西北某小区供暖系统改造设计

徐奇 续元庆 王甫 盖庆龙

（1.中国石油天然气股份有限公司规划总院；2.中国石油长庆油田分公司矿区服务事业部；3.中国石油长庆油田分公司燕鸽湖基地物业服务处）

1 工程概况

该供暖系统改造项目位于宁夏某小区，供暖面积约169×104m2，该小区由分期建设的10个部分组成，每个部分的供暖管网均相对独立。小区有南北2个热源，分别为一号锅炉房和二号锅炉房，一号锅炉房设 5台 14MW 燃煤锅炉，供暖面积约 83×104m2，二号锅炉房设5台14.2MW和2台7MW燃气锅炉，供暖面积约86×104m2。改造前，两个锅炉房的供暖系统相互独立，直供方式供暖。该小区存在明显的热力水平失调和垂直失调现象，系统末端住户室内温度普遍偏低，系统失水量较大，漏水点查找困难。

2 热源供暖范围调整

2.1 供暖半径调整分析

锅炉房供暖范围调整前分布见图 1、调整后分布见图2。

图1 调整前供暖范围分布

图2 调整后供暖范围分布

图1、图2中蓝色区域为一号锅炉房供暖范围，红色区域为二号锅炉房供暖范围。

调整前一号锅炉房最远用户为八区住户，供暖半径为 1.1km，而该区域距二号锅炉房较近；二号锅炉房最远用户为六区住户，供暖半径为 2.4km，而该区域距一号锅炉房较近。调整后，两个锅炉房的供暖半径均不到800m，供暖半径有效缩短。

2.2 锅炉房供暖能力及热负荷比较分析

锅炉房装机容量、燃料及供暖面积见表1。

表1 调整前、后锅炉房供暖能力及热负荷

两个锅炉房的供暖面积基本相当，由于一号锅炉房供暖范围内建筑年代较早，热工性能较差，一号锅炉房的热负荷略高于二号锅炉房。燃煤锅炉房的供暖能力和锅炉效率明显低于燃气锅炉房，一号锅炉房供暖能力不足，而二号锅炉房供暖能力显得富余。供暖范围调整后，两个热源的供暖能力均有富余，富余量分别为11%和15%，提高了供暖保障可靠性。调整前热负荷及锅炉房供暖能力比较见图3，调整后热负荷及锅炉房供暖能力比较见图4。

图3 调整前热负荷及锅炉房供暖能力比较

图4 调整后热负荷及锅炉房供暖能力比较

3 换热站位置布局

换热站布局一般应考虑供暖规模、热源形式，合理确定热源的位置、数量、布局和运行方式，以降低系统水力平衡难度，提高供暖效果。

小区由10个部分组成，均为分期建设，各个部分的采暖系统外网管线均自成一个模块，有相对独立的热力入口。换热站位置、数量设置充分考虑了现有管网的分布特点和管道管径，换热站均设置在各部分采暖管网的热力入口位置，共设 10座换热站，每个换热站的面积分布在11×104～29×104m2，各换热站供暖面积见表2。

为更好地判断地质旅游活动对地质公园生态环境的影响程度，借鉴相关研究成果[15-16]，本文引入生态压力指数对该公园的可持续发展程度进行评价。生态足迹指数是指该区域内人均生态足迹与人均生态承载力的比例，其计算公式为式(4)。研究区可持续发展状态分为6个等级，见表1。

表2 换热站供暖面积

换热站位置布局方案最大限度地减少了改造工程的管道开挖工程量，同时，较小的供暖区域使得供暖调节手段更加灵活，便于各部分内部水力平衡调配，供暖管理更加便捷。

4 环网布置

为了保证供暖质量和供暖效果，通常需要提高供暖系统的可靠性。供暖属于季节性任务，一方面通过非采暖季的维修保养提高设备可靠性；另一方面可通过设置环形管网和多热源联合供暖来达到提高供暖管网可靠性的目的［1］。本工程推荐采用一次网环形布置和双热源供暖的方式，以提高供暖系统的可靠性。

利用现有部分管道，并在一区、二区之间新铺设部分管道，使得一次网在两个热源之间形成环网。通过水力计算，环网的两个平衡点分别选在一区与二区之间，以及七区与八区之间。环形管网连接管管径按照一号锅炉房总管管径进行设计。正常工况及事故工况，一次网热水的流量分配均靠换热站一次侧二级泵进行调节，环形管网连接管的流通能力约占二号锅炉房总管流通能力的60%。

最严重的事故通常发生在最冷天，供暖保障能力一般按热负荷进行计算。在一号锅炉房故障抢修时，二号锅炉房可满足整个小区约70%的热负荷需求。在严寒期住户室内温度约 8℃，二号锅炉房故障抢修情况下，一号锅炉房可满足整个小区约45%的热负荷需求。

5 分布式变频系统控制及调节

分布式变频系统是一种新型的供暖系统形式，其实质是在各换热站采用变频泵替代调节阀。整个分布式变频系统中，系统平衡点位于锅炉房分集水器，锅炉房内的一次网热源泵负责热源内部的水循环，各换热站一次网二级泵负责各站一次网的水循环；换热站二次网循环泵负责用户侧的水循环。一般情况下，分布式变频系统水泵电机装机容量与传统设计方案相比降低30%。

分布式变频系统通过自动调节来实现。由于二次网管网及水力工况相对比较复杂，本小区供暖系统末端没有室温调节装置，在二次网运行上采用定流量或分阶段改变流量的调节方式，以保证热用户热平衡。换热站的一次网二级泵根据换热站二次网反馈的温度信号，通过改变水泵运行频率调节一次水循环流量，来满足二次网的热量需求。一次网运行采用定温差变流量的调节方式，各换热站一次网二级泵的流量调节通过一次网的压差反馈给热源一次网循环泵，热源一次网循环泵根据一次网压差来调节循环流量，来满足各换热站对一次热水的需求变化。一次网供水、回水温差由锅炉进行设置，随着一次网流量的变化，回水温度会随之升高或减低，如果回水温度低于设定值，锅炉自动增加燃料，反之亦然，从而实现整个系统的自动控制。

分布式变频系统通过实施自动调节，实际运行电耗比传统设计方案减少40%，同时，比较容易实现一次管网的水力平衡。

6 换热站设计

换热站内设换热间、水处理间、控制室、配电间、化验室及储盐间，面积为185～220m2，按照无人值守设计。

6.1 换热器选择

一次网热水设计供水温度 95℃；回水温度 70℃考虑（与热源设计温度一致）；二次网热水设计按照供水温度75℃；回水温度60℃考虑；换热器选择按照一台停止工作时，其余换热器换热量不小于采暖负荷的75%设计。考虑热水换热、换热效率、安装空间等方面因素，选用板式换热器。根据各换热站热负荷、一次管网和二次管网的设计供水、回水温差进行计算，参照换热器厂家样本进行选型。分别设置2～3台板式换热器，每台板式换热器规格统一为120m2和180m2，便于设备购置及调换使用。

6.2 循环水泵选择

循环水泵包括一次管网循环水泵、二次管网循环水泵和二次管网补水泵。

6.2.1 一次网循环水泵

原供暖系统采用的是直接供暖形式，改为间接供暖形式，实施分布式变频后一次管网循环水泵流量已不适合系统要求，需要重新设计选型，并需要对各个换热站的一次管网二级泵进行计算选型。

根据相关供暖空调设计规范及手册规定［2-4］，干管、支干管的比摩阻取值为30～60Pa/m（公称直径≥250mm）、60～100Pa/m（公称直径＜250mm），本项目计算时取值为60Pa/m；换热站压力损失取值为3～10mH2O，热网水泵出口和锅炉房内部压力损失取值应为8～15mH2O。根据各换热站热负荷、一次管网及二次管网设计供水、回水温差进行计算，参照水泵厂家样本进行选型。水泵选型台数均为 2台，其中1台备用。

6.2.2 二次网循环水泵选型计算

根据相关供暖空调设计规范及手册规定，二次循环水泵的选型与供暖系统的调节方式有关，本供暖系统设计中，二次网供暖系统采用中央质调节的方式。热网循环水泵的总流量按向热用户提供的热水总流量的110%选取，数量不少于2台。管线比摩阻及其他阻力根据供暖空调设计规范及手册规定取值。

6.2.3 二次网补水泵

根据相关供暖空调设计规范及手册规定，补水泵流量根据补水量和事故补水量等因素确定，一般不应小于供暖系统循环流量的2%；事故补水量不应小于供暖系统循环流量的4%。

补水泵扬程为补水定压点处的压力再加 3～5mH2O，补水定压点的设定应满足保证系统不倒空的要求，不低于供暖范围内最高建筑物内供暖设备的高度。

根据各换热站热负荷、一次网及二次网设计供水、回水温差进行计算，参照水泵厂家样本进行选型。补水泵一般选用2台，其中1台备用。

7 热源内部调整及外网平衡

二号锅炉房共有7台燃气锅炉，改造前供回水管线异程布置，位置靠后的锅炉总是出力不足，总供暖能力受到影响。在设计中，通过燃气锅炉管道调整，把7台锅炉改为同程式布置，该锅炉房整体出力能力得到了提升。

对于长期困扰的水力失调问题，本次设计通过划分换热站，解决了各小区之间的水力平衡问题，同时，在水力平衡较差的换热站室外二次管网上进行平衡改造，加装自力式平衡装置。二区属于建设时间较早的小区，由于设计时间不同，缺乏统一规划，各住宅组团管径设计不尽合理，另外，二区位于锅炉房供暖范围的末端，因此，长期以来供暖效果不佳。设计中在该供暖区域的建筑前均加装了自力式平衡阀，供暖初期进行统一水力平衡调节。

8 效果评价

本项目共分2期进行设计，一期设4个换热站，二期设6个换热站。一期改造完成后，供暖效果一直不佳的二区供暖效果大大改善，室内平均温度由原来的不足16℃提高到20℃。供暖系统失水量大大降低，整个供暖系统失水率从改造前的 1.5t/（104m2·d）降低到 0.8t/（104m2·d），其中一次网系统整个采暖季几乎没有补水，采暖季结束对燃气锅炉检修时发现，锅炉内部管道的结垢没有明显增加，有效保护了锅炉本体的安全，延长了锅炉使用寿命。改造后耗电量比改造前（相同区域对比）下降了约20%，节约电费约36万元，节约燃气约26×104m3。

9 结语

在供暖系统设计中，应从系统的整体性出发，把握全局，整体优化，着眼细节，优化设计。一是，该小区供暖系统改造设计调整了热源的供暖范围，消除了热用户原来的冷热不均，同时，采取环状管网供暖，提高了供暖可靠性；二是，新建换热站把原有的大面积直接供暖划分为小区域间接供暖，有效保护了锅炉热源；三是，在平衡调节上，一次网采用分布式变频方式，二次网采用个别换热站室外管网上加装自力式平衡阀的方式，效果良好；四是，运行调节上，一次网采用变流量方式，二次网采用定流量质调节，针对小区建筑情况适当增加流量，有利于水力平衡。

[1] 陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].2版.北京： 中国建筑工业出版社，2008.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50736—2012 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].北京： 中国建筑工业出版社，2012.

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部.CJJ 34—2010城镇供热管网设计规范[S].北京： 中国建筑工业出版社，2010.

[4] 周志刚，邹平华，王芃，等.结构备用和输送能力备用—提高供热管网可靠性的基本途径[J].暖通空调，2014，44(3)： 14-18.