热水输配管网是集中供热系统的重要组成部分，其运行效果对于用户舒适性及系统的能耗、能效有着显著的影响。但在实际运行过程中，热水输配管网存在诸多问题，影响了供热系统的整体性能。刘兰斌等人的研究表明，在小区集中供热系统中，输配管网存在保温不好、管网泄漏导致漏热损失的问题，同时，末端各个支路间也存在着水力不平衡的问题。夏学彬等人的研究同样表明，集中供热系统输配管网普遍存在水力失调现象，并强调了输配管网水力失调将会导致系统耗热量及耗电量的增加。以上问题在热泵集中供热系统中也普遍存在。
笔者通过对我国北方寒冷地区8个热泵集中供热系统进行实测调研，分析了热泵集中供热系统热水输配管网中存在的典型问题，并针对电驱动热泵的特性，探讨了避免这些问题的措施。
研究对象包括海水源热泵系统、污水源热泵系统以及地源热泵系统在内的8个集中型热泵供热系统，对其末端管网运行情况进行了详细的调研与测试。项目基本信息如表1所示。
在所研究的8个项目中，系统A，B，C，D，E位于我国寒冷地区沿海城市Q，系统F，G，H位于我国寒冷地区内陆城市X。建筑功能以住宅小区为主，其中项目B还包括部分酒店，项目E为办公类建筑。建筑面积最大为项目C，29.27万m2；最小为项目E，0.56万m2。末端形式包括辐射地板、散热器以及送风系统。
本文首先对各个系统供暖季耗热量进行了统计，根据计量系统历史数据或人工抄表数据分析得到各项目供暖季的耗热量，如图1所示。
GB/T 51161—2016《民用建筑能耗标准》给出城市Q和X建筑供暖耗热量约束值为0.21 GJ/m2，城市Q建筑供暖耗热量引导值为0.14 GJ/m2，城市X建筑供暖耗热量引导值为0.12 GJ/m2，以此作为建筑合理耗热量的参考值。将系统实际耗热量与给出的指标对比发现，系统的耗热量普遍高于需求值。其中项目A，B，F，G甚至高于1980年以前的标准。
其中A系统由于供暖季仍向室内供应新风，新风带来的热负荷过大使得系统耗热量远高于其余系统。除了这种特殊情况，其余系统的耗热量高于用户需求的主要原因为：一是管网热损失严重，热泵机组提供的热量有很大一部分散失在输配过程中，并未到达末端用户；二是末端管网水力失调，导致局部过量供热，由于系统水力失调加上末端缺乏有效的调节手段，使得建筑内不同末端冷热不均，为保障最不利末端，运行人员往往只能加大系统总流量或调高供水温度，由此导致局部出现过量供热；三是部分建筑围护结构保温不好或用户开窗通风导致建筑体存在一定漏热损失。
这3个问题不仅使得系统耗热量增大，还提高了热泵机组的供水温度，不利于热泵机组的制热能效。其中水力失调的问题还会使得热水系统的输配能耗增大。下面将分别对这3个典型问题进行分析。
集中供热系统在实际运行过程中，由于施工质量较差和管理不善等问题，导致管网漏热损失较大。笔者对所研究的8个热泵集中供热系统热水输配管网进行调研，同样发现了以上问题。一方面为了控制投资而采用了较差的保温材料，同时施工工艺不良和日常的维护保养不到位，使得保温层破损的情况十分普遍；另一方面由于采用集中供热系统，末端庭院管网面积较大，导致热水在输配过程中存在较大漏热损失。更严重的是部分管道有漏水的情况，给系统的运行造成了较大损失。
GB/T 51161—2016《民用建筑能耗标准》中给出了小区集中供热的管网热损失率，其中约束值为2%，引导值为1%。热损失率的计算方法如式(1)所示。
式中 αGB为GB/T 51161—2016《民用建筑能耗标准》中定义的管网热损失率指标实测值；Qpl为管网热损失实测值，GJ/a；Qb为热源所服务的建筑总的实际耗热量，GJ/a。
为了突出供水温度对末端系统的重要性，本文采用式(2)计算管网热损失率。
式中 αb为管网热损失率指标；tjg为机房分水器供水温度，℃；tlg为楼内总供水温度，℃；tlh为楼内总回水温度，℃。
相比GB/T 51161—2016《民用建筑能耗标准》给出的管网热损失率，本文采用的管网热损失率只考虑供水段的漏热损失，忽略了楼内回水到机房这一部分的漏热损失，其对应的指标约束值和引导值都应该小于GB/T 51161—2016《民用建筑能耗标准》中给出的数值。而对多个项目庭院管网，热损失测试结果均远高于该标准。表2显示了8个系统实际运行过程中管网漏热损失的测量结果。
如表2所示，在所调研的8个系统中，庭院管网漏热损失率的平均值和中位数分别达到了11.4%和9.6%，远远超过了GB/T 51161—2016《民用建筑能耗标准》中给出的约束值。其中庭院管网漏热损失最大的是项目H，漏热损失率达到了18.4%，相当于热泵机组制取的热量有18.4%白白耗散到了环境中。除去庭院管网漏热损失，笔者还对最远用户楼内管网漏热损失进行了测试，得到楼内管网漏热损失率的平均值和中位数分别达到了8.9%和10.6%。其中楼内管网漏热损失最大的是项目G，漏热损失率达到了16.7%。对于楼内管网漏热损失，虽然存在热量耗散，但都耗散在建筑物内，对建筑物仍然起到了一定的供暖效果。
笔者分别以项目H和项目G为例，分析庭院管网漏热损失和楼内管网漏热损失的具体情况。
2.1 庭院管网热损失
系统H建筑功能为住宅小区，末端共有22栋住宅楼，建筑面积5.6万m2。其末端管网分布见图2，分为2个主要支路，其中支路1有9栋住宅楼，测试期间1#和2#住宅楼未投入使用；支路2有13栋住宅楼，测试期间全部投入使用。
笔者对项目H末端20栋投入使用的住宅楼的庭院管网漏热损失情况进行了测试，各栋楼供水温度如图3所示，测试阶段机房供水温度为39.7 ℃，机房回水温度为33.9 ℃，供回水温差为5.8 ℃。末端投入使用的20栋楼中，楼内总供水温度最高的为19#楼，为39.2 ℃，与机房供水温度相比下降了0.5 ℃，庭院管网漏热率为9.0%。而楼内总供水温度最低的为12#和13#楼，均为37.9 ℃，漏热率高达31%。系统H庭院管网总漏热损失达到了18.4%，这部分热量直接耗散到环境中，造成了严重的浪费。
在调研的8个项目中，项目G的庭院管网漏热损失率为6.5%，低于其他系统。项目G属于高层住宅小区，末端共有2栋住宅楼，每栋24层，热水输配管网分为高区、低区2套系统。其末端管网分布见图4，供热机房位于1#楼地下室。庭院管网只有机房到2#楼这一段，使得庭院管网漏热损失率低。但由于其楼层较高，且楼内保温不佳，导致楼内管网漏热损失较大。
2.2 楼内管网漏热损失
对于项目G，在对其楼内管网进行调研和测试过程中，可以明显看到楼内管网存在大量保温破损、阀门位置未加装保温等情况。使得高区楼内管网漏热损失严重。
图5显示了项目G高区水系统供水温度从机房到2#楼入口再到2#楼2单元18层的变化情况。
如图5所示，高区总供水温度为43.7 ℃，在到达2#楼入口时，供水水温下降至43.4 ℃，庭院管网漏热损失达到了7.5%。而在热水到达18层住户时，供水温度下降至42.8 ℃，相比于楼栋入口供水温度下降了0.6 ℃，楼内管网漏热损失达到了16.2%。
由此可见，施工质量与运行维护情况是影响输配热损失的重要因素。因此在输配管网设计和施工时需注重管网保温的选材、施工，并在系统运行过程中定期对管网保温情况进行检查，发现破损需及时进行维修。避免热量在输送过程中耗散，造成无谓的浪费。
笔者在对8个热泵集中供热系统末端管网调研测试时，同样发现水力失调这一问题普遍存在于各个系统中。在研究分析过程中，用不同末端的供回水温差来表征水系统的水力平衡情况。在理想状况下，所有末端的供回水温差都一致且等于设计温差。而实际运行中不同末端的供回水温差不一致且与设计值存在差异，这个差异越大，表明系统的水力平衡情况越差。供回水温差大于设计值，表明该支路处于小流量大温差的运行情况，可能存在水力不可及的问题，导致无法满足末端供热需求。
以系统C为例进行具体分析。如图6所示，该系统共有19栋楼，按高、低区分为2个子系统，每个子系统又分为3条主要支路：1#～6#楼为支路1，10#～12#楼为支路2(支路2仅有低区)，其余楼为支路3。系统的热水设计温差为10 ℃。
3.1 楼间水力失调
笔者对项目C低、高区各楼的供回水温差进行了测试统计，结果如图7所示，并将各支路供回水温差实测结果进行统计，结果如表3所示。
可以看到，所有楼的供回水温差均远小于设计温差10 ℃。通过对比不同支路各楼供回水温差可以发现两方面现象：
1) 通过对比各支路不同楼之间供回水温差的差异可见，随着末端数量的增加，水力失调现象会更加严重。在项目C的5条热水支路中，末端数量最多的是低区支路3，该支路一共承担了10栋楼的供热负荷，这也导致其水力不平衡最为严重，各楼之间供回水温差最大差异为2.5 ℃。而末端数量最少的是低区支路2，该支路仅承担了3栋楼的供热负荷，各楼之间供回水温差的最大差异仅为0.9 ℃，远低于前者。
2) 通过对比同一支路各楼之间供回水温差的差异可见，随着干管距离的增长，水力失调的现象会更加严重。以低区支路1为例，从机房到楼栋入口的距离来看，6#楼为最不利末端，其供回水温差最大，为4.1 ℃。1#楼为有利末端，其供回水温差最小，仅为2.5 ℃，远小于6#楼。同时，各楼供回水温差由1#楼到6#楼依次增加。同样问题也出现在低区支路3，其中干管最长的7#楼为最不利末端，其供回水温差最大，为5.2 ℃。而干管较短的15#楼，其供回水温差为2.7 ℃，远小于7#楼。
由此可见，对于供暖末端水力失调现象，可以总结得出以下结论：对于不同支路，随着支路所带末端数量的增加，水力失调现象会更加严重；对于同一支路，随着干管距离的增长，水力失调现象也会更加严重。
3.2 楼内竖直水力失调
以项目C的16#楼低区1～16层及高区17～28层为例，其各层供回水温差测试结果如图8所示。各层的供回水温差同样均低于设计值。16#低区最不利末端反而为楼层最低的1层，供回水温差为6.3 ℃，显著高于其余楼层。而最有利末端为16层，供回水温差仅为3.3 ℃。对于高区，最不利末端为28层，供回水温差为3.8 ℃，显著高于其余楼层。最有利末端为22层，供回水温差仅为2.1 ℃。高区整体供回水温差小于低区。
对于楼内管网，其水力失调情况不仅与各楼层干管的距离有关，还与各层入户支管上阀门开度以及末端换热设备使用情况有关，其复杂性高于庭院管网各楼间水力失调情况。
对于末端水力失调这一问题，首先需要通过实测调研，了解各末端实际供回水温差分布情况，确定最不利末端。考虑到各个末端实际供热需求不同，在调节水力平衡之前，需要计算各个末端之间实际所需流量的比例。随后在保证最不利末端阀门全开的情况下，采用阀门调节的方式由最不利末端向供热机房逐步调节，使得各个末端之间的流量分配比例达到要求。在各个末端流量比例调节完成之后，再根据实际温差需求在供热机房调节热水泵工作频率，确保各个末端按需均匀供给。
建筑围护结构可能存在漏热的现象，导致系统耗热量和能耗增加，常见原因为施工质量不佳导致的局部漏风及用户人为开启门窗造成的漏风。
以项目F为例，测试日当晚，笔者利用红外热像仪对建筑物漏热情况进行了排查，测试期间室外气温为－6.8 ℃。经排查发现，该系统围护结构存在热桥漏热以及用户开窗行为，导致建筑物存在一定的漏热情况。
对于以上建筑物漏热的现象，通过及时封堵漏洞、关好门窗的简单措施即可避免热量浪费。而对于老旧建筑，由于建筑材料及保温技术落后导致围护结构热性能不佳的情况，在排查确认后需要通过围护结构保温改造提升保温性能，减少冬季耗热量。
1) 管网热损失、水力失调、围护结构热损失是当前小区集中供热最突出的问题。对于前2个典型问题，末端管网规模越大，问题越严重。受当前的施工建造与管理水平限制，这些问题是很难避免且普遍存在的。
2) 对于新建系统，在建筑体围护结构和输配管网的设计和施工时需注重保温的选材并保证施工质量，并在系统运行过程中定期对系统保温情况进行检查。同样对于既有系统，发现保温材料破损时需要及时进行维护，避免热量的耗散造成浪费。
3) 末端管网水力失调在很大程度上会导致系统过量供热，并且会增加输配能耗以及热泵机组能耗。建议在运行过程中定期对末端水力分布情况进行测试与调试，了解各末端实际供回水温差分布情况，确定最不利末端。考虑到各个末端实际供热需求不同，在调节水力平衡之前，需要计算各个末端之间实际所需流量的比例。随后在保证最不利末端阀门全开的情况下，采用阀门调节的方式由最不利末端向供热机房逐步调节，使得各个末端之间的流量分配比例满足需求。在各个末端流量比例调节完成之后，再根据实际温差需求在供热机房调节热水泵工作频率，确保各个末端按需均匀供给。
4) 对于住宅类集中式水-水热泵供热系统，供水温度不仅对热泵机组能效有所影响，还对建筑物的耗热量影响较大。在室外温度较高时，供水温度偏高，会导致过量供热。因此在整个供暖季，用户侧供水温度的设定值根据建筑物实际供暖需求进行调整，是避免过量供热、降低供暖能耗的重要途径。
5) 热泵集中供热系统设计应避免管网规模过大，且宜尽可能取消庭院管网，采用分散热源。传统的燃煤锅炉供热，由于煤的运输和分配不便，故多为大型集中系统。而热泵系统则更适合采用分散的形式。一方面电力输配易于实现且输送损失极小；另一方面热源介质温度比热水温度低很多，与室外的温差更小，输配的热损失也就更少。此外，如今小型热泵机组的能效水平与大型机组差距已经很小，且可以利用地下室等边角空间进行安装，借助监控系统亦方便管理。
全文刊登于《暖通空调》2017年第11期
作者：清华大学 吴忠隽 魏庆芃 邓杰文 张 辉
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