某采暖系统节能改造工程简析
我设计的题目是沧州市某生活管理处采暖系统的节能改造工程。这个集中供热系统的采暖面积是33.8万平方米 .通过计算可知，该系统每年至少可节煤5000吨。换句话说，30%多的能量被浪费了。如果我的设计被采纳，这个管理处每年可以节约大约一百万元的经费（如果煤价是200元/吨）。而我所做的仅仅是装调节阀，平衡并联管路阻力；安装温度计，压力表，对采暖系统进行监控；换掉了过大的循环水泵和补给水泵；编制了锅炉运行参数表。
原始资料
1.供热系统平面图，包括管道走向、管径、建筑物用途、层高、面积等。
2.锅炉容量、台数、循环水泵型号及台数等。本系统原有15吨锅炉三台，启用两台；10吨锅炉三台，启用一台；配有12SH-9A型160KW循环水泵三台，启用两台。
3.煤发热量为23027KJ/kg（5500kcal/kg）。
4.煤耗量及耗煤指标，由各系统资料给出。采暖面积：33.8万m2；单位面积煤耗量：39.54kg/m2？年。
5.气象条件：沧州地区的室外供热计算温度是-9℃，供热天数122天，采暖起的平均温度-0.9℃。
6.锅炉运行平均效率按70%计算。
7.散热器以四柱为主，散热器相对面积取1.5.
8.系统要求采用自动补水定压。
设计内容1.热负荷的校核计算《节能技术》设计属集中供热系统的校核与改造。鉴于设计任务书所提供的原始资料有限，拟采用面积热指标法进行热负荷的概算。
面积热指标法估算热负荷的公式如下：
Qnˊ= qf × F / 1000 kW
其中：Qnˊ—— 建筑物的供暖设计热负荷，kW；
F —— 建筑物的建筑面积，㎡；
qf —— 建筑物供暖面积热指标，W/㎡；它表示每1㎡建筑面积的供暖设计热负荷。
因此，为求得建筑物的供暖设计热负荷Qnˊ，需分别先求出建筑物供暖面积热指标qf 和建筑物的建筑面积F.
1.1 热指标的选择
由《节能技术》附表查得：住宅的热指标为46~70W/㎡.
我们知道，热指标与建筑物所在地的气候条件和建筑类型等因素有关。根据建筑物的实际尺寸，假定一建筑模型，使用当地的气象资料，计算出所需热指标。这样可以使热指标接近单位面积的实耗热量，以减小概算误差。
建筑模型：长30米，宽10米，高3.6米。普通内抹灰三七砖墙；普通地面；普通平屋顶。东、西及北面均无窗，南面的窗墙面积比按三比七。不考虑门的耗热量。
注：考虑到简化计算热指标时，选用的建筑模型忽略了门的耗热量，东窗、西窗和北窗的耗热量，且业主有安装单层窗户的可能性，还考虑到室外管网热损失及漏损，为使概算热指标接近实际情况，楼层高度取值适当加大；本设计若无特殊说明，资料即来源于《供热工程》；若无沧州的数据，则取与之毗邻的天津市的资料进行计算。
1.1.1 冷风渗透耗热量Q′2的计算
根据附录1-6，沧州市的冷风朝向修正系数：南向n = 0.15.
按表1-7，在冬季室外平均风速vpj = 2.8 m/s下，双层木窗冷风渗透量L = 3.58 m3/m·h.窗墙面积比按三比七，若采用尺寸（宽×高）为1.5×2.0，带上亮的三扇两开窗，应有窗户11个。而每个窗户可开启部分的缝隙总长为13米。那么南向的窗户缝隙总长度为11×13 = 143 m.V = L×l×n = 2.2×143×0.15 = 42.04 m3/ h
冷风渗透耗热量Q′2等于：
Q′2= 0.278Vρwcp（ tn- t′w）
= 0.278×42.04×1.34×1×[18-（-9）]
= 423 W
1.1.2 围护各部分耗热量Q′的计算
将所选建筑模型分成顶棚，墙体及窗，地面三部分，分别求其耗热量。 有关计算请参见“耗热量计算表”。
Q′顶棚 = 6885 W
Q′墙体及窗 = 12340 W
Q′地面 = 2701 W
1.1.3 不同层高的热指标：
一层：q1 =（2701+12340+6885）/ 300 = 73 W/㎡
二层：q2 =（2701+12340×2+6885）/ 600 = 57 W/㎡
三层：q3 =（2701+12340×3+6885）/ 900 = 52 W/㎡
四层：q4 =（2701+12340×4+6885）/ 1200 = 49 W/㎡
说明：四层以上的建筑物，为保险起见，其热指标按四层的取值。
1.1.4 各用户的计算流量
流量计算公式：
GL = 0.86×∑Q /（tg-th） Kg /h
其中：GL —— 流量，Kg /h；
∑Q —— 热负荷，W；
tg、th —— 供回水温度，℃。
说明：在选择概算热指标时已经考虑室外管网热损失及漏损，故在此不再考虑此系数
2.外网水力平衡的计算与较核这部分的计算已经列于水力计算表中，在此只给出扼要的计算说明。
2.1 外网的编号
由于本工程的管段较多，若从1开始，顺次递增编完所有的管段，其最后的一个管段编号会很大。而且，从锅炉房出来的是六根管，如此编号，各管始末段不直观，不利于水力计算。
因此，从锅炉房出来的六根管，各个均由1开始顺次递增编号，分别用圆形、斜三角形、三角形、菱形、方形和多边形圈住管段编号并命名为圆形环路、斜三角形环路、三角形环路、菱形环路、方形环路和多边形。
2.2 比摩阻的计算
《节能技术》中给出了计算公式为：
R = 0.00688×0.00050.25×G2 /（U1×D0.25）
其中：R —— 比摩阻，Pa/m；
G —— 流量，Kg /h；
U1 —— 水的密度。近似取100℃时的值：958.38Kg /m3；
D —— 管径，m.
2.3 沿程阻力的计算
《节能技术》中给出的计算公式为：
R = H×L
其中：R —— 沿程阻力，Pa；
H —— 比摩阻，Pa/m；
L —— 管段长度，m.
2.4 管段阻力公式：
《节能技术》中给出了计算公式为：
R = H×L（1+α）
其中：R —— 沿程阻力，Pa；
H —— 比摩阻，Pa/m；
L —— 管段长度，m.
α —— 局部阻力系数。局部阻力与沿程损失的比例百分数，一般取α = 0.3 .
对比2.2和2.3 中的两个公式，可得出以下关系式：
R管段 = 1.3×R沿程
2.5 用户阻力的确定
按照指导老师给出的经验值（采暖面积为4000㎡的用户压头取2m水柱，2000㎡的取1m），结合实际情况稍做扩展，用户压力按以下原则选取：
个别采暖面积大于5000㎡的，其用户压头按以上表格类推。末端用户的用户压头按上表的1.5倍选取。
2.6 环路的阻力计算
各环路的总阻力等于用户阻力和供回水管路的阻力之和，即：
R环 = 2×R沿程 + R用户
2.7 并联管路的水利平衡
一般来说，两个管路并联时，其各自的阻力是不相同的，需要进行水利平衡计算，阻力较小的管路剩余压力即为两管路阻力之差。剩余压力可用调压孔板消耗掉，孔板公式：
d = 3.56×（G×1000）0.5 / Y0.25
其中：d —— 孔板直径，mm；
G —— 管段计算流量，t /h；
Y —— 调压孔板需要消耗的剩余压头。
3.锅炉运行台数及容量选择匹配3.1 锅炉容量的确定
通过热负荷的计算，已经求得总热负荷为18.2 MW.根据《供暖通风与空调工程设计资料大全》公式3-1.1，锅炉用于采暖时，其容量公式为：
D = k0×k1×D1
其中：D —— 采暖容量，W；
k0 —— 室外管网热损失及漏损系数。此项多因用户不热放水或使用管网热水造成，已在概算热指标中以考虑，故此系数取1；
k1 —— 采暖热负荷同时使用系数，查表应取1；
D1 —— 最大设计热负荷，W.
将数据代入以上公式：
D = k0×k1×D1 = 1×1×18.2 = 18.2 MW 3.2 锅炉台数的确定
1吨的锅炉相当于0.7MW.欲达到18.2MW的热容，需要锅炉的吨位是：
n = 18.2 / 0.7 = 26 t
现有15吨锅炉两台，10吨锅炉三台。考虑到方便锅炉的运行与维修，最好使用同一型号的锅炉。即：运行两台15吨锅炉，或三台10吨锅炉均可。但是，一般说来，较大的锅炉效率高，故最大热负荷时拟运行两台15吨锅炉。其它锅炉作为备用或运行调节时再用。
4.循环水泵容量及台数的确定4.1 循环水泵流量的确定
在水力计算中，已经计算出了总流量：
G = 625 t /h
4.2 循环水泵扬程的确定
由水力计算，已经计算出了最不利环路为圆形编号的环路。其室外管网与末端用户的阻力之和为26 m .
4.3 循环水泵的选择
原12Sh-9A型160 KW的循环水泵流量、扬程均过大，应换为一台12Sh-19A型90 KW的循环水泵，原12Sh-9A型160 KW的循环水泵可作为备用泵。两种型号的水泵参数如下：
做出12Sh-19A型90 KW的循环水泵的水泵特性曲线，当流量为 625 t /h时，扬程是28.8m，满足要求。循环水泵稍有余量，有利于当管网水力失调时，保障末端用户的正常供热。应当说明的是，此时水泵运行在高效区偏左。 5.自动补水、设计定压5.1 补水泵流量的确定
一般来说，补水量循环水量的5%选取。在水力计算中，已经计算出了总流量为625 t /h .
G = 625 × 5% = 31.25 t /h
5.2 补水泵扬程的确定
5.2.1 静水压力的确定
本工程中最高的楼是五层，按层高2m计算，并留3m的富裕压力。
Hb = 3×5+3 = 18 m
5.2.2 水泵进出口压力损失。
管段按10m，取比摩阻为500 Pa/m ，那么，水泵进出口压力损失为0.5m 水柱。
5.2.3 补水泵的扬程的确定
补水泵的扬程计算公式为：
H = Hb + Hs –h
其中H —— 补水泵的扬程，m；
Hb —— 补水点压力，一般取静水压力，m；
Hs —— 水泵进出口压力未免损失，m；
h —— 补水箱与补水泵的高差，取2m .
代入数据：
H = Hb + Hs –h =18+0.5-1.5 = 17m
5.2.4 补水泵的确定
补水点若定循环水泵的吸入口。在由流量为31.25t /h，扬程17m，选用IS65-50-125型3KW水泵（流量为30t /h，扬程18.5m）两台，一用一备。
5.3 定压设计
拟采用变频定压，接于循环水泵的吸入口处。其扬程取静水压线18m，流量取循环水量的3%，即：
625×4% = 31.25 t/h
变频柜依上数据选用。附变频电路图供参考，下面是变频定压的介绍及工作原理。这部分设计资料来源于《工业与民用常用水泵》，稍做改动。我们是非电专业学生，此部分不作为本设计的重点。
变频定压，就是根据水压微小的变化，通过改变水泵电机的供电频率，从而调节水泵的转速，以维持水系统的压力不变的定压方式。它省去了高位水箱，也不用气压罐。既节能，又省建筑面积。它的不足是必须依靠电源。
工作原理：平时转换开关置于自动位置，控制器1KM吸合，水泵由变频恒压控制水泵运转。水压信号经变送器送至控制器KGS，由KGS控制变频器VVVF的输出频率，从而控制水泵的转速。当系统需要的补水量增大时，水压欲下降，控制器KGS使变频器VVVF的输出频率提高，水泵的转速提高，补水量增大，以满足系统需要补水量的增大，维持水压基本保持不变。当系统需要补水量的减少时，过程相反，控制系统使水泵减速，仍维持系统水压的恒定。
如果1号变频泵发生故障，触电ARM接通，继电器2KM通电吸合，发出故障报警信号。同时，由于时间继电器3KM的通电，经延时，接触器2KM通电吸合， 2号变频泵自动投入工作。
6.监测计量系统6.1 流量变送器的型号的选择与安装
根据计算循环水量625 t /h，可把总管管径设计为DN400，故选用LWCQ-0422型不断流式涡轮流量变送器，用于测量总流量。
这种变送器的特点：抗杂质性能强，叶轮转动可自动排除悬浮物，污垢对精度的影响小，流量范围宽，灵敏度高，压力损失可忽略不计。
所选变送器可安装在除污器与循环水泵吸入口之间或循环水泵出口和锅炉进口之间。安装时，可配备DN40定型三通，要求通过法兰连接。
注意：须保证流体充满管道，不得有气泡。同时，应保证变送器进水口前端至少有20倍的管径长度的直管段，出水口端应有不小于7倍的管径长度的直管段。如果原有管道不能满足以上要求，则应另设管道或加长原管道。LWCQ型变送器可不设旁通管，但应远离外界电磁场，其信号线采用双芯屏蔽线。
LWCQ-0422型变送器的工作参数为：公称直径400mm，正常流量范围320~1100m3/h，最大工作压力1MPa.
各用户和各管段流量的检用便携测式流量仪。流量集中检测投资大，且不必需，故不予采纳。
6.2 测温元件的选择
采用微机监测，网路总供、回水网路及各环路供、回水网路；最近用户、最远用户、建筑规模较大的用户及重要用户分别安装AD90或TZ型热敏电阻作为测温元件，信号线使用双芯屏蔽线；其它用户采用TZ型热敏电阻，信号线使用RV1×0.4~0.75mm2普通导线即可。其余用户安装工业用温度计或玻璃液体温度计。测量范围要求：（-100~+100），精度要求：（0.5~2）℃。有机液体呈红色，刻度清晰，易于读数，精度可靠，价格便宜易损坏，可带保护套。
注意：系统总供、回水测点布置，要求精度较高。总回水温度测点应设两台锅炉各供水管合并后的总供水管上。温度计安装应使感温部分位于被测介质中心，较小的管径可倾斜安装。倾斜安装时，温度计与管轴的夹角不应小于45.，且温度计插入管道的方向应与流体流动的方向相反。温度计要在安装便于工作人员观察的部位。
测温点布置见施工图。
6.3 压力表的选择
选用普通弹簧压力表：测压点压力相对稳定，最大量程取1.5倍额定压力：测压点压力不稳定，最大量程取2倍额定压力。通常总供回水精度选一级，其它可稍放宽，常用Φ100的，重要的取Φ200.
6.4 微机监测计量仪的选择
根据选用流量变送器的型号和数量，以及测温元件的布置情况，选用GWJ—Ⅱ型多点测温微机监测计量仪。
GWJ—Ⅱ型多点测温微机监测计量仪的功能——测供、回水温度：20~110℃；测各用户入口处的回水温度：20~110℃；测总循环水量：小于999 t/h；计量瞬时热量：小于999×104 W；累计全年热量：999999×104 W；打印供热参数。
6.5 其它要求
为进行网路平衡调整，要求网路系统各用户引入口设置检查井。在各环路、各用户供、回水管安装压力表、温度计和调节阀，详见施工图。
为进行耗煤量、耗电量、耗水量的监测，要求锅炉房单独安装电表、水表并设置煤称。
选择压力表时，一般要求被测点的压力在压力表量程的1/3~2/3范围内为佳。安装时，压力表要安在便于工作人员观察的部位，且要求压力表垂直。取压口与压力之间应设阀门，以备检修时使用。一般在不读数时，应将压力阀关闭。
7.锅炉运行量化管理有关计算数据已经列于“量化管理运行参数表”中，在此只给出相关的计算依据公式及简要说明，锅炉运行量化管理所需的数据请参阅该表。
7.1 供、回水的温度
《节能技术》公式（3-30）和公式（3-30）给出了运行调节的供、回水的温度计算公式：
tg = tn+Δts′×[Q /（ā× ？）]β +Δtj ′×[Q /（ G× ？）] ℃
th = tg- 2Δtj ′×[Q /（ G× ？）] ℃
其中：th、tg —— 某一室外温度下的总供、回水温度，℃；
tn —— 供暖室内计算温度，℃；
Δts′—— 用户散热器设计供、回水的平均温度，℃；
Δts′ = 0.5×（tg′+ t h′-2 tn），℃
tg′、t h′—— 设计供、回水的温度，℃；
Δtj ′—— 用户设计供、回水的温差，℃
Δtj =（tg′- t h′）/2 ℃
Q —— 相对热量，Q =（tn – tw）/（tn – t′w）；
tw —— 当天室外日平均温度，可采用当地气象台站预报值，℃；
tw ′—— 供暖室外计算温度，℃；
β=1/（1+B）
B —— 散热器传热系数实验指数，可查《节能技术》附录3-1和3-2；
ā —— 用户散热器相对面积，即散热器设计面积与实际需要面积之比，ā = Fs / F j；
？—— 锅炉运行相对时间， ？？ = Ts / 24；
G—— 相对流量，即调节时所需要的实际流量与设计流量之比，G =Gs /G j.
7.2 耗热量的计算
《节能技术》公式（6-3）
Qy = Q′z（tn – tw）/（tn – t′w） W
其中Qy —— 运行热负荷，即实际耗热量，W；
Q′z —— 设计最大热负荷，W；
tn、tw —— 设计室内、外温度，℃；
7.3 供热量及锅炉运行方式
最冷时，两台锅炉均降负荷至90%（18.9MW）运行，一台连续运行，另一台间歇运行；当室外温度升至-3℃时降负荷至80%运行（16.8MW）运行，一台连续运行，另一台间歇运行；当室外温度升至3℃时一台锅炉100%负荷（10.5MW）运行，间歇运行。
7.4 总耗热量的计算
《节能技术》公式（6-5）
Qq = 8.64×10-2× Qz′×N×（tn-tw·p）/（tn-tw′） MJ/y
其中：Qq——总耗热，MJ/y；
Qz′——最大设计热负荷，MW；
N——室外日平均温度tw≤5℃（或8℃）的天数（采暖天数），天；
tn、tw·p、tw′——分别为室内设计温度，tw≤5℃（或8℃）期间的室外日平均温度和采暖室外设计温度，℃
7.5 日耗煤量的计算
《节能技术》公式（6-8a）
Bd = Qd/（Qdw×η） kg
其中：By——日耗煤量，kg；
Qd——日供热量，kJ.
Qdw——煤的低位发热量，kJ/kg；
η ——锅炉运行效率。
7.6 量化管理及其运行记录
在锅炉运行过程中，量化管理员每天收取气象预报的室外日平均温度，在“量化管理运行参数表”中查取对应的供、回水温度该天的锅炉运行参数，并按“锅炉运行参数及供热、耗煤量表”挂牌公布，以指导司炉人员按需供热，计量耗煤量，并根据供热效果进行合理调整。交接班时，核对实际供热量、耗煤量、耗水量，计算锅炉运行效率，并按“锅炉运行参数及供热、耗煤量表” 的要求做好记录。每班微机打印记录纸，一同附在记录表中。根据本班的供热情况和天气预报，公布下一班的供热、耗煤指标及运行参数，作为下一班供暖运行的依据。
此外，在锅炉运行期间，对用户室温应采用自记式温度计进行巡回检查，连续记录，用以检查供暖效果。同时，还应对室外温度进行实测，自动记录，以核对采暖期室外平均温度。在此期间，要保存微机的累计供热量。采暖结束后，应根据年耗热量、室内外实测平均温度，核算系统实际供热指标和年平均供热指标。还应统计核算采暖期总耗煤量、耗电量、耗水量，计算锅炉的平均热效率，总结经验，以降低成本，提高效益，实现锅炉运行量化管理的科学化、规范化、标准化。
8.概算年耗煤量、耗电、耗水量8.1 年供暖热负荷Qq计算
由《节能技术》附表6-3可知，日平均温度tw≤+5℃的天数为122天，此间的室外平均温度tw·p = -0.9℃。该系统的最大热负荷Qz′=18.16MW，根据《节能技术》公式6-5，可得到实际年供暖热负荷为：
Qq=8.64×10-2× Qz′×N×（tn-tw·p）/（tn-t′w）
=8.64×10-2×18.16×106×150×（18+0.9）/（18+9）
=1.3428979×108 MJ/y
8.2 年耗煤量By的计算
已知煤的发热量是23027kJ/kg，锅炉的平均运行效率可达65%，由根据《节能技术》公式6-8a得：
By = Qq/（Qdw×η）
=1.3428979×108/（23027×70%）
=8331 t
往年耗煤量
By′ =33.8×104×39.54=13365 t
和往年相比，可节煤
B′ = 13365-8331 = 5034 t
根据《节能技术》公式6-8b，折合标煤为：
By = B′× Qdw / Qb
= 5034×23027 / 29308
= 3955 t
节煤率：
B′/ By′ = 5034 / 13365 = 37.7%
采取节能措施后单位采暖面积耗煤（23027 kJ/ kg）量：
By/ A总 = 8331×103 /（33.8×104）= 24.65 kg/m2
对应综合热指标：
q = 18.2×106 /（33.8×104）= 53.85 W/ m2
8.3 年耗电量Py的计算
根据节能方案动力设备运行情况可知：
该系统供暖天数为122天，室外设计温度从-9℃到5℃（最大温差15℃），即每1℃的温差大约为8天。
当室外温度5≤tw≤3℃时，单台锅炉运行时间为21.5h，动力设备运行取21.5h；当室外温度tw
Py = [21.5× 8×3×60+24×（122-3×8）×60]×0.7
= 120456 kW·h
8.4 年耗水量Gy的计算
年耗水量Gy由两部分组成：采暖开始时系统充水和系统运行时补水。
8.4.1系统充水量的计算
系统充水由部分组成：散热器内充水量，楼宇内部管路充水量，室外管网充水量和锅炉的充水量组成。
散热器充水量的计算：设采用四柱813型散热器，每片的标准散热量为142W，水容量是1.4L.本系统最大设计热负荷是18.16MW（含5%的漏损，计算散热器充水量时要扣除），散热器相对面积是1.5，那么，需要的水量是：
18.16×106/1.05×142×1.5×1.4/1000 = 245 t
楼宇内部管路充水量：单座楼充水量取相当于DN70的管段15米（设有一五层楼，层高3m）的充水量，只计四层和五层的楼的座数（共计90）。那么，其充水量为：
3.14×（0.7×10-3）2 /4×15×90×0.95838/1000 = 5 t
室外管网的充水量根据各管段的管径和长度进行计算，方法同上，计算数据请参见“外网管路充水量计算表”。
此项的水量：G = 155 t
两台15t锅炉的充水量为：
8.4.2 补水量的计算
一般来说，补水量按循环水量的0.1%选取。在水力计算中，已经计算出了总流量为625 t /h .年耗水量为：
Gy = G×0.1%×24×N= 625×0.1%×24×122 = 1830 t
8.4.3 锅炉充水量
单台15t的锅炉充水量取15t，两台的锅炉锅筒容水量即取30t.
8.4.4 总充水量的确定
G = 245+5+155+30+1830 = 2265 t
9.概算工程投资及效益分析通过概算工程投资与节约带来的效益进行对比、分析，便可看出进行节能改造的可行性与必要性。下面分别计算工程投资和由节煤带来的收益。
9.1 概算工程投资
改造所需的材料、设备已经列于《施工预算材料总表》中。由预算可知，所需材料、设备的投资为143753元。施工调试费取20万元。共需要投资约35万元。
9.2 节煤带来的收益
通过以上计算，已经求得年节约煤5034t.每吨煤按200元计，由节煤而节约的经费为：
5034×200=1006800元
9.3 效益分析
可见，技术投资当年既可从节约费中收回，并结余月65万元。
