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合肥市供热管网现状及发展分析研究 摘要 合肥市作为长江中下游的一个中等规模城市，平均气温低于5 的时间约 9 0 天，属于典型的夏热冬冷地区。随着人们需求的提高，近几年合肥市供热发 展较快，供热管网覆盖了主要城区。由于合肥市属于非强制采暖区域、供暖时 间相对较短、单采暖用户较多等多方面因素导致供热成本较高。因此，如何降 低供热成本是急需解决的问题，这对合肥市集中供热的发展有着重要意义。 本文以合肥市供热管网及热用户分布为依据，在此基础上对整个管网进行 系统分析，得出了合肥市供热管网存在的一些问题。同时采用( 火用) 经济理 论对管网进行水力计算，将压力损失和热量损失结合起来分析，克服了二者之 间的不可比性。此理论可作为同时具有压力和热力管网分析的依据。 最后，本文以合肥市供热管网为例，采用( 火用) 理论进行计算，得出了 管网各参数对整个管网成本的影响，以数据的形式反应了供热管网存在的问题。 同时还分析了不同采暖方式的经济性。 关键词：供热管网；( 火用) 理论；水力计算；现状及问题 t h er e s e a r c ho fh e f e ih e a t i n gp i p en e t w o r k c u r r e n ts i t u a t i o na n d d e v e l o pm e n t a b s t r a c t h e f e ia st h e y a n g t z er i v e rr e g i o n ，am e d i u m s i z e dc i t y ，t h e a v e r a g e t e m p e r a t u r eb e l o w5 f o ra b o u t9 0d a y s ，i sat y p i c a lh o ts u m m e ra n dc o l dw i n t e r z o n e w i t ht h eg r o w i n gd e m a n df o rp e o p l e ，h e f e ih e a t i n gi sd e v e l o p e dr a p i d l yi n r e c e n ty e a r s ，t h e h e a t i n gp i p en e t w o r kb a s i c a l l yc o v e r st h em a i nu r b a na r e a s h o w e v e r ，h e f e iw i t har e l a t i v e l ys h o r th e a t i n gt i m e ，a n dm o r es i n g le h e a t i n gu s e r , b e l o n g st on o n - m a n d a t o r yh e a t i n ga r e a m a n yf a c t o r sh a v el e dt oh i g h e rh e a t i n g c o s t s t h e r e f o r e ，h o wt or e d u c eh e a t i n gc o s t sa r eu r g e n tp r o b l e m s ，w h i c hi st ot h e d e v e l o p m e n to fh e f e ih e a t i n gh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e t h i sp a p e ri sa c c o r d i n gt oh e f e i h e a t i n gp i p en e t w o r ka n dt h ed i s t r i b u t i o no f h e a tu s e r s ，t om a k eas y s t e m a t i ca n a l y s i so ft h ee n t i r ep i p en e t w o r k ，a n do b t a i n e d t h ee x i s t e n c eo fs o m ep r o b l e m s a tt h es a m et i m eu s i n ge x e r g ye c o n o m i ct h e o r yt o h y d r a u l i cp i p en e t w o r kc a l c u l a t i o n ，p r e s s u r el o s sa n dh e a tl o s sw i l lb ea n a l y z e d t o g e t h e rt oo v e r c o m et h en o n - c o m p a r a b i l i t yb e t w e e nt h e n t h et h e o r yc a nb eu s e d a sb o t hap r e s s u r ea n dh e a tp i p en e t w o r k a n a l y s i s f i n a l l y ，t oh e f e ih e a t i n gp i p en e t w o r ka sa ne x a m p l e ，u s i n ge x e r g ya n a l y s i so f t h et h e o r yo b t a i n e dp i p en e t w o r kp a r a m e t e r so nt h ei m p a c to ft h ec o s to f t h ee n t i r e p i p en e t w o r k ，a n dr e a c t i o np r o b l e m si nt h ef o r mo fd a t a a l s oa n a l y z e dt h e e c o n o m i c so ft h ed i f f e r e n th e a t i n gm e t h o d s k e yw o r d s ：h e a t i n gp i p en e t w o r k ；e x e r g ye c o n o m i ct h e o r y ；h y d r a u l i cc a l c u l a t i o n ； c u r r e n tsi t u a t i o na n dp r o b l e m 插图清单 图2 1 供暖期温度变化曲线1 3 图2 2 典型日温度变化曲线1 3 图2 3 典型日负荷变化曲线1 5 图2 4 保温层结构断面图1 9 图2 5 管道内作用于微小流体的冲量图2 4 图2 6 保温层厚度一定时各项费用与管径关系图3 9 图2 7 管径一定时各项费用与保温层厚度关系图3 9 图2 8 管网数学模型求解流程图4 0 图3 1 合肥市供热总体规划图4 3 图3 2 合肥市供热管网平面布置图4 4 图3 3 合肥市主要热用户分布图4 4 图4 1 供暖管网平面图5 0 表格清单 表2 1 温差修正系数口值1 0 表2 2 建筑物外门窗空气渗透性能分级与缝隙渗风系数下限值1 1 表2 3 热压系数c ，取值表1 2 表2 4 渗风量的朝向修正系数n 值1 2 表2 5 典型日逐时负荷表1 4 表2 60 值1 5 表2 7 热水管网的允许流速3 3 表2 8 蒸汽管道最大允许流速。3 3 表2 9 允许最大热量损失3 4 表2 1 0 采用不同计算单位的系数a 3 5 表2 1 1 热用户不同性质热负荷时的同时使用系数3 5 表4 1 管网数学模型求解结果表4 8 表4 2 管网参数及计算结果5 1 表4 3 结构热工计算参数5 3 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及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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 金目垦王些太堂 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已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者雠：炭l i 易 7 婵醐渺畔月芗 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权盒世王些太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，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 墨，考 签字日期：细年q 月审 导师签名： 签字日期： l 。年p 月岁日 电话：f 矽z 绍丫髟) 邮孙耖夕 致谢 在本论文完成之际，首先感谢合肥工业大学给我的这个学习和提高的机会，本文凝 聚了我的导师沈致和教授和同学们的关心与帮助，在此向他们表示衷心的感谢! 导师渊博的专业知识、严谨的治学风范和敏捷的思维能力使我获益匪浅，永生难忘! 在论文撰写过程中，导师从论文的选题、资料的搜集整理到论文的构思、总体框架的设 计、参考文献的推介直到论文的格式都进行了精心的指导，并提出许多宝贵意见。在此， 谨向恩师表示衷心的感谢和最美好的祝愿! 在研究生学习阶段和论文选题的过程中，还得到了祝健副教授、张爱凤副教授等老 师的精心指导和帮助，感谢各位老师在学术活动中提出了许多建议和思路，使我的论文 得以顺利完成，在此，对他们表示诚挚的谢意! 同时，也向本论文的评阅人和答辩委员 们表示衷心的感谢，感谢各位专家和教授在百忙之中给予的指导和建议! 在论文的撰写工程中，得到了我的同学和朋友们的莫大关心和帮助，尤其是章双红、 化洪波、宋巨江、孟庆伟、李小琪、李阳、余轶鹏、刘天伟、刘彦涛、郑吴，真诚的祝 愿他们学业有成，工作顺利，生活幸福! 最后，我要感谢我的父母对我学习和生活的支持和鼓励，再次感谢在学习和生活中 所有对我支持和帮助过的老师、同学和朋友们! 吴空 2 0 0 9 0 3 于合肥 第一章绪论 1 1课题研究背景及意义 随着人们生活水平的提高，对供暖的需求也日益突出。供暖范围呈逐步扩 大趋势，除传统三北地区外，原先不属于设计供暖范围的长江流域地区要求供 暖的地方也是日益增多，且已成为基本需求。 我国的供暖行业正处在历史的转折点，欧洲国家早在上个世纪7 0 年代就已 经积极推行节能环保型的采暖形式，并形成较为完善的政府补贴机制。到2 1 世纪，供暖方式改革发展迅速，许多国家因地制宜，如荷兰的风能供暖、俄罗 斯的低地沼气供暖、日本的天然地热供暖等等，但从供暖技术革新上的应用来 看以清洁电能为基础的采暖技术创新正成为国际主流，热电联产在许多城市已 相当成熟。我国市政供暖系统运行存在严重失调的问题。如何减少供暖管网的 初投资，如何减少土地使用率以及如何减少管网运行费用等问题，已成为牵制 供暖发展的主要问题。在国家提倡节能减排的背景下，分户供暖的优势日益突 出。因此分户式供暖系统在新建楼盘中被大量采用。未来几年中国的采暖行业 将走向节能减耗、智能供暖的低能耗、低排放时代。 我国的g d p 近年来一直保持在8 9 左右的增长，但与此相伴的能源浪费 却使能源消耗增长快于经济增长，从而导致能源问题成为制约我国经济和社 会发展的瓶颈。京都议定书的签订，给了我国一个明确的减排目标，国务院 出台的关于加强节能工作的决定也把节能降耗定为第二项基本国策。冬季 采暖能耗较大，降低采暖能耗是社会总体节能的重要组成部分。目前，我国采 暖主要以煤作为主要能源1 ，全国1 4 0 个城市集中供暖面积约为2 5 亿平方米， 总共有1 2 万个热力站，每个热力站占地几百平方米到几万平方米，每平方米供 暖需燃煤3 0 公斤、水4 公斤、消耗管线钢材1 0 公斤。我国城镇建筑单位面积 供暖能耗是同纬度国家的2 3 倍，而除供暖外的其它用能单位面积比能耗仅为 发达国家的2 0 5 0 。通过使用节能采暖产品、开发新能源、废热利用和提高 能源利用率，是当前节能的有效途径。 合肥地处长江中下游、淮河以南，在计划经济体制下属于非采暖地区。因 此，这一地区的区域供暖系统的发展起步更晚，真正具有代表意义的区域供暖 系统应当算是在由计划经济向市场经济转型的萌芽阶段的1 9 8 9 年，由合肥城市 改造指挥部下属的合肥市热力公司建成了覆盖环城公园以内市区约2 0 公里长 的供热管网。 1 9 8 9 年，合肥市率先在长江中下游的中等规模的城市中建成了城市集中供 热系统，由于在这之前还没有先例可以借鉴，因此遇到了不少困难。目前，合 肥市有2 家真正面向市场的供热站：安徽纺织集团热电厂和合肥市城市改造热 力实验公司。其中合肥市城市改造热力实验公司是目前合肥市最大的一家供热 公司，公司设计供热面积5 2 万平米，实际供热面积只有2 0 万平米。自1 9 8 9 年成立以来，公司一直亏损，一年最高亏损额达1 0 0 多万元；1 9 9 8 年亏损6 0 多万元。 整合前合肥市从事热电联产和集中供热的企业主要有合肥市热力公司、合 肥众诚热电有限公司和安徽安能热电股份有限公司三家企业，分别向合肥市中 西北区和高新区、南区和政务文化新区、东南区域供热。由于经营分散，三家 企业面临着资源不能共享、建设投资重复、品牌建设关注不够、采购谈判能力 弱等问题，由此造成热电企业经济效益不佳，有的企业亏损严重，因此，热电 企业的重组与整合势在必行。 合肥热电集团有限公司于2 0 0 7 年1 1 月2 1 日正式组建，是根据合肥市市委、 市政府“改革创新年 精神，按照市委、市政府的统一部署，为推进国有企业 产权制度改革，加速资产重组与产业重组，实现合肥市热电联产资源的“统一 规划、统一建设、统一采购、统一服务”目标，达到资源优化配置和高效管理， 最大限度的提升合肥市热电联产企业的综合竞争力和可持续发展能力。热电集 团共七个子公司，有五个全资子公司( 合肥众诚热电有限公司、合肥天源热电 有限公司、合肥热电工程有限公司、合肥市热力工程设计院有限责任公司、合 肥热电铁路运输仓储有限公司) ，一个控股子公司( 安徽安能热电股份有限公 司) ，一个参股子公司( 合肥城市通卡股份有限公司) 。热电集团主要为全合肥 市( 除经济技术开发区) 区域内进行集中供热生产、供应和服务，主要产品结 构包括蒸汽、发电、采暖、制冷、生活热水、工程设计、安装及小区运营服务 管理。热电集团自有热源厂3 个，另从合肥发电厂1 # 、2 # 热电联产机组外购蒸 汽供应合肥市中、北区市场。截止2 0 0 8 年底，集团共建成供热主干支网1 9 2 公里，供热面积为1 2 0 0 万平米，为合肥市工业、商业、办公及住宅小区等各类 3 1 4 个用户提供服务，其中工业用户2 8 个，办公及商业用户1 5 8 个，民用住宅 小区1 2 8 个计6 0 0 0 0 户。包括省委、省政府、市委、市政府等重要的机关事业 单位和合肥卷烟厂、华润啤酒厂、荣事达集团、安科公司等工业用户以及安医 附院、市一院、1 0 5 医院、省武警医院、中医附院、稻香楼宾馆、安徽饭店、 梅山饭店等重要企事业单位。 在合肥市推进“工业立市”战略的大背景下，公司致力于打造合肥市绿色 环保及循环经济产业的企业名片，为合肥市城市环境的改善做出卓越贡献。公 司通过整合实现合肥市热电联产资源的“统一建设、统一规划、统一采购、统 一服务”，努力实现“一个中心、两翼齐飞”的发展战略，即以发展热电联产 主业为中心，做强做大工程设计和安装两个相邻业务；以开拓优质市场为中心， 降低生产成本和财务成本。通过积极寻找替代能源，积极发展分布式能源，有 选择发展客户，降低资金成本，精简机构等方式扩大市场规模、降低成本。 经过多年的运行，对其存在的问题分析，总结其成功的经验，不但可以改 2 善其自身的经营状况，而且对长江中下游的其它城市集中供热系统的建设也具 有较高的参考价值。 1 2国内外供热现状及发展趋势 1 2 1国内供热现状 我国集中供暖从2 0 世纪5 0 年代开始发展，随着改革开放的深入、国民经 济的发展和人们生活水平的提高，人民的居住环境越来越优越。近几年我国的 集中供暖得到了迅猛发展。沈阳、大连、长春、北京、天津、西安等城市每年 都改建和新建一些居住小区，集中供暖提高了居民的生活水平。不管大的居住 区还是小的生活区，基本采用集中供暖。随着人们需求的提高，集中供暖己从 大城市走向中小城市，从大型机关企事业单位到居民采暖。 近二十年来，随着国民经济的迅速发展，节能工作日益受到重视，我国集 中供暖事业，无论是在供暖规模或是供暖技术方面，都有了很大发展。同时， 相关政府也采取了一系列举措，积极推广集中供热技术。1 9 8 6 年国务院以国发 ( 1 9 8 6 ) 2 号文件转发关于加强城市集中供热供冷管理报告以后，集中供热 有了更大的发展。在其后颁布的“节约能源管理暂行条例 第2 9 条规定，“发 展集中供热，应当统一规划。对现有的分散供热系统，必须积极采取措施，逐 步淘汰低效锅炉，实行集中供热 z - 3 。 根据能源部的统计资料，1 9 8 0 年，全国单机容量6 0 0 0 k w 及以上的供热机 组容量为4 4 3 4 1 万k w ，到1 9 9 0 年底己发展到9 9 8 9 3 万k w ，年供热量为5 6 4 8 1 万g j 。根据建设部统计资料，1 9 8 0 年，誓三北( 东北、西北、华北) 地区集 中供暖的建筑面积仅为1 1 2 4 8 万平米，普及率为2 ；到1 9 9 0 年底，全国己有 1 1 7 个城市建设了集中供热设施，供暖面积达到2 1 2 6 3 万平米，普及率达到1 2 。 截止到“八五 末，我国火电装机容量约为1 6 2 4 9 0 6 万k w ，热电装机为1 7 2 8 3 8 万k w ，占火电装机容量的9 4 2 。至1 9 9 8 年底，全国6 4 0 个城市中的2 4 2 个建 有集中供暖设施，供蒸汽能力为6 7 6 0 1 万t h ，热水3 5 4 9 8 m w h 。截止上世纪末 全国热电机组的装机容量已达到3 0 0 0 m w ，占全国火电装机的1 5 。 随着经济的高速发展，集中供暖逐渐成为城市供暖工程的主要形式。例如， 集中供暖发展最快的辽宁省，上世纪8 0 年代末期，已有1 个城市1 7 个县镇发 展了集中供暖，供暖建筑面积已达3 0 0 万平方米。其中规模最大的热电厂为吉 林热电厂，装机容量为8 5 0 m w ，目前代表我国热电机组最高水平的2 0 0 m w ，3 0 0 m w 大型抽汽式冷凝两用机组已在北京、沈阳、太原等中心城市运行。到1 9 9 9 年底， 我国城市集中供热面积为4 2 8 2 3 万平米，供热管网总长5 3 0 0 k m ，但集中供热普 及率仅为8 9 2 ，我国供热事业最为发达的东北、华北、西北地区，城市集中 供热普及率也比较低，仅为1 8 ，与供热事业发达的国家相比还是处于落后状 态。如俄罗斯早在1 9 8 0 年城市集中供热普及率就达到6 0 。1 9 9 9 年，北京市集 3 中供热普及率为5 0 ，而莫斯科市则达到1 0 0 。2 0 0 0 年我国集中供热普及率达 1 5 ，东北、华北、西北地区达2 0 一- - 3 0 ，经济发达的开放城市达到4 5 - - 5 0 ， 另据初步估算，到2 0 1 0 年，我国需要增加热电机组容量约5 4 0 0 m w ，而根据我 国实际国情，仅能实现新增供热机组1 2 0 0 - - 1 8 0 0 m w ，这表明我国供热事业急待 进一步发展。 1 2 2国外研究现状 国外供热事业发展迅速，1 9 世纪初期，在欧洲开始出现了以蒸汽或热水作 为热媒的集中供热系统。集中供热方式始于1 8 9 7 年，当时在美国纽约，建成了 第一个区域锅炉房向附近1 4 家用户供热。2 0 世纪初期，一些工业发达的国家， 开始利用发电厂内汽轮机的排气，供给生产和生活用热，其后逐渐成为现代化 的热电厂。特别是第二次世界大战以后，城镇集中供热得到较迅速发展。目前， 欧洲国家特别是北欧和西欧各国，城市集中供热发展己处于世界前列，集中供 热热化率已达到6 0 以上。西方国家的集中供热技术已比较成熟，基本实现了 温度的自动调节和控制及热计量管理2 - 3 | 。俄罗斯、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。 莫斯科集中供热系统相当发达，城市的集中供热普及率高达1 0 0 ，是全世 界集中供热规模最大的城市。 地处寒冷气候的北欧国家，如瑞典、丹麦、芬兰等国家，在第二次世界大 战以后，集中供热事业发展迅速，城市的集中供热普及率都较高。 从技术方面来看，国外特别是在北欧国家，从2 0 世纪7 0 年代能源危机以 来，十分重视供热系统节能工作，并制定了相关政策、法规以及相配套的技术 措施。国外发达国家的集中供热系统均为动态的变流量系统，其调节与控制技 术先进，控制手段完善，设备质量高。通常一次管网所提供的热量在热力站交 换成二次采暖热水和民用生活热水。在热力站的二次水系统中均安装有变频调 速的水泵、压差控制器、电动调节阀、气温补偿器以及回水温度限制器等设备。 己经具备了一整套成熟的供热系统运行模式。集中采暖按热量计费是世界各国 发展的趋势，也是各国家节能环保的一项基本措施。目前除西方发达国家己采 用这一措施外，东欧各国及原苏联地区国家正逐步推广。与此同时，集中采暖 按热量计费的相应技术也进一步发展，采暖系统的动态调节更加先进，计费技 术更加可靠和准确，整个采暖热量计费装置向小型化、计算机化发展1 4 1 。 1 2 3集中供热的发展趋势 我国既是一个能源短缺的国家，又是一个能耗大国，能耗总量居世界第三 位，其中建筑能耗是世界发达国家的三倍。据统计我国建筑能耗占总能耗的 2 5 ，其中制冷采暖的能耗越占其中的一半以上。制冷空调设备的年耗电量约占 全国总耗电量的5 6 ，夏季占季节发电量的1 8 - 2 0 ，个别地区的比例更大。 4 因此如何提高能源利用率，降低建筑及设备能耗成为暖通工作者必须面对的问 题。 节约能源是我国发展经济的一项长远战略方针，在建筑节能法规方面，我 国政府及相关行政管理部门出台了不同层次的政策、法律、规章等，为建筑节 能工作的开展提供了法律依据和保障。2 0 0 0 年2 月1 8 日，建设部颁发了民 用建筑节能管理规定，对建设项目有关建筑节能的审批、设计、施工、工程质 量监督及运营管理各个环节做了明确规定，提出具体处罚措施。2 0 0 5 年1 0 月 2 8 日，经第7 6 次部常务会议讨论对原有的民用建筑节能管理规定进行修 订，使其更适应对现阶段建筑节能的管理工作。为了进一步加强建筑节能管理， 降低建筑物使用能耗，提高能源利用效率，改善室内热环境质量，保护环境， 2 0 0 6 年2 月7 日，建设部公布了建筑节能管理条例( 征求意见稿) 。将建筑 节能政策具体化和强制化。2 0 0 7 年6 月2 7 日，国务院常务会议对民用建筑 节能条例( 草案) 进行了审议，会议决定将该条例草案向社会公布，经广泛征 求意见后，再由国务院审议批准并公布施行。2 0 0 8 年8 月，国务院令第5 3 0 号， 公布民用建筑节能条例，并于2 0 0 8 年1 0 月1 日正式施行1 。建筑节能是 指在建筑中合理使用和有效利用能源，不断提高能源利用率，即在建筑物的设 计、建造和使用过程中，执行建筑节能标准和政策，使用节能型建筑材料、器 具和设备，提高建筑物的保温隔热和气密性能，提高采暖、制冷、照明系统的 运行效率。推进建筑节能是一项保证我国国民经济和社会可持续发展的重要工 作，也是有利于不断提高人民生活质量和改善居住建筑的条件，保护环境的一 项重要战略举措。作为一种重要的节能手段，区域供冷供热越来越受到大家的 关注。并逐渐运用在新建建筑中，区域供暖是节能的一大举措。 近几年，多热源环网联合供热系统经过实际运行，已取得了非常明显的效 果，并充分显露出诸多优点：提高了整个供热系统运行的可靠性与安全性。 当热网中某一热源出现故障时，各热源可相互替代，相互补充。可灵活调整 供热量，达到良好的节能效果。系统中多热源，可根据供热负荷的具体情况， 制定出更为合理的供热方案，并可随时使全系统的供热工况( 供热量、供回水温 度和水力工况) 优化，从而实现较理想的节能措施。系统的水力稳定性。采用 环状网连接，热网比摩阻较小，各换热站的资用压头大，增强了系统的水力稳 定性。优化水力工况，平衡供热效果。供热系统热源的可扩充性强。发达 国家已开发形成了多热源( 如垃圾焚烧厂、热电厂、锅炉房等) 供热格局。随着 多种技术的不断成熟，我国必将发展出更多可利用的热源，如：地热、太阳能 以及垃圾焚烧所产生的附热等。可见，多热源联合供热系统为更多新能源的加 入提供了必要的基础6 1 1 。 积极开展可再生能源在建筑中的规模化应用，包括太阳能和地热能，太阳 能与建筑一体化的光热、光电利用，浅层地能向建筑物供暖制冷。国家发展和 5 改革委员会2 0 0 7 年9 月发布的可再生能源中长期发展规划要求“合理利 用地热资源，推广满足环境保护和水资源保护要求的地热供暖、供热水和地源 热泵技术，在夏热冬冷地区大力发展地源热泵，满足冬季供热需要。”因此，应 大力培育和扶持淡水水源热泵、地源热泵和太阳能建筑一体化应用等可再生能 源应用示范工程、更低能耗示范工程和绿色生态建筑示范工程，培育和促进建 筑节能产业发展 8 - 1 0 1 。 我国国土辽阔，从南到北兼有热带、亚热带、暖温带、温带、寒温带几个 不同的气候带，气温全年分布极为不均，而夏季，中国各地普遍高温，南北温 差很小。今年来，个地区的夏季温度不断创新高。2 0 0 3 年夏中国南方地区遭受 大范围热浪袭击，其高温范围之广、持续时间之长、温度之高为历史同期罕见。 其中黄淮南部、长江中下游地区、华南北部及四川东部、重庆等地夏季极端最 高气温达到3 8 4 0 ；浙江中部和西南部、福建北部、江西中部等地达到4 0 4 3 。持续高温使得夏季空调使用量的激增，加剧了全国各地的用电紧张，因而 用电峰谷差值也越来越大，如果我们不加利用的话，将白白的浪费，这是和节 能思想格格不入的。冰蓄冷作为一种比较成熟的削峰填谷的技术，正可以满足 这个要求。冰蓄冷系统初投资较大，需要很大一个小区才能支撑该系统的正常 运行，这在一定程度上推动了区域供冷供热技术的发展。我国从2 0 世纪9 0 年 代开始推广这项新技术，据有关数据显示：至2 0 0 3 年为止，中国国内已建冰蓄 冷空调工程3 0 4 个，且每年均以4 0 左右的速度增长1 。 地热源热泵是以大地为热源的热泵。冬季通过热泵将大地中的低位热能提 高，对建筑供暖，同时蓄存冷量，以备夏用；夏季通过热泵将建筑内的热量转 移到地下对建筑进行降温，同时蓄存热量，以备冬用。中国大陆夏热冬冷地区 供冷和供暖天数大致相当，冷暖负荷基本相同，采用地热源热泵系统可以充分 发挥地下土壤蓄能系统的作用，实是一种节能、对环境无害的绿色空调技术， 符合当前可持续发展战略的要求。 目前地源热泵技术在北美和欧洲已经非常成熟，是一种广泛采用的供热空 调系统。在美国，地源热泵已占整个供暖空调系统的2 0 ；在欧洲，据1 9 9 9 年 的统计，地源热泵在家用供热装置中所占的比例：瑞士为9 6 ，奥地利为3 8 ， 丹麦为2 7 “幻。在国内这项技术虽刚刚起步，但已得到政府部门的大力支持。 1 9 9 7 年1 月美国能源部和中国科技部签署了中美能源效率及可再生能源合作议 定书，其主要内容之一就是要大力推广这种具有“绿色建筑 特性的技术。 但是这两项新技术各有其局限性。地源热泵技术虽可以供热制冷，但却无 法在夜间电力低谷时蓄冷，进而削峰填谷。冰蓄冷技术虽可起到削峰填谷的作 用，但却无法在冬季供暖。基于以上考虑，将这两项新技术嫁接在一起，“取长 补短，优势互补”，可设计出了一套以生态理念构建的复合式新型能源系统。地 源热泵与冰蓄冷空调系统联合运行系统。为了提高供暖管网的利用率和节约能 6 源，供暖管网用于夏季制冷将是一种新的节能途径。 1 3 本文研究的主要内容 合肥市作为长江中下游地区的一个中等规模城市，位于江淮分水岭的南侧， 气候条件比较恶劣。冬季多为东北风和西北风，平均气温低于5 的时间有9 0 天，极端最低温度达一2 0 6 ，年积雪时间为1 2 2 天，最多达3 3 天，冬季的 日照率为5 1 。属于典型的夏热冬冷地区。在2 0 世纪8 0 年代以前，只有华侨 饭店等少数高规格的饭店以及生产工艺要求高的工厂车间和由前苏联专家设计 的合肥工业大学主教学楼等极少场所安装有采暖系统，区域供暖基本是空白。 供热系统的研究成果基本都集中在北方寒冷地区。合肥地区的气候、地理、地 质条件以及人们的生活习惯与北方地区都有较大的差别，同时，随着人们的需 求越来越高，近几年合肥供热发展很快，基本上覆盖了主要城区，但由于各方 面因素导致供热成本较高，许多用户不愿意使用，这一矛盾一直制约着合肥供 热的发展。所以，如何降低供热成本是急需解决的问题，这对合肥地区集中供 热管网系统的发展有着重要的意义。 因此，本文主要内容为： ( 1 ) 针对合肥市供热管网运行现状，找出存在问题进行具体分析。 ( 2 ) 根据合肥地区热负荷变化规律，结合供热管网水力特性，进行水力分 析。 ( 3 ) 结合合肥地区的供热管网，运用( 火用) 经济理论进行分析，比较分 析结果。 ( 4 ) 根据研究结果提出合肥地区供热管网的发展方向。 7 第二章供热管网理论分析 2 1热负荷计算及预测 人们为了保证正常的生产和生活，要求室内保持一定的温度。一个建筑物 或房间可有各种取得和散失热量的途径。当建筑物或房间的失热量大于得热量 时，为了保持室内在要求温度下的热平衡，需要由采暖通风系统补给热量，以 保证室内要求的温度。采暖系统通常利用散热器向房间散热，通风系统送入高 于室内要求温度的空气，这样，一方面向房间不断地补充新鲜空气，另一方面 也为房间提供热量。 采暖系统的热负荷是指在某一室外温乙下，为了达到要求的室内温度t 。， 采暖系统在单位时间内向建筑物供给的热量。它随着建筑物得失热量的变化而 变化。 采暖系统的设计热负荷是指在设计室外温度t ，。下，为了达到要求的室内温 度t 。，采暖系统在单位时间内向建筑物供给的热量。它是设计采暖系统的最基 本依据。 集中供热设计中，热负荷是最重要的基础资料，它的数值是否得当直接影 响供热任务的完成和投资是否经济。无论供热系统热源确定、供热管网管径的 计算、还是选择各类供热设备都要依据热负荷，负荷大小与室外温度、建筑围 护结构的面积和热工性能有关。热负荷包括供暖负荷、通风负荷、生产和生活 用热负荷；其中供暖、通风负荷称为季节性负荷，与室外温度、湿度、风向、 风速、太阳辐射等气象条件密切相关，特别是室外温度对季节性的负荷的大小 起决定性影响。而生产及生活用热是全年性负荷，主要决定于用热设备的数量、 使用人数、使用状况、生产过程、生产量及工作制度等因数，与室外气象条件 关系不大。正确合理地计算热负荷是确定热源类型、规模、以及供热系统管径 大小、运行的方案是否合理，能否取得经济效益、社会效益、环境效益的重要 因素。因此在管网设计前必须对各类热负荷的数量、性质及参数进行详细的调 查和准确的计算。 区域管网的热负荷是由每一个单体建筑的负荷所构成的，为了计算供热系 统的最大热负荷数值，必须按照不同热用户的用热时间和变化规律，把可能同 时出现的热负荷加在一起，其中总用热量最大的小时热负荷作为供热系统的设 计依据。确定供热系统热负荷时，不仅要分析随季节的变化，还要分析它们逐 时的变化规律，这样才能准确提供经济合理的热负荷。一方面保证热用户的实 际需要，另一方面可以为供热站节约能源；在确定供热系统的热负荷时，还必 须进行详细的调查和认真分析，必要时也可以通过适当调整用热时间，以削减 供热系统的高峰负荷，节约投资。 2 1 1建筑热负荷的计算 8 建筑热负荷的计算问题是热负荷计算的基础，较为简单，根据冬季供暖房 间的热平衡方程，房间得热量= 房间失热量，即可求出。一个安装有供暖设施的 房间，由于室内空气温度高于室外空气温度，因而产生了由室内通过房间围护 结构向室外传热的过程。 供暖系统设计热负荷应根据房间得、失热量的平衡进行计算，即： 房间设计热负荷= 房间失热量总和一房间得热量总和 房间的失热量主要包括： q 。一一围护结构传热耗热； q ：一一加热由门、窗缝隙渗入室内的冷空气的耗热量； q 。一一加热由门、孔洞和其他相邻房间侵入的冷空气的耗热量； q 。一一加热由外部运入的冷物料和工具的耗热量； q 。一水分蒸发的耗热量； q 。一一加热由通风进入室内的冷空气的耗热量； q ，一一通过其他途径散失的热量。 房间的得热量包括： q 。一一太阳辐射进入室内的热量； q 。一一非供暖系统的热管道和其他热表面的散热量； q 。0 - 一人体及热物料的散热量； q 。一一生产车间最小负荷班的工艺设备散热量； q 。：一一通过其他途径获得的热量。 对于一般民用建筑和产生热量很少的工业建筑，供暖系统设计热负荷的计 算通常只考虑结构的传热量q 。，加热由门、窗缝隙渗入室内的冷空气的耗热量 q 。，以及加热由门、孔洞和其他相邻房间侵入的冷空气的耗热量q 。和太阳辐射 得热量q 。，其他往往可以忽略不计。在设计计算中，太阳辐射得热量q 。可对q 。 按照一定比例修正获得，并将修正获得的太阳辐射得热量并入到q 。中，这样供 暖系统热负荷q 的计算可简化为： q = q + q 2 + q 3 ( 2 1 ) 供暖系统设计热负荷的计算式为 q 、- q + q 2 + q 3 ( 2 2 ) 以上带“、”的符号均指设计工况下的各种参数( 下同) 1 。 2 1 1 1围护结构的基本耗热量 由于室内散热设备的散热量不稳定，而且室外空气温度随季节和昼夜也不 断变化，实际上结构的传热是一个不稳定传热的过程。但不稳定传热的计算非 常复杂，所以在工程设计中，对于室温允许有一定波动幅度的建筑物，结构的 基本耗热量可以按一维稳定传热进行计算，即假设在计算时间内，室内外空气 温度和其他传热过程参数都不随时间发生变化，这样可以简化计算，并基本满 9 足热舒适要求。 在稳定传热条件下，通过供暖房间各部分结构的基本耗热量可按下式计算： q 、= k f ( t , - t w ) o t ( 2 3 ) 整个房间的基本耗热量等于它的各个围护结构基本耗热量的总和： q i j = q - k f ( t , 一乇 ( 2 4 ) k 一一围护结构的传热系数，w m 2 ； f 一一围护结构的传热面积，m 2 ； t 。一一供暖室内计算温度，； ，一一供暖室外计算温度，； 口一一结构的温差修正系数。 结构温差修正系数口值的大小取决于非供暖房间或空间的保温性能和透气 状况，若其保温性能越差，且越容易与室外空气流通，则温差修正系数就越接 近1 。各种条件下的温差修正系数见表2 1 i 。 表2 1 温差修正系数口值 结构特征 口 外墙、屋顶、地面以及与室外相通的楼板 1 0 0 闷顶和室外空气相通的非供暖地下室上面的楼板等 o 9 0 非供暖地下室上面的楼板、外墙有窗时 0 7 5 非供暖地下室上面的楼板、外墙无窗且位于室外地坪以上时 o 6 0 非供暖地下室上面的楼板、外墙无窗且位于室外地坪以下时 o 4 0 与有外门窗的非供暖房间相邻的隔墙 0 7 0 与无外门窗的非供暖房间相邻的隔墙0 4 0 伸缩缝墙、沉降缝墙 o 3 0 防震缝墙0 7 0 与有外窗的不供暖楼梯间相邻的隔墙 1 6 层建筑 o 6 0 7 3 0 层建筑 o 5 0 2 1 1 2围护结构附加耗热量 朝向修正届一一不同朝向的围护结构所得的太阳辐射热是不同的。朝向修 正耗热量主要考虑三方面因素：太阳辐射建筑物时，阳光透过玻璃窗，使室内 直接得热；由于受阳面的结构比较干燥，传热系数减小；外表面和附近气温升 高，结构向外传递的热量会减少。太阳辐射热实际上是一种得热量，因此朝向 修正率一般取为负值。 风力修正屈一一围护结构外表面的传热主要由对流和辐射两部分组成，其 中对流换热与室外风速有关，即风速越大，则传热越快。计算围护结构基本耗 热量时，所选用的传热系数k 。值，它是对应于某个固定的室外风速值得来的。 1 0 对于建筑在不避风的高地、河边、海岸、旷野上的建筑物，以及城镇、厂区内 特别高的建筑物，垂直的外围护结构应附加5 一一1 0 。 高度修正孱一一计算基本耗热量中的室内计算温度是指房间内工作区的 温度，即指地面上2 m 以下的空气平均温度。当房间较高时，由于对流作用会使 上部温度高于工作区温度，加大了上部围护结构的耗热量。当房间净空高度大 于4 m 时，每增加1 m ，应增加2 ，但是，总的修正值不大于1 5 。 2 1 1 3冷风渗透耗热量 冬季室外的冷空气会通过门、窗的缝隙，或由于开门开窗而进入室内。这 部分冷空气由室外较低的温度被加热到室内温度所需的热量称为冷风渗透耗热 量。计算冷风渗透耗热量的常用方法有缝隙法、换气次数法和百分数法。其中 缝隙法是较精确的一种方法。冷风渗透耗热量的计算公式如下： q 2 = o 2 7 8 , c 口矿几( 乙一0 ) ( 2 5 ) q j 一一冷风渗透耗热量，w ； c 。一一冷空气的定压比热，c 。= 1 0 0 5 6 k j ( k g ) ； v 一一渗透空气的体积流量，m 3 h ： 风一一室外供暖计算温度下的渗透空气密度，k g m 3 。 在上式中，门窗缝隙渗入的总空气量v 可根据不同的朝向，按下式计算。 v = l o l , m b ( 2 6 ) l 一一外门窗缝隙的长度，应分别按各朝向可开肩的门窗缝隙长度计算，m ； l 。一一在基准高度( 我国气象部门规定，风速测定的基准高度为l o m ) 单 纯风压作用下，不考虑朝向修正和建筑物内部隔断情况时，通过每米门窗缝隙 进入室内的理论渗透空气量，m 3 ( m h ) ，可由式( 2 - 7 ) 确定。 皿一一风压与热压共同作用下，考虑建筑体型、内部隔断和空气流通等因素 后，不同朝向、不同高度的门窗冷风渗透压差综合修正系数，按式( 2 - 8 ) 确定。 b 一一f - 1 窗缝隙渗风修正指数，b = o 5 6 - 、，o 7 8 ，当无实测数据时，可取 b = o 6 7 。 通过每米门窗缝隙进入室内的理论渗透空气量，计算如下： l o = a ( 譬喀) ( 2 _ 7 ) 口一一外门窗缝隙渗风系数，当无实测数据时，可根据建筑外窗空气渗透 性能分级的相关标准，按表2 2 采用： 一一基准高度冬季室外最多风向的平均风速，m s ，见暖通规范。 表2 2 建筑物外门窗空气渗透性能分级与缝隙渗风系数下限值 i 建筑物外门窗空气渗透性能分级 ii ii i i v 口 m 3 ( 朋向尸扩郇) 】 0 1o 30 50 81 2 冷风渗透压差综合修正系数m 计算如下： m = e c r - ( n “6 + c ) g ( 2 8 ) c 一热压系数，当无法精确计算式，可按表2 3 采用； a c ，一一风压差系数，当无实测数据时，可取a c ，= o 7 ； n 一一单纯风压作用下，渗透冷空气的朝向修正系数，表2 4 给出部分城市 的1 1 值； g 一一高度修正系数，计算公式为g = 0 3 h 0 4 ，h 为计算门窗的中心线标高， m ； c 一一作用于门窗上的有效热压差与有效风压差之比，按下式计算： c 一7 0 茄赫 协 吃一一单纯热压作用下建筑物中和面的标高，i n ，可取建筑物总高度的l 2 ； 一一建筑物内部形成热压作用的竖井空气温度，。 表2 3 热压系数c r 取值表 有内门或房门 有前室门、楼梯间门或走 内部隔断情况开敞空间廊两端设门 密闭性差密闭性好密闭性差密闭性好 e 1 o1 o 0 8o 8 o 60 6 - - - 0 4o 。4 o 2 表2 4 渗风量的朝向修正系数n 值 地点北东北东东南南西南西西北 哈尔滨 o 3o 1 5o 2 00 7 01 00 8 5o 70 6 0 北京 1 00 50 1 5o 1 0o 1 5o 1 50 4 01 o 西安 o 7 01 0 0 7 0 o 2 50 4 0o 5 00 3 50 2 5 乌鲁木齐 o 3 50 3 50 5 5o 7 51 0 60 7 0 0 2 50 3 5 2 1 1 4围护结构逐时热负荷的近似计算 围护结构逐时热负荷的近似计算公式如下： q (