5.2 热源、换热站及管网

5.2.1 名义工况下的锅炉热效率。本条文为强制性条文。
    锅炉运行效率是以长期监测和记录数据为基础,统计时期内全部瞬时效率的平均值。本标准中规定的锅炉运行效率是以整个供暖季作为统计时间的,它是反映各单位锅炉运行管理水平的重要指标。它既和锅炉及其辅机的状况有关,也和运行制度等因素有关。《锅炉节能技术监督管理规程》TSG G0002-2010中,工业锅炉热效率指标分为目标值和限定值,达到目标值可以作为评价工业锅炉节能产品的条件之一。表5.2.1-1~表5.2.1-3中数值为《锅炉节能技术监督管理规程》TSG G0002-2010第1号修改单规定的限定值,选用设备时必须满足。

5.2.2 燃气锅炉房的设计要求。
    燃气锅炉的效率与容量的关系不大。关键是锅炉的配置、自动调节负荷的能力等。有时,性能好的小容量锅炉会比性能差的大容量锅炉效率更高。燃气锅炉房供热规模不宜太大,是为了在保持锅炉效率不降低的情况下,减少供热用户,缩短供热半径,有利于室外供热管道的水力平衡,减少由于水力失调形成的无效热损失,同时降低管道散热损失和水泵的输送能耗。分楼栋的小规模燃气供热系统还可方便实现计量收费和分户调节。
    锅炉的台数不宜过多,只要具备较好满足整个冬季的变负荷调节能力即可。由于燃气锅炉在负荷率30%以上锅炉效率可接近额定效率,负荷调节能力较强,不需要采用很多台数来满足调节要求。锅炉台数过多,必然造成占用建筑面积过多,一次投资增大等问题。
    模块式组合锅炉燃烧器的调节方式均采用一段式启停控制,冬季变负荷调节只能依靠台数进行,为了尽量符合负荷变化曲线应采用合适的台数,台数过少易偏离负荷曲线。模块式锅炉的燃烧器一般采用大气式燃烧方式,燃烧效率较低,比非模块式燃气锅炉效率低不少,对节能和环保均不利。以楼栋为单位来设置模块式锅炉房时,因为没有室外供热管道,弥补了燃烧效率低的不足,从总体上提高了供热效率。反之则两种不利条件同时存在,对节能环保非常不利。因此模块式组合锅炉只适合小面积供热,供热面积很大时不应采用模块式组合锅炉,应采用其他高效锅炉。

5.2.3 户式燃气炉的设计要求。
    户式燃气供暖炉包括热风炉和热水炉,已经在一定范围内应用于多层住宅和低层住宅供暖,在建筑围护结构热工性能较好(至少达到节能标准规定)和产品选用得当的条件下,也是一种可供选择的供暖方式。本条根据实际使用过程中的得失,从节能角度提出了对户式燃气供暖炉选用的原则要求。
    对于户式供暖炉,在供暖负荷计算中,应该包括户间传热量,在此基础上可以再适当留有余量。但是设备容量选择过大,会因为经常在部分负荷条件下运行而大幅度地降低热效率,并影响供暖舒适度。
    燃气供暖炉大部分时间只需要部分负荷运行,如果单纯进行燃烧量调节而不相应改变燃烧空气量,会由于过剩空气系数增大使热效率下降。因此宜采用具有自动同时调节燃气量和燃烧空气量功能的产品。
    为保证锅炉运行安全,要求户式供暖炉设置专用的进气及排气通道。
    在目前的一些实际工程中,有些采用每户直接向大气排放废气的方式,不利于对建筑周围的环境保护;另外有一些建筑由于房间密闭,没有考虑专有进风通道,可能会导致由于进风不良引起的燃烧效率低下的问题;还有一些将户式燃气炉的排气直接排进厨房等的排风道中,不但存在一定的安全隐患,也直接影响到锅炉的效率。因此,本条文提出要设置专有的进、排风道,对于采用平衡式燃烧的户式锅炉,由于其方式的特殊性,只能采用分散就地进排风的方式。

5.2.4 户式燃气炉的热效率要求。本条文为强制性条文。
    当以燃气为能源提供供暖热源时,可以直接向房间送热风,或经由风管系统送入;也可以产生热水,通过散热器、风机盘管进行供暖,或通过地下埋管进行低温地板辐射供暖。所使用的燃气设备的能效等级要求不低于《家用燃气快速热水器和燃气采暖热水炉能效限定值及能效等级》GB 20665-2015中的2级,如表3。相应的检测方法等也要符合该标准的规定。

表3 户式燃气供暖热水炉的热效率

类型 最低热效率值η/%
能效等级
1级 2级 3级
热水器 η1 98 89 86
η2 94 85 82
采暖炉 热水 η1 96 89 86
η2 92 85 82
采暖 η1 99 89 86
η2 95 85 82

    注:能效等级判定举例:
    例1:某热水器产品实测η1=98%,η2=94%,η1和η2同时满足1级要求,判为1级产品;
    例2:某热水器产品实测η1=88%,η2=81%,虽然η1满足3级要求,但η2不满足3级要求,故判为不合格产品;
    例3:某采暖炉产品热水状态实测η1=98%,η2=94%,热水状态满足1级要求;采暖状态实测η1=100%,η2=82%,采暖状态为3级产品,故判为3级产品。

5.2.5 采用空气源热泵机组供暖的条件。
    根据供暖设计工况下的COP计算结果确定空气源热泵机组的节能优势。冬季设计工况下机组性能系数应为冬季室外空调或供暖计算温度条件下,达到设计需求参数时的机组供热量(W)与机组输入功率(W)的比值。在寒冷地区冬季设计工况,对于性能上有优势的空气源热泵冷热水机组的COP限定为2.2,对于规格较小,直接膨胀的单元式空调机组限定为2.0。对严寒地区,空气源热泵冷热水机组的COP限定为2.0,直接膨胀的单元式空调机组限定为1.8。设计性能系数低于本条规定则空气源热泵不具备节能优势,从节能角度考虑不适宜采用。
    为了保证系统运行的高效,选用的空气源热泵在最初融霜结束后的连续制热运行中,融霜所需时间总和不应超过一个连续制热周期的20%。优异的融霜技术是机组冬季运行的可靠保证。机组在冬季制热运行时,室外空气侧换热盘管表面温度低于进风空气露点温度且低于0℃时,换热翅片上就会结霜,会大大降低机组制热量和运行效率,严重时导致机组无法运行,为此必须除霜。除霜的方法有很多,理想的除霜控制策略应具有判断正确、除霜时间短、融霜修正系数高的特征。
    对于有防冻需求的工程,有条件时可采取主机分体式布置,室外侧仅为室外侧换热器及风扇,压缩机、膨胀阀以及冷凝器等放置于室内侧。
    为提高机组部分负荷性能,推荐采用变频机组;或多压缩机并联,共用室外侧换热器模式,采取分级启停控制。

5.2.6 热力站系统形式及热媒温度。
    在设计供暖供热系统时,应详细进行热负荷的调查和计算,合理确定系统规模和供热半径,主要目的是避免出现“大马拉小车”的现象。有些设计人员从安全考虑,片面加大设备容量和散热器面积,使得每吨锅炉的供热面积仅在5000m2~6000m2,最低仅2000m2,造成投资浪费,锅炉运行效率很低。考虑到集中供热的要求和我国锅炉的生产状况,锅炉房的单台容量宜控制在7.0MW~28.0 MW。一般情况下,热力站规模不宜大于100 000m2。系统规模较大时,建议采用间接连接,并将一次水设计供水温度取为115℃~130℃,设计回水温度尽可能降低,主要是为了提高热源的运行效率,减少输配能耗,便于运行管理和控制。
    出于节能的目的,应尽可能降低一次网回水温度。对燃气锅炉热源,回水温度低可以有效实现排烟的潜热回收;对热电联产热源,回水温度低可以有效回收冷凝余热,提高总热效率;对工业余热热源,回水温度低可以有效回收低品位余热;采用换热站方式时,一般回水温度在40℃以下,吸收式换热方式还可以更低。

5.2.7 水泵变速的设计要求。
    水泵采用变频调速是目前比较成熟可靠的节能方式。
    从水泵变速调节的特点来看,水泵的额定容量越大,则总体效率越高,变频调速的节能潜力越大;同时,随着变频调速台数的增加,投资和控制的难度加大。因此,在水泵参数能够满足使用要求的前提下,宜尽量减少水泵的台数。
    当系统较大时,如果水泵的台数过少,有时可能出现选择的单台水泵容量过大甚至无法选择的问题;同时,变频水泵通常设有最低转速限制,单台设计容量过大后,由于低转速运行时的效率降低反而不利于节能。这时应可以通过合理的经济技术分析后,适当增加水泵的台数。至于是采用全部变频水泵,还是采用“变频泵+定速泵”的设计和运行方案,则需要设计人员根据系统的具体情况,如:设计参数、控制措施等,进行分析后合理确定。
    目前关于变频调速水泵的控制方法很多,如供回水压差控制、供水压力控制、温度控制(甚至供热量控制)等,需要设计人员根据工程的实际情况,采用合理、成熟、可靠的控制方案,其中最常见的是供回水压差控制方案。

5.2.8 管网的水力平衡设计要求。本条文为强制性条文。
    供热系统水力不平衡的现象现在依然很严重,而水力不平衡是造成供热能耗浪费的主要原因之一,同时,水力平衡又是保证其他节能措施能够可靠实施的前提,因此对系统节能而言,首先应该做到水力平衡,而且必须强制要求系统达到水力平衡。
    当热网采用多级泵系统(由热源循环泵和用户泵组成)时,支路的比摩阻与干线比摩阻相同,有利于系统节能。当热源(热力站)循环水泵按照整个管网的损失选择时,就应考虑环路的平衡问题。
    除规模较小的供热系统经过计算可以满足水力平衡外,一般室外供热管线较长,计算不易达到水力平衡。对于通过计算不易达到环路压力损失差要求的,为了避免水力不平衡,应设置静态水力平衡阀,否则出现不平衡问题时将无法调节。而且,静态平衡阀还可以起到测量仪表的作用。静态水力平衡阀应在每个入口(包括系统中的公共建筑在内)均设置。水力平衡阀的性能要求应满足现行国家标准《采暖与空调系统水力平衡阀》GB/T 28636的规定。

5.2.9 建筑热力入口设计要求。
    静态水力平衡阀是最基本的平衡元件,实践证明,系统第一次调试平衡后,在设置了供热量自动控制装置进行质调节的情况下,室内散热器恒温阀的动作引起系统压差的变化不会太大,因此,只在某些条件下需要设置自力式流量控制阀或自力式压差控制阀。
    关于静态水力平衡阀、流量控制阀、压差控制阀、目前称呼不统一,例如:静态水力平衡阀也称为“手动水力平衡阀”或“静态平衡阀”;流量控制阀也称为“动态(自动)平衡阀”或“定流量阀”等。根据现行行业标准《自力式流量控制阀》CJ/T 179的相关规定,本标准称流量控制阀为“自力式流量控制阀”;同样,称压差控制阀为“自力式压差控制阀”;手动或静态平衡阀则统一称为“静态水力平衡阀”。

5.2.10 水力平衡阀的设置和选择要求。
    每种阀门都有其特定的使用压差范围要求,设计时,阀两端的压差不能超过产品的规定。
    阀权度S的定义是:“调节阀全开时的压力损失△Pmin与调节阀所在串联支路的总压力损失△Po的比值”。它与阀门的理想特性一起对阀门的实际工作特性起着决定性作用。当S=1时,△Po全部降落在调节阀上,调节阀的工作特性与理想特性是一致的;在实际应用场所中,随着S值的减小,理想的直线特性趋向于快开特性,理想的等百分比特性趋向于直线特性。
    对于自动控制的阀门(无论是自力式还是其他执行机构驱动方式),由于运行过程中开度不断在变化,为了保持阀门的调节特性,确保其调节品质,自动控制阀的阀权度宜为0.3~0.5。
    对于静态水力平衡阀,在系统初调试完成后,阀门开度就已固定,运行过程中,其开度并不发生变化;因此,对阀权度没有严格要求。
    对于以小区供热为主的热力站而言,由于管网作用距离较长,系统阻力较大,如果采用动态自力式控制阀串联在总管上,由于阀权度的要求,需要该阀门的全开阻力较大,这样会较大地增加水泵能耗。因为设计的重点是考虑建筑内末端设备的可调性,如果需要自动控制,我们可以将自动控制阀设置于每个热力入口(建筑内的水阻力比整个管网小得多,这样在保证同样的阀权度情况下阀门的水流阻力可以大为降低),同样可以达到基本相同的使用效果和控制品质。因此,本条第2款规定在热力站出口总管上不宜串联设置自动控制阀。考虑到出口可能为多个环路的情况,为了初调试,可以根据各环路的水力平衡情况合理设置静态水力平衡阀。静态水力平衡阀选型原则:静态水力平衡阀是用于消除环路剩余压头、限定环路水流量的,为了合理地选择平衡阀的型号,在设计水系统时,一定要进行管网水力计算及环网平衡计算,选取平衡阀。对于旧系统改造时,由于资料不全且为方便施工安装,可按管径尺寸配用同样口径的平衡阀,直接以平衡阀取代原有的截止阀或闸阀。但需要作压降校核计算,以避免原有管径过于富余使流经平衡阀时产生的压降过小,导致调试时仪表产生较大的误差。校核步骤如下:按该平衡阀管辖的供热面积估算出设计流量,按管径求出设计流量时管内的流速v(m/s),由该型号平衡阀全开时的ζ值,按公式△P=ζ(v2·ρ/2)(Pa),求得压降值△P(式中ρ=1000kg/m3),如果△P小于2kPa,可改选用小口径型号平衡阀,重新计算v及△P,直到所选平衡阀在流经设计水量时的压降△P≥2kPa时为止。
    尽管自力式恒流量控制阀具有在一定范围内自动稳定环路流量的特点,但是其水流阻力也比较大,因此即使是针对定流量系统,对设计人员的要求也首先是通过管路和系统设计来实现各环路的水力平衡(即“设计平衡”);当由于管径、流速等原因的确无法做到“设计平衡”时,才应考虑采用静态水力平衡阀通过初调试来实现水力平衡的方式;只有当设计认为系统可能出现由于运行管理原因(例如水泵运行台数的变化等等)导致的水量较大波动时,才宜采用阀权度要求较高、阻力较大的自力式恒流量控制阀。但是,对于变流量系统来说,除了某些需要定流量的场所(例如为了保护特定设备的正常运行或特殊要求)外,不应在系统中设置自力式流量控制阀。

5.2.11 供暖系统耗电输热比(EHR)的计算方法
    本条来自国家标准《公共建筑节能设计标准》GB 50189-2015。目的是防止采用过大水泵,提高输送效率。
    循环水泵的耗电输热比的计算方法考虑到了不同管道长度、不同供回水温差因素对系统阻力的影响,计算出的EHR限值也不同。
    对集中供暖系统的泵的节能考虑整个供暖季总泵耗是更加科学合理的方式,本标准在未来的修订中将逐渐向总泵耗的考量过渡。

5.2.12 锅炉房自动监测与控制要求。
    锅炉房采用计算机自动监测与控制不仅可以提高系统的安全性,确保系统能够正常运行;而且,还可以取得以下效果:
    1 全面监测并记录各运行参数,降低运行人员工作量,提高管理水平。
    2 对燃烧过程和热水循环过程进行有效的控制调节,提高并使锅炉在高效率运行,大幅度地节省运行能耗,并减少大气污染。
    3 能根据室外气候条件和用户需求变化及时改变供热量,提高并保证供暖质量,降低供暖能耗和运行成本。
    新建锅炉房将以燃气锅炉为主,在锅炉房设计时,应采用计算机自动监测与控制。
    条文中提出的五项要求,是确保安全、实现高效、节能与经济运行的必要条件。具体监控内容分别为:
    1 实时检测:通过计算机自动检测系统,全面、及时地了解锅炉的运行状况,如运行的温度、压力、流量等参数,避免凭经验调节和调节滞后。全面了解锅炉运行工况,是实施科学调节控制的基础。
    2 自动控制:在运行过程中,随室外气候条件和用户需求的变化,调节锅炉房供热量(如改变出水温度,或改变循环水量,或改变供汽量)是必不可少的,手动调节无法保证精度。
    计算机自动监测与控制系统,可随时测量室外的温度和整个热网的需求,按照预先设定的程序,通过调节投入燃料量(如炉排转速)等手段实现锅炉供热量调节,满足整个热网的热量需求,保证供暖质量。
    3 按需供热:计算机自动监测与控制系统可通过软件开发,配置锅炉系统热特性识别和工况优化分析程序,根据前几天的运行参数、室外温度,预测该时段的最佳工况,进而实现对系统的运行指导,达到节能的目的。
    4 安全保障:计算机自动监测与控制系统的故障分析软件,可通过对锅炉运行参数的分析,做出及时判断,并采取相应的保护措施,以便及时抢修,防止事故进一步扩大,设备损坏严重,保证安全供热。
    5 健全档案:计算机自动监测与控制系统可以建立各种信息数据库,能够对运行过程中的各种信息数据进行分析,并根据需要打印各类运行记录,保存历史数据,为量化管理提供物质基础。

5.2.13 锅炉房及热力站的节能控制要求。
    设置供热量控制装置(如:气候补偿器)的主要目的是对供熟系统进行总体调节,使锅炉运行参数在保持室内温度的前提下,随室外空气温度的变化随时进行调整,始终保持锅炉房的供热量与建筑物的需热量基本一致,实现按需供热;达到最佳的运行效率和最稳定的供热质量。
    设置供热量控制装置后,还可以通过在时间控制器上设定不同时间段的不同室温,节省供热量;合理地匹配供水流量和供水温度,节省水泵电耗,保证恒温阀等调节设备正常工作;还能够控制一次水回水温度,防止回水温度过低降低锅炉寿命。
    由于不同企业生产的气候补偿器的功能和控制方法不完全相同,但必须具有能根据室外空气温度变化自动改变用户侧供(回)水温度、对热媒进行质调节的基本功能。
    气候补偿器正常工作的前提是供热系统已达到水力平衡要求,各房间散热器均装置了恒温阀,否则,即使采用了供热量控制装置也很难保持均衡供热。