泵采用变频调速是目前比较成熟可靠的节能方式。
    1 从水泵变速调节的特点来看,水泵的额定容量越大,则总体效率越高,变频调速的节能潜力越大。同时,随着变频调速的台数增加,投资和控制的难度加大。因此,在水泵参数能够满足使用要求的前提下,宜尽量减少水泵的台数。
    2 当系统较大时,如果水泵的台数过少,有时可能出现选择的单台水泵容量过大甚至无法选择的问题;同时,变频水泵通常设有最低转速限制,单台设计容量过大后,由于低转速运行时的效率降低使得有可能反而不利于节能。因此这时应通过合理的经济技术分析后适当增加水泵的台数。至于是采用全部变频水泵,还是采用“变频泵+定速泵”的设计和运行方案,则需要设计人员根据系统的具体情况,如设计参数、控制措施等,进行分析后合理确定。
    3 目前关于变频调速水泵的控制方法很多,如供回水压差控制、供水压力控制、温度控制(甚至供热量控制)等,需要设计人根据工程的实际情况,采用合理、成熟、可靠的控制方案。其中最常见的是供回水压差控制方案。

5.2.13 本条文是强制性条文。
    供热系统水力不平衡的现象现在依然很严重,而水力不平衡是造成供热能耗浪费的主要原因之一,同时,水力平衡又是保证其他节能措施能够可靠实施的前提,因此对系统节能而言,首先应该做到水力平衡,而且必须强制要求系统达到水力平衡。
    当热网采用多级泵系统(由热源循环泵和用户泵组成)时,支路的比摩阻与干线比摩阻相同,有利于系统节能。当热源(热力站)循环水泵按照整个管网的损失选择时,就应考虑环路的平衡问题。
    环路压力损失差意味着环路的流量与设计流量有差异,也就是说,会导致各环路房间的室温有差异。《采暖居住建筑节能检验标准》JGJ 132-2009中第11.2.1条规定,热力入口处的水力平衡度应达到0.9~1.2。该标准的条文说明指出:这是结合北京地区的实际情况,通过模拟计算,当实际水量在90%~120%时,室温在17.6℃~18.7℃范围内,可以满足实际需要。但是,由于设计计算时,与计算各并联环路水力平衡度相比,计算各并联环路间压力损失比较方便,并与教科书、手册一致。所以,这里采取规定并联环路压力损失差值,要求应在15%之内。
    除规模较小的供热系统经过计算可以满足水力平衡外,一般室外供热管线较长,计算不易达到水力平衡。对于通过计算不易达到环路压力损失差要求的,为了避免水力不平衡,应设置静态水力平衡阀,否则出现不平衡问题时将无法调节。而且,静态平衡阀还可以起到测量仪表的作用。静态水力平衡阀应在每个入口(包括系统中的公共建筑在内)均设置。

5.2.14 静态水力平衡阀是最基本的平衡元件,实践证明,系统第一次调试平衡后,在设置了供热量自动控制装置进行质调节的情况下,室内散热器恒温阀的动作引起系统压差的变化不会太大,因此,只在某些条件下需要设置自力式流量控制阀或自力式压差控制阀。
    关于静态水力平衡阀,流量控制阀,压差控制阀,目前说法不一,例如:静态水力平衡阀也有称为“手动水力平衡阀”、“静态平衡阀”;流量控制阀也有称为“动态(自动)平衡阀”、“定流量阀”等。为了尽可能地规范名称,并根据城镇建设行业标准《自力式流量控制阀》CJ/T 179-2003中对“自力式流量控制阀”的定义:“工作时不依靠外部动力,在压差控制范围内,保持流量恒定的阀门”。因此,称流量控制阀为“自力式流量控制阀”;尽管目前还没有颁布压差控制阀行业标准,同样,称压差控制阀为“自力式压差控制阀”。至于手动或静态平衡阀,则统一称为静态水力平衡阀。

5.2.15 每种阀门都有其特定的使用压差范围要求,设计时,阀两端的压差不能超过产品的规定。
     阀权度S的定义是:“调节阀全开时的压力损失△Pmin与调节阀所在串联支路的总压力损失△P0的比值”。它与阀门的理想特性一起对阀门的实际工作特性起着决定性作用。当S=1时,△P0全部降落在调节阀上,调节阀的工作特性与理想特性是一致的;在实际应用场所中,随着S值的减小,理想的直线特性趋向于快开特性,理想的等百分比特性趋向于直线特性。
    对于自动控制的阀门(无论是自力式还是其他执行机构驱动方式),由于运行过程中开度不断在变化,为了保持阀门的调节特性,确保其调节品质,自动控制阀的阀权度宜在0.3~0.5之间。
    对于静态水力平衡阀,在系统初调试完成后,阀门开度就已固定,运行过程中,其开度并不发生变化;因此,对阀权度没有严格要求。
    对于以小区供热为主的热力站而言,由于管网作用距离较长,系统阻力较大,如果采用动态自力式控制阀串联在总管上,由于阀权度的要求,需要该阀门的全开阻力较大,这样会较大地增加水泵能耗。因为设计的重点是考虑建筑内末端设备的可调性,如果需要自动控制,我们可以将自动控制阀设置于每个热力入口(建筑内的水阻力比整个管网小得多,这样在保证同样的阀权度情况下阀门的水流阻力可以大为降低),同样可以达到基本相同的使用效果和控制品质。因此,本条第二款规定在热力站出口总管上不宜串联设置自动控制阀。考虑到出口可能为多个环路的情况,为了初调试,可以根据各环路的水力平衡情况合理设置静态水力平衡阀。静态水力平衡阀选型原则:静态水力平衡阀是用于消除环路剩余压头、限定环路水流量用的,为了合理地选择平衡阀的型号,在设计水系统时,一定仍要进行管网水力计算及环网平衡计算,选取平衡阀。对于旧系统改造时,由于资料不全并为方便施工安装,可按管径尺寸配用同样口径的平衡阀,直接以平衡阀取代原有的截止阀或闸阀。但需要作压降校核计算,以避免原有管径过于富余使流经平衡阀时产生的压降过小,引起调试时由于压降过小而造成仪表较大的误差。校核步骤如下:按该平衡阀管辖的供热面积估算出设计流量,按管径求出设计流量时管内的流速v(m/s),由该型号平衡阀全开时的ζ值,按公式△P=ζ(v2·ρ/2)(Pa),求得压降值△P(式中ρ=1000kg/m3),如果△P小于(2~3)kPa,可改选用小口径型号平衡阀,重新计算v及△P,直到所选平衡阀在流经设计水量时的压降△P≥(2~3)kPa时为止。
    尽管自力式恒流量控制阀具有在一定范围内自动稳定环路流量的特点,但是其水流阻力也比较大,因此即使是针对定流量系统,对设计人员的要求也首先是通过管路和系统设计来实现各环路的水力平衡(即“设计平衡”);当由于管径、流速等原因的确无法做到“设计平衡”时,才应考虑采用静态水力平衡阀通过初调试来实现水力平衡的方式;只有当设计认为系统可能出现由于运行管理原因(例如水泵运行台数的变化等)有可能导致的水量较大波动时,才宜采用阀权度要求较高、阻力较大的自力式恒流量控制阀。但是,对于变流量系统来说,除了某些需要特定定流量的场所(例如为了保护特定设备的正常运行或特殊要求)外,不应在系统中设置自力式流量控制阀。

5.2.16 规定耗电输热比(EHR)的目的是为了防止采用过大的水泵以使得水泵的选择在合理的范围。
    本条文的基本思路来自《公共建筑节能设计标准》GB 50189-2005第5.2.8条。但根据实际情况对相关的参数进行了一定的调整:
    1 目前的国产电机在效率上已经有了较大的提高,根据国家标准《中小型三项异步电动机能效限定值及节能评价值》GB 18613-2002的规定,7.5kW以上的节能电机产品的效率都在89%以上。但是,考虑到供热规模的大小对所配置水泵的容量(即由此引起的效率)会产生一定的影响,从目前的水泵和电机来看,当△t=20℃时,针对2000kW以下的热负荷所配置的采暖循环水泵通常不超过7.5kW,因此水泵和电机的效率都会有所下降,因此将原条文中的固定计算系数0.0056改为一个与热负荷有关的计算系数A表示(表5.2.16)。这样一方面对于较大规模的供热系统,本条文提高了对电机的效率要求;另一方面,对于较小规模的供热系统,也更符合实际情况,便于操作和执行。
    2 考虑到采暖系统实行计量和分户供热后,水系统内增加了相应的一些阀件,其系统实际阻力比原来的规定会偏大,因此将原来的14改为20.4。
    3 原条文在不同的管道长度下选取的aΣL值不连续,在执行过程中容易产生的一些困难,也不完全符合编制的思路(管道较长时,允许EHR值加大)。因此,本条文将a值的选取或计算方式变成了一个连续线段,有利于条文的执行。按照条文规定的a∑L值计算结果比原条文的要求略为有所提高。
    4 由于采暖形式的多样化,以规定某个供回水温差来确定EHR值可能对某些采暖形式产生不利的影响。例如当采用地板辐射供暖时,通常的设计温差为10℃,这时如果还采用20℃或25℃来计算EHR,显然是不容易达到标准规定的。因此,本条文采用的是“相对法”,即同样系统的评价标准一致,所以对温差的选择不作规定,而是“按照设计要求选取”。

5.2.17 引自原《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》JGJ 26-95第5.3.1条。一、二次热水管网的敷设方式,直接影响供热系统的总投资及运行费用,应合理选取。对于庭院管网和二次网,管径一般较小,采用直埋管敷设,投资较小,运行管理也比较方便。对于一次管网,可根据管径大小经过经济比较确定采用直埋或地沟敷设。

5.2.18 管网输送效率达到92%时,要求管道保温效率应达到98%。根据《设备及管道绝热设计导则》中规定的管道经济保温层厚度的计算方法,对玻璃棉管壳和聚氨酯保温管分析表明,无论是直埋敷设还是地沟敷设,管道的保温效率均能达到98%。严寒地区保温材料厚度有较大的差别,寒冷地区保温材料厚度差别不大。为此严寒地区每个气候子区分别给出了最小保温层厚度,而寒冷地区统一给出最小保温层厚度。如果选用其他保温材料或其导热系数与附录G中值差异较大时,可以按照式(5.2.18)对最小保温层厚度进行修正。

5.2.19 本条文是强制性条文。
    锅炉房采用计算机自动监测与控制不仅可以提高系统的安全性,确保系统能够正常运行;而且,还可以取得以下效果:
    1 全面监测并记录各运行参数,降低运行人员工作量,提高管理水平。
    2 对燃烧过程和热水循环过程能进行有效的控制调节,提高并使锅炉在高效率下运行,大幅度地节省运行能耗,并减少大气污染。
    3 能根据室外气候条件和用户需求变化及时改变供热量,提高并保证供暖质量,降低供暖能耗和运行成本。
    因此,在锅炉房设计时,除小型固定炉排的燃煤锅炉外,应采用计算机自动监测与控制。
    条文中提出的五项要求,是确保安全、实现高效、节能与经济运行的必要条件。它们的具体监控内容分别为:
    1 实时检测:通过计算机自动检测系统,全面、及时地了解锅炉的运行状况,如运行的温度、压力、流量等参数,避免凭经验调节和调节滞后。全面了解锅炉运行工况,是实施科学调控的基础。
    2 自动控制:在运行过程中,随室外气候条件和用户需求的变化,调节锅炉房供热量(如改变出水温度,或改变循环水量,或改变供汽量)是必不可少的,手动调节无法保证精度。
    计算机自动监测与控制系统,可随时测量室外的温度和整个热网的需求,按照预先设定的程序,通过调节投入燃料量(如炉排转速)等手段实现锅炉供热量调节,满足整个热网的热量需求,保证供暖质量。
    3 按需供热:计算机自动监测与控制系统可通过软件开发,配置锅炉系统热特性识别和工况优化分析程序,根据前几天的运行参数、室外温度,预测该时段的最佳工况,进而实现对系统的运行指导,达到节能的目的。
    4 安全保障:计算机自动监测与控制系统的故障分析软件,可通过对锅炉运行参数的分析,作出及时判断,并采取相应的保护措施,以便及时抢修,防止事故进一步扩大,设备损坏严重,保证安全供热。
    5 健全档案:计算机自动监测与控制系统可以建立各种信息数据库,能够对运行过程中的各种信息数据进行分析,并根据需要打印各类运行记录,储存历史数据,为量化管理提供了物质基础。

5.2.20 本条文是强制性条文。
    本条文对锅炉房及热力站的节能控制提出了明确的要求。设置供热量控制装置(比如气候补偿器)的主要目的是对供热系统进行总体调节,使锅炉运行参数在保持室内温度的前提下,随室外空气温度的变化随时进行调整,始终保持锅炉房的供热量与建筑物的需热量基本一致,实现按需供热;达到最佳的运行效率和最稳定的供热质量。
    设置供热量控制装置后,还可以通过在时间控制器上设定不同时间段的不同室温,节省供热量;合理地匹配供水流量和供水温度,节省水泵电耗,保证恒温阀等调节设备正常工作;还能够控制一次水回水温度,防止回水温度过低减少锅炉寿命。
    由于不同企业生产的气候补偿器的功能和控制方法不完全相同,但必须具有能根据室外空气温度变化自动改变用户侧供(回)水温度、对热媒进行质调节的基本功能。
    气候补偿器正常工作的前提,是供热系统已达到水力平衡要求,各房间散热器均装置了恒温阀,否则,即使采用了供热量控制装置也很难保持均衡供热。