（环境工程专业论文）高校集中供热系统的节能措施研究.pdf

a b s t r a c t w ：i _ t ht h er a p i dd e v e l o p m e mo ft h em t i o 越le c o n o m ya n dt h ec o n t m u o u s 曲p r o v e i n e mo fp e o p l e ，sl i v i i l gs t a n d a r d s ，a n dp e o p l ew i t h t h eq u a l i t yo ft h ei n d o o r e i l v i i o 衄e n to f l l i g h e r ，b u tt h ee n e 唱yc r i s i sl l a sb e c o m ei i l c r e a s i i l g l ya c u t e i no r d e rt 0 t h es u s t a i n a b l ee c o n o r i l i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n t ，w em u s tm a l ( ee n e r g y - s a v i i l g b u i l d i i l g si i la n 岫p o r t a n tp o s i t i o n t h ec o i l s t r u c t i o ni n d u s t d ri sam a j o re n e r g xw l l i l eb u i l d i i l gm a t e r i a l sp r o d u c t i o n p r o c e s s ；w en e e dt oc 0 i l s u m eal 鹕ea m o u n to f e n 嘤y o i lt h eo t h e r l l a n d ，t h e 硫e n l a l s t r u c 饥l r e s 证o r d e rt oc r e a t eas u i t a b l ep e o p l ei i lp r o d u c t i o na n dd a i l yl ba n dv i r i o l l s s o c i a la c t i v i t i e se n v 的n m e m ，t h eu s eo fb u i l d i n g sc o n t i n u o u s l yi i l t h ec o u r s eo f e r g yc o n s u m p t i 0 玛t h a ti s ，w ea r et 扯吨a b o u tb u i l d 地e n e 喀yc o i l s u m p t l o n ， i n c l u d 吨h e a t 崦，a j rc o n d i _ t i 0 血g ，l i g h t i i l g ，c 0 0 k i i l h o u s e h 0 1 d 印p l i a n c e sa n d o t h e r a s p e c t so fe n e r g yc o n s u m p t i 0 珥w m c ha c c o u n t sf o rd b o u th e a t i i l ga i rc o n d i t i o i l i 】唱a u b u i l d i i l ge i l e 唱yc o l l s u m p t i o nb y6 5 n o w a d a y s ，w er e 矗玎t ot h e s a v i l l ge n e r g yb u i l d i n gm a i l l l yi i l c l u d e st h ee x i s t h 培 a n dn e wb u i l d i l l g so fs a v i n ge n e 唱y i i lt h en o r t ho fo l l rc o u m r 弘t h e r ea r e1 a r g e n u m b e ro fe x i s t i i 培b u n d m g s ，i n o s to ft h e ma r e1 1 i 曲e n e r g yc o n 删gb u l l d m g s ， h e a t i n ge n e r g yc o n s u m p t i o na c c o u n t s 南r4 0 i i lt o t a le n e r g yc o n s u m m gm c l t l e sa n d t o w i l s nw i l lc o n s u m em a n ym a n p o w e ra 1 1 dm a t e r i a l so nr e s e a r c gt h em e t h o do f s a v i n ge n e r g ye x p e r i m e m b u ti fw e u s ec f dt os 证m l a t e ，w ew ms a v eal o to fm o n e y a n dm a t e r i a l s t l l i sp a p e rm a i l l l yt a l l ( sa b o u tt h ep r o b l e mo fs a v i i l gh e a t i r 培e n c 喀yo t p l l b l i cb u i l d i i l g sa c c o r d i i l gt ot h ec h a r a c t e ro ft h e i ri 1 1 t 删t t 咖u s e t h i sp a p e rc h o o s e st h ec e n t r a lh e a t 砸gs y s t e mo ft e a c h 面唔a r e am o n eu m v e r s l t y i i lt i a n i i l l t h em a i l l l yc l a s s r o o m s 明do f f i c e si 1 1t h et e a c 蚰唱a r e aw h o s eh e a t m gg t y l e a r ec o n t m o u sh e a t 堍a tp r e s e n t w 曲t h eb u i l d i n g s c h a r a c t e ro f 硫e m l i t t 咖u s m g ， u s i i 墩t h ec f ds i r n u l a t i o nm e t h o d ，c h o o s i i l go n ec l a s s r o o ma n d o n eo m c e ，s i n m l a t i i l g t h er o o m ，8t e 唧e r a t u r ef i e l da r e ra d o p 魄e n e r g ys a v 吨o p e r a t i o nh e a t 崦m o d e ， d i s c u s s i i l gt h e 把a s i b i l i t yo fm a i l l t a i l l i i l gw a t c h i n gt 唧e r a t u r e i nt h e1 1 i g h ti i lt e a c 址冯 d i s t 矗1 c t ，f o r e c a s t 啦t h et h eo fs t o p p 岫gh e a t i i l g i 1 1t h e1 1 i g h ta n ds t a t i n gh e a t i l l gi 1 1t h e d a mc o m b i n e dt h eo p e r a t i o nd a t aa tp r e s e n t ，c a l c u l a t i n gt h ee n e r g yt ob es a v e dw l t h t h i sm e t h o d ，a c c o r d i n gt ot h i s ，e x p i a i l l m gt h ef e s s i b m t y a c c o r d i i 培t oc a l c u l a t i o l l ，t h e u 1 1 i v e r s i t vl l a sat o t a lo 伍c ea r e ao f5 0 0 ，0 0 0s q u a r en l e t e r s ，2 131 6 8 4 6t o l l s 血e l sc a n b es a v e dw i t h i l lay e 瓯p o w e rc o i l s u m p t i o no f w a t e rp u m p sc a nb es a v e d1 1 2 0 1 9 0 5 k w h nc a l lb es e e n 台o mt h ea b o v e i n e i 吐i o n e dd a t at h a t t h e 硫r o d u c t i o no f e n e r g y - s a v i i l go p e r a t i o na n dt h ep r o v i d h 培o fh e a t i n gw i m s m a l ls t r e a ma ti l i g h tn o t o i 埘d e c r e a s e 血e lc o n s u m p t i o 玛b u ta l s os 谵m f i c a i l k e yw o r d s ：c e m r a lh e a t 吨s y s t e i i l ，b u i l d i i l ge 1 1 e i 苫yu s e ，e n e r g y 鼢v i l l g o p e r a t i o n c f ds i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞叁鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：仍形年2 月巧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学雠文储躲f 习繇 翩躲切仗 签字日期：删年二月占日 n ， 签字日期：z 矽汐年2月彩日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 国内外建筑能耗现状以及建筑节能的意义 能源是人类赖以生存的五大要素之一，是国民经济和社会发展的重要战略物 资，无论是人类的生存，还是社会的发展都离不开充足的能源供应。当今人类消 耗的石油、煤、天然气三大能源都是不可再生的矿物性资源。长期以来，人们无 节制地消耗着大量的一次能源。全世界很多专家预计，到2 l 世纪中叶，全球将 出现一次能源资源的短缺。为了解决这个问题，一方面要积极探索革命性的新能 源，另一方面要大力提倡节约能源。 建筑行业是一个耗能大户，一方面在建筑材料的生产过程中需要消耗大量的 能源，另一方面在建筑物使用过程中还将不断地消耗能源。建筑能耗是指建筑在 建造和使用过程中，热能通过传导、对流和辐射等方式对能源的消耗，按照国际 通行的分类，建筑能耗专指民用建筑( 包括居住建筑和公共建筑) 使用过程中对 能源的消耗，主要包括采暖、空调、通风、热水供应、照明、炊事、家用电器和 电梯等方面的能耗；其中，以采暖和空调能耗为主，各部分能耗比例为：采暖、 空调占6 5 ，热水供应占1 5 ，电气设备占1 4 ，炊事占6 。 建筑使用过程中所消耗的能量，即通常所说的建筑能耗，在社会总能耗中占 有很大的比例，而且，社会经济越发达，生活水平越高，这个比例越大。西方发 达国家，建筑能耗占社会总能耗的3 0 4 5 【2 】o2 0 0 0 年，美国一次能源消耗量 达到3 6 5 5 亿吨标准煤，其中建筑能耗占3 3 7 ，工业能耗占3 5 9 ，交通能耗 占2 4 8 。法国建筑能耗占社会总能耗的4 5 。我国尽管社会经济发展水平和生 活水平都还不高，但建筑能耗已占社会总能耗的2 0 2 5 ，正逐步上升到3 0 。 目前，全世界建筑能耗约占能源总消费量的3 0 【2 】，其中住宅能耗约为商用 建筑的2 倍。建筑能耗与人民生活水平关系甚大，工业化国家建筑能耗占全球建 筑能耗总量的5 2 ，东欧、前苏联占2 5 ，发展中国家占2 3 。我国建筑能耗 比例将随着人民生活水平的提高而逐步上升，目前约为2 5 。 近几年，建筑能耗增长幅度较小，是由于许多家庭炊事和热水用能由煤炭改 为燃气或电，能源效率有了很大提高。表1 1 为不同用途商品的能源消耗。 第一章绪论 表1 12 0 0 1 年全国按终端用户分的建筑能耗 用途耗能量( m w ) 所占比例( ) 用途耗能量( m w )所占比例( ) 城镇采暖 1 3 43 7 4 照明、家电 2 57 o 农村采暖 2 36 4 炊事、热水 1 3 53 7 7 空调制冷 4 11 1 5 总计 3 5 81 0 0 由于诸多因素的综合影响，建筑能耗持续增加是不可避免的趋势，我国建筑 能耗所占社会商品能源消耗量的比例已从1 9 7 8 年的1 0 上升到2 0 0 5 年的2 5 左右。根据发达国家的经验，随着我国城镇化进程的加快和人民生活水平的不断 提高，建筑能耗所占比例将持续攀升，直至3 5 【2 】左右。建筑能耗的存在不仅使 能源利用率低，造成能源浪费，而且对环境造成危害。 建筑节能是指在居住建筑和公共建筑的规划、设计、建造和使用过程中，通 过执行现行建筑节能标准，提高建筑围护结构热工性能，采用节能型用能系统和 可再生能源利用系统，切实降低建筑能源消耗的活动。建筑节能包括两大方面， 一是建筑围护结构的节能，即改善门、窗、墙、屋面等外围护结构及地面的隔热 性能，使通过围护结构损失的能量最少；二是系统节能，即提高向建筑物供给能 量系统的效率，使能量在供给的过程中损失得最少。 建筑节能已经引起了全世界的普遍关注，各国都在以不同的方式进行各自的 计划。如美国的能源之星住宅、英国的节能概念房、法国的太阳能行动，德国的 税收激励政策，瑞典余热采暖等等。 2 0 0 4 年1 1 月2 5 日，经国务院同意，国家发展和改革委员会发布了我国第 一个节能中长期专项规划。规定中指出，“十一五”期间，中国新建建筑要严 格实施节能5 0 的设计标准。其中，北京、天津等少数大城市率先实施节能6 5 的标准。发改委环境和资源综合利用司司长赵家荣当日在新闻发布会上说，我 国将全面展开供热体制改革，在各大中城市普遍推行居住及公共建筑集中采暖按 热表计量收费，在小城市试点。鼓励采用蓄冷、蓄热空调、节能门窗，加快太阳 能、地热等可再生能源在建筑物的利用。虽然我国已经陆续颁布了全国各气候区 建筑节能5 0 的设计标准，但全国城市每年新增建筑中达到节能建筑设计标准 的不到5 ，我国目前单位建筑面积采暖能耗相当于气候条件相近的发达国家的 2 3 倍。 如果按照发达国家的老路发展，使人均建筑能耗接近发达国家的人均水平， 那将消耗全球目前年耗能总量的四分之一来满足中国建筑的用能要求，这显然是 不可能的。因此，在我国必须继续倡导节俭的用能方式，采用合适的建筑节能技 术，避免建筑能耗大幅度增长，将其占社会能源消耗的比例控制在2 5 以下。 第一章绪论 1 2 国内外集中供热系统能耗状况 1 2 1 国外集中供热系统的能耗状况 前苏联、丹麦、芬兰、瑞典、德国等国是集中供热发展很快的国家，从设备、 技术、管理等诸方面都居世界领先的水平。 前苏联集中供热占全国总需求的热量的7 0 ，其中热电联产占一半多。用的 燃料是石油、天然气和煤，也有垃圾焚烧、核能供热等。热电联产的供热机组 的单机容量随着供热事业发展，由6 0 年代初的6 m w 、1 2 m w 、2 5 m w 到7 0 年 代初扩大到5 0 m w 、1o o m w 的供热机组，目前功率为2 5 0 3 0 0 m w 、初压2 4 0 的超临界供热机组也投入使用。 丹麦是区域供热发展最好的国家之一。丹麦集中供热事业开始于1 9 0 3 年9 月，现在全国供热面积的近6 0 由集中供热承担，共拥有6 6 5 座热电联产厂和 2 3 0 座区域供热厂【3 1 。丹麦供热热能的大部分是热电厂生产的，热电厂的燃料包 括煤炭、天然气、城市垃圾和其它可再生能源。由于丹麦的气候条件和能源缺乏， 促使政府特别重视节能工作，促进热电联产集中供热事业的发展。丹麦1 9 9 2 年 人均能源消耗为我国的5 2 倍，从1 9 7 2 年到1 9 9 2 年，丹麦国民生产总值增长4 3 ， 但能源耗量的增长为零，热电联产集中供热发挥了重要作用【4 】。丹麦目前区域供 热相当发达，其供热量已占总需热量的5 0 ，热电联产占3 0 【5 】。由于热电联产 具有节约能源改善环境质量等综合效益，在丹麦也发展迅速，1 9 7 2 年热电联产 只占区域供热的2 8 4 ，到1 9 9 2 年已发展到6 0 。丹麦的热电联产也是结合本 国的具体情况，大中小型的热电工程相结合。小型的热电工程燃料主要推荐选用 天然气、垃圾、稻草、木屑、沼气等。另外，丹麦还积极发展垃圾焚烧技术和生 物能利用技术。 芬兰的进口能源占总能源的7 0 。2 0 0 0 年，芬兰的集中供热中7 7 的热量 来自热电联产，其余来自区域锅炉房，天然气占年供热量的3 8 【6 】。首都赫尔辛 基的区域供热率已经超过9 0 ，而且很好地解决了环保问题【7 j 。 瑞典集中供热占全国总需求热量的3 4 ，集中供热热力网总长6 5 0 0 k m ，1 6 0 0 万栋公寓和1 1 万小型建筑与集中供热热力网相连，说明集中供热在瑞典的城市 和人口密集区已广泛使用。德国集中供热总热量为1 9 6 1 万g j ，其中西德地区 热电联产占6 7 ，原东德地区热电联占4 1 。因此，德国也是集中供热发展较 好的国家之一。 韩国发展城市集中供热的历史与我国相当，也是始于七十年代末，八十年代 中期进入快速发展阶段，令人刮目相看。韩国集中供热的规模、设计、施工、 第一章绪论 运行、管理全面引进芬兰供热先进技术，从实际出发扬长避短，使供热系统更先 进、完善。 从7 0 年代以来，北欧较大型的城市集中供热系统，普遍采用了计算机自动 控制【8 】。这些国家的集中供热系统普遍实现了热网运行的自动监测和自动控制， 管理运行水平比较高，基本上不存在冷热不均的水平失调现象，北欧的室外管 网输送效率在9 0 以上，而日本则在9 5 以上，远远高于我国，管网的能量损 失主要在于管网的保温方面。 1 2 2 国内集中供热系统的能耗状况 我国城市集中供热从5 0 年代起步，进入8 0 年代开始迅速发展，特别是1 9 8 6 年国务院颁发的第2 2 号文件关于加强城市集中供热管理工作的报告，对我国 城市集中供热事业的发展起到了极大的推动作用。据统计，截止到2 0 0 2 年，中国 城市集中供热总面积达1 5 6 亿平方米，占房屋总面积的4 0 左右，年平均增长速 度超过1 0 【9 】。随着人们对建筑环境热舒适性要求日益重视，许多过去作为非 集中采暖的中部地区，也越来越广泛地使用采暖设施。 我国北方城镇采暖能耗占全国城镇建筑总能耗的4 0 ，是建筑能源消耗的最 大组成部分。我国单位面积采暖能耗折合标准煤平均为2 0 k ( m 2 年) ，为北欧 相同气候条件下建筑采暖能耗的1 1 5 倍【2 】。 2 0 0 4 年1 1 月2 5 日，经国务院同意，国家发展和改革委员会发布了我国第一个 节能中长期专项规划。规定中指出，“十一五”期间，中国新建建筑要严格实 施节能5 0 的设计标准。其中，北京、天津等少数大城市率先实施节能6 5 的标 准。虽然我国已经陆续颁布了全国各气候区建筑节能5 0 的设计标准，但全国城 市每年新增建筑中达到节能建筑设计标准的不到5 。据国内外资料显示，通过 行为节能大约可节约1 0 一2 0 的能量。 由此可以看出，这其中问题不少，节能潜力很大。 1 3 我国集中供暖系统存在的问题 ( 1 ) 户间不均匀损失大 由于在同一系统内的不同房间或不同建筑之间的冷热不均，为了使偏冷的 房间满足正常温度要求而提高供热量，造成另外一些房间和建筑过热，从而开窗 散热造成损失。一般统计，这部分损失高达建筑需热量的1 5 一2 0 ，建筑物保温越 好，此损失所占比例就愈大。 ( 2 ) 供热管网散热损失，与管道保温水平有关。 第一章绪论 ( 3 ) 如果是小区锅炉房，要考虑小区内管网散热损失和锅炉房热源的效率；如果 是大城市集中供热网，则还要考虑城市管网热损失和大型热源的效率。 ( 4 ) 此外，对集中供热系统来说，采暖能耗还应包括热水循环泵电耗。、 能源设备的经济运行是一项综合性的管理工作，是企业搞好节能降耗，降低 成本的重要途径。现阶段由于我国的能源开发落后于整个国民经济的发展，再加 上管理不善，浪费又比较严重，我国的能源供应一直很紧张。要想搞好供暖的社 会服务，又要振兴自己的企业，必须要突出耗能设备的经济运行，才能确保企业 的社会效益和经济效益。 耗能设备经济运行的几个重要环节： ( 1 ) 要把好设备选择关。要选择产品质量可靠，使用寿命长，安装方便，节 能效果好的设备与配件。 ( 2 ) 要把好原材料采购关。要做到从发货、运输以及接货实行全面质量验收 管理，确保产品质量。 ( 3 ) 要加强设备的维护与保养。在保证“三修”的基础上定期对设备进行 更新和技术改造。 ( 4 ) 要加强设备供、回水输送系统的现场管理。对地下管网要定期进行检修 与保温，杜绝跑、冒、滴、漏现象。 ( 5 ) 要严格控制启炉时间和运行时间。在确保用户室内温度达到标准的前提 下，及时调整启炉时间和运行时间( 根据室外天气的变化) ，科学地控制供、回水 温度。根据气象预测和历年气象统计资料进行计算绘制出温度调节特性曲线( 室 外温度与供水温度曲线) ，并按特性曲线指导供热。 ( 6 ) 推广应用节能效果好、经济效益明显的节能新技术，使供暖行业早日进 入科学管理。 1 4 课题研究内容和研究方法 1 4 1 课题的研究内容 供热行业是一个综合的系统工程，系统中包含着许多单元( 环节或工序) 。一 般说来，供热系统由热源把热能送到热用户，要经过热能制备、输送、转换和使 用这几个环节，供热系统的最终目的是将热量运送到终端热用户。因此，供热系 统的节能工作也主要在这几个环节上展开。 近年来，新型的散热器层出不穷，无论是散热效率还是外观都有了很大的改 善。终端用户应注意散热设备的使用，如在装修时，对散热器遮挡或包裹等会降 第一章绪论 低散热器的散热量，可能会使房间的温度达不到要求，对采暖系统进行调节的难 度较大。 本课题结合天津某大学第二十四教学楼的供暖情况进行研究，二十四教学楼 属于办公性质的建筑，白天有学生上课，而夜间不使用。通过a i r p a k 模拟结果， 分析采用间歇供暖模式后房间温度场的变化情况，控制设备起停时间，从而计算 出采用这种方式可以节省的能量。 1 4 2 课题的研究方法 ( 1 ) 采集供热系统运行数据，分析影响现阶段供暖能耗大的主要原因以及 可以采取的措施，探讨采用间歇采暖系统运行方式的可行性及对节能的意义。 ( 2 ) 利用f l u e n t 公司的c f d 软件a i r p a k 2 1 建立间歇采暖系统典型房间的 数学模型，模拟房间温度分布以及温度的变化情况，提出运行方案。 ( 3 ) 根据天津气象数据，利用b i n 方法建立间歇采暖房间的全年能耗分析模 型，进行能耗计算和节能分析。 第二章天津某大学集中供暖系统节能研究 第二章天津某大学集中供暖系统节能研究 2 1 天津某大学第十教学楼换热站能耗分析 2 1 1 天津某大学供暖概况 该大学目前校舍建筑面积1 2 8 6 2 7 9 m 2 ，包括教学搂和家属宿舍公寓楼。本文 主要讨论的是教学楼区域的采暖节能问题，其中教学楼区域采暖面积大约为5 0 万m 2 ，其中，在十楼、十一楼、六里台以及行政楼四个地方分别设置一个换热 站。整个校舍的供暖由这四个换热站承担。教学楼区域采用集中供暖形式，热源 为校园外附近的房产供热公司的锅炉房。 2 1 2 第十教学楼换热站分析 由于教学区面积较大并且每个换热站情况相似，本论文着重以第十教学楼换 热站为研究对象，主要分析其可以采用的供暖节能方式以及这种方式的可行性。 表2 1 第十教学楼换热站概况 第一路第二路 第三路合计 名称 面积( m ? ) 名称 面积( n 1 2 ) 名称 面积( m ? ) 第l 教学楼 3 5 9 3 第1 4 教学楼 7 9 3 8 学三食堂 2 2 1 4 第1 7 教学楼 8 8 4 2 金相楼 1 5 7 2 第1 6 教学楼 8 7 4 5 分析中心 1 5 6 操场办公 2 1 5 0 第1 9 教学楼 9 5 3 4 一层南复印5 9 8 第8 教学楼 7 0 0 0现代公司 1 9 5 第1 0 教学楼 7 7 6 4 金工实习基地 1 5 9 6 0 专利事务所 1 9 5 综合教学楼 1 4 3 4 1 土建馆 3 0 0 02 3 斋 2 3 5 1 门卫收发室 4 6 内燃机实验室2 1 8 32 4 斋 2 3 5 l 1 7 楼后平房 1 0 0 0 地热中心 2 2 0 0 4 7 斋 5 0 0 0 1 楼西平房 1 0 0 0 第2 4 教学楼 2 1 5 8 7 4 8 斋 5 0 7 l 行政楼 6 8 7 0 4 9 斋 7 3 5 9 浴池 1 0 4 8 5 0 斋 7 0 7 7 平房实验室 6 0 0 5 l 斋 7 0 7 7 东阶梯 2 0 6 3 5 2 斋 1 3 1 5 7 第二章天津某大学集中供暖系统节能研究 续表2 1 5 3 斋 1 2 0 9 6 留园 6 4 0 0 设计院3 4 2 8 学四食堂 9 7 0 0 第5 教学楼 4 9 5 0 小计 3 6 6 6 1 4小计7 4 1 7 l小计1 0 6 5 4 92 1 7 3 8 1 4 表2 2 第十教学楼换热站所用设备情况 编号设备名称数量性能参数 l 板式换热器 1 0 81 1 1 二 工作温度1 4 0 2 板式换热器 1 0 8m ?工作温度1 4 0 3板式换热器 4 0 工作温度1 5 0 4 便拆空调泵 3 0 0m 。h 扬程4 7 m ，功率5 5 k w ，效率7 5 ，转速2 9 5 0 r m i n 5 便拆空调泵 3 0 0n 1 3 h 扬程4 7 m ，功率5 5k w ，效率7 5 ，转速2 9 5 0r m i n 6 立式离心泵1 2 5m 3 h扬程5 0 m ，效率4 6 ，转速2 9 0 0r m i n 7 立式离心泵 1 2 5m 3 h 扬程5 0 m ，效率4 6 ，转速2 9 0 0r m i n 8 自动除污过滤器 2 0 目寸 9 水箱 2 5 术1 5 牢2 5 1 0 全自动软水器额定出力1 0 t h直径6 0 0 姗 l l 集水器o 8m 3 最高工作压力1 2 m p a 1 2 分水器 0 9m 3 最高工作压力1 3 m p a 1 3 立式离心泵 1 2 5n 1 3 h1 5k w ，扬程2 0 m 1 4 涡轮流量计 1 5 电动执行器 1 6 压力变送器 4 个 1 7 伺服放大器1 个 1 8 现场d c u 控制器1 个 1 9 循环泵头 5 5 0n 1 3 h 扬程3 2 m ，功率7 5k w ，转速1 4 5 0r m i n 2 0 便拆空调泵 3 0 0l i l 3 h 扬程4 7 m ，功率5 5k w ，效率7 5 ，转速2 9 0 0r m i n 2 l 三相异步电动机5 个 楼内全部为垂直单、双管系统，所有楼全部采用2 4 小时供暖，教学区域作 8 第二章天津某大学集中供暖系统节能研究 息时间确定，主要集中在早上7 点到晚上1 0 点左右。该区域内所有楼均采用散 热器供暖，其中1 、5 、8 、1 0 、1 4 等教学楼为老式( 四柱8 1 3 ) 铸铁散热器，2 4 、 行政中心等为对流辐射型铸铁散热器，个别楼内的房间有热泵进行补充供热。 由表2 1 可以看出，第十楼换热站所供暖区域主要为教学楼等办公性建筑和 学生宿舍，而现在采取的供暖方式是连续供暖，这对于只有白天使用的办公建筑 来说，无疑是一种能量的浪费。 2 2 高校降低供暖能耗的讨论 现在大部分高校都是由学校自己供暖。供热采暖系统长期以来一直采用室内 上供下回垂直单管顺流式或单管顺流带跨越管的供热方式，外网无变流量控制装 置，户外入口也为常规设置，用户无法自行调节室温，出现上热下冷不均，室温 过高开窗放热，造成供热能量大量浪费。 由此可见，如何降低供暖能耗是我国各大院校存在的普遍问题。我们就如何 产生供暖能耗浪费及如何改变这一问题作如下分析。 2 2 1 供热成本过高的原因 目前国内大多数高校运行成本高，锅炉及外网系统存在的明显问题，除了一些管 理制度和供热设备水平上的原因。除了燃料成本价格因素外，国内供热系统在管 理制度和供热设备及技术上还普遍存在如下弊病： ( 1 ) 锅炉房管理体制落后，燃煤锅炉房管理模式粗放，许多单位缺乏既懂现代设 备技术和科学管理知识的专业人员，缺乏科学、专业的能源管理经验。 ( 2 ) 管网落后，造成能耗过大，存在整体热效率低、跑冒滴漏、浪费能源等现象。 ( 3 ) 锅炉运行人员素质参差不齐，导致先进的高新设备与原有司炉工及管理人员 素质上的矛盾。大多数司炉人员文化程度相对较低，尚不具备现代化设备所必须 的文化素质，没有节能环保意识，操作能力仍停留在仅仅懂得“按电钮 的水平。 ( 4 ) 重视锅炉更新，忽略日常运行的科学化管理，没有把管网节能纳入前期改造 的工作日程。投资时只更新锅炉房内部设备，而对直接影响供热效果的大面积供 热管网，仍然无法实现按照用户的不同用热需要，有效进行合理供热。相比较而 言，锅炉本身已经达到的较高的燃烧效率，然而整体供热管网的热效率还很低， 浪费了大量的能源。 ( 5 ) 有些锅炉在设计上考虑不周，节能方面先天不足。有的高校在改造锅炉时因 为投资原因，设备配置水平较低，忽略节能方面的考虑，致使廉价设备长期高耗 能运行。几年的实际运行后发现，能源运行费用已经高得无法承受，迫切需要节 第二章天津某大学集中供暖系统节能研究 能。但苦于缺少改造资金，无法实现节能运行。 ( 6 ) 管网设计理念陈旧。大多数供暖管网普遍存在仅能提供单一供热温度的问题， 与实际存在的不同区域、不同用户、不同温度所需要的供热分区、分温、分时段 的运行形式形成了矛盾。造成晚上没有人上班、上课的办公区与家属区联网供热 大量能源浪费突出的现象。同时与早、中、晚及初寒、严寒实际天气温度不断变 化所需要的温度跟踪补偿的运行方式形成了矛盾。有的单纯靠司炉工的经验控制 的“看天烧火的办法，虽然有一定的节能效果，但与实际天气温度变化带来的 外界热负荷不断变化所需要的锅炉控制技术仍存在科学管理上的差距。 ( 7 ) 传统锅炉房控制系统只是为控制锅炉本体设计的，无法控制全部外界供热管 网范围内的不同用户。管网控制功能和手段几乎没有，大多数单位缺少真正有效 的供热管网控制装置和全热力系统科学化管理模式。锅炉房单一设备单元控制与 整体热力系统要求节能运行之间形成矛盾。 ( 8 ) 有的锅炉燃烧器配置水平低，仍然是传统的二段火方式，无法实现精确的全 自动比例调节，有的虽然配置了比例调节的燃烧器，但是与之配套的锅炉控制却 不具备温度无级控制功能。造成“假比调”现象。 ( 9 ) 在学校冬季寒假期间，教学区无人上课的教室和办公室，由于供热外管网回 水与家属宿舍学生宿舍区的回水设计连接在一起，在对家属宿舍和学生宿舍直接 供暖的同时，对不需要或者是少需要供暖的教室和办公室也只能连带供暖，造成 大量热量无效浪费。这是全国大多数高校目前存在的普遍问题。 ( 1 0 ) 在平时上课课余和夜晚无人时间，大多数教室和办公室，只需要低温维持不 冻即可，但是由于原来设计总外管网回水为单一回水总管。无法实现对各区各楼 温度的高低温分别控制，在对整个校区直接供暖的同时，锅炉房统一对外供热温 度只能是一个温度。事实上这是造成供热能源无效浪费的一个重要问题。 2 2 2 减少供热浪费所采取的措施 近年来，国家对环境保护、节能能源、改善居住条件等问题的高度重视，相 继制订了一批建筑技术法规和标准规范，这些标准法规的颁布实施，对于改善环 境、节约能源、提高投资的经济和社会效益，起到了重要作用。采用集中供暖， 废除了许多分散的低负荷、低效率小锅炉；提高了建筑结构保温性能。但就总体 来说，采暖建筑维护结构保温水平低、热环境差、采暖能耗大的状况目前仍然普 遍存在。 2 0 0 7 年1 月1 1 日教育部下发文件名为各地高校采取措施切实措施努力建 设节约型校园，其中特别指出高校内由于供热环节，而发生的能源浪费问题， 要求各大高校根据本单位的实际，采取切实措施，克服各种浪费现象，努力建设 第二章天津某大学集中供暖系统节能研究 节约型校园。 2 2 2 1 通过不断完善旧的供暖系统而节能 ( 1 ) 热源部分：锅炉采暖期平均运行效率i l2 与诸多因素有关，如锅炉运行 时的负荷率，这涉及到锅炉机组容量应当与采暖负荷相匹配。锅炉运行时实际流 经的水量应符合锅炉额定水量。加强锅炉计算机自动化控制与辅机变频技术。提 高燃烧效率、增加热量回收；对于燃煤锅炉，有条件的应采用炉渣二次回烧：实 行连续供暖，使锅炉满负荷运行；搞好锅炉的除氧和水处理，推广最新的防腐阻 垢剂，延长锅炉使用寿命； ( 2 ) 热能输送部分：只要按节能标准要求对供热管道进行保温，是可以达到 r l1 = 9 0 规定值的。目前，有许多老的供热管道系统年久失修，管道保温已经形 同虚设，有些已经失效，有的脱落使管裸露，致使热量长期大量流失。另外，如 同水系统存在漏水、偷水的现象，也会损失能量。 电能主要是用于循环水泵及锅炉房鼓风机、引风机，其中以水泵耗电为主。 水泵如果处于大流量小温差的运行状态下，其电耗热必大量增加并且浪费；如果 系统阻力分配存在不合理，能量也会白白浪费在克服阻力上；如果系统阻力或流 量因为末端调节而发生变化，水泵不能相应地调节扬程或流量来改变出力，也会 浪费能量。另外循环水泵选型应符合水输送系统规定值。以往的供热系统大多为 多泵并联的方式来实现运行调节中变流量的要求，调节范围小，耗电大，效果不 理想。变频水泵可使供热系统实现无级的变流量运行，而且节电效果显著，国外 已经普遍应用，我国应大力提倡。 管网系统要水力平衡，通过初调节消除热网水平失调，改变“大流量、小温 差”不经济运行。把各用户的循环流量控制在一定的范围内，在热网平均的基础 上，就可以把水泵的循环流量降下来，以实现大幅度节电。对于大量的既有建筑， 大多选用调节性能很差的闸阀或截止阀，进行经验调节，而无测量管网水流量的 仪表，运行管理人员只能借助大流量运行来适当缓解一下冷热不均的失调现象。 有条件的可以考虑改装平衡阀及平衡阀智能仪表。 ( 3 ) 用户末端：建筑耗热量指标q h ：该指标是单位建筑面积在整个采暖季节 的平均能耗指标，与建筑热负荷的大小直接相关。建筑热负荷不是一个常量，其 大小由以下几方面决定： 1 ) 室外温度变化：在采暖季里，随着室外温度的不断变化，建筑热负荷也不 断地发生变化，建筑热负荷随着室外温度升高而降低，随着室外温度的降低而增 加。 2 ) 室内需求温度变化：正常的室内设计温度是1 8 ，保证最低温度是1 6 ， 第二章天津某大学集中供暖系统节能研究 楼道、电梯和地下室等允许温度较低，有的学校在夜间降低供暖出力，来降低室 内温度达到节能的目的；寒假期间，学生宿舍、教学楼、办公楼将近一个月时间 无人，可以降低室内温度，实现经济运行，只要保证不将水管冻裂即可。 但目前大多数老的阀门由于质量等因素的影响，不能达到调节的目的，可以 在上述建筑的入口处加装可调节流量、温度、压力的计量仪表，以便于在白天、 夜间、周末及寒假期间调节，使其经济运行。也可以在室内加温控阀，无人时将 温度调到不冻温度，以达到节能的目的。而教学楼、办公楼、学生宿舍楼又占全 校总供暖面积相当大的比例，寒假期间调节得好，供暖能源消耗大大降低。 3 ) 建筑围护结构保温性能，门窗密闭性等传热特性。建筑设计应严格按照节 能标准，提高维护结构保温性、门窗热密闭性。有些老建筑，需要更换门窗时， 应选用保温材质，既可以根据负荷需要来调节供暖量，又可以调节温度以改变需 求量使其经济运行，有可能的应加装室温调节与控制装置。 2 2 2 2 通过完善供热计量体系而节能 目前为止，只有采暖供热按热量计费，依靠市场经济杠杆，才能使更多的人 关注节能。热计量收费能够将用户的自身利益与能量消耗结合起来，势必增加公 民的节能意识。经过有关专家计算，在下班后办公室无人的时间里将温度调到防 冻温度6 ，其能耗比全天采暖1 8 方式节省4 5 ；如果按照住宅模式控制采暖 能耗在上班后住宅中无人的时间里将温度调到防冻温度6 ，其能耗比全天采暖 1 8 方式节省1 4 。所以，采暖供热按热量计费势在必行，是节约能源的重要措 施。 2 2 2 3 从制度制定方面来引导节能 对于高校内供暖能耗节能的管理，不单单是制度上的要求，更需要管理者能 够从实际出发建立一套行之有效的运行机制与奖惩制度，并持之以衡的遵守、执 行，对节能做出贡献的要给予奖励，激励职工重视节能，降低成本，从思想上、 行动人为节能做贡献。 同时要为职工提供进修的机会，只有让每个职工的综合素质提高了，才能在 保证供暖质量的前提下，降低能源消耗，使锅炉运行的每个环节都在低能源消耗 的情况下进行。 高校后勤系统在建设节约型高校工作中肩负着艰巨的任务，高校后勤系统通 过努力，不仅可以有所作为，而且可以大有作为。据统计东北大学2 0 0 2 年至今， 两次投资数千万元对锅炉和供暖管网进行改造，选用新型节能材料，采用分层燃 烧、添加助燃剂等达到节煤效果。在新建建筑中，采用热泵技术进行冬季供暖和 第二章天津某大学集中供暖系统节能研究 夏季降温，有效利用地下水热源和污水热源，减少煤炭的消耗量。 清华大学在供暖方面，改造了供暖的电力控制系统，对具备条件的部分换热 站安装了水泵变频控制系统，在学校供暖面积不断扩大的情况下，上一供暖季总 耗电量同比减少约1 5 0 万度。2 0 0 6 年，清华大学供暖管网节能控制系统工程改 造开始启动，现已进入最后的调试阶段，该系统全面投入运行后，可以在供暖过 程中初步实现按需供暖，分时供暖，预计综合节能率可达到5 ，一个供暖季就 可节约1 0 0 万元以上。 以上高校的供暖节能经验，可以为某大学供暖系统的改建提供一些借鉴之处。 2 3 小结 本章介绍了天津某大学的供暖概况，分析了现在阶段供暖能耗大的主要原因 以及可以采取的措施，列举了某些高校现行采取的降低供暖能耗的方法。这些都 有利于某大学借鉴使用。 第三章采暖房间c m 模型的建立 第三章采暖房间c f d 模型的建立 本课题根据计算流体力学的相关原理，以c f d 商业软件为工具，对采用间歇 供暖的房间进行模拟分析。本章将简要介绍一些理论基础，通过对房间模型的建 立过程使得我们对c f d 技术有个全面的了解。 3 1 房间数学模型的建立 3 1 1 控制方程 本课题采用的方法是有限容积法，标准室内计算零方程模型，三维稳态的不 可压缩粘性流体的湍流流动。采用控制容积积分法来建立离散方程，其推导过程 物理概念清晰，离散方程的系数具有一定的物理意义，并可以保证离散方程具有 守恒特性。 连续性方程：当：o ( 3 一1 ) 动量方程：驾= 一吉詈+ 专 c v + v ) ( 善+ 鼍 ( 3 2 ， 能量方程：要( p 五) ：要( 七+ 岛) 婺+ & ( 3 3 ) o x ；ox：dx； 式中：“厂速度，i i l s ；r 压力，p a ；& 为体积源项5 ，一运动粘性系数，m 2 s ；，广素流粘性系数，m 2 s 。 i ，i _ l ，2 ，3 ， 3 1 2 单值性条件 1 几何条件 本文分别选取天津某大学第2 4 教学楼中房间5 0 3 和5 0 6 为研究对象，数值 模型的几何尺寸为8 2 m 4 1 m 2 6 m 和1 1 2 m 8 3 m 3 4 m ；其中，5 0 3 作为实验 室使用，主要设备为电脑。5 0 6 作为教室使用，房间几何模型如图3 1 和3 2 所 示： 第三章采暖房间c f d 模型的建立 v 气 八x v 图3 15 0 3 房间几何模型 图3 25 0 6 房间几何模型 照明负荷中每个灯具按4 0w 计算，模型做了简化处理，用一个实体的棱柱 代替。由于只是模拟在人员离开房间后室内温度的变化，所以这些房间不设置人 员。室内设备( 微机) 的散热量按每个1 0 0w 计算。散热器按实体设置，考虑房 间蓄热等因素的影响，5 0 3 房间设置一个散热器，总的散热量3 0 0 0 w ，5 0 6 房间 设置四组散热器，每个散热器2 5 0 0 w 。由于模拟对象都是在房间无人、灯具、 第三章采暖房间c f d 模型的建立 设备都关闭的条件下进行的，所以灯具、电脑的负荷不会对结果产生影响。 3 边界条件 本文中外墙按第二类边界条件设置，室外温度采用采暖室外计算温度且恒定 不变，内墙均按绝热墙