建筑热能通风空调.pdf

作者简介 宋绛雄,男,1954年生,高级工程师,天津房地产发展集团设计研究院副院长,200051 收稿日期1999 - 07 - 02 实验研究 居住示范小区地热采暖供热节能系统研究与应用 宋绛雄 范永东 张静玉 天津房地产发展集团建筑设计研究院 天津大学 [摘要] 结合实际工程,论述了采暖供热系统中,如何在热源、 热网、 热用户各个环节实施建筑节能的理论和措 施。其中进行了地热供暖方式中直供与间供的技术、 经济比较;采用了量调与质调的方法;对地热水进行多层次综 合利用的途径。探讨了热计量的设计理论和技术措施。总结了引进国外先进技术和设备,实现系统智能控制的经 验。介绍了在系统运行管理中,提高节能效果的具体办法。对于采暖供热系统全方位的节能研究,从工程实例中提 供了科学的数据和可借鉴的措施。 [关键词] 间供与直供 量调与质调 调峰 热计量 智能控制 节能效果 1 引言 “节能” 与 “环保” 是关系到人类生存与发展的两大主题, 我国早在80年代初就提出了保护环境,节约能源,实施能源 可持续发展的战略目标。 建筑节能包括围护结构方面的节能和供热采暖系统节 能两部分。 目前国内采暖供热系统的现状是无法进行量调节,只能 采用 “看天烧火” 类型的消极质调节。因此研究采暖供热系 统节能,提高采暖供热系统节能水平,进行系统的智能型管 理和实现科学的量调节与质调节相结合的运行方式已成为 达到建筑节能要求的当务之急。 欣苑居住示范小区规则面积为14万m2,利用地热作为 采暖供热的主要热源,配备了相应调峰、 输水供热及控制设 备。为节省能源,降低供热成本,必需从热源、 热网到用户, 采取全方位的节能措施,采用先进的设备和技术,才能满足 供热要求,实现最佳节能效果。为此,我们进行采暖供热节 能与地热水的综合利用的研究,并将其研究成果应用于工程 建设。通过实际工程的测试和运行,对理论成果加以验证。 2 研究的主要内容 从1996年开始,我们从以下四个方面进行了地热采暖 供热节能系统的研究和实施。 211 热源节能研究 热源节能是采暖供热系统节能研究中重要的组成部分 之一,关于热源节能主要做了以下几个方面的研究。 21111 进行采暖供热间供与直供方式的技术经济比较,选 择最佳的运行方式。 欣苑小区工程的热源主要为一口深度为3282m的地热 井,取水至雾迷山基岩热储层水,由水质报告提供,水型为 CLSO4HCO3Na型低矿化度中性软水,但氯根含量高达 500mg/l ,属腐蚀性水。这是选择供热方式的基础条件,经比 较认为对具有腐蚀性的地热水,若采用直供系统将产生以下 问题。 A、 不能适应建筑节能的需要,因为温控阀,热能表,不允 许装在腐蚀性水中,变流量循环系统不宜在直供方式中实 施,系统节能难以实现。 B、 不利于地热水的综合利用,因为加了防腐剂的地热采 暖尾水对人体健康不利,如果将此水回灌,将对地下水造成 污染。 C、 调峰问题不好解决,具有腐蚀性的地热水直接进入锅 炉将对锅炉腐蚀严重。如采用换热方式提高直供水温度则 带来效率问题。 D、 地热水直接供热,会对管路及设备产生极大的腐蚀作 用,特别是直接供给集中空调中的末端设备留下危险的隐患 并将降低系统的使用年限。 E、 在地热资源一旦出现问题需要更换热源的情况下,直 供系统需对地热站房和采暖系统进行改造,不仅费用高,工程 量大,而且会给用户带来不便。而间供系统仅切换热源,在不 增加太多投资情况下便可保证系统的正常供热。当地热井出 现短期故障时,调峰油炉还可起到临时供热的备用作用。 经济性比较不仅要比较一次投资费用和运转费用,更重 要的是比较在设备正常的使用年限内的效益回收期,即运转 费差值与一次投资差值的比值。经比较,直供一次投资少, 但运转费高,间供的一次投资高,但运转费低,经实际运行测 算,采用间供方式在设备正常使用期限 30 年的1/ 4时间内 6 ～8年 , 可收回一次投资多花的钱。 经综合比较,重点考虑有利于系统节能,我们选择了间 接供暖作为欣苑小区工程的地热供暖方式。 21112 选择高效节能型换热设备 1建筑热能通风空调 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 热交换器是保证地热间接供暖的关键设备,也是实施热 源节能措施的主要设备之一。经对各种热交换器进行综合 技术性能比较,最后选定具有以下五个工艺特征的钛板板式 换热器。 其特征为 1 板片薄、 材质好、 传热效率高、 占地面积 小 ;2 换热器的对数温差低、 单位换热面积的供热能力大; 3板型可组合种类多,能适应于各种参数的选择 ; 4 配管 设计成单侧流程,使系统布置更为合理 ; 5 换热器的密封胶 可承受本系统的高温、 高压。 21113 研究热源量调节与质调节有机结合的方法和节能效 果 目前,国际上先进的采暖供热系统都是通过量调节与质 调节的有机结合,来达到最佳的节能效果。研究从热源入 手,探讨量调与质调的节能措施及结合方法,量调与质量控 图1 量调与质量控制系统流程图 制系统流程见图1 ,主要研究了以下两个问题 1地热水侧与循环水侧的量调与质调措施及效果; ① 地热水侧采取的措施是在地热水排水管上设一个排水 温度变送器,与深井泵变频器组成质调系统。当采暖供热系 统热负荷发生变化时,系统通过控制排水温度和自动调节深 井泵的频率,最大限度节省地热水量,达到了节能的目的,保 护了地热资源。一般在初、 末寒期调节效果显著。地热水侧 节能这一措施的特点是以节省热能为主。以节省了电能为 辅。 一期工程,1998年度采暖运行热能耗情况见图2。 图2 一期工程,1998年度采暖运行节能效果见图3。 图3 ② 室内散热器安装温控阀,进行流量调节的节能系统, 要求循环水侧也必须实行量调节。因此在循环水侧分水器 与集水器之间设一个压差控制点,靠压力变送器与采暖循环 泵变频器组成量调系统。当采暖系统流量发生变化时,使系 统能够在保证正常供水压力的前提下自动调节水泵转数,减 少流量,降低功率,最大限度的节省电能,这一措施的特点是 以节省电能为主,以节省热能为辅。 21999年第4期 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 2生活热水系统的节电措施 生活用热水供应采用恒压变量控制,在热水供水管上安 装压力控制器,与供水泵的电源变频器组成恒压变量控制系 统,当供水压力变化时,水泵可自动分极切换,使之在保证供 水稳定的情况下,获得良好的节电和节能效果。 系统中选择了适宜的变频设备,使水泵始终处于软启动 状态,不产生冲击电流,既降低了噪音又延长寿命。 根据电工学和离心泵叶轮的比例率关系得知 转速n与频率f的关系为 n1 n2 f1 f2 转速n与功率N的关系为 N1 N2 n1 n2 3 当电源频率变化后,离心泵的功率将呈三次方关系变 化,因此,节电效果显著。 一期工程98年度采暖水泵的运行电能耗情况见图4。 图4 一期工程98年度采暖水泵的运行节电效果见图5。 图5 3对地热井与调峰油炉采取的质调节措施及效果。 欣苑小区供暖工程中是以地热井提供的热量作为主热 源即承担基本负荷,占整个设计负荷的58 ,而调峰油炉提 供的热量作为辅助热源即调峰负荷,占整个热负荷的42 , 但实际上,天津地区严寒期较短,大部分供暖时间是在低于 设计热负荷状态下运行。因此由热井承担的基本热负荷提 供的热量可占年总供热量80 左右,而调峰设备承担的调峰 负荷占总供热量20 左右。这说明选择能够灵活、 简便的适 应热负荷变化的调峰设备是节能的一项重要措施。因此本 工程中选择了油、 气两用无压炉作为调峰设备。为尽量减少 调峰时间和调峰量,降低供热成本,系统中选用了一系列的 控制设备,如在分水器上设供水温度传感器;在分水器入 口、 油炉供水管出口、 循环水供水口相交处设电动三通混水 阀;在地热站房外设室外温度传感器;在站房内设气候补偿 控制器等组成了智能控制调峰系统。进入严寒期后,当地热 井不能满足供暖要求时,智能系统开始工作。气候补偿器按 设定的供热曲线,根据室外温度传感器传递的信号启动电动 三通混水阀并启动油炉进行自动调峰,调峰期间,气候补偿 器根据室外温度变化控制电动三通混水阀间接调节循环水 的供水温度,当达到供水温度时,油炉自动关闭。从而实现 了质调节,达到节能的目的。 通过对以上两个问题的研究,在热源的量调与质调方面 采取了一系列节能措施,保证了系统的稳定运行,使一期工 程的供热成本降低,取得明显的经济效益,达到了较理想的 节能效果,具体数据见图6。 图6 212 热网节能研究 热网的节能措施是对热源节能效果的保证,为热网的节 能对建筑物热力入口的双管系统部分,采用了自力式压差控 制器,使压差稳定系统平衡,对单管系统部分,在供、 回水的 进、 出口分别设置了平衡阀和调节阀进行限流,以控制水平 失调。为减少输热管道的热损失,使管网的热效率不低于 90 ,外网全部采用保温层厚度为50mm的氰聚塑直理保温 管,并运用低温常供的供热特性使热管网长期处于较低温状 态,最大限度地减少了管道热损失提高了管网热效率。 213 用户室内节能研究 用户的节能也是整个系统节能的重要环节之一,为完成 天津市热量计量收费试点工作,在一期工程选择四栋多层住 宅楼共32000m2作试点。为保证室内温度恒定、 舒适、 可调 节,室内采用双管系统,在散热器入口处安装了自力式恒温 阀。在系统最高处安装自动放气阀,保证系统自动排气,防 止管道及设备产生气塞现象;还利用了温控阀的预调值解决 垂直失调问题等一系列技能措施。实现了双管系统总表计 量、 各户分摊热量的计量方法。为了达到更高的节能标准, 结合实现工程又设计研究了下供下回水平并联双管系统,用 于一户一表分户计量,使用户能够自行进行热量的控制与调 节,实现热计量收费。 214 地热水综合利用的节能研究 地热水综合利用问题,也是系统节能的一个重要组成部 分。其研究的主要内容是根据用水的温降过程安排流程,使 3建筑热能通风空调 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 地热采暖尾水能有效地综合利用。 21411 作为医疗保健生活用水,提高用水水平。 根据水质分析表明,本系统地热水中含有丰富的有益于 人体健康的稀有矿物成分,是很好的温泉疗养用水,但水中 含有过量的铁、 硫离子,当水暴露空气对会变红有腥味、H2S 气味,且使所接触的衣物器皿变黄,影响了地热水的使用范 围。为了解决这一问题,在系统中设置了地热水除铁设备。 根据用水特征所选设备满足了以下技术要求 1采用物理吸附技术进行尾水除铁、 脱硫处理,提高用 水水质,降低水的腐蚀性,处理过程无二次污染、 也不损失有 益矿物成分。 2处 理 后 水 中 铁 含 量 为0. 036mg/l、 硫 含 量 为 0.010mg/l,水质清澈、 效果稳定。 3处理设备简单;处理过程热损失小。 4设备的工作周期长,可达6个月左右,操作简单。 处理后的地热采暖尾水可直接应用于生活洗浴、 游泳、 医疗保健等,获得了使矿泉水可以进入家庭的良好效果,具 有广泛的社会效益。 21412 将处理后的地热水作为游泳池用水的可行性研究, 其意义在于 1地热水中含有丰富的矿物质,温泉洗浴对人体健康 有益。 2地热采暖尾水的水温一般在45℃ 左右,可作为温泉 游泳池的热源,节省了能源。 3冬季地热尾水可以作为游泳池的补充水,节省水资 源。另外游泳池在冬季可起到地热排放水的冷却池作用。 4地热水的含盐量较高,经测定为1928mg/ 1 ,具有很强 的杀菌能力。当运行管理得当,利用地热水自身的杀菌能力 和过滤循环中补充新水的办法可以达到卫生检疫标准,不仅 减少了投药费用,还提高了游泳水的标准。 综上所述,经处理后的地热尾水直接用于游泳池,无论 是经济上还是技术上都是可行的。 21413 利用地热采暖尾水进行地板辐射采暖的研究。 利用地热采暖尾水进行地板辐射采暖属于尾水的重复 利用,是热能再利用的节能措施。热交换器的地热水侧的排 水温度一般为45℃ 左右,可以作为地板辐射采暖的热源,如 果经济上合理,这是一项极为有效的节能措施,并具有很高 的推广应用价值。因此在本工程中结合工程实践对其进行 了一定的理论探讨和技术经济分析。经实际测算可增加采 暖面积1万平方米。而且经过地板辐射采暖后的水温又下 降10℃ 左右,同时满足国家有关尾水排放的环保规定。经过 实际工程验证,效果显著。 3 节能系统的测试运行情况 欣苑小区一期工程的采暖供热节能系统经过一个采暖 期检验,设备及管网运转正常,达到设计要求和预期效果。 系统在一个采暖期的运行中,有以下几个方面的体会 311 室内系统 1温控阀不宜装在铸铁散热器上。 2压差控制器的过滤网径不宜过密。 3双管系统宜采用下供下回的循环方式,靠自然热压 解决垂直失调问题。 4当发现自动放气阀失灵,造成室内系统不热的情况, 可考虑拆下放气阀清洗;或考虑自动放气阀安装位置是否正 确。 312 外网系统 热管网运行后,当出现近端的用户室内温度过热,远端 用户室内温度偏低的现象,特别是末端为双管系统的用户室 内的温度更低的情况,可考虑调整各热力入口的压差控制 阀、 调节阀,特别对近端单管系统实施流量限制措施是否得 当。 313 热源系统 1自动变频的质调节系统投入运行后,出现循环水供 水温度波动比较大的现象,可考虑暂时改为半自动控制,操 作人员根据室外温度和用户负荷的变化,以井水的排放温度 为控制点,定期将井水泵的频率限定在一个比例带宽内,保 证循环水供水温度的稳定以达到节能的目的。也可考虑改 进系统的工控程序,使深井泵的变频曲线平滑,实现质调节 系统全自动控制。 2当地板辐射采暖断流水箱,有断水和除铁罐进水不 畅的现象,可适当提高水泵频率,控制地热水排水阀门的开 启度,使系统背压值满足使用要求。 3循环水系统供回水温差低于设计值,节能节电的效 果不理想,可考虑① 在单管系统热力入口的回水上加一个 平衡阀,实施限流措施加大回水出口阻力。② 采用室内双管 流量循环系统。增大整个循环系统中双管系统的比例。③ 调整地热站内循环水量调节系统中的压差阀,确定恰当的压 差值,在保证系统正常供水压力的前提下,将流量调到最低, 达到节电节能的效果。 4换热器循环水侧压降突然升高,可考虑在循环水侧 换热器入口处,安装网径为20目/平方英寸过滤器。 5当自动补水泵启动频繁,系统失水量超过2 ,可考 虑管网渗漏,阀门是否损坏问题。 6油炉调峰系统在进入调峰期后,出现油炉启动频繁, 耗油量偏大的现象。可考虑按供热曲线调整控制值,使加热 过程有一个滞后时间,拉大油炉启动的间隔,按时钟控制夜 间自动降低供水温度。 7生活热水除铁系统在采暖结束后,出现了水变黄的 现象,可在采取每次启动潜水泵开始时进行排水,直至井口 水温达到50℃ 左右时进行除铁处理。 4 研究与应用成果 本课题经过二年多时间的研究和实践,在采暖供热系统 节能理论的研究方面,在采暖供热节能设计方面,在理论与 实践相结合,进行节能设备的选型、 安装、 调试工作方面和对 整个节能系统运转过程的管理方面都取得了一定的成果和 41999年第4期 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 经验。 欣苑小区一期工程节能效果显著,热收费率达95 ,房 屋出售达80 。 98年底被建设部评为全国城市物业管理优秀示范小区。 示范小区工程取得的各项经济效益指标为 ① 节能率42 ,以节省的热量可以扩大供热面积30 左 右。 ② 综合节电40.4 。 ③ 成本降低率22 。 ④ 标准煤耗量指标14. 02kg/ m2。比一步节能指标节省 12.37 。 ⑤ 地热水综合利用率40 。 ⑥ 到目前为止工程综合经济效益35万元左右。 5 结语 通过居住示范小区的建设,我们对地热采暖供热节能系 统进行了从设计研究、 安装、 调试到运行管理一条龙模式的 研究和实践,取得了一定的理论成果和实践经验。我们体会 到理论研究必须以工程项目为依托,才能建一节能工程,出 一批研究成果。BEE mplary Residential DistrictAnalysis and Application of the Geothermal Heating Energy Conservation System By Song Jiang xiong Fan Yongdong and Zhang Jingyu Abstact Combining the concrete projects ,describes how to apply the theory and of energy conser2 vation in construcrion to various links of the heating resource ,the heating network and the heating consumer in geothermal heating system. Technical and economic comparison is made between direct supply and indirect sup2 ply in the geothermal heating system. Stresses the adoptable of quantitative regulation and qualitative reg2 ulation. Explains the way of comprehensive use of the geothermal water in many respects. Discusses the design theory and technical of heat metering. Summarizes the experiences of introducing advanced techniques and devices from foreign countries and realizing the intellectual - control system. Supply scientific data and ex2 emplary s in concrete projects for the thorough analysis of conservation in heating system. Keywords direct supply and indirect supply , quantitative regulation and qualitative regulation , max - temperature adjust ,heat metering ,intellectual control ,energy conservation effect 5建筑热能通风空调 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.