供热采暖系统的电耗分析与节能措施

我国北方城镇采暖能耗占全国城镇建筑总能耗的40％，为建筑能源消耗的最大组成部分。根据建设部的统计显示，目前全国供热采暖耗能全年约为1.3亿吨标准煤，占全社会总能耗的10％，北方地区总能耗的20%，其中一个很重要的原因就是北方的冬季供热采暖消耗了大量能源，因此，研究供热采暖系统的节能非常必要。

常规供热采暖系统的能源消耗包括燃料消耗、电能消耗和水资源消耗，前两项的能源消耗约占供热采暖整体消耗的90％以上，因此，前两项内容是供热采暖系统节能的重点所在。在这里重点探讨供热系统的电能消耗问题。

为了便于分析问题，我们把供热系统的电能消耗分为热源设备（燃烧设备、水处理设备、通风设备、仪器仪表设备）电耗和循环、定压装置的运行电耗两部分，其中后一部分的电耗受外界条件的影响较大，节能的节能潜力也较大。

集中供热采暖系统循环泵的电机输入功率与水泵的流量、压力和效率有关，必须设法减少循环流量、降低系统阻力和提高水泵的效率，通常采用加大供回水温差减少流量、参照经济比摩阻选择管径降低系统阻力以及优化系统形式设计、在选择水泵设备时，应选择特性曲线较为平坦的水泵等方法，这些对新建建筑的供热采暖系统较容易办到，对已有建筑供热采暖系统的改造就存在着一定的困难，必须结合原有系统的特点，以小的改动带动系统有较大的节能变化才行。

相关的设计规范、技术措施等已将供热采暖系统的热媒温度、供回水温差、管道比摩阻等设计参数进行了规定，在系统设计时遵照执行即可，但在系统循环方式、定压补水方式等方面设计的自由度较大，可通过优化设计方案达到系统节能目的。

对于中、小供热采暖系统，多采用高位水箱定压或闭式膨胀水箱定压，补给水泵只起补水作用，水泵运行时间较短，电量消耗差距不大；对于大、中供热采暖系统，多采用补给水泵间歇运行定压和连续运行定压。间歇运行的定压水泵，由于水泵的启动电流较大，对电网有所冲击，但电量消耗较小；如果系统采用补给水泵连续运行定压方式，由于循环水泵常年在额定功率下连续运转，其电能消耗就相当可观。以北京某小区为例，该系统配备6kw的补给水泵，每一个采暖季按120天计算，其运行电耗为120×24×6＝17280度。如果采用变频水泵进行系统补水定压，就可根据系统的压降和亏水情况变速运行，使得水泵的输入电功率减小，从而达到节电的目的。

以中、大型热源设计为例，无论一次水或二次水，大多数系统均为单独的质调节方式，又称定流量调节。设计时多采用一用一备或几用几备的配泵方式，选泵原则仍按照泵的流量不小于外网的所需流量的1.1～1.2倍、压力为管路及用户总阻力的1.05～1.10倍进行选择，对应的水泵功率已超过实际所需功率，再加上选泵时习惯向上一挡数据靠拢，根据公式N＝0.163rVH/η（kW）可以看出，水泵选择时又增加了不少电耗负荷，《民用建筑节能设计标准》规定：供热系统中循环水泵的电功耗一般应控制在单位建筑面积0.35～0.45W/m²的范围内，但实际结果并不容乐观，多数小区的电耗指标在0.54～0.61 W/m左右，有的小区甚至高达0.71 W/m以上，供热效果仍不理想。

另一种循环方式是按照质量－流量优化调节的分阶段改变流量调节的运行方式，这对于水泵变速运行技术未普及之前是一个较好的循环方式。对于大型采暖系统，通常按照三个阶段设置泵组，其流量分别为100％、80％和60％，压力为100％、64％和36%，理论计算对应的水泵轴功率分别为100％、51％和22％；对小型采暖系统，可按两个阶段设置泵组，其流量分别按100％和75％，压力为100％和51％，对应的轴功率分别为100％和42％，从以上过程的分析中就可看出分阶段改变流量的质调节方式，可以有效地减少系统运行的电能消耗，实际的调研结果与上述理论计算相吻合。

在实际运行中，也发现在单独质调节且配备多台循环泵并联的系统，采用人为减少循环水泵台数的办法进行土法量调节，但由于系统的循环水泵的压力是按照满负荷流量的阻力损失进行选择的，当流量的减少时，系统阻力大幅度下降，如果在减少运行水泵台数的同时，不采用节流措施增加管道阻力，往往会造成流量过大导致水泵电机过载，严重时会损坏电机。图1为2台同型号水泵的并联运行曲线，从图中可以清楚地看出当单台水泵运行时，其实际流量明显大于水泵的额定流量，造成单台水泵过载。

第三种循环方式为质量－流量的优化调节。由于控制技术的迅速发展，特别是变频技术为水泵的变速运行带来了方便，使得供热采暖系统同步实行质和量的综合调节成为可能。在此基础上，又开发出多种节能辅助设备，例如末端温控装置、气候补偿器、锅炉控制器等节能产品，这些产品与变频调速技术联用，会取得更好的节能效果。

针对循环水泵巨大电耗和既有建筑供热系统的传统循环方式，对循环水泵进行了性能分析：水泵的流量（G）、压力(H)和轴功率(N)均与水泵的叶轮转速(n)之间存在着一定的比例关系：

由此可以看出，水泵的压力与流量的平方成正比：水泵的轴功率与流量的立方成正比。当水泵的流量降低20％的时候，电机的转速就降低20％，水泵的电耗将降低50％：当水泵的流量降低50％的时候，电机的转速就降低50％，水泵的电耗就降低87.5％。因此，在保证系统基本流量的前提下，有效地降低水泵的流量，节约电能效果显著。由图2也可以看出三者之间的关系。

图1 不同运行台数水泵的流量关系     图2 水泵的流量、压力、轴功率之间的关系

依据水泵厂提供的ISB200／150－400-50A标准转速1450rpm下的特性曲线图，已及流量、压力、轴功率和转速之间的关系，分别绘制了不同转速下的流量-压力曲线和流量－功率曲线，参见图3、图4。

图3 单台ISB200/150-400-50A型水泵          图4 单台ISB200/150-400-50A型水泵
在4种不同转速下的流量-压力曲线图            在4种不同转速下的流量-功率曲线图

    从上面图形分析可以看出，转速的变化对流量、压力、轴功率的影响很大，变频技术通过对水泵转速的调节，使流量、压力同时变化，从而达到质量—流量的优化运行，对于原设计为单纯质调节的旧有建筑供热采暖系统，尤为适用。

目前，热水供暖系统的变流量调节措施有采用阀门开度调节（含电动执行器带动阀门和单独手动调节或自力式调节）以及水泵变速运行技术的调节方式。通过改变交流电频率使电机转速发生变化，改变水泵转速就等于改变了水泵的输出功率，同时减少了电机的输入轴功率，降低了电耗。由此可见利用电机变频技术，结合质量—流量优化调节方式，可使系统的电能消耗降低到合理的范围内。

以北京某小区集中采暖热水供暖系统为例，对供热采暖系统进行质调节、阀门调节的和变流量调节三种方式的能耗进行分析研究。

实例1：某生活小区的供暖面积为35.8×10⁴㎡，热源为大型间供式锅炉房，共有5台4.2MW的燃媒热水锅炉，一次水温度为120℃/70℃，采用氮气定压，二次水温度95℃/70℃，采用补给水泵连续运行定压，该热源在调研期间安装了热源监测系统。一次网采用三台ISB200／150-400-50A型水泵，二用一备，校核系统一次网的设计流量，采用一台水泵几乎可以满足系统的使用要求。系统的一次热网采用“质量－流量优化调节”，表1为在采暖期内不同循环水量的分布情况，可以看出，一次网流量在150t/h和300t/h的工况下运行的时间较多，大约各占700个小时，由此可见，系统大部分时间都是在部分负荷状态下运行。利用“质量－流量优化调节”方法，应用水泵变频调速来实现供暖系统连续改变流量的优化调节目，保证系统在部分负荷状态下优化运行。

表1 系统一次网循环水泵采用阀门调节法和变频调速法的轴功率耗电分析

循环水量t/h	分布情况		采暖季阀门调节		采暖季变频调速
	占有比例％	运行时间h	轴功率kw	耗电量kwh	轴功率kw	耗电量kwh
150	26	700	35	24,500	2.6	1,820
200	14	360	40	14,400	8.0	2.880
250	18	480	46.6	22,368	9.0	4,320
300	26	700	52.5	36,750	26.2	18,340
350	13	360	58.0	20,880	29.6	10,656
400	3	80	62.8	5,024	62.8	5,024
∑	100	2680	123,922		43,040

以表1数据为依据，参照实际运行情况，首先对一次网系统进行模拟计算，分析出采用不同调节方法的节能效果，并在表1中给出了一次网运行时采用阀门调节方法或变频调速方法的轴功率电耗分析。表中“阀门调节”和“变频调速”两项的数据根据图3分析获得。采用阀门调节法时，对应的轴功率应在标准转速为1450rpm对应的曲线上分别求得；采用变颁调速法，不同的循环水量对应的轴功率应在满足高效运行的前提下，在转速为1450rpm、1150rpm、850rpm和550rpm对应的曲线上分别求得。

该小区热水供暖系统一次网如果采用质调节方式，系统的循环水量为400m³／h，水泵的轴功率为62.8Kw；采暖季的年平均运行小时数为2680h，则系统的运行电耗为62.8×2680＝168,304kWh。

对于民用建筑与商业建筑，电价的实际差别较大，部分地区实行峰谷电价或给予有关用电政策优惠，差价更加明显。如果以民用平均电价0.50元/kWh的加权值进行计算，采暖季采用不同的调节方法时，系统一次网循环水泵的运行费用分别为：       

采用单纯质调节方法，一次网循环水泵的运行费用为F=168,304×0.5=8.42万元人民币。

采用阀门调节法，一次网循环水泵的运行费用为F=123,922×0.5=6.20万元人民币。

采用变频调速法，一次网循环水泵的运行费用为F=43,040×0.5=2.15万元人民币。

由上面分析可以看出，一次网循环水泵采用变频调速法进行运行调节时，在一个采暖季内节省电能125,264kWh，节省运行费用6万元人民币，比阀门调节法在一个采暖季内节省电能80,882kWh，节省运行费用4.1万元人民币。工程改造完成后，进行了采暖运行，其运行结果与上述计算结果大致相同。循环水泵只加装了一套变频设备，工程费用约为6.75元人民币，改造后一年可省运行费用人民币6万元，第二个采暖季即可收回投资。  

该热源二次热水系统采用补给水泵连续运行定压，也增加了变频装置，花费约4万元，据甲方提供的数字，改装后，定压水泵的耗电量下降了约40％。

实例2：北京另一小区热水供暖系统，供暖面积为20×10⁴㎡，由小区热交换站供热，二次水温度80℃/60℃，二次水系统采用高位水箱定压，对该系统二次网进行质调节和变频调速法的变流量调节二种调节方法的能耗分析。

该热源具有一套较为完整的仪表设备，但经常关闭仪表柜和自动记录装置，靠人工填写记录。该小区还存在着较为严重的水力失调现象。原设计图纸上注明该系统调节为单纯的质调节设计，采用了四台ISB200／150-400-50A型水泵，三用一备。我们根据现场的实际建筑热负荷情况，重新核算了流量，验证了采用二台水泵运行即可满足二次网的设计流量。在实际运行过程中，操作人员也根据室外温度和供热调节曲线，人工控制一次水的回水温度，并自行决定开启二次循环泵的台数。有关对比运行的参数见表2。

表2 某小区二次网循环水泵运行情况和轴功率耗电分析

循环水量t/h	流量分布情况		变频调速运行		人工运行
	占有比例 ％	运行时间 h	轴功率 kw	耗电量 kwh	开启泵台数 及轴功率kw	耗电量 kwh
300	7	187	44.3	8,284	1台泵75KW	14,025
350	8	214	52.8	11,299	1台泵75KW	16,050
400	12	322	69.0	22,218	2台泵150KW	28,500
450	20	480	80.2	32,080	2台泵150KW	72,000
500	25	536	97.9	52,474	2台泵150KW	80,400
600	10	360	119.1	42,876	3台泵225KW	81,000
700	8	214	131.4	28,120	3台泵225KW	48,150
800	7	187	149.1	27,881	3台泵225KW	42,075
∑	100	2680	158352		382200

表中 ，人工运行的耗电量按运行水泵台数的电机功率计算，变频运行按二台水泵并联运行曲线分析得来，部分数据与运行时仪表柜上仪表所显示流量、电流等参数抽查核对。

该小区热水采暖系统二次网如果采用人工质调节方式，系统的循环水量为800m³／h，水泵的轴功率为N=149.1kW；采暖季的年运行小时数为2680h，系统的运行电耗为382,200kWh，总电价为382,280×0.5＝191140元，如果采用采用变频调速法，系统的运行电耗为158,352kWh，总电价为158,352×0.5＝791760元，二者相差111964元。变频器费用约为125,000元（目前变频器的价格又下降了很多），运行当年即可基本收回投资。该系统在测试完成二年后，结合二、三期建设进行了增容改造，其分摊费用基本符合当初预期指标，只是变频器的价格略有下降。

我国采暖地区比较辽阔，耗能巨大，节能潜力较大。由于目前大量的热源和换热站采用的都是单纯质调节设计，按照国家节能政策和节能目标的要求，都应进行改造。随着科学技术的发展，变频技术越来越成熟，价格也在不断下降，在原有单纯质调节的基础上加装变频设备是一件不困难的事情，因此，对于众多单纯质调型热源，通过增加变频调速技术改为“质量-流量优化运行调节”型热源，将会节约大量的电能和运行费用，将对缓解电力紧张状况，提高供热采暖的经济性起到很大的作用。