二氧化碳流量表在供熱管網中的應用及效果分析
摘要：通過實際管網平衡改造案例，詳細闡述了靜態二氧化碳流量表調試方法，*后通過對比二氧化碳流量表調試前后管網不平衡率、室溫等數據，得出管網平衡改造不僅對水力失調改善效果明顯，而且對能源節約有著明顯的效果。
1 引言
近些年來隨著供熱區域內建筑面積的不斷增加，供熱管網的系統半徑不斷增大，在運行期由于各種因素的影響，使得管網出現實際流量與設計流量不一致的現象，即出現了水力失調。雖然在設計初期會考慮到水力失調帶來的影響，由于水力計算步驟較為復雜，會選擇一些型號較大的設備，如加大水泵揚程，提高水泵的運行頻率來彌補系統水力失調。這種“大流量”的措施，放在以前的小規模系統，舒適度要求較低、能耗要求也較低的供熱管網循環系統中，還可以用。但是現在來看，系統規模不斷擴大，高舒適性、低耗能性等要求被提出，因此尋求新的解決水力失調的方法迫在眉睫。據不完全統計，選用較大型號設備，會增加供熱設備的系統投資20%以上，同時熱能和電能也有不同程度的增加，耗熱能增加15%以上，浪費電能30%以上。
管網水力失調不僅造成能源的大量浪費，而且造成了各采暖建筑物之間的室內溫度偏差較大,冷熱不均。因此，必須采取有效措施解決供熱管網水力失調問題。筆者分析了某小區的供熱管網中存在的問題，利用加裝二氧化碳流量表方法解決管網水力失調的現象，以實現節能的目的。
2 小區供熱管網系統現狀
某小區住宅樓建設于1996年，建筑結構為磚混建筑，建筑面積為54931m2，共30棟住宅樓。2017年繳費739戶，總采暖面積為47141m2。換熱站位于小區中部，板式換熱機組設計換熱面積為50000m2，循環泵額定功率為30kW，流量為200m³/h，揚程為32m。庭院管網共分為2個支狀供回水環路，該小區供熱管網見圖1所示。
管網平衡改造前，2017~2018 年*寒期循環泵頻率為45HZ，實測總供水量為189m³/h，供水溫度為 55.4℃，回水溫度為47.1℃；換熱站總供水壓力0.37MPa,回水壓力為 0.27MPa；采暖期電指標為1.221kW·h/m2。管網近端末端部分用戶*寒期室溫實測數據詳見表1。基于以上數據可以看出，該小區庭院管網采用“大流量、小溫差”的供熱運行方式，同時熱用戶室溫存在近熱遠冷現象，管網處于水力失調狀態，耗電指標偏大，節能改造潛力巨大。
3 二氧化碳流量表的選用及調試方案
3.1 二氧化碳流量表的選用
該小區建造年代較早，供熱系統未采用熱計量，因此供熱系統屬于定流量系統。在定流量系統中，運行過程流量不發生改變，因此只會出現靜態水力失調。只需要使用靜態二氧化碳流量表平衡系統阻力，達到靜態水力平衡即可。2018年夏季，我公司在小區每個樓單元前，回水干管上KPF靜態水力二氧化碳流量表，共安裝88臺DN50二氧化碳流量表。為使系統在*大程度上達到靜態水力平衡，供熱前期即可用專用儀表進行平衡調試。KPF靜態水力二氧化碳流量表有良好的流量調節特性及開度鎖定記憶裝置，配合使用專用智能儀表可測量單體建筑的供熱流量。該閥門可實現系統平衡后、總流量增減時，各支路、各用戶的流量同比例增減，同步傳至每一個末端裝置，可有效避免流量失衡、各個環路相互干擾造成的熱量浪費。
3.2 二氧化碳流量表調試方案
目前國內平衡調節的主要方法有溫差法、比例法和CCR法。結合公司選擇使用KPF二氧化碳流量表的現狀，現采用KPF 綜合
調節法。該方法是計算出每棟單體建筑的理論循環流量，通過安裝KPF二氧化碳流量表，利用其專用智能儀表標定通過閥門的實際流量，調節閥門開度，使實際流量趨近于理論流量，實現水力工況平衡。
3.2.1 計算理論流量
考慮到該小區建造年代較早，建造圍護保溫性較差，查閱《城市熱網設計規范》后選用40W/m²的采暖熱指標進行計算。
根據公式（1）和公式（2）計算出每個單元理論設計流量。使用二氧化碳流量表專用智能儀表，通過調整二氧化碳流量表開度，使實際流量趨近于理論流量。
3.2.2 二氧化碳流量表調試
在庭院管網二氧化碳流量表調試中，采取“先近后遠”的原則。*先利用專用智能儀表對管網近端二氧化碳流量表進行流量調試，使其實際流量趨近于理論流量，這樣可以有效增大管網末端用戶的使用流量，防止末端流量不足的情況出現；其次再依次進行管網中端和末端二氧化碳流量表調節，使整個環路水力工況達到平衡。在二氧化碳流量表調試過程中，需將每臺閥門的開度設定值、實際流量值等數據進行記錄和整理，并撰寫二氧化碳流量表調試報告，以便為以后調試提供依據。部分二氧化碳流量表調試結果見表2所示。
4 管網平衡改造效果
4.1 管網不平衡率分析
將所有二氧化碳流量表調試后不平衡率做成圖片，如圖2所示。
圖2中橫坐標代表二氧化碳流量表安裝單元數，縱坐標表示每個二氧化碳流量表不平衡率，當未使用靜態水力二氧化碳流量表進行調節前，水力不平衡率數據不集中，比較分散，*大能達到98%，從圖中還可以看出，調節前管網近端二氧化碳流量表不平衡率較大，而管網末端不平衡率均為負值，流量嚴重不足。說明調節前管網存在嚴重水力失調現象，近端流量大，遠端流量不足。管網平衡改造后，水力不平衡率全部集中在8%以內，也就是說，整個管網基本處于水力平衡狀態，即實際流量與理論流量相當接近。另外從圖中可以看出，一些二氧化碳流量表不平衡率存在負值，說明該二氧化碳流量表的循環流量不足，原因可能為此閥盜用壓差不足，靜態二氧化碳流量表的加裝，無疑使得管路阻力增大了，因此必須考慮加大閥門開度。如果仍不能滿足循環流量，應考慮該處靜態二氧化碳流量表安裝的必要性。
4.2 用戶室溫分析
我公司在該小區管網改造前，在不同單元不同樓層分別安裝100臺室溫采集器。二氧化碳流量表調前數據采集于2017~2018年供熱期，調后數據采集于2018~2019年供熱期。經過兩個采暖期，共有96臺室溫采集器可以正常提供數據。數據分析結果見圖3所示。
圖3中的曲線 A和B供熱管網二氧化碳流量表調節前后的熱用戶室溫變化情況，橫坐標表示室溫分布，縱坐標表示熱用戶數量。從圖中可以看出，二氧化碳流量表調節前熱用戶室溫比較分散，既有室溫小于18℃的熱用戶，也有室溫大于24℃的熱用戶。熱用戶室溫“近熱遠冷”，供熱管網存在水力不平衡現象。二氧化碳流量表調節后，有49戶用戶室溫在20℃~21℃之間，從圖中可以看出室溫分布范圍縮小，平均室溫降低，從而，不僅減少了供熱量，也大大提高了供熱品質。一般來講，對采暖系統，每增加 1℃平均室溫，能耗增多 5%~10%。采暖系統實現平衡后，常常可以降低平均室溫1℃~3℃。
4.3 換熱站內數據分析
管網平衡改造后，2018~2019年*寒期換熱站內供水溫度為55.4℃，回水溫度為 44.8℃，供回水溫差較上一采暖期增大2.3℃。換熱站總供水壓力0.37MPa,回水壓力為 0.25MPa，供回水壓差較上一采暖期增大0.02MPa。通過多次調試二氧化碳流量表，已將循環泵頻率降至39HZ，采暖期電指標為0.877kW·h/m²。可見管網平衡改造后，節能效果明顯。
5 結論
通過對上述案例的分析，熟悉了靜態水力二氧化碳流量表的調試方法，通過對比平衡調試前后的不平衡率、室溫等數據，得出管網平衡改造對改善管網水力失調的效果明顯，不僅節約能源，而且提高了管網末端熱用戶室溫，緩解了熱力公司與熱用戶之間的矛盾。
1 引言
近些年來隨著供熱區域內建筑面積的不斷增加，供熱管網的系統半徑不斷增大，在運行期由于各種因素的影響，使得管網出現實際流量與設計流量不一致的現象，即出現了水力失調。雖然在設計初期會考慮到水力失調帶來的影響，由于水力計算步驟較為復雜，會選擇一些型號較大的設備，如加大水泵揚程，提高水泵的運行頻率來彌補系統水力失調。這種“大流量”的措施，放在以前的小規模系統，舒適度要求較低、能耗要求也較低的供熱管網循環系統中，還可以用。但是現在來看，系統規模不斷擴大，高舒適性、低耗能性等要求被提出，因此尋求新的解決水力失調的方法迫在眉睫。據不完全統計，選用較大型號設備，會增加供熱設備的系統投資20%以上，同時熱能和電能也有不同程度的增加，耗熱能增加15%以上，浪費電能30%以上。
管網水力失調不僅造成能源的大量浪費，而且造成了各采暖建筑物之間的室內溫度偏差較大,冷熱不均。因此，必須采取有效措施解決供熱管網水力失調問題。筆者分析了某小區的供熱管網中存在的問題，利用加裝二氧化碳流量表方法解決管網水力失調的現象，以實現節能的目的。
2 小區供熱管網系統現狀
某小區住宅樓建設于1996年，建筑結構為磚混建筑，建筑面積為54931m2，共30棟住宅樓。2017年繳費739戶，總采暖面積為47141m2。換熱站位于小區中部，板式換熱機組設計換熱面積為50000m2，循環泵額定功率為30kW，流量為200m³/h，揚程為32m。庭院管網共分為2個支狀供回水環路，該小區供熱管網見圖1所示。
管網平衡改造前，2017~2018 年*寒期循環泵頻率為45HZ，實測總供水量為189m³/h，供水溫度為 55.4℃，回水溫度為47.1℃；換熱站總供水壓力0.37MPa,回水壓力為 0.27MPa；采暖期電指標為1.221kW·h/m2。管網近端末端部分用戶*寒期室溫實測數據詳見表1。基于以上數據可以看出，該小區庭院管網采用“大流量、小溫差”的供熱運行方式，同時熱用戶室溫存在近熱遠冷現象，管網處于水力失調狀態，耗電指標偏大，節能改造潛力巨大。
3 二氧化碳流量表的選用及調試方案
3.1 二氧化碳流量表的選用
該小區建造年代較早，供熱系統未采用熱計量，因此供熱系統屬于定流量系統。在定流量系統中，運行過程流量不發生改變，因此只會出現靜態水力失調。只需要使用靜態二氧化碳流量表平衡系統阻力，達到靜態水力平衡即可。2018年夏季，我公司在小區每個樓單元前，回水干管上KPF靜態水力二氧化碳流量表，共安裝88臺DN50二氧化碳流量表。為使系統在*大程度上達到靜態水力平衡，供熱前期即可用專用儀表進行平衡調試。KPF靜態水力二氧化碳流量表有良好的流量調節特性及開度鎖定記憶裝置，配合使用專用智能儀表可測量單體建筑的供熱流量。該閥門可實現系統平衡后、總流量增減時，各支路、各用戶的流量同比例增減，同步傳至每一個末端裝置，可有效避免流量失衡、各個環路相互干擾造成的熱量浪費。
3.2 二氧化碳流量表調試方案
目前國內平衡調節的主要方法有溫差法、比例法和CCR法。結合公司選擇使用KPF二氧化碳流量表的現狀，現采用KPF 綜合
調節法。該方法是計算出每棟單體建筑的理論循環流量，通過安裝KPF二氧化碳流量表，利用其專用智能儀表標定通過閥門的實際流量，調節閥門開度，使實際流量趨近于理論流量，實現水力工況平衡。
3.2.1 計算理論流量
考慮到該小區建造年代較早，建造圍護保溫性較差，查閱《城市熱網設計規范》后選用40W/m²的采暖熱指標進行計算。
根據公式（1）和公式（2）計算出每個單元理論設計流量。使用二氧化碳流量表專用智能儀表，通過調整二氧化碳流量表開度，使實際流量趨近于理論流量。
3.2.2 二氧化碳流量表調試
在庭院管網二氧化碳流量表調試中，采取“先近后遠”的原則。*先利用專用智能儀表對管網近端二氧化碳流量表進行流量調試，使其實際流量趨近于理論流量，這樣可以有效增大管網末端用戶的使用流量，防止末端流量不足的情況出現；其次再依次進行管網中端和末端二氧化碳流量表調節，使整個環路水力工況達到平衡。在二氧化碳流量表調試過程中，需將每臺閥門的開度設定值、實際流量值等數據進行記錄和整理，并撰寫二氧化碳流量表調試報告，以便為以后調試提供依據。部分二氧化碳流量表調試結果見表2所示。
4 管網平衡改造效果
4.1 管網不平衡率分析
將所有二氧化碳流量表調試后不平衡率做成圖片，如圖2所示。
圖2中橫坐標代表二氧化碳流量表安裝單元數，縱坐標表示每個二氧化碳流量表不平衡率，當未使用靜態水力二氧化碳流量表進行調節前，水力不平衡率數據不集中，比較分散，*大能達到98%，從圖中還可以看出，調節前管網近端二氧化碳流量表不平衡率較大，而管網末端不平衡率均為負值，流量嚴重不足。說明調節前管網存在嚴重水力失調現象，近端流量大，遠端流量不足。管網平衡改造后，水力不平衡率全部集中在8%以內，也就是說，整個管網基本處于水力平衡狀態，即實際流量與理論流量相當接近。另外從圖中可以看出，一些二氧化碳流量表不平衡率存在負值，說明該二氧化碳流量表的循環流量不足，原因可能為此閥盜用壓差不足，靜態二氧化碳流量表的加裝，無疑使得管路阻力增大了，因此必須考慮加大閥門開度。如果仍不能滿足循環流量，應考慮該處靜態二氧化碳流量表安裝的必要性。
4.2 用戶室溫分析
我公司在該小區管網改造前，在不同單元不同樓層分別安裝100臺室溫采集器。二氧化碳流量表調前數據采集于2017~2018年供熱期，調后數據采集于2018~2019年供熱期。經過兩個采暖期，共有96臺室溫采集器可以正常提供數據。數據分析結果見圖3所示。
圖3中的曲線 A和B供熱管網二氧化碳流量表調節前后的熱用戶室溫變化情況，橫坐標表示室溫分布，縱坐標表示熱用戶數量。從圖中可以看出，二氧化碳流量表調節前熱用戶室溫比較分散，既有室溫小于18℃的熱用戶，也有室溫大于24℃的熱用戶。熱用戶室溫“近熱遠冷”，供熱管網存在水力不平衡現象。二氧化碳流量表調節后，有49戶用戶室溫在20℃~21℃之間，從圖中可以看出室溫分布范圍縮小，平均室溫降低，從而，不僅減少了供熱量，也大大提高了供熱品質。一般來講，對采暖系統，每增加 1℃平均室溫，能耗增多 5%~10%。采暖系統實現平衡后，常常可以降低平均室溫1℃~3℃。
4.3 換熱站內數據分析
管網平衡改造后，2018~2019年*寒期換熱站內供水溫度為55.4℃，回水溫度為 44.8℃，供回水溫差較上一采暖期增大2.3℃。換熱站總供水壓力0.37MPa,回水壓力為 0.25MPa，供回水壓差較上一采暖期增大0.02MPa。通過多次調試二氧化碳流量表，已將循環泵頻率降至39HZ，采暖期電指標為0.877kW·h/m²。可見管網平衡改造后，節能效果明顯。
5 結論
通過對上述案例的分析，熟悉了靜態水力二氧化碳流量表的調試方法，通過對比平衡調試前后的不平衡率、室溫等數據，得出管網平衡改造對改善管網水力失調的效果明顯，不僅節約能源，而且提高了管網末端熱用戶室溫，緩解了熱力公司與熱用戶之間的矛盾。