【瀚达·能源】从能源品位分析供热系统的节能途径

前言

在节能技术的研究中，为了说明节能效益，常常同时从能量的质量和数量两个方面进行分析。能量数量，一般是在同一单位（以焦耳、卡等）下，由数值大小判断。能量质量，则是比较能量做功能力的大小。这里所说的做功能力，是指能量转换为机械能的大小。通常机械能包括动能、势能、推动能、膨胀能。电能多数由机械能转换而成，如我们比较熟悉的火电、水电、风电。就能量而言，主要有化学能、机械能和热能。我们行业研究的供热、空调、制冷，主要研究热能与机械能之间的转换关系。所谓热能的质量、品位高低，就是指热能转换为机械能的能力大小。衡量热能质量的品位高低，在热力学中常用火用  的参数衡量，有时也称其为能质系数。

在我们行业内，分析热力系统的能效高低，一般采用热效率和火用  效率两种方法，前者按热量数量进行分析，后者按热量质量即热量品位高低进行分析。对于供热、空调，最终的服务对象，是满足居民对室温的舒适需求，亦即冬季为18℃，夏季26℃.在这样一个室温范围内，按火用 值进行计算，其值是很低的。这里就存在一个问题，对于这样的热力系统，究竟采用哪种计算方法，才能更真实体现系统的节能效益？在热力系统的各个环节中，哪些技术措施才能更有效的节能？搞清这些问题，对于有效指导节能工作，具有重要意义。本文出于这一目的，提出一些不成熟的想法，供业内人员讨论。

1、     能质系数的确定

按照《工程热力学》^[1]的基本原理，一个热力系统（如供热系统、空调系统）中，在某个状态参数（如温度、压力、焓等）下的工质（如热水、蒸汽），其火用 值，可按下式计算：

  从分式（1.1）看出，工质所具有的热能（由焓值表示），不可能完全转换成机械功（由火用 e_x表示），而在转换过程中，必然有的能量损失。这一规律，从数学形式上表达了热力学第二定律的本质。我们在分析、研究热力系统时，主要的目的是在热能向机械能转换过程中，如何尽量减少这部分火用损。

在供热系统的研究中，我们常常遇到锅炉、换热器的传热过程。对于这一类型的传热设备，其火用 值的计算，可作如下的讨论。设图1.1为锅炉或换热器的传热过程，a为加热侧，b为被加热侧 。点1、2为加热侧工质的入口端和出口端，3、4点为被加热侧的入口端和出口端。其他参数见图1.1所示。

         图1.1换热过程温熵图

很容易理解,在卡诺循环时(二个等温过程,二个绝热过程),系数入最大,其值等于卡诺循环热效率.在不同的传热工况下,入值不同,该入值能表示热力系统中热能转换做功的能力大小,一般称入系数为热火用  能效比,或称卡诺因子,也称能质质数。利用能质系数入，并根据公式（1.2）、（1.3）、（1.4）式，和图1.2所示，可得：

       图1.2换热设备流程示意图

 利用公式(1.5)、(1.6)，进行供热系统火用  值或能质系数计算更为方便。

2、     热电联产供热的能效分析

热电联产供热的能效分析，一般有二种分析方法，一种是数量利用分析法，一种是质量利用分析法，前者亦称为热量利用系数，是发电量与供热量之和与总输热量之比值，因发电量与供热量在品位上不等价，因此不称系统热效率。后者亦称为火用  分析法，按上节叙述的基本公式，即可计算有关的火用 值或能质系数。表2.1给出了不同容量火力发电厂的能效分析结果：^{[1] [2]}

        表2.1   火力发电厂（凝汽机组）能效分析

表2.1包括二种发电机组，小容量机组为6、12、25Mw，大容量机组为300、600Mw，大体上概括了我国目前主要的发电机组类型。从发电效率上看，无论热量分析还是火用 分析，其值比较一致，说明发电效率值既是数量分析又是质量分析，采用哪一种分析方法都是一样的。

如果从发电工艺的各个环节看。则二种不同分析方法，其结果有明显的差别。其中管道、汽轮机、发电机部分的机械、散热损失，因数量少，只占总能量损失的1～2%，因此，二种方法的数量差别不大。但对热源（锅炉）、冷源（冷凝器等）等关键环节，二种分析方法的差别则是很大的。对于电站锅炉，当燃烧效率为85%时（小型发电机组），其热量损失为15%；当燃烧效率为91%时（大型发电机组），热量损失为9%。总之，热量损失并不很大。但若进行质量分析，即火用分析时，无论小型发电机组还是大型发电机组，火用  损失都在56～60%之间，所占比例相当可观。再看冷源，通过冷凝器、冷凝塔、散至大气中的热量，无论发电机组大小，其数量都在45～55%之间，而这部分热量若从火用  值上分析，却只占2.5～5.0%。二种分析方法的差别如此之大，正说明这二种分析方法的观察角度不同。火用  值（即能质）分析法，考虑的是热量转变为机械能（电能）的能力大小，即能量的品位高低问题。热力学第二定律告诉我们热量的温度愈高、品位愈高，愈容易转变为机械能和电能。煤在锅炉中燃烧，理论燃烧温度可达2000℃，而发电机组的主蒸汽温度最高也就是550～600℃之间，可从2000℃降至550℃，这中间存在的近1500℃的温差，是做功能力损失的主要原因，也是锅炉火用   效率不高的根本原因。再观察冷凝器，一般冷凝器中的乏气压力为0.005～0.006MPa，其饱和温度约为36℃，虽然其热量占总热量的50%左右，但由于温度过低，做功能力差，其火用值只占2～5%。从中可以看出，对于高品位的能源，应该多从质量上分析，对于低品位能源，则应多从数量上分析。

通过上述分析，我们不难发现，要想提高发电效率，亦即提高发电机组的火用 效率，着眼点必须放在提高电站锅炉的主蒸汽参数上，目前大力发展亚监界（主蒸汽参数16.57MPa/538℃/538℃）、超临界（主蒸汽参数24.12MPa/538℃/538℃）的发电机组，其出发点就是基于这样的目的。但是由于汽轮机金属材料的受热限制，主蒸汽参数不能无限提高，因此，火力发电的发电效率目前最高只能达到40%左右。

再观察冷源部分，从冷凝器排至大气的热量，从质量上看，火用值很小，虽然数量大，但对提高发电效率的作用不大。不少业内人员还从提高火用 效率的分析上，研究热电联产的优越性。实际上，这部分火用 值，存其量只有2～5%，因此，这种研究，理论意义不大。但是，必须承认：热电联产供热，（由于乏汽的利用）可以使发电厂的热量利用系数提高到80%以上，节能效益和经济意义十分明显。说明低品位的热能还是大有用武之地的。从中我们可以认识到：不同品位的能源，应该有不同的使用价值。把高品位的煤、天然气，拿来直接燃烧供热，是最不合理的“大材小用”，是最大的能源浪费。同样，把大量的低品位的工业余热，当“垃圾”处理，弃之不用，也是当今最大的能源浪费。“物尽其才”，“能有所用”，发展包括热电联供在内的工业余热供热，应该是资源的最佳配置。工业余热，是低品位热能的最大源泉，发展工业余热供热，是节能减排，实现低碳经济的重要技术环节。

3、供热系统各环节的参数配置

这里主要讨论热用户（即散热器）供水温度如何确定的问题，当然连带的会涉及到热源的供水温度的确定问题。我国设计规范一直延用苏联时代的设计值，热用户供回水温度为95/70℃.曾经经过一次大讨论,后改为95/70℃、85/60℃并用。最近，最新一次变动，改为75/50℃。供回水设计温度一次一次的下调，概括起来，大体上有这样几个原因：

①建筑外墙保温的设置。围护结构保温性能的改善，导致供热负荷的减少，适当降低供、回水设计温度是应该的。

②设计供回水温度与运行供回水温度不符。由于这一原因，降低供回水设计温度是错误的。作者曾多次指出，这种设计值与运行值的不符，是由于设计的失误与运行的失误引起的。改正的应该是提高设计、运行水平，而不是相反。如果错误地采取降低设计供回水温度，而设计、运行中的失误低然如故，其结果必然恶性循环。

③我国钢产量过剩，适当增加散热器数量无碍大局，这是无稽之谈。任何时候，适当减少金属耗量，总是应该追求的一个经济指标。不能忘记，减少金属耗量是节能的一个重要途径。

④可以降低管网热损失。这是欧洲采用低温供热的重要原因。可是我国的国情与欧洲的国情有很大的不同。欧洲的建筑密度小，单位供暖面积的管网敷设率低，为了减少管网损失，采用低温供热是符合他们的国情的。而我国建筑密度高，单位供暖面积的管网敷设率也高，在这种情况下，降低供水温度，带来的弊端可能更大。

⑤是提高火用 效率的重要途径。这一点，又陷入了另一个误区，

下面就这一问题，谈一些不成熟的看法。

表3.1、表3.2给出了供热系统有关工艺环节温度参数的火用  值以及换热过程的火用 效率。

      表3.1   换热过程的火用效率分析

表3.2  供热系统有关工艺环节温度参数的火用值

诚然,能够看出:当热用户供回水温度为65/50℃(散热器)和50/40℃(地板辐射采暖)时,与室内温度18℃的换热火用 效率分别为35.6%和44.0%,优于95/70℃的火用  效率,26.7%和85/60℃的火用 效率29.5%。但判断能量利用是否合理，光看热用户末端是远远不够的。如果统观热用户、热力站和热源，就会发现：最大的火用 损失是在热源，当热源的供、回水温度为130/70℃时,火用 效率只有26.7%,也就是说,此时火用  值损失了70%以上，如果为了提高热用户处的火用效率，一味降低热力站、热源处的供回水温度，则在热源处的火用  损失会更大（当热源处供回水温度为85/60℃,火用  值损失近80%）,显然是不合理的。

再从绝对的火用值观察，当室内温度为18℃，其火用  值为0.062，能量品位是很低的。从能量品位的合理利用分析，采用低品位的能源是最合理的，上节讨论的热电联产供热就是一例。反之，对于区域锅炉房，燃料燃烧后（如煤、天然气）直接供暖，是最不合理的。但目前完全排斥区域锅炉房供暖，也不现实。合理的做法，是尽量提高热源供水温度。这样做，虽然整个供热系统的火用  效率并未提高，但带来的好处是减少了系统循环流量，降低了管网造价，这从另一方面得到了一定补偿，总比片面降低供水温度要全面的多。

⑥吸收式热泵供热的需要。此内容下节详述。

4、吸收式热泵在供热中的应用

热热泵一般指溴化锂吸收式热泵。热媒可以是蒸汽也可用热水。主要由发生器、蒸发器、冷凝器、吸收器和节流装置等组成。在发生器，溴化锂溶液被热水或蒸汽加热，水蒸发为汽，再经过冷凝、蒸发等过程，实现制冷、制热。其中溴化锂溶液中的水为制冷剂。

目前利用吸收式热泵供热，已有不少实际工程，主要工作原理：是在热电厂首站，利用发电机组冷凝器中的冷却水（约35℃）和汽轮机低压抽汽，通过吸收式热泵、板换组合，产生130/25℃的高温热水，向供热系统供热。各热力站同样通过吸收式热泵和板换组合，将130/25℃的一级网热水交换成65/50℃的二级网供回水温度供热。

吸收式热泵供热的最大优点是充分利用冷凝器冷却水和汽轮机低压抽汽产生130/25℃的高温热水供热，不但合理利用了低品位热能，而且大大加大了供、回水温差（温差为105℃），进一步提高了管网供热的输送能力，其节能效益和经济效益明显。

吸收式热泵供热的热电厂首站和各换热站的工艺流程见图4.1和图4.2 ^[3]

图4.1热电厂首站吸收式热泵机组流程             
图4.2吸收式热泵热力站流程

通过火用效率计算，热电厂首站的火用效率为1.39，热力站火用    效率为0.83。全供热系统的火用 效率接近于1.15，总体评估，热量利用是合算的。

采用吸收式热泵供热，二级网供水温度不能过高（一般为65℃），否则热泵供热系统的能效比降低，节能效益下降。

但应该指出，溴化锂溶液在热泵循环过程中，其浓度必须在58～62%之间，否则结晶，这就限制了其优势的发挥。应该承认溴化锂吸收式热泵，不能算是最理想的热泵机组，要实现大规模的工业余热供热，必须开发更有效的热泵机组。

为适应这种情况，适当降低供水设计温度是合理的，但如果为此整个降低所有供热系统的设计供水温度，那就是“因噎废食”，是不合理的。 

来源：能源网