引言21世纪，我国城市化进程进入快车道，城市建筑行业显现出巨大的耗能趋势，总能耗占比超过20%，其中供热能耗占据较大。目前我国供热平均指标为40 W/m2，是发达国家的2~3倍[1]，具有较大的节能潜力。造成供热能耗升高的原因较多[2-5]，如建筑围护结构保温技术不成熟、散热量大、供热系统管网保温效果欠佳、热量管网输配环节损失大以及热源利用效率低等。集中供热系统热输入与分布式采暖建筑热需求之间相对匹配的较大波动，是造成供热能耗高的主要原因之一[6-9]。在满足用户需热量要求的前提下，应追求最小的运行能耗，因此有必要通过精确的负荷调节对热网水力工况和热力工况进行优化，提高管网的输送能力，实现供热系统始终处于最节能的状态。基于此，系统概述了集中供热系统常见的运行条件方式，阐明不同运行方式的优缺点，对其运行调节特性进行研究，推导系统运行调节的计算公式，结合实例对锅炉群控负荷调节方式进行量化分析，为供热管理部门提供技术参考。1供热系统调节方案分析1.1供热系统负荷的确定分布式采暖建筑的供热负荷影响因素众多，主要包括位置、层高、朝向和冷风侵入量以及围护结构等，一般采用以下2种计算方式对热负荷进行概算：体积热指标法：Q=qvA(Tn-Tw)×103 (1)式中：Q——建筑物的热负荷，kW；qv——建筑物供暖体积热指标，W/(m3·℃)；Tn——冬季室内计算温度，℃；Tw——室外计算温度，℃。面积热指标法：Q=qn⋅F×103 (2)式中：F——建筑物建筑面积，m2；qn——建筑物供暖面积热指标，W/m2。建筑物采取节能措施和未采取节能措施的qn取值如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.008.F001图1建筑物在采取节能措施和未采取节能措施的qn取值1.2调节方法分析集中供热系统的运行调节主要为追求供需的动态平衡，受诸多因素影响，供暖建筑所需热负荷处于动态变化中。为实现按需供热，需要对供热系统的部分运行参数进行调节，如循环流量、供回水温度等。目前针对不同调节方法的分类方式众多，较为公认的划分依据是改变热水网路流量和改变网路工质温度，由此可简单划分为量调节和质调节。在实际运行过程中，又发展出二者结合的质量-流量调节、划分供暖期按阶段调节的分阶段变流量质调节以及改变供暖时间的间歇调节。1.2.1量调节量调节是一种可以极大节约循环电泵电耗的调节方式，在供热管道尺寸确定的情况下，工质流量Q正比于电机转速n，转速可表示为：n=60f(1-Sn)/P (3)式中：f——电源频率，Hz；Sn——电机额定转数，通常取值5%；P——电机对数。运行过程的电耗与频率的三次方成正比，建立工质流量Q和电耗之间的联系，实际调节过程中，通过变频器直接调节循环水泵流量便可大幅度降低循环电泵电耗。针对现阶段大量供热设备长时间运行在70%额定流量下，年平均电耗可减少约40%，节能提效显著[10]。量调节相比其他调节方式具有相应迅速的优点。以质调节为例，当热源即锅炉温度发生变化时，其相应时间可根据管道热水流速计算，取水流速1~2 m/s，用户距离10 km，响应时间一般为1.5~3 h，因此质调节无法应用于供热半径超过10 km的供热系统；量调节的响应速度可认为是声速，几乎为同步调整。为了实现精准的量调节，初调节阶段的工作量相较其他调节方式更繁重。1.2.2质调节质调节是一种改变工质温度的调节方式，对于不设置混水装置的集中供热系统，其水网供、回水温度计算如下：τ1=Tn+ΔTs'Q¯11+b+0.5ΔTj'Q¯ (4)τ2=Tn+ΔTs'Q¯11+b-0.5ΔTj'Q¯ (5)式中：τ1、τ2——水网供、回水温度，℃；Tn——供暖室内计算温度，℃；Q¯——实际热负荷与设计热负荷之比，即相对供暖热负荷比；ΔTs'、ΔTj'——用户散热器的设计平均计算温差和供、回水温度差，℃；b——与散热器相关的系数。受当地气候和天气因素影响，热力站必须能够实时对供热出力进行调节，由此形成气候补偿条件下的热力站运行模式，该模式具有自动化程度高、调节简便、可对热量进行深度调控量化管理以及耗能低、节能高的优点。但质调节相对量调节在水力平衡等方面具有较大劣势，尤其当室外温度极低时，一次网供、回水温度温差较小，达不到设计温差（一般为20 ℃），为解决此问题，通常在小温差的工况下增大水网流量。增大水网流量必然需要更大的水泵运行裕量，因此会造成电泵选型过大偏离最佳运行工况，虽然实现了供热量和需热量的均衡，但导致电耗、能耗升高，造成资源浪费。供暖用户用水通常与集中供热系统热水网路采取非接触的换热方式，即分为一级网热水网路和二级网供暖用户，为保证水力平衡和工况稳定，通常采取质调节的调节方式。1.2.3分阶段改变流量的质调节分阶段改变流量的质调节是在保证水网总循环水量不变的前提下，针对不同室外温度进行内、外网阶段性流量变化的质调节。按照当地气候统计数据对供暖期进行划分，划分的每个阶段保持流量不变，但每个阶段应根据室外温度高低制定合理的流量。通常情况下，对室外温度高的时间段保持较小流量，反之则保持较高的流量，但总体要求进入采暖用户的热水流量不得低于设计流量的60%。该流量阈值主要考虑水力垂直失调的问题，若供暖系统为双管模式，流量过低必然会引起水路循环过程中由力循环作用导致的压头比例差增大，继而引发垂直失调；若为单管供暖，引起垂直失调的原因可归结为不同层散热器传热系数跟随流量变化不一致。具体到每个阶段调节过程中，应根据每天室外温度的实时变化，采用改变水网温度的质调节。针对无混水装置的供暖系统，令：φ=G¯=GG' (6)式中：G¯——相对流量比，即实际流量与设计流量的比值。集中供热系统在该调节方式下的供、回水温度：τ1=Tn+ΔTs'Q¯11+b+0.5ΔTj'Q¯φ (7)τ2=Tn+ΔTs'Q¯11+b-0.5ΔTj'Q¯φ (8)采用该调节方式时，循环水泵数量和量程的选择与单独的量调节和质调节有较大差异。为保证循环水泵一直处于最佳运行工况，通常会选用2~3台循环水泵。量程设计层面，若选择2台循环水泵，则首先保证一台循环水泵按采暖建筑需热量对应的最大流量值的100%选择，另一台按最大流量值的70%~80%选择；若选择3台循环水泵，其量程选择都可按照最大流量值的70%~80%选择。需要注意的是，无论是选取2台循环水泵还是3台循环水泵，水泵耗电量应与流量的三次方成正比，在不同供暖阶段运行不同循环水泵，可保证耗电量维持在较低水平。该调节方式可以获得较低的能耗，但较为复杂，在大型集中供热系统应用时难以及时响应，因此在区域性的锅炉房式供热系统中应用较为普遍。1.2.4质量-流量综合调节质量-流量综合调节的核心是集中供热系统根据热负荷的变化，连续改变水网循环流量和供回水温度，其实质是连续改变流量的质调节方法。为了满足循环水量随系统热负荷的变化进行动态调节，因此要求具备较高的自动控制设施支持。基本的硬件设施要求为变频技术在循环水泵上的应用，具有节能效果显著的优点，但极容易产生水力失调，其系统运行控制和调节也较为复杂。该调节方式下的供、回水温度为：τ1=Tn+ΔTs'Q¯11+b+0.5ΔTj'Q¯G (9)τ2=Tn+ΔTs'Q¯11+b-0.5ΔTj'Q¯G (10)2锅炉群控负荷调节热负荷预测调整要保证热源的稳定、及时，所以热量的输出非常重要。热量的计算遵循以下步骤：对集中供热系统锅炉（包括单台锅炉和总锅炉）的热量进行计算，获得一次热网系统的总热量；对二次系统的热量进行计算，获得采暖建筑所需热量；建立集中供热系统供热量和需热量的平衡方程。计算锅炉实时热效率，只需要对燃料（天然气炉等）输入热量进行计算即可。通过对锅炉实时效率的监控，深度精准调控锅炉运行在最佳负荷区间，便可降低能耗。文中通过以下案例详细分析锅炉群控负荷的调节过程：以3台同型号燃气锅炉为例。锅炉参数：额定供回水温差31 ℃，额定功率1 200 kW，额定流量33.7 m3/h（折合33.3 t/h的50 ℃热水），供水温度为30~95 ℃，负荷高效运转区间30%~90%。一次网设计参数：供水温度为80 ℃，回水温度为60 ℃。二次网设计参数：供水温度为50 ℃，回水温度为40 ℃。采暖用户参数：室内平均温度为20 ℃，室外平均温度为12.5 ℃。设锅炉停运时，有水流通过，水流平均分配，近似为额定流量；水泵工频运行，可根据水泵参数及现场仪表估算水流量。加载过程：1台机组运行时，随着用热量上升，锅炉设定供水温度达到上限或供回水温度低于下限加偏差值，持续一段时间后，启动第2台机组；此时，第1台锅炉供热量为90 kW，启动第2台机组后，2台机组负荷均降为45 kW。2台机组运行时情况相同，加载第3台机组；此时，前2台机组供热总量180 kW，启动第3台机组，3台机组负荷降为60%。供热系统各项指标随室外温度的变化规律如图2所示。图2各指标随室外温度变化规律10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.008.F2a1（a）水网温度随室外温度的变化10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.008.F2a2（b）锅炉供水温度随室外温度的变化环境温度在5~8 ℃时，1台锅炉在高效运行区间运行；环境温度在-1~5 ℃时，2台锅炉均在高效运行区间运行；环境温度在-10~-1 ℃时，3台锅炉均在高效运行区间运行。3供热系统调节方法通过各种热力计算和负荷预测，能够确保集中供热系统在理论层面达到最优运行工况，但实际过程中仍会出现水力失调问题，出现的原因包括设计误差、施工裕量不佳以及运行操作误差等。因此，在集中供热系统稳定运行前通常需要试运行，该阶段的主要任务是对供暖设备进行故障检测等调节，管道阻力平衡调节是重点环节，尤其供热距离较远的长热网主干线系统，即初调节。初调节依赖流量调节，本质为量调节，其理想调节结果为实际流入采暖建筑的热水流量等于理想流入热水流量（满足采暖建筑当前热量需求的流量），其主要调节方式是在供热距离近端的采暖建筑热水输入管道增设阀门。根据流体力学，阀门将会造成较大的局部阻力损失，提高了近端采暖管道的阻力，与沿程阻力损失过大导致阻力升高的远端采暖管道达到压头平衡。根据伯努利方程中流量与压头的关系可知，压头一致时，流量也一致。实际进行初调节时，应当根据供热管网的配置要求选择合理的调节方法。目前应用较为普遍的为回水温度调节法，该方法的适用范围较广，可在二次热网只安装普通调节阀甚至没有安装平衡阀的管道上进行。3.1调节原理初调节的理想调节结果应为实际流入采暖建筑的热水流量等于理想流入热水流量。因此当集中供热系统在设计工况下运行时，采暖建筑设计用热量为：q=Q×(T1-T2)×c (11)式中：q——采暖建筑设计用热量；Q——设计热水流量；T1、T2——供、回水设计温度；c——热水比热。采暖建筑实际用热量即q不变，当运行工况偏离设计工况，即实际热水流量Q1大于或小于设计热水流量Q时，则回水温度T2会相应增加或减小，造成水力失衡，运行时间过长会导致使用户单元间得到的热负荷出现偏差。此时需要对回水温度进行调节，通过调整阀门等使每个用户单元间的回水温度相同，可以实现热负荷的均匀分配。通过以上分析可以发现，回水温度调节法原理和操作规程较为简单，只需要对供、回水温度进行不断校正测量即可，因此受到众多热力公司的青睐。3.2调节过程3.2.1调节温度的确定进一步分析可得，一次热网供热量q1与采暖建筑设计用热量q不匹配时，为确保循环水泵始终运行在合理负荷区间，针对不同循环水泵流量，需要对回水温度进行相应调节。q1≥q时，循环水泵实际流量高于设计流量，T2应调节至计算曲线对应的回水温度，低于设计流量时，T2应调节至T1和T2的平均值；q1q2时，T2应调节至小于二次热网的平均回水温度。3.2.2调节过程集中式供热系统热惯性大的特点在初调节过程中会使温度响应较慢，出现较大的滞后性，导致无法建立热网温度和热水流量的实时动态变化关系。平衡阀等阀门的调整通常依赖调节人员的长期经验，一轮调节完成后不能立刻对温度进行测量，需要根据热网大小合理选择测量间隔，一般时间间隔不得小于最远采暖单元回水返回二次热网热源时间的2倍，保证调整的准确性同时可减小调节人员的工作负担。一轮调整的完成应以重复测量二次热网总回水温度过程中相邻两次测量温度相差不超过1 ℃为准。具体调节过程为：（1）过量调低近端采暖单元的阀门开度。（2）对各采暖单元的回水温度进行多次测量，取平均值作为该单元的回水温度，记为Ti。（3）测量总回水温度，记为Tj，若TiTj，调小该单元的阀门开度，反之则增大该单元的阀门开度；若Ti=Tj，根据采暖单元入口管道管径对阀门进行调节，一般遵循管径越大、阀门开度越小的调整规则。（4）全部采暖单元调整完毕后，测量总回水温度至相邻两次测量温度相差1 ℃，调节前进行比较，确定是否需要新一轮调整。3.2.3室内温度反馈采暖建筑所需热负荷虽然可以通过公式求得，但采暖建筑实际能耗通常会偏离理论计算值，导致集中供热系统供热量与采暖建筑需热量不匹配，造成采暖单元温度偏离设计值。因此，采暖负荷的最终确定应遵循负反馈机制，通过对室内温度的不断采集，建立一定数量的数据样本，对参暖建筑所需热负荷进行预测，修正计算公式，直至满足设计工况。4结论与建议（1）通过水力平衡调节消除水力失调，避免不经济运行状况，如“大流量、小温差”的情况。（2）管网系统的热力入口处加装热调节装置，可以加强热调节能力。（3）根据建筑的不同类型及使用特点，实行分时段供暖，夜间低温运行。（4）供热系统随室外气象参数进行相应调节，避免过热造成能源浪费。