摘　要：隨著規(guī)范GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》的實(shí)施，散熱器供暖的室內(nèi)供暖系統(tǒng)的推薦設(shè)計(jì)回水溫度由傳統(tǒng)的60℃調(diào)整為50℃，與之相應(yīng)，一級管網(wǎng)設(shè)計(jì)回水溫度也應(yīng)由傳統(tǒng)的70℃調(diào)整為60℃。結(jié)合工程實(shí)例分析了一級管網(wǎng)回水溫度對管道公稱直徑、小區(qū)熱力站換熱器的換熱面積、循環(huán)水泵耗電量、工程造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用的影響。將一級管網(wǎng)的設(shè)計(jì)回水溫度由70℃調(diào)整為60℃后，供熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能效益得到提高。

關(guān)鍵詞：一級管網(wǎng)；  二級管網(wǎng)；  回水溫度；  換熱面積；  耗電量

Effect of Return Water Temperature of Primary Circuit on Centralized Heat-supply System

Abstract：With the implementation of Design Coae for Heating Ventilation and Air Conditioning of Civil Buildings(GB 50736-2012)，the recommended design temperature of return water of indoor heating system with radiators is adjusted to 50℃from60℃．Accordingly，the design temperature of return water of primary circuit should be adjusted to 60℃from70℃．The effects of the temperature of return water of primary circuit on the nominal pipe diameter，the heat transfer area of heat exchanger in residential area substation，the power consumption of circulation pump，the project cost and operation cost are analyzed combined with an example．The economic benefit and energy saving benefit of the heat-supply system are improved by adjusting the temperature of return water of primary circuit to 60℃from70℃．

Keywords：primary circuit；secondary circuit；temperature of return water；heat transfer area；power consumption

1　概述

集中供熱是城市的基礎(chǔ)設(shè)施之一。目前用于集中供熱的主流熱源是熱電廠和區(qū)域鍋爐房。出于經(jīng)濟(jì)、安全的考慮，大型的集中供熱系統(tǒng)一般分為一級管網(wǎng)與二級管網(wǎng)，一級管網(wǎng)以高溫高壓的模式運(yùn)行，通過小區(qū)熱力站內(nèi)的換熱器將熱量傳遞給二級管網(wǎng)，二級管網(wǎng)直接向熱用戶供熱，以低溫低壓的模式運(yùn)行。

對于集中供熱系統(tǒng)，主要的能源消耗是循環(huán)水泵的耗電量和熱源廠鍋爐的耗煤量、輔機(jī)耗電量。循環(huán)水泵的耗電量與一級管網(wǎng)的供、回水溫差有著直接的關(guān)系。對于熱源來說，鍋爐耗煤量、輔機(jī)耗電量與其輸出的熱量直接相關(guān)，而受一級管網(wǎng)的供水溫度和回水溫度的影響很小。一級管網(wǎng)的供水溫度一般取管網(wǎng)的最高耐溫，而對一級管網(wǎng)系統(tǒng)耗能量起決定作用的就是一級管網(wǎng)的回水溫度了。因此，本文討論的重點(diǎn)是在不改變一級管網(wǎng)供水溫度的條件下降低一級管網(wǎng)的回水溫度，從而增大一級管網(wǎng)的供、回水溫差，提高一級管網(wǎng)熱能的輸送能力。

2　回水溫度對管道公稱直徑的影響

對于熱水供熱系統(tǒng)，質(zhì)量流量和熱負(fù)荷的關(guān)系如下：

F1=cpqmDt 　　   (1)

Dt=tg1-th1 　　   (2)

式中F1——管網(wǎng)承擔(dān)的熱負(fù)荷，W

cp——水的比定壓熱容，J／(kg·K)，取4200J／(kg·K)

qm——管網(wǎng)質(zhì)量流量，kg／s

Dt——一級管網(wǎng)供水、回水溫差，℃

tg1——一級管網(wǎng)供水溫度，℃

th1——一級管網(wǎng)回水溫度，℃

由式(1)可知，熱負(fù)荷一定時(shí)，管網(wǎng)質(zhì)量流量和供、回水溫差成反比，供水溫度不變的條件下，回水溫度越低，管網(wǎng)的質(zhì)量流量就越小。對于集中供熱熱水管道系統(tǒng)，管道質(zhì)量流量是決定管道公稱直徑的直接因素，在熱負(fù)荷和供水溫度不變的條件下，一級管網(wǎng)回水溫度就直接影響了管道公稱直徑的選取。供熱管道的公稱直徑要通過水力計(jì)算進(jìn)行確定，水力計(jì)算一般有兩種方法，一種是通過計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算，另一種方法是查表法，本文按照查表法進(jìn)行水力計(jì)算。

3　回水溫度對換熱器換熱面積的影響

換熱器有很多類型，根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分三大類：間壁式、混合式和蓄熱式。在小區(qū)熱力站內(nèi)通常使用板式換熱器，板式換熱器是間壁式換熱器的一種形式。本文以板式換熱器為例來分析不改變一級管網(wǎng)供水溫度的情況下一級管網(wǎng)回水溫度對換熱器換熱面積的影響。板式換熱器換熱面積按式(3)計(jì)算。

式中Fh——換熱器熱功率，W

K——換熱器傳熱系數(shù)，W／(m²·K)

A——換熱器換熱面積，m²

Dtp——換熱器對數(shù)平均溫差，℃

b——結(jié)垢系數(shù)，取0.8

Dtd——一級管網(wǎng)和二級管網(wǎng)供水溫度差，℃

Dtx——一級管網(wǎng)和二級管網(wǎng)回水溫度差，℃

tg2——二級管網(wǎng)供水溫度，℃

th2——二級管網(wǎng)回水溫度，℃

對于板式換熱器，傳熱系數(shù)K值與諸多因素有關(guān)，但對于規(guī)模相近、同種類型的換熱器，K值相差微小，趨于定值。為了方便比較，本文忽略K值的差異，假定K值為定值。從式(3)可知，當(dāng)換熱器熱功率Fh值一定時(shí)，換熱面積A和對數(shù)平均溫差Dtp成反比；當(dāng)換熱器熱功率Fh值、一級管網(wǎng)供水溫度及二級管網(wǎng)供、回水溫度一定時(shí)，換熱面積A隨著一級管網(wǎng)回水溫度的降低呈非線性增加的趨勢。

4　回水溫度對循環(huán)水泵耗電量的影響

熱源的熱能需要通過熱網(wǎng)循環(huán)水泵將熱水輸送至小區(qū)熱力站，循環(huán)水泵需要的電動機(jī)的輸入功率和水泵的全壓、流量關(guān)系如下^[1]：

Pe=qp/hhmhd 　　　   (7)

式中Pe——循環(huán)水泵需要的電動機(jī)的輸入功率，kW

q——水泵流量，m³／s

p——水泵全壓，kPa

h——水泵效率，可按水泵樣本取用，本文按照80％計(jì)算

hm——水泵傳動的機(jī)械效率，本文按直接傳動考慮，取1.0

hd——電動機(jī)效率，取0.9

由式(7)可知，水泵需要的電動機(jī)的輸入功率與水泵的全壓、流量成正比，水泵的全壓、流量直接決定了水泵的耗電量。

5　工程比較

GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》第5．3．1條規(guī)定：“散熱器集中供暖系統(tǒng)宜按75℃／50℃連續(xù)供暖進(jìn)行設(shè)計(jì)，且供水溫度不宜大于85℃，供回水溫差不宜小于20℃。”由此可見，對于新建的供熱系統(tǒng)而言，散熱器供暖的室內(nèi)供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)供水溫度宜取75℃，設(shè)計(jì)回水溫度宜取50℃。對于小區(qū)熱力站的換熱器，在換熱器設(shè)計(jì)時(shí)要求冷側(cè)溫差(Dtx)不小于10℃^[2]。因此，一級管網(wǎng)的最低回水溫度就可以取到60℃，在一級管網(wǎng)設(shè)計(jì)供水溫度不變的情況下，與傳統(tǒng)的70℃回水溫度相比較，增大了10℃的供、回水溫差。下面以某工程為例，討論把一級管網(wǎng)回水溫度由70℃降低到60℃對供熱系統(tǒng)有何影響。

5.1　工程概況

華北地區(qū)某城市集中供熱工程，其供熱面積為1000×10⁴m²，供熱負(fù)荷為700MW，年最大熱負(fù)荷利用時(shí)間為2161h，熱源的供水溫度為120℃，一級管網(wǎng)設(shè)計(jì)壓力為1600kPa，熱水管網(wǎng)定壓方式選擇循環(huán)水泵入口處補(bǔ)水泵定壓的方式，定壓壓力為250kPa，輸送距離為10km。為方便做比較計(jì)算，本文假設(shè)只有一個(gè)700MW的小區(qū)熱力站。下面就供熱系統(tǒng)一級管網(wǎng)采用120℃／70℃(方案一)和120／60℃(方案二)的熱水參數(shù)做比較，分析不同的設(shè)計(jì)供、回水溫度對一級管網(wǎng)的影響。

5.2　回水溫度對管道公稱直徑的影響

對于一級管網(wǎng)，確定主干線管徑時(shí)，宜采用經(jīng)濟(jì)比摩阻(30～70 Pa／m)計(jì)算。兩個(gè)方案的水力計(jì)算結(jié)果見表1。

方案一中，Dt=50℃,由公式(1)可得，設(shè)計(jì)質(zhì)量流量為3344.4kg／s，查水力計(jì)算表可得，管道公稱直徑為1000mm時(shí)，管道比摩阻為161.12Pa／m，熱水管網(wǎng)系統(tǒng)總阻力為4116.87kPa，加上定壓壓力后，在沒有中繼泵站的情況下，系統(tǒng)最高壓力為4366.87kPa，大幅超過了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力，顯然是不合理的；取管道公稱直徑為1200mm時(shí)，比摩阻為63.06Pa／m，熱水管網(wǎng)系統(tǒng)總阻力為1763.34kPa，加上定壓壓力后，在沒有中繼泵站的情況下，系統(tǒng)最高壓力為2013.34kPa，高于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力，因此，需要設(shè)置一級中繼泵站以將管道的壓力控制在設(shè)計(jì)壓力范圍之內(nèi)。

方案二中，Dt=60℃，由公式(1)可得，設(shè)計(jì)質(zhì)量流量為2787.03kg／s，查水力計(jì)算表可得，取管道公稱直徑為1000mm時(shí)，管道比摩阻為111.89Pa／m，熱水管網(wǎng)系統(tǒng)總阻力為2935.33kPa，加上定壓壓力后，在沒有中繼泵站的情況下，系統(tǒng)最高壓力為3185.33kPa，大幅超過了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力，顯然是不合理的；取管道公稱直徑1200mm時(shí)，比摩阻為43.79Pa／m，熱水管網(wǎng)系統(tǒng)總阻力為1300.93kPa，加上定壓壓力后，在沒有中繼泵站的情況下，系統(tǒng)最高壓力為1550.93kPa，無須設(shè)置中繼泵站即可將管道的壓力控制在設(shè)計(jì)壓力范圍之內(nèi)。

從上面的分析結(jié)果可以看出，無論是方案一還是方案二，都應(yīng)選擇DN 1200mm的管道。但是，在方案一中，需要設(shè)置中繼泵站一座，根據(jù)工程投資概算，此中繼泵站造價(jià)約1700×10⁴元；方案二無須設(shè)置中繼泵站。

5.3　小區(qū)熱力站內(nèi)換熱器換熱面積對比

一級管網(wǎng)供水溫度一定時(shí)，不同的回水溫度對小區(qū)熱力站換熱器的影響主要表現(xiàn)在換熱器的換熱面積上，換熱器的換熱面積4按公式(3)進(jìn)行計(jì)算。

對于小區(qū)熱力站，采用板式換熱器，二級管網(wǎng)的設(shè)計(jì)供／回水溫度為75℃／50℃，Fh=700MW=7×10⁸W，K=4300W／(m²·K)，b=0.8，把這些參數(shù)代入公式(3)，可以得出不同方案下?lián)Q熱器的換熱面積，計(jì)算結(jié)果見表2。

從表2可以看出，在換熱器的換熱面積方面，方案二比方案一多2143.6m²。換熱板片的平均價(jià)格為700元／m²，按此計(jì)算，在換熱器方面方案二比方案一增加造價(jià)約150×10⁴元。

5.4　回水溫度對循環(huán)水泵耗電量的影響

把表1中的參數(shù)代入式(7)，可以計(jì)算得到不同設(shè)計(jì)方案中一級管網(wǎng)循環(huán)泵需要的電動機(jī)的輸入功率，見表3。

電動機(jī)軸功率乘以年最大熱負(fù)荷利用時(shí)間即為估算的年耗電量(見表3)。由此可見，方案一要比方案二每年多消耗電能6817904kW·h，按照平均電價(jià)為0.9元／(kW·h)計(jì)算，兩個(gè)方案的電費(fèi)差額為613.61×10⁴元/a。

5.5　綜合對比

經(jīng)過上述對比，在管網(wǎng)和熱力站造價(jià)方面，方案一比方案二多1550×10⁴元；在運(yùn)行電費(fèi)方面，方案一每年要比方案二多出613.61×10⁴元。綜合比較而言，方案一造價(jià)、運(yùn)行費(fèi)用、系統(tǒng)復(fù)雜程度均高于方案二。因此，方案二優(yōu)于方案一。

6　結(jié)語

從本文的分析可以看出，隨著散熱器供暖的室內(nèi)供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)回水溫度由60℃調(diào)整為50℃，與之相應(yīng)，一級管網(wǎng)的設(shè)計(jì)回水溫度也應(yīng)由70℃調(diào)整為60℃。在不改變一級管網(wǎng)供水溫度的條件下，盡量降低一級管網(wǎng)的回水溫度，拉大供、回水溫差，可以獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能效益。

參考文獻(xiàn)：

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[2]湯蕙芬，范季賢．熱能工程設(shè)計(jì)手冊[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999：368．

本文作者：臧洪泉  崔凱

作者單位：中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司第六設(shè)計(jì)研究院