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生活热水供应系统热能节省技术

点击:762 日期:[ 2014-04-26 21:35:37 ]
                        生活热水供应系统热能节省技术                             赵世明    高 峰                       (中国建筑设计研究院,北京 100044)     摘要:生活热水供应系统可在用户末端、热水输送、热水制备三个方面采取减少能耗的措施。用户末端节能技术有:减小支管长度,保持用水点冷、热水压平衡,减小冷、热水压波动,减少水温调节时间;热水输送节能技术有:热水管道高效保温,用同阻技术、流量控制阀组、温度控制阀替代管道同程布置,控制热水循环回水管道的管径;热水制备的节能技术有:提高制热设备的热效率,降低换热设备的热媒回水温度,控制热水储存容积等。     关键词:热能 节省 生活热水 供应系统     0 前言     生活热水供应系统中以热能节省原理为基础[1],可建立起各项减少耗热量的技术。生活热水供应系统中的各项节能措施,都应以不降低热水使用的功能和舒适为前提,同时,节能技术的应用还应以产生经济效益为必要条件。否则,节能就失去了意义。     热能消耗主要是制备生活热水,一般是把自来水加热到60℃左右,输送到用水点处。热水制备的耗能量可用式(1)表示。     Wr=CQΔt/η(1)     式中Wr———热水耗能量;     C———水的比热;     Q———加热水量或热水系统的耗水量;     Δt———水加热前后的温度差;     η———水加热设备的热效率。     热水在输送过程中也耗损能量,见式(2)。     Wg=πDLKT(1-η1)Δt1(2)     式中Wg———管道传热损失能耗;     D、L———分别为管道外径和长度;     K———无保温时的管道传热系数;     T———热损失持续时间;     η1———保温系数,是与保温层厚度、传热系数等有关的函数;     Δt1———管道内热水温度与管外环境温度差值。     节能的效果用节能率E衡量,见式(3)。     E=(W1-W2)/W1(3)     式中W1———未采取节能措施的能耗;     W2———节能设计后的能耗。     根据式(1)、式(2),可得到各项热能节省措施。     1·用户末端节能技术     热水系统用户末端的节能主要是节约用水,减少系统的耗水量Q。用户末端节能技术主要有以下几种:     1·1 减小热水用水点支管长度     1·1·1 热水支管中的无效冷水浪费能源     用水点支管是从立管上接出到达用水点的管道。用水点耗用热水时支管内的水才会流动,不用水时,管内水静止,水温逐渐下降。如果用户再用水时支管内的水温降到需求的水温以下,用户会把支管内的水放掉,待水温升高后才使用。冯萃敏等对支管中的无效冷水进行了实测研究[2]。     放掉的无效冷水一方面浪费了热能,同时又耗费了提升动力能。支管内的水量与支管的长度成正比,把支管的长度缩短,则放掉的水量就会减少,达到热能节省目的。     根据某住宅区的运行经验资料,热水支管(DN15、DN20)采用电保温时,每天损耗的热能折合成电费可达0·13元/m左右[电费按0·5元/(kW·h)计],这意味着支管减短1 m,可得节能效益约0·13元/d。     1·1·2 减小支管长度的技术措施     热水立管的布置要靠近用水点。客房、病房内卫生间的热水立管应设置在卫生间内;住宅和公寓中的集中热水供应系统,当户型面积大、多卫生间时,一户内可设置多根热水立管、多个水表,水表采用远传读表型式;公共建筑各层的热水用水点尽量竖向上对齐。     1·2 保持用水点冷、热水压平衡     冷、热水压力相差悬殊容易产生水的浪费。冷热水压差大、压力不平衡时,使用者调节水温所需要的时间会延长,并且冷、热水管道的水容易互相混掺,从而造成无效放水。     保持用水点处的冷热水压相差较小或冷热水压平衡能减少热水浪费,从而节省热能消耗。实现冷热水压平衡可采取以下措施:     (1)冷、热水同源布置,即冷水系统和热水系统的水量和水压由同一个水源供给,并且同源点下游的冷、热水系统,其输、配水管网到达各用水点的水头损失相近,使用水点的冷、热水压差保持在0·02MPa以内(0·02 MPa一般是水流通过一个容积或半容积式换热器的阻力损失)。     (2)当冷、热水系统不同源或水压不平衡时(比如制备生活热水的设备设在集中供热站中,生活水泵房远离供热站就是这种情况),可在水压较高的供水干管上设置水力减压稳压阀调节供水压力。当热水系统需要设减压稳压阀时,宜设在循环回水管接入点的上游,如图1所示。                   (3)对于系统中局部用水点的水压不平衡,可采用支管减压稳压方式。比如建筑底部楼层的冷水利用市政水压直接供水,而热水由上方楼层供水区的加压系统供给,则底部楼层的热水压力比冷水高,可在热水支管上设置减压稳压阀。     1·3 减小冷、热水压波动     1·3·1 冷、热水压波动产生热水浪费     用户使用热水时都是把冷、热水掺混在一起调配成自己所需要的水温。在使用过程中若水温发生变化,则使用者会再次调节水温,造成水的浪费。比如客房或浴室的淋浴喷头出水忽冷忽热,水温不稳定,则洗浴者就会躲开水流或不断调节水温,调节期间的出水得不到利用。     冷水或热水管道中的水压波动都会造成混合出水温度的变化。稳定冷水和热水水压,可以稳定混合出水温度,从而减少热水的浪费,节省热能耗量。     1·3·2 减小水压波动的措施     水压波动与水源的供应方式及管网的设置有很大关系:     (1)一般而言,高位水箱(罐)供水方式管网的水压比较稳定。     (2)热水管道中窝气会使热水水压容易波动,管道布置时,横管应避免管道沿水流方向下降,或者在管道的各个局部高点都设置自动排气阀,使其不易窝气,减缓管道内水压波动。     (3)变频调速泵供水时,水泵出水口恒压供水与最不利点恒压供水相比较,后者用水点的水压波动小。     (4)管道设计流速控制得当可减小器具用水时的相互影响和水压波动。     1·3·3 恒压变频调速泵对用户水压波动的影响恒压变频调速泵出口处的水压H是个常数,可用式(4)表示:                             若管网的设计水头损失是0·12 MPa,最不利点的设计水压是0·05 MPa,则最不利点的水压为0·05~0·17 MPa,变化范围是0·12 MPa。最高水压为设计值的2·4倍,变化幅度相当大。     经验表明,管网用水几乎每天都有0流量工况发生,因此用水点的水压每天都经历最高水压工况运行,在一个较宽幅的范围内波动。     若采用管网最不利点恒压供水,在管网用水量很少时,水泵出口水压降低,最不利点的水头保持恒压不变,仍为设计额定水头h0,水压波动消除。由于最不利点水压恒定,各用水点水压波动幅度相应减小。     实现最不利点恒压的控制方法有两种:一种是采用变量变压供水软件编程控制,另一种是把恒压控制点设在最不利配水点附近,水压模拟信号在传递过程中通过信号放大器控制衰减,实现对水泵变频调速的远程控制,这在电气专业设计中不难实现。     1·4 减少水温调节时间     高效的冷热水混合阀能快速地把水温调节到使用者所需要的温度,减少水温调节时间和无效放水时间,使浪费的热水量减少;并且还能够减小阀前水压波动对出水水温的影响,稳定水温,当水温调好后,即使阀前水压有波动,也不容易发生变化。     目前市场上的防烫伤恒温混合阀,可事先设定阀的出水温度,不需要在每次放水时调节,避免了调阀过程的水浪费,并且不受冷热水压力差的影响(允许冷热水压差达0·25 MPa)。     根据日本的研究资料,带有恒温器的混合水栓淋浴器,每调节一次能节约1 L水(见日本“空气调和·卫生工学学会”会长鐮田元康教授演讲稿“日本给排水行业发展的历史和展望”)。     2·管网输送过程热能耗减少技术     生活热水经管道输配到用水点,温度会下降,损失的热量主要是由管壁热传导散发到周围环境。一般情况下温度会下降约5℃,实际工程运行中,有时温降会达到近10℃。这意味着至少总耗热量的5%~10%在输送过程中被浪费掉,再考虑到循环回水,输送中的热损失更高。有报道称小区集中热水供应系统的室内外管网热损失可高达15%~30%[3]。管网输送过程热能耗减少技术主要有以下几种:     2·1 热水管道的高效保温     控制热传递损失的措施首先是选用保温效率高(传热系数小)的保温材料,其次是先进的保温方法,特别是室外直埋热水管道,保温方法尤其重要,要特别注意防水。保温材料一旦进水,传热系数会迅速增加,保温系数大大降低,造成热量大量损失。保温层防浸水技术如下:     (1)保证热水管道不渗水、漏水,采用成熟的管材、管件,严格设置伸缩装置。     (2)直埋管道还要保持保温层的完整和固定,严格做外层包裹防水层,避免破损漏水,管道伸缩不得把保温材料拉开裂缝,阀门、三通等局部形状变化点采用形状吻合的保温层等。     (3)直埋管道不设在冻土层内。     2·2 缩短热水系统的管道长度     据统计分析[3],小区热水集中供应系统的管道总长度,平均到每户约有十几米,还不包括进户水表后的支管。     生活热水管网要求采用管道同程布置技术[4],防止循环水在配水管网中短路或分布不均匀,使热水管道的长度大量增加,造成管道热损耗相应增加。     2·2·1 用同阻技术替代管道同程布置     用同阻技术取代同程布置,可以缩短热水管道长度,从而减少热水管道系统的热损失量。同阻技术是通过调整增加部分配水管末端的局部阻力来避免循环的短路,其技术要点包括以下两个方面:①准确的管网平差水力计算,以求得需要增加局部阻力损失的设置点和损失值,这需要计算机辅助计算才能完成;②各种规格的局部损失配件产品。目前我国已有专业的工程公司能够实现这些技术。     2·2·2 用流量控制阀组替代管道同程布置     循环流量限流控制技术是通过一定的控制阀组合,控制各配水管段的循环流量不超过设计值,从而避免循环的短路。如多栋建筑的生活热水集中供应系统(见图2)在各栋建筑的循环回水引出管上设置流量控制装置,就可把回水流量控制在设定(设计)值内,从而避免回水流量增加形成短路。这样,控制阀下游的室外循环回水管道就可用最短的路线回到热水站,不必再延长管道做同程布置。                  2·2·3 用温度感应(控制)阀组替代管道同程布置定温度,开关由水温控制。当水温低,则阀开启,循环水流通过;当水温高,则阀关闭,循环水流中断。阀门下游的循环回水管道不用同程布置,可就近连接和敷设,回到热水制备机房。目前该技术已进入市场。温度感应(控制)阀替代管道同程布置见图3,也可如图2中的方式布置,温度低于设定值1时,阀门开启,循环流量通过;高于设定值2时,阀门关闭,循环终止。其效果和分循环泵相同。                   2·3 控制热水循环回水管道的管径     在大型且形状复杂的建筑中或多栋建筑共享一个集中热水制备机房的小区中,水压平衡的计算和循环水在管网中均匀分布的保证措施较复杂。为了简化,往往加大循环回水管径,试图避免循环流量的不平衡分布。管径加大,首先是热能损失增加,同时,也并不能解决水压和循环流量分布不平衡问题。所以在节能措施中,应把增大的循环管管径降下来,以便减少传热能耗,同时使用前述的同阻技术和循环流量限流控制装置,实现循环流量的平衡分布。     3·热水制备节能技术     加热生活热水的设备有热交换器、燃油燃气热水机组、电热水炉等。热水制备环节的节能控制因素主要有:制热设备的热效率、换热设备的热媒回水温度、热水储存容积等。     在有市政热网的城市,换热设备应用得非常普遍。热媒的回水温度低,则其卸载热量高,所需的流量可以减小,由此节省热媒输送过程中的能耗。降低热媒回水温度的措施之一是提高换热器的传热效率(或传热系数),传热效率的高低由产品的构造决定。生活热水制备,应选用高传热效率的换热器。但工程设计中发现,目前大量的换热站,其生活热水的换热器选用了传热效率较低的传统容积式换热器。因此热水制备存在着较大的节能潜力。     生活热水制备往往需要储存一定的热水,一方面提高了热水供应温度的可靠程度,另一方面使热媒的设计流量减小,从而减小热媒管径和传热损失。但热水储存容积过大,会增加容积式换热器的数量或外壳面积,从而增加传热损耗。有针对开水器的耗能调查指出,由于开水器外壳传热耗能,办公楼开水器电耗远超过所需要的量,达到了每人每天饮水量4·6 kg的耗电水平[5],耗电量超过了一倍。     换热设备的节能主要体现在:传热效率高,热媒换热充分,热媒回水温度低,水流阻力小等[6]。节能效果好的换热器可把蒸汽热媒的回水温度降到40~60℃,水热媒的回水温度比同类普通产品低5~10℃。设计中应优先选用这类换热器。     本文内容选自建设部研究课题《建筑机电节能设计研究》(06-K5-41)。 参考文献 1·赵世明,高峰.建筑给排水系统的节能原理,给水排水,2008,34(增刊):8~10 2·冯萃敏,付婉霞.集中热水系统中无效冷水的实测分析与节水改造.给水排水,2002,28(1):73~76 3·王靖华,潘维贤.多层住宅小区的集中热水系统分析.给水排水,2003,29(7):67~69 4·GB 50015—2003 建筑给水排水设计规范 5·北京节能环保服务中心.大型公建节能读本.北京:经济日报出版社,2006 6·刘振印.建筑给排水节能节水技术探讨.给水排水,2007,33(1):61~70
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