城市集中供熱優化設計分析

周鵬

中國市政工程東北設計研究總院有限公司，中國·吉林 長春 130021

1 引言

隨著經濟的發展以及城市化進程的推進，對于能源的需求愈加突出，能源緊張以及環境污染給我們日常生活帶來諸多煩惱。尋求高效、合理及環保的能源結構，減少煤炭等一次能源使用，逐漸取締分散小鍋爐，大力發展集中供熱事業是解決目前中國北方地區能源緊張最有效方法之一。為節約能源減少污染，需對集中供熱系統進行優化設計分析，從設計角度提高系統的運行效率，達到節能減排目的[1]。

2 “集中供熱”發展歷程

集中供熱始于18世紀70年代，紐約建成了世界上第一個區域鍋爐房向附近的14 家用戶供熱，這是集中供熱的雛形。20世紀80年代以前中國的供熱方式都采用分散式，90年代后期國家開始關注集中供熱事業。隨著國家對供熱事業的關注，政府針對供熱行業頒布了一系列政策，供熱方式也由原來的分散式逐漸變為集中式。

20世紀70年代到90年代迎來了供熱事業發展的重要時期，以熱電聯產為主的城市集中供熱行業不斷發展壯大。1986年，中國國務院發布《關于加強城市集中供熱管理工作的報告》充分肯定了熱電聯產是節約能源、減少環境污染的有效途徑，從政策、資金、環保等方面給予大力支持，確定了發展熱電聯產集中供熱的大方向，為集中供熱在全國范圍推廣奠定基礎。

3 “集中供熱”系統優勢分析

集中供熱由集中熱源所產生的蒸汽、熱水，通過管網供給一個城市 （鎮）或部分區域生產、采暖和生活所需的熱量的方式。集中供熱是現代化城市基礎設施之一，也是城市公用事業的一項重要設施。集中供熱相比于分散小鍋爐房供熱具有以下優勢[2]。

3.1 提高能源利用效率

傳統分散小鍋爐由于人員結構不同、技術水平有限、環保意識不強導致燃燒不徹底，煤炭沒有完全燃燒，實際熱效率只有50%、大型凝汽式機組的發電熱效率一般不超過40%、分散的小型燒煤鍋爐熱效率只有50%～60%、而集中供熱熱電聯產綜合熱效率可達到85%左右。

3.2 提高供熱品質

集中供熱系統引入了智能化監管設備，能檢測出管網及換熱站的運行狀況，提前預知設備故障，減少事故發生率。自動化設備的引進實現了遠程控制，數據實時上傳，根據熱網供回水溫度及時調節鍋爐燃煤進度，保證溫度控制在合理范圍內。

3.3 減少大氣污染

小型分散鍋爐房雖然也能達到供熱的效果，但由于沒有氣體處理設施，給環境帶來巨大SO2、NOx等污染氣體排放，破壞生態環境。然而集中供熱的實施，安裝了高煙囪和氣體凈化裝置，且排放的煙氣數據達到了實時上傳，確保排放氣體質量在可控范圍之內，減少大氣污染，有力保障了采暖季空氣質量。

3.4 節約土地資源

集中供熱熱源在城市的郊區規劃及布局相對合理，用戶不用建設分散小鍋爐房、煤場等熱源設施。對于企業來說，可以減少人力、物力、財力的投入，不用專人進行經營管理；對于城市來說，可以改善市容市貌、節約城市資源以及城市居住環境。

4 管網優化策略

4.1 管網連接方式

在大型集中供熱管網中由于用戶的多樣性，若以某一既定熱媒參數下運行熱網，顯然是行不通的。為了滿足多樣化熱網需求，選擇合理的連接方式是方案能否取得經濟效益、社會效益及環境效益的重要前提。為了提供連續不間斷的供熱服務，要采用間接連接方式，具體形式是在小區設置二次換熱裝置既水—水換熱站與用戶進行連接，這樣每個用戶是相對獨立的，當某個小區出現故障，檢查和維修起來較為方便，能在短時間內進行修復，保證供熱質量。

4.2 管網敷設方式

熱力管網敷設方式有架空、直埋、地溝三種方式。

4.2.1 架空

架空敷設是通過支墩、墻、柱體等支撐結構將管道安裝在此支撐結構上面的一種敷設方式，架空敷設占地面積大、熱損耗大、保溫層易損壞、影響城市美觀等缺點。

4.2.2 直埋

直埋敷設是將供熱管道直接埋于土壤的敷設方式，通過對比分析發現直埋敷設方式更適合現代化城市發展需求，直埋具有占地面積小、熱損失小、施工時間短、不影響城市美觀、使用時間長等優點。

4.2.3 地溝

地溝是地下敷設管道的圍護構筑物，地溝敷設需要開挖溝槽后砌磚增加工程量，若地溝出現積水管道長時間浸泡會出現腐蝕減少管道使用壽命[3]。

4.3 管網保溫材料

保溫材料作為供熱管道重要組成部分，不僅能延長管道的使用壽命，而且可以減少管道熱損失。傳統保溫材料以巖棉為主，由于巖棉質地較軟使用過程中管道上部作用力大易發生沉降，保溫材料和鋼管之間產生縫隙，空氣從縫隙通過與鋼管外壁發生對流現象，導致熱量損耗。與巖棉相比聚氨酯保溫材料具有硬度大、熱工性能好、防潮防水、耐高溫等特點。經檢測聚氨酯導熱系數為0.021，巖棉的導熱系數為0.05，相同的管道單位時間內巖棉散熱量將是聚氨酯的2 倍以上。同時，實驗證明聚氨酯具有良好的抗腐蝕性和抗滲透能力，可以延長管網的使用壽命。

5 運行優化策略

5.1 運行優化設計

集中供熱管網在運行過程中存在能源的浪費與消耗，導致實際供熱效率達不到理想值，其主要原因是由于集中供熱管網運行方式落伍造成的。在當代科學技術發展下，計算機技術已經深入各行各業，計算機技術與集中供熱相結合是未來智慧供熱發展的主要方向。在城市集中供熱的運行過程中，熱量的消耗與損失是不可避免的，但物聯網時代會讓事故發生率降低，讓搶修時間大大縮短，進而降低熱損耗。計算機技術的應用不但會節約人力成本，而且數據及時采集上傳，并能對數據進行分析，便于工作人員了解整個熱網的運行情況，分析預判事故，達到智能化控制。

5.2 優化供熱管網直徑

集中供熱系統由熱源、熱網、換熱站、熱用戶幾個部分組成，而熱網是連接熱源與熱用戶的橋梁，是影響管網系統能耗、供熱效果、工程投資的關鍵因素。管網設計過程中應秉承科學、合理、節約的設計理念，運用先進水力計算軟件START 進行模擬分析，降低管道的供熱半徑、控制建設成本。同時，在管網設計時應該盡量減少閥門的數量，降低城市集中供熱管網阻力，避免由于設計不合理而導致管道局部阻力損失過大[4]。

在設計管網布局時，以城市需求為基礎，以城市供熱專項規劃為設計依據，以熱負荷分布圖為走向，主管網沿熱負荷集中區域敷設。同時，在實際管網布局規劃設計時，應在充分把握經濟效益的前提下，做好長遠規劃，保證供熱管網布局合理性與科學性，滿足未來熱負荷發展需求。

6 結語

集中供熱是中國現階段最為重要的供暖方式，越來越被廣大居民所接受。集中供熱系統不僅節約能源、提高管網的運行效率，且供熱質量高。在城市快速發展的經濟環境下，對于供暖行業提出了全方位、多角度的要求，為滿足城市化發展需求，應不斷對集中供熱系統進行優化，促進供暖事業向節能、環保、高效方向發展。