引言燃气锅炉是社会生活中不可或缺的动力和供暖设备。然而燃气锅炉供热系统始终面临着节能与环保等方面的问题。研究表明，通过提高管网输送效率、锅炉效率以及采用气候补偿等手段[1]，或者利用烟气冷凝回收、锅炉集控等节能技术[2]，有效改善燃气锅炉供热系统。针对燃气锅炉集中供热存在的问题，采取一系列技术手段，从各个方面进行分析以及评价，最后提出节能改造相关措施，并应用在燃气锅炉系统节能改造的实例上，提升燃气锅炉供热系统能效，达到节能运行的目的，为燃气锅炉供热系统今后的改造和运行提供参考。1能效提升技术路线为降低供暖系统能耗，保障“按需供热”的基本标准（18~20 ℃），对运行20 a老旧小区管网进行现场测试。针对既有供暖系统能效提升提供检测方法，对供暖系统锅炉效率、水泵效率、板换效率性能、管网运行现状、运行控制策略等评估，得到供暖系统较为经济的优化方案，提升能效潜力。能效提升技术路线如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.018.F001图1能效提升技术路线1.1设备及管网测试及评价1.1.1测试方案及内容对系统主要设备、管网流量平衡以及系统问题等进行排查。对设备测试的内容以及测试部位如表1所示，不同位置的测点如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.018.T001表1主要设备测试部位及内容设备及管网测试内容锅炉燃气锅炉进出口温度、流量测试。水泵水泵进出口压力、水流量以及耗电等参数。板式换热器一、二次侧进出口温度、水流量等参数。分区管道管网涉及管道进出口压力、温度，流量测试；室内分区上下住户室内温度数据记录；流水声检漏排查、阻力大流量小问题检测排查等。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.018.F002图2不同位置测点1.1.2设备评价指标体系评价指标的建立依据《供热系统节能改造技术规范》（GB/T 50893—2013），该规范规定的检测项目相关要求如表2所示，设备评价指标体系如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.018.T002表2规范指标评价设备项目合格要求锅炉热效率高于90%水泵运行效率高于额定工况90%板换热热效率—换热性能高于额定工况90%管网管网阻力阻力＞0.1 MPa补水比二级供热管网＜3%水力平衡流量比在0.9~1.2之间水力平衡度＜1.33热力失衡—10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.018.F003图3设备评价指标体系不同指标的详细计算方法如下：（1）燃气锅炉。通过提高锅炉组效率达到节能的效果[3]。当多个锅炉供热时，优先保证效率更高的锅炉开启，提高整体系统的热源效率。此外由于锅炉在进行开启关闭的过程中，都会消耗掉燃气，因此尽量避免设备的频繁开启。锅炉的热效率公式：η1=1.16(Tg-Th)G1277.8M1-M2Qgch （1）式中：η1——锅炉热效率，%；G1——一次循环流量，m³/h；Tg——锅炉出水温度，℃；Th——锅炉回水温度，℃；Qgc——燃气低位发热量，按30.8 m³/GJ计算；M1——检测期间燃气初始读数，m³；M2——检测期间燃气结束读数，m³；h——检测时长，h。（2）水泵。水泵运行效率是影响管网输配效率的关键，运行效率公式：η2=(H2-H1)G23.6(P1-P2)h （2）式中：η2——水泵输出效率，%；G2——二次循环流量，m³/h；H2——二次循环水泵出水压力，MPa；H1——二次循环水泵回水压力，MPa；P1——检测期间燃气初始读数，m³；P2——检测期间燃气结束读数，m³；h——检测时长，h。（3）板式换热器。热效率公式：η3=(T2g-T2h)G2(T1g-T1h)G1 （3）式中：η3——板换热效率，%；G2——一次循环流量，m³/h；G2——二次循环流量，m³/h；T1g——一次出水温度，℃；T1h——一次回水温度，℃；T2g——二次出水温度，℃；T2h——二次回水温度，℃。换热性能公式：KF=1.16(T1g-T1h)G1ΔTP （4）ΔTP=(ΔTmax-ΔTmin)ln(ΔTmaxΔTmin) （5）式中：KF——板换换热性能，kWh/（℃·h）；G2——一次循环流量，m³/h；G2——二次循环流量，m³/h；T1g——一次出水温度，℃；T1h——一次回水温度，℃；T2g——二次出水温度，℃；T2h——二次回水温度，℃；∆Tmax——检测期间温差较大一端的介质温差，℃；∆Tmin——检测期间温差较小一端介质温差，℃；∆Tp——检测期间对数平均温度，℃。（4）管网。参考近期对一些锅炉房的实测结果发现，影响管网输送效率的因素主要是保温、泄漏和水力失调造成的热损失，其中因水平失调和泄露造成的热损失占比较大，因此需考虑进去[5-8]。管网阻力公式：∆H=H2-H1 （6）式中：∆H——管网扬程差，MPa；H2——二次循环水泵出水压力，MPa；H1——二次循环水泵回水压力，MPa。补水热损失公式：σ=4 180M1(T2g-Tb)106 （7）式中：σ——日补水热损失，GJ；M1——日补水量，m³；T2g——日平均二次出水温度，℃；T2h——补水温度，℃。水力平衡度公式：n0=nmaxnmin （8）n=gygyi （9）式中：n0——水力失衡度；n——流量比；nmax——最大流量比；nmin——最小流量比；gy——检测流量，m3/h；gyi——设计流量，m³/h。热力失衡度公式：N0=Nmax-NminTyi-Tw （10）N=Ty-Tyi （11）式中：N0——热力失衡度；N——偏差值，℃；Nmax——最大偏差值，℃；Nmin——最小偏差值，℃；Ty——检测室内温度，℃；Tw——检测室外温度，℃；Tyi——标准室内温度，℃。1.2运行策略评价及优化耗热量随室外气象参数不断变化，按照室外天气条件对供回水温度进行调节，确保管网输配热量、散热器的释热量、建筑热负荷三者相同，避免室内温度过热或过冷。室外温度变化与建筑热负荷有直接关系，以室外温度为基准，逐时改变系统的运行参数，确保锅炉房供热量和实际需热量相同，达到节能的目的。对于无混合装置，直接连接热水供暖系统，质调节计算公式[4]：tg=tn+Δts'Q¯11+b+0.5Δtj'Q¯11+b （12）式中：Δts'——用户散热器设计平均温差，Δts'=0.5(tg'+th'-2tn)，℃；Δtj'——用户设计供回水温差，Δtj'=tg'-th'，℃；Q¯——建筑在某室外温度下的热负荷Q1与设计热负荷Q1'之比，Q¯=Q1Q1'；b——散热器传热系数的指数。结合实际设备数据，对供水温度和室外温度进行拟合，制定日控制回水温度运行策略，如图4所示。若供热系统实际运行时，不能满足室外气象参数对应的供水温度，说明系统的运行策略并没有达到设定的要求。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.018.F004图4二次侧供水调节策略1.3能耗预测与评价耗能水平评价供暖系统能效的衰减程度，是既有系统能效现状的重要指标。通过少量的测试数据，预测整个供暖季的能耗水平，进而和规范中的限值进行对比，帮助运行人员了解系统的能耗水平、供暖系统能效衰减程度。1.4确定能效提升方案综合以上3个方面的分析，对供暖系统设备性能、运维水平以及能耗水平现状有足够的了解，根据实际测试出现的问题，确定供暖系统较为经济的运行优化方案。2工程案例分析2.1工程案例介绍该项目位于西安某市区，属于居住建筑楼，共有4个分区供暖（分区1、分区2、分区3、分区4），供暖面积共29 249.18 m2。冬季采用区域锅炉房供暖，用户端采用散热器单管顺流热水采暖系统。锅炉容量共计2 100 kW（两台1 050 kW，额定温度80 ℃，额定总功率4.4 kW）；板换间接供暖一次侧承压0.2 MPa；一次循环水泵设计扬程22 m，流量42.5 m³/h，功率5.5 kW，两用；二次循环水泵设计扬程22 m，流量93 m³/h，功率11 kW，2用1备；定压罐定压0.5 MPa，设计供回水温度70 ℃/60 ℃。2.2设备及管网测试及评价（1）锅炉。测试时间为19：00~21：00，室外温度-1～3 ℃。对两台锅炉进行效率测试，测试结果如表3、表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.018.T003表31#锅炉测试结果项目测试1测试2测试3测试4测试5测试6平均值燃气负荷测试时长/min10101501055—燃气初始读数/元——561.6232.3208.5196.5—燃气结束读数/元——232.3208.5196.5184.9—耗气量/m313.30—159.0811.505.805.60—锅炉负荷/kW719.75—573.94622.21627.44606.53629.97热水负荷流量测试/（m3/h）47.6247.6247.6247.6247.6247.62—热水出水温度/℃72.576.071.276.275.477.9—热水回水温度/℃56.760.956.163.362.865.0—用热负荷/kW873.62834.91834.91713.27696.68713.27766.35热效率/%121.38——114.63111.04117.60116.1610.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.018.T004表42#锅炉测试结果项目测试1测试2测试3测试4测试5测试6平均值燃气负荷测试时长/min10101501055—燃气初始读数/元2 300.02 276.72 251.61 929.81 905.11 892.3—燃气结束读数/元2 276.72 251.61 929.81 905.11 892.31 880.0—耗气量/m311.2612.13155.4611.505.805.60—锅炉负荷/kW609.14656.20—622.21627.44606.53624.30热水负荷流量测试/（m3/h）47.0647.0647.0647.0647.0647.06—热水出水温度/℃69.474.070.776.375.579.0—热水回水温度/℃55.961.057.763.763.367.5—用热负荷/kW737.67710.34710.34688.49666.63628.38686.30热效率/%102.49——110.65106.25103.60105.75（2）循环水泵测试。测试时间为19：00~21：00，室外温度-1~3 ℃，额定效率90.1%。对两台锅炉进行效率测试，测试结果如表5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.018.T005表5二次循环水泵检测读数记录项目测试1测试2测试3测试4测试5测试6平均值泵输出测试时长/min101010101010—扬程H2/MPa0.72—0.720.720.720.72—扬程H1/MPa0.50—0.500.500.500.50—流量测试/（m3/h）87.2—87.287.287.287.2—输出功率/kW5.32—5.325.325.325.325.32泵输入初始读数/kWh911.25915.30932.20939.55943.25947.85—结束读数/kWh915.30919.00935.85943.25947.85950.75—二次泵耗电占比/%545454545454—二次泵功率/kW13.1211.9911.8311.9914.909.4012.20实际运行效率/%40.55—44.9744.3735.7056.6044.43（3）板式换热器额定效率97%~99%，换热性能140 kWh/(℃∙h)，测试数据如表6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.018.T006表6板式换热器测试数据项目测试1测试2测试3测试4测试5测试6一次网测试热水出水温度/℃74.777.476.981.480.783.4热水回水温度/℃61.164.463.469.167.671.9流量测试/（m3/h）94.6894.6894.6894.6894.6894.68二次网测试热水出水温度/℃62.269.468.473.072.874.5热水回水温度/℃48.951.450.655.554.757.3流量测试/（m3/h）87.287.287.287.287.287.2换热能力热效率/%90.07换热性能/［kWh/(℃∙h）］104.27（4）管网。管网补水12 m3/d，2.76 GJ/d，50~60 kg/m2，测试数据如表7、表8所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.018.T007表7管网热力平衡测试数据测试点位热力平衡数据/℃失衡度/%四单元中单元一单元4#楼-0.1-0.7—3.003#楼—-0.51.711.002#楼—1——1#楼——0.9—10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.018.T008表8管网水力平衡测试数据测试点位水力平衡数据/（m3/h）流量比/%调试1调试2调试3需求值分区137.531.437.282.345.20分区222.518.914.315.393.40分区318.916.815.615.3101.90分区48.3——7.0110.60综合上述测试数据，对设备的性能评价如下：（1）1#燃气锅炉效率116.16%，2#燃气锅炉效率105.75%，锅炉运行效率较好，优先开启1#燃气锅炉，尽可能保证70~80 ℃运行。（2）二次循环水泵运行效率44.43%，流量小导致运行效率低，主要是管网系统所需要的扬程大，超出水泵设计扬程，导致循环流量小，并非水泵故障以及水泵性能衰减等原因。优先开启1#和2#水泵，3#水泵有杂音可间歇开启。（3）板式换热站运行热效率90.07%，70~80 ℃稳定出水时，换热能力在额定工况的74.6%，满足要求。建议对板换两侧管道进行保温。（4）管网补水50~60 kg/m2，高出规范标准1.8倍~2倍，存在漏水问题。其中补水热损失约240 元/d；系统平衡调试好问题依然存在；3#楼和4#楼热力不够且存在失衡；管网系统扬程差0.25 MPa，大于0.22 MPa水泵参数，原因是该小区存在漏水、堵塞现象，导致回水压力明显降低。建议优先从3#楼和4#楼地下供回水管道各单元立管进行检漏，再检查锈蚀堵塞情况，最后进行排气泄污。若无法根本性解决漏点和堵塞排查问题，考虑在锅炉房公共回水管并接1台回水泵（扬程10 m，流量25 m3/h，功率1.0 kW），或者更换二次循环泵（扬程29 m，流量93 m3/h，功率11.5 kW）。2.3运行策略评价根据2019年11月19日至2020年1月1日期间，锅炉供水温度、二次供水温度数据运行记录数据，供暖季系统采用定循环水流量质调节运行，运行流量87.2 m3/h，日常运行时长16 h，寒冷时期运行20 h。锅炉出水温度、二次供水温度频数分析图如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.018.F005图5锅炉出水温度、二次供水温度频数分析图该系统间歇运行，锅炉出水平均温度71.87 ℃，二次供水平均温度71.19 ℃。基于实际调研锅炉出水温度，主要根据时间段进行调节（13：00~17：00降低5~10 ℃运行）。锅炉出水温度69~75 ℃，占比46.8%；锅炉出水温度76~80 ℃占比41.9%。二次供水温度53~68 ℃占比14.35%；二次供水温度69~75 ℃占比62.45%；二次供水温度76~80 ℃占比21.9%。二次侧供水温度主要集中在69~75 ℃之间，对应的室外温度区间在-5~0 ℃之间，说明实际上并未严格根据室外温度运行，偏离设定的运行策略，没有达到预计的运行效果。2.4能耗预测与评价2.4.1实测数据2019年燃气单价2.07 元/m3，电力单价0.9 元/kWh，用水单价5.8 元/t。燃气耗量和水电耗量2018年和2019年统计数据对比如表9所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.018.T009表92018年与2019年供暖季能耗统计数据对比时间单位面积燃气量/（m³/m2）单位面积电量/（kWh/m2）单位面积水量/（kg/m2）日均耗气/m3日均耗电/kWh日均耗水/t2018.129.721.11138.882 369.18264.69332019.128.291.7950.422 070.74437.8812.292.4.2能耗预测统计2018年12月与2019年12月期间能耗与室外温度关系模型对比情况，具体如图6所示。由图6可知，该系统燃气消耗量与室外温度有一定关系。2018年的季耗气量与室外温度关系模型为y=-55.447x+2 442.9，平均瞬时燃气量2 368.94 m3/d，最大3 161.62 m3/d，最小1 605.56 m3/d；2019年季耗气量与室外温度关系模型y=-67.976x+2 266.6，平均瞬时燃气量2 020.73 m3/d，最大2 915.99 m3/d，最小1 423.72 m3/d。燃气费用与室外平均温度对照表如表10所示。由表10可知，2019年不同室外温度能耗模型不同，预测模型一：y=-39.23x+2 362.6（严寒）；模型二：y=-69.47x+2 094（寒冷）；模型三：y=-127.38x+1570.5（暖和），作为预测能源成本控制预算。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.018.F006图62018年12月和2019年12月能耗与室外温度关系模型对比10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.018.T010表10燃气费用与室外平均温度对照表（参考16 h）平均温度（严寒）/℃燃气费用/元平均温度（寒冷）/℃燃气费用/元平均温度（暖和）/℃燃气费用/元-105 282.8804 334.5892 104.52-95 243.6514 265.11101 977.14-85 204.4224 195.64111 849.76-75 165.1934 126.17121 722.38-65 125.9644 056.70131 595.00-55 086.7353 987.23141 467.62-45 047.5063 686.66151 340.24-35 008.2773 359.28——-24 969.0483 031.90——-14 929.81————2.4.3能耗评估以典型气象年的日平均温度作为边界条件，结合表8中的模型，预计2019—2020供暖季燃气费用51.42 万元，耗水电费约5.62 万元，能耗总成本57.04 万元，单位面积能耗19.50 元/（m2·季），预测能耗和规范限值对比如表11所示。对比发现，供热系统各项指标均在规范的限制内，说明供暖系统能效衰减程度较小，能满足规范的要求。但通过分析，既有系统的设备及运行其实存在较大的问题，系统能效仍有较大提升空间，通过合理的节能改造，可以取得较好的节能效益。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.018.T011表11预测能耗和规范限值对比时间单位面积燃气量/（m3/m2）单位面积电量/（kWh/m2）单位面积水量/（kg/m2）规范限值8~121.5~230预测能耗8.51.7950.422.5能效提升方案根据前设备、运行策略以及能耗的预测，了解该工程整体能耗水平以及改进方向，提出以下节能措施：（1）对于机房设备，优先开启1#燃气锅炉，尽可能在70~80 ℃运行；优先开启1#和2#水泵，3#水泵有杂音可间歇开启；对板换两侧管道进行保温。（2）对于管网问题，优先对3#楼和4#楼地底供回水管道以及各单元立管进行检漏；其次对3#和4#楼地底供回水管道以及各单元立管进行锈蚀堵塞情况排查，排气泄污；若无法根本性解决漏点和堵塞排查问题，可以在锅炉房分区公共回水管并接1台扬程10 m，流量25 m³/h，功率1.0 kW回水泵，或者更换二次循环泵选型扬程29 m，流量93 m³/h，功率11.5 kW的水泵。（3）在运行策略上，改进系统控制策略，使二次侧供水温度能按照室外的温度进行随动调节，避免浪费。3结语介绍一种针对燃气锅炉供热系统提升能效的方法，应用于实际燃气锅炉供热系统的工程案例。通过测试设备的性能，评估运行策略以及能耗的预测，对系统内设备性能、运维水平以及能耗基准进行分析，合理地提出节能改进措施。在实际运行过程中仍有许多问题，后期需要继续补充和完善。