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【摘 要】 城市供热管网设计的合理与否直接关系到居民生活质量，一项优秀的设计可以使产品的性能得以充分发挥，可以最大限度地减少施工中的困难，降低工程造价。基于此，本文对城市供热管网的优化设计进行了具体分析。
【关键词】 城市供热；供热管网；优化设计
一、城市供热现状及存在的问题
我国供热事业虽已取得显著成效，但是随着城市人口的急剧增加和能源产业结构调整，越来越多的问题浮出水面。
1.供热结构单一
我国大部分城市的供热以烧煤为主，供热结构单一，既不能保证全部城区的供热，又与国家提倡的能源政策相悖。
2.供热设备老化，安全性能降低
城市供热系统很少进行翻修，由于供热管道使用时间过久，部分路段出现了漏水或者堵塞的现象。这种老化现象既影响了正常的城市供热，也埋下了很大的安全隐患。
3.部分城市供热设备存在规划不统一的情况
城市的供热设备不是同一批次安装，采用的器材规格不统一，城市供热不能实现区域联网。
4.供热企业规模小且布局分散
一般情况下，城市供热工作由多家企业联合完成，大部分企业都存在规模小、布局分散的问题。城市供热具有很明显的规模效益特征，供热的经济效益受供热面积与热负荷率匹配度影响较大。供热企业规模小、布局分散的现状既增加了供热成本，又影响了供热质量。
5.热计量收费推广艰难
供热属于商品，需有一定的收费标准，但是我国目前在热计量收费方面存在很多缺陷。国家规定，集中供热系统设施必须为用户提供分户计量和室温调控功能。根据用户的用热量，进行热计量收费。但是，部分建筑物的保温效果不好，单位建筑面积耗热量差距较大，直接导致用户热费不一致。另一个影响热计量收费的原因就是热计量表使用麻烦，管理困难，大部分企业不响应这种收费方式。
二、我国城市供热管网的特点与常用设计技术
受我国社会发展不平衡影响，我国的城市供热管网具有热用户分布区域广、分支多的特点。因此，在进行城市供热管网设计时要充分考虑各地区的实际情况，以保证供热管网建设时不会发生事故，建设成功后不会影响用户的正常使用，并且可以提高供热管网整体供热的可靠性，以及应付供热发展的相关不确定性的能力。假如在设计时没有考虑到供热管网的特殊性，将供热管网设计成为与自来水水管网类似的网格状的话，则会出现很多的问题，不仅使水力学计算在设计的过程中变得十分复杂，而且很可能出现水力不平衡的现象，增加了维护过程中水力平衡的控制难度；同时，因为网格状设计的施工面积较大、所用施工材料较多，严重增加了整体成本的投入和维修的费用。因此，我国也对供热管网的整体设计思想进行了创新优化，目前城市供热管网的设计研究具有很强的科学性、理论性。主要研究方向是结合城市实际情况，建立起数学模型，同时做好投资、运行、施工、维护等工作环节的综合评估，充分考虑各方面因素，得出最优的综合评估结果，以此为目标函数，最后用实际施工过程中的工程要求来形成整体约束条件，以保证所求出的结果是符合实际要求的最优秀答案。但是受我国的社会发展现状所限，目前的供热管网优化设计仅针对枝状的管网施工格局而建立，总体优化不够全面，不能广泛的应用于供热管网的整体优化设计中，所以优化设计工作没有取得良好的实践效果。
三、城市供热管网的优化设计的具体措施
1.连接方式及供回水温度
在对城市供热管网进行优化设计时，一定要考虑到管网与用户的连接方式。现有的连接方式有两种，直接连接和间接连接。直接连接型式是指用户系统直接与热网相连或通过混合装置与热网相连。间接连接型式是指用户系统通过表面式换热器与热网相连的型式。不同的连接型式，热介质消耗量可能在1.5～2倍范围内变化，这说明合理选择热力站连接型式，对于整个供热系统的经济性有着举足轻重的影响。
这两种连接方式的使用主要是依据城市供热的使用范围而决定的。直接连接方式主要是在小范围内运用于建筑物高度与建筑物体量相差较小的这类供热工程，在这种情况下使用直接连接方式能够有效的节省成本的投入，以及热交换器、循环泵、加压泵、补水泵等相关初期的投资费用以及后期的维护费用。而间接连接方式主要应用于大城市的热力网建设工程，针对于建筑物的高度与建筑物的体量差别极大的这类情况进行管网连接。
2.热力管网设计的科学化
供热管网的设计应依据城市道路的总体规划进行，结合实际地形资料、区域气象资料、各类构筑物的实际情况，对热力管网进行设计工作，从而保证管网设计与施工达到更好的效果。在设计过程中应当对以下几个问题进行综合考虑：
（1）管网的布置原则
1）城镇供热管网的布置应在城镇规划的指导下，根据热负荷分布、热源位置、其他管线、构筑物、地质条件等因素，经技术经济比较确定。
2）城市街道和居住区内的热力网管道宜采用地下敷设。当地下敷设困难时，可采用地上架空敷设，但应注意设计美观。
3）工厂区的热力网管道宜采用地上敷设。
4）城镇道路上的供热管线应平行于道路中心线，同一条热力管线应沿街道的一侧敷设。
5）管网的管径根据热负荷的大小、用户与热源厂的距离及热源厂供汽参数和用户用热参数等因素确定。
6）根据整个区域用户的分布情况，考虑管网布置的经济合理性；供热管网尽量敷设在热负荷密集区域。
（2）合理的敷设方式
热力管线的敷设方式主要有架空敷设、直埋敷设。下面对这两种敷设方式就安全性、运行维护、工程投资等方面分别进行分析。
1）安全性
架空敷设：运行的安全性好，当出现泄漏等事故时，不易发生人身伤害；
直埋敷设：运行的安全性较好，当出现泄漏等事故时，泄漏点不能立即发现，泄漏后对道路影响较大。 2）运行维护
架空敷设：维护方便，可以方便的进行检修及维护，当出现泄漏等事故时，抢修的难度小；保温及外围护结构容易损坏，维护工作量较大；
直埋敷设：不具备维护条件，在需要检修时需要开挖，抢修的难度大。
3）外观
架空敷设：管道暴露在外，观瞻较差。
直埋敷设：地下安装，不影响观瞻。
4）工程投资
常规施工条件下，架空敷设投资较低，直埋敷设投资较高。
（3）热网管径的选择
管径的选取应按照供热管网的计算流量与比摩阻进行选择，而流量的大小是由热负荷的情况所决定的。因此，应对供热区域内现状热负荷进行详细调查，并综合考虑远期发展热负荷，并进行计算，合理确定热网管径。
3.供热管道的热补偿
目前热力管道敷设主要分为有补偿敷设和无补偿敷设两种方式。
（1）有补偿敷设
管道的热补偿方式通常采用自然补偿、π型补偿器、套筒补偿器、旋转补偿器、波纹补偿器等。设计时应根据各种补偿器的优缺点进行综合比较，合理选择补偿方式。例如自然补偿和π型补偿器设置简单，价格低廉，运行安全，不用设置专门的管道补偿器；但补偿量小，管道沿直线敷设距离有限，必须形成L、Z形补偿弯，且占地较大，主要应用厂区架空管道中；套筒补偿器补偿量较大，结构简单，工作可靠，管道介质流动阻力较小，但由于其结构上的原因和密封填料的耐温性能有限，容易发生泄漏，检修量比较大。
（2）无补偿敷设
无补偿敷设主要以钢材的第四强度理论为分析依据，充分发挥钢材的抗循环应力破坏能力。受限于钢材承受循环热应力破坏的能力，该技术主要应用于循环温差小于150℃的高温水或低温水管道直埋敷设中。无补偿敷设又可分为预应力安装和冷安装。预应力安装方式可以降低管道应力水平，但是这种安装方式需要预热，施工现场条件难以满足。而冷安装方式可以提高工作效率，减少施工时间，降低施工难度和占地面积，具有一定的经济效益和社会效益。冷安装与预热安装相比较更为方便、快捷，易于应用和推广。
综上所述，随着生产的发展，人们生活水平的提高，城市热能的消费量将愈来愈大，它给管网的优化设计带来了挑战。相信随着供热设计技术的不断提高，居民的生活质量也能得到不断的提升，有利于我国城市化进程的进一步发展。
参考文献：
[1]宗延萍.论城市供热管网的优化设计[J].科技资讯，2008，09：77.
[2]段梅.集中供热站的节能潜力与环保研究[D].长安大学，2006.
[3]曾光.枝状管网离散优化设计的研究[D].哈尔滨工业大学，2006.
[4]豆中州.集中供热管网优化设计研究[D].华北电力大学，2011.
【关键词】 城市供热；供热管网；优化设计
一、城市供热现状及存在的问题
我国供热事业虽已取得显著成效，但是随着城市人口的急剧增加和能源产业结构调整，越来越多的问题浮出水面。
1.供热结构单一
我国大部分城市的供热以烧煤为主，供热结构单一，既不能保证全部城区的供热，又与国家提倡的能源政策相悖。
2.供热设备老化，安全性能降低
城市供热系统很少进行翻修，由于供热管道使用时间过久，部分路段出现了漏水或者堵塞的现象。这种老化现象既影响了正常的城市供热，也埋下了很大的安全隐患。
3.部分城市供热设备存在规划不统一的情况
城市的供热设备不是同一批次安装，采用的器材规格不统一，城市供热不能实现区域联网。
4.供热企业规模小且布局分散
一般情况下，城市供热工作由多家企业联合完成，大部分企业都存在规模小、布局分散的问题。城市供热具有很明显的规模效益特征，供热的经济效益受供热面积与热负荷率匹配度影响较大。供热企业规模小、布局分散的现状既增加了供热成本，又影响了供热质量。
5.热计量收费推广艰难
供热属于商品，需有一定的收费标准，但是我国目前在热计量收费方面存在很多缺陷。国家规定，集中供热系统设施必须为用户提供分户计量和室温调控功能。根据用户的用热量，进行热计量收费。但是，部分建筑物的保温效果不好，单位建筑面积耗热量差距较大，直接导致用户热费不一致。另一个影响热计量收费的原因就是热计量表使用麻烦，管理困难，大部分企业不响应这种收费方式。
二、我国城市供热管网的特点与常用设计技术
受我国社会发展不平衡影响，我国的城市供热管网具有热用户分布区域广、分支多的特点。因此，在进行城市供热管网设计时要充分考虑各地区的实际情况，以保证供热管网建设时不会发生事故，建设成功后不会影响用户的正常使用，并且可以提高供热管网整体供热的可靠性，以及应付供热发展的相关不确定性的能力。假如在设计时没有考虑到供热管网的特殊性，将供热管网设计成为与自来水水管网类似的网格状的话，则会出现很多的问题，不仅使水力学计算在设计的过程中变得十分复杂，而且很可能出现水力不平衡的现象，增加了维护过程中水力平衡的控制难度；同时，因为网格状设计的施工面积较大、所用施工材料较多，严重增加了整体成本的投入和维修的费用。因此，我国也对供热管网的整体设计思想进行了创新优化，目前城市供热管网的设计研究具有很强的科学性、理论性。主要研究方向是结合城市实际情况，建立起数学模型，同时做好投资、运行、施工、维护等工作环节的综合评估，充分考虑各方面因素，得出最优的综合评估结果，以此为目标函数，最后用实际施工过程中的工程要求来形成整体约束条件，以保证所求出的结果是符合实际要求的最优秀答案。但是受我国的社会发展现状所限，目前的供热管网优化设计仅针对枝状的管网施工格局而建立，总体优化不够全面，不能广泛的应用于供热管网的整体优化设计中，所以优化设计工作没有取得良好的实践效果。
三、城市供热管网的优化设计的具体措施
1.连接方式及供回水温度
在对城市供热管网进行优化设计时，一定要考虑到管网与用户的连接方式。现有的连接方式有两种，直接连接和间接连接。直接连接型式是指用户系统直接与热网相连或通过混合装置与热网相连。间接连接型式是指用户系统通过表面式换热器与热网相连的型式。不同的连接型式，热介质消耗量可能在1.5～2倍范围内变化，这说明合理选择热力站连接型式，对于整个供热系统的经济性有着举足轻重的影响。
这两种连接方式的使用主要是依据城市供热的使用范围而决定的。直接连接方式主要是在小范围内运用于建筑物高度与建筑物体量相差较小的这类供热工程，在这种情况下使用直接连接方式能够有效的节省成本的投入，以及热交换器、循环泵、加压泵、补水泵等相关初期的投资费用以及后期的维护费用。而间接连接方式主要应用于大城市的热力网建设工程，针对于建筑物的高度与建筑物的体量差别极大的这类情况进行管网连接。
2.热力管网设计的科学化
供热管网的设计应依据城市道路的总体规划进行，结合实际地形资料、区域气象资料、各类构筑物的实际情况，对热力管网进行设计工作，从而保证管网设计与施工达到更好的效果。在设计过程中应当对以下几个问题进行综合考虑：
（1）管网的布置原则
1）城镇供热管网的布置应在城镇规划的指导下，根据热负荷分布、热源位置、其他管线、构筑物、地质条件等因素，经技术经济比较确定。
2）城市街道和居住区内的热力网管道宜采用地下敷设。当地下敷设困难时，可采用地上架空敷设，但应注意设计美观。
3）工厂区的热力网管道宜采用地上敷设。
4）城镇道路上的供热管线应平行于道路中心线，同一条热力管线应沿街道的一侧敷设。
5）管网的管径根据热负荷的大小、用户与热源厂的距离及热源厂供汽参数和用户用热参数等因素确定。
6）根据整个区域用户的分布情况，考虑管网布置的经济合理性；供热管网尽量敷设在热负荷密集区域。
（2）合理的敷设方式
热力管线的敷设方式主要有架空敷设、直埋敷设。下面对这两种敷设方式就安全性、运行维护、工程投资等方面分别进行分析。
1）安全性
架空敷设：运行的安全性好，当出现泄漏等事故时，不易发生人身伤害；
直埋敷设：运行的安全性较好，当出现泄漏等事故时，泄漏点不能立即发现，泄漏后对道路影响较大。 2）运行维护
架空敷设：维护方便，可以方便的进行检修及维护，当出现泄漏等事故时，抢修的难度小；保温及外围护结构容易损坏，维护工作量较大；
直埋敷设：不具备维护条件，在需要检修时需要开挖，抢修的难度大。
3）外观
架空敷设：管道暴露在外，观瞻较差。
直埋敷设：地下安装，不影响观瞻。
4）工程投资
常规施工条件下，架空敷设投资较低，直埋敷设投资较高。
（3）热网管径的选择
管径的选取应按照供热管网的计算流量与比摩阻进行选择，而流量的大小是由热负荷的情况所决定的。因此，应对供热区域内现状热负荷进行详细调查，并综合考虑远期发展热负荷，并进行计算，合理确定热网管径。
3.供热管道的热补偿
目前热力管道敷设主要分为有补偿敷设和无补偿敷设两种方式。
（1）有补偿敷设
管道的热补偿方式通常采用自然补偿、π型补偿器、套筒补偿器、旋转补偿器、波纹补偿器等。设计时应根据各种补偿器的优缺点进行综合比较，合理选择补偿方式。例如自然补偿和π型补偿器设置简单，价格低廉，运行安全，不用设置专门的管道补偿器；但补偿量小，管道沿直线敷设距离有限，必须形成L、Z形补偿弯，且占地较大，主要应用厂区架空管道中；套筒补偿器补偿量较大，结构简单，工作可靠，管道介质流动阻力较小，但由于其结构上的原因和密封填料的耐温性能有限，容易发生泄漏，检修量比较大。
（2）无补偿敷设
无补偿敷设主要以钢材的第四强度理论为分析依据，充分发挥钢材的抗循环应力破坏能力。受限于钢材承受循环热应力破坏的能力，该技术主要应用于循环温差小于150℃的高温水或低温水管道直埋敷设中。无补偿敷设又可分为预应力安装和冷安装。预应力安装方式可以降低管道应力水平，但是这种安装方式需要预热，施工现场条件难以满足。而冷安装方式可以提高工作效率，减少施工时间，降低施工难度和占地面积，具有一定的经济效益和社会效益。冷安装与预热安装相比较更为方便、快捷，易于应用和推广。
综上所述，随着生产的发展，人们生活水平的提高，城市热能的消费量将愈来愈大，它给管网的优化设计带来了挑战。相信随着供热设计技术的不断提高，居民的生活质量也能得到不断的提升，有利于我国城市化进程的进一步发展。
参考文献：
[1]宗延萍.论城市供热管网的优化设计[J].科技资讯，2008，09：77.
[2]段梅.集中供热站的节能潜力与环保研究[D].长安大学，2006.
[3]曾光.枝状管网离散优化设计的研究[D].哈尔滨工业大学，2006.
[4]豆中州.集中供热管网优化设计研究[D].华北电力大学，2011.