陈彧
北京融乐物业管理有限公司，100075
摘要：集中供热是我国北方主要的采暖形式，其与分散供热形式相比，集中供热体现了安全环保、经济节能等优势，但也存在供热模式复杂、热负荷需求变化明显、供热时间段不统一、同一换热站供热建筑类型多等问题，从而导致其调控复杂性显著增加，促使换热站供暖量难以匹配实际的供暖负荷需求，造成二次管网水力失衡，使得室内实际供热温度和需求温度之间存在过大偏差，并导致能源浪费。近年来，能源紧缺问题日益突显，节约能源及生态环保成为国际化的共同问题。在城市集中供热时，使其最大程度地节能减排己是当前城市规划建设的必然趋势。我国目前正处于可持续发展的关键性阶段，在进行集中供热时必须确保实现有效的社会环保效果，通过采用节能环保的技术手段，促使有限的能源更高效输出，提高能源使用效率，最大限度降低能源消耗量。本文围绕城市集中供热的节能技术途径展开分析，旨在从根本上推动城市集中供热系统降低采暖成本，减少能源消耗，促进城市供暖向绿色化、低碳化趋势发展，更好地实现节能目标。
【关键词】城市；集中供热；节能技术；途径分析
绪 论
由于城市建筑总量巨大，在进行集中供热时必然带来能源消耗急剧升高，因此，必须将节能减排的环保理念始终贯穿于供热工作的每一环节。我国目前尚属于发展中国家，人口基数大，能源利用情况较为复杂，因此易受能源结构限制，还存在许多亟待解决的问题。譬如，部分地区依然沿用落后的供热技术，缺乏调控计量，使得供热质量低下，室温舒适感差；同时，由于分散燃煤供热锅炉仍占有较大比重，也加重了采暖期大气环境污染。为解决能源、环保等有关的供热问题，需要进一步强化北方采暖城市集中供热系统的技术升级改造，提升热能利用质量及效率。在进行城市建设和集中供热发展中，应顺应社会发展现代化趋势，积极普及与优化供热节能技术，促进城市集中供热实现可持续性发展。
一、太阳能辅助供暖节能技术
1、太阳能辅助地源热泵供暖系统
地热能与太阳能是具有一定稳定性且绿色环保的可再生能源，潜藏着巨大的开发价值。太阳能辅助地源热泵供暖系统的辅助热源以太阳能为主，同步利用地源泵热和太阳能，促进其相互补充、相互作用，有助于提升热泵机组COP。该系统主要包含3种运行模式，分别为并联运行、串联运行以及交替运行，其中，串联运行方式又分为两种，一是循环介质通过埋管换热器后，再进至太阳能集热器，有利于实现热泵不开机直接供暖；二是循环介质先通过太阳能集热器后，再进至埋管换热器，可将余下的太阳热能往地下土壤进行输送，提升土壤温度的恢复速率。而并联模式主要利用分水器将热泵机组地源侧循环水进行分流，并进入太阳能集热器与埋管换热器，同时融汇进入到热泵机组。此外，可借助分流装置对介质的分流占比进行智能调节，结合光照条件对太阳能集热器管路流量进行适当改变，促进系统维持最优运行状态。在交替运行方式中，白天可通过太阳能集热器为热泵系统补给热源，在阴天或夜间可采用地源热泵供暖，在白天利用太阳能供暖时可促进土壤温度场获得恢复，且地源热泵系统中的埋管换热器可促进改善土壤蓄热功能，继而降低储热水箱容量。
2、太阳能辅助空气源热泵供暖系统
空气源热泵系统能在大气环境中以较低的能量消耗无偿地摄入充足的低品位热能，使得热量逐步从低温位转变为高温位，但是在我国北部，冬季室外空气温度过低，有可能导致热泵机组发生一系列问题，譬如，机组可随着环境温度下降使得吸气压力减弱，增高压缩机压缩比，继而造成额定压缩过程和热泵的压缩过程出现较大偏离，在低于空气露点温度的条件下，空气中的水分会在换热器表面结冻成霜，使得蒸发器的吸热量降低，难以满足热负荷的增长需求等。
3、太阳能辅助水源热泵供暖系统
水源热泵是通过地球表面浅层的水源，进一步将热能吸收从而产生低品位热能资源，借助热泵原理并利用少量的高位电能输入，促进低位热能转变为高位热能。水源热泵具有节能、成本低廉、运行效率良好等优势，且运行稳定可靠，有着一定的投资经济价值，体现了广阔的发展前景。值得注意的是，由于我国北方冬季的河流温度较低，可能会提高压缩机压缩比，造成额定压缩过程和热泵的压缩过程发生偏离，系统COP下降。在使用太阳能辅助水源热泵进行供暖时，可明显改善机组工况，并促进系统性能增强。
4、槽式太阳能供暖系统
槽式太阳能供暖系统主要包含了辅助热源、蓄能型换热器、太阳能集热器以及热用户等，其原理如图1所示。
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由于太阳能有着一定的不稳定性及间断性，为了平衡太阳能供暖与蓄热的关联，槽式太阳能供暖系统设计了多类运行模式，不同模式之间可进行切换，主要利用蓄能型换热器内蓄热油温度、监测集热器出油温度、蓄能型换热器两侧进口温差，和设定温度相对比，综合评估选用具体的运行模式。譬如，太阳能供暖及蓄热模式是在日照条件良好的情况下，集热器集热量可保障建筑物的耗热量，而富余的热量可储存于蓄能型换热器内；在蓄能型换热器独立供暖模式中，集热器在夜间或阴天停止工作，建筑物所消耗的热量均依赖蓄能型换热器提供，此时仅有蓄能型换热器运行。
二、火电机组供热改造技术
目前使用更高效能源取代北方冬季取暖的燃煤小锅炉成为必然趋势，针对大型火电机组实施供热技术优化,通过余热供暖是当前的主要研究方向。
以机组的高背压供热改造方案为例，主要运用了汽轮机的“双背压双转子互换”技术，对低压缸通流处加以优化改进，确保机组在高背压条件下有效运行。汽轮机在供暖期采用叶片级数较少的高压转子，在供热阶段，保持背压于54kpa以下，对于常规纯凝转子则可在非采暖期纯凝工况下运行。
总供热量设定为636.2MW，供热对应面积达1078.5万平米，热网设计总循环水量为13026.9t/h，供回水温度为101/59℃，运行时间为180天。
实施高背压改造模式，对1#高背压机组给予供热期所制作的片级数较少的高压转子，背压最大限度允许达54kpa，供热凝汽器为1℃端差，加温循环水达82.25 ℃。在热网水供水温度＜82.25℃时，则高背压改造机组背压也逐步下降，循环水量设定未变，则高背压机组供水温度和背压的关系如图2所示。
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在供水温度＜82.25℃时，供水温度上升，同时凝汽器背压增加。若外界环境温度较低，且供水温度＞82.25℃时，维持1#高背压机组背压为54kpa，加热热网水达82.25℃，投入尖峰加热器使用的方法包括:
方法一:尖峰加热器的热源优先源自2#尖峰机组，而1#高背压机组依据以热定电方式，在根据温度比分配热负荷变化时，主汽量也会产生改变，而2#机组主汽量始终根据最大进汽量运行。
方法二:尖峰加热器热源优先源于1#高背压机组，1067t/h为1#高背压机组主汽量，当抽汽量为0，余热量大于其根据温度比所分配的热负荷，则维持原先的1#高背压机组主汽量，并对1#高背压机组实施抽汽以调节余热量，满足余热量则完全利用，进一步降低2#机组抽汽量，其中2#机组抽汽和1#机组抽汽一同进入尖峰加热器用于尖峰热源，2#机组主汽量始终根据最大进汽量运行。
通过模拟计算两类方法的效果，1#高背压机组发电标准煤耗率在供热阶段，随着供热负荷下降而基本维持不变。2#尖峰机组在供水温度＞82.25℃时，伴随供热负荷减少其发电标准煤耗率不断升高，若供水温度＜82.25℃，2#尖峰机组不担负供热负荷，发电标准煤耗率维持283g/kW·h。在供水温度＞82.25℃时，1#机组进行抽汽会伴随供热负荷的下降，其发电标准煤耗率稍有降低，而2#尖峰机组发电标准煤耗率会有所上升。若供水温度＜82.25℃，1#机组则承担所有供热负荷，仍低于其余热量供热能力，因此主汽量伴随供热负荷的减低而减低，发电标准煤耗率大致维持不变。
三、热源热网的节能技术
集中供热系统的调节方式包括：①质调节：调节管网的供水温度；②量调节:调节管网的供水流量；③质量-流量调节：同时调整管网中的供水温度以及供水流量；④间歇调节：也就是改变每日供热时间。
另一方面，平衡调节技术也是热力管网系统节能优化技术之一，虽然在设计热力管网时通过管径调节以及阀门控制等干预进行预先的水力平衡核算，但在后续运行过程却较难达到规定的压差平衡标准，这主要由于压差平衡的实现取决于各热用户的流量再分配。为此，可于管网上安装自力式流量控制器以及平衡阀，利用技术保障促进热力管网实现水力平衡，保障每位热用户的热媒流量均可在计算工况基础上运行，有效处理供热管网的“始端用户过热、末端用户不热”等情况。此外，在推广管道直埋技术中，保温材料选用了导热系数较小的聚氨酯硬质泡沫塑料，其直埋敷设的热损失显著低于地沟敷设。同时，对于地沟敷设以及架空的供热管网，可选取新型保温材料及时保温阀门、供热管道与附件等，尽可能减少供热管网的热损失。
四、干热岩供暖技术
干热岩供暖技术和传统供暖模式相比具有一定优势：①温度要求低，钻井深度较浅；②无过高的技术要求，系统使用便捷；③可连续性利用，一是由于供暖所需热量较少；二是采暖期约为4个月，其余几个月可恢复消耗的热量[13]。
干热岩供暖形式主要包括以下几类：
①双井循环置换法：通过高压注水等方式建立人工热储，打通生产井和注水井，将循环介质注入，促进介质于人工储热水库内吸取干热岩热量，同时由生产井内喷出，进至换热器后完成热量交换，最好再将换热后的低温介质输送至注水井中，继而实现循环，如图3所示。
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地下人工热储的构造是此系统中最为的核心部分，目前地下人工热储的构造分为三类模式，一是，人工高压裂隙模式。这属于早期采用模式，当岩体自身无裂缝时，高压注入低温介质于注入井中，而高压超临界水会导致岩体在约垂直于最小地应力的位置形成裂缝，裂缝可伴随低温水的注入而逐步增加、扩充，同时相互连通，继而达到介质换热效果。二是，天然裂隙模式。有国外学校机构提出，当岩体发生天然裂缝后，往干热岩内注水，裂缝可伴随水量提升而不断增大，且会相互连通，继而生成面状人工干热岩热储构造。天然裂隙模式和人工高压裂隙模式相较，其具有更显著的换热量，效果较为确切。三是，天然裂隙-断层模式。通过岩体自身的天然断层和天然裂缝完成换热，利用断层将注水井和出水井进行连接，进一步达到良好的换热效果，增强系统的渗透性。热应法以及爆炸法也是形成裂隙的重要方式，其中热应法体现了热胀冷缩原理，促进温度突然上升或降低以形成裂缝，但热应法较难产生大规模岩体破裂。爆炸法主要通过爆炸所产生的能量促进新裂隙形成，其弊端为具有较大的不可控性。
②单井循环置换法：将套管置于高温钻孔内，内管较细，外管管径较粗，从内管通过高压将低温介质注入井底，由高温岩石加热再经外管返回，高温介质在返回后继续进至换热器和热力管网内介质实现换热。这类方式仅需1个井口，但传热工程中存在较大的热损失量。在压力的影响下高温介质从深井导出，数千米传输进程会出现热量损失，对热量利用率造成不良影响，且对岩石温度要求较为严格。
③单井导热法：这是在地下高温钻孔内安置封闭的特殊换热装置，利用换热器到处地下深处的热能，热量和水换热后再经过集中供热系统为地面建筑物进行供暖。
结 论
综上所述，现阶段能源问题已经是制约我国经济发展的重要因素，在北方由于存在冬季供热，能源消耗和节约问题尤为突出，如何在供热运行中运用节能思想和技术降低供热能耗，已成为当前的迫切任务， 是提升社会环保效益及经营效益的必然要求。通过选用适宜的城市集中供暖节能技术，有效促进能源消耗降低，实现城市供暖体系的良性发展。
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附 录