1、水力、热力、热量平衡的关系
供热的目的：是为了获得舒适的室内温度，同时满足节能、降耗、减排的要求。所以区分不同供热对象的热量平衡是实现供热目的的保证。热量平衡的前提是热力平衡，热力平衡的前提又是水力平衡。

1.1水力平衡是控制出来的
一个热网，无论我们的设计多么仔细和完善，都不能彻底解决水力平衡的问题，一方面是施工和材料设备会与设计存在偏差，另外热网的动态调节都会造成热网的水力失调，热网调整过程中管网是互相耦合的，管网中的实际阻力大小和分布是难以判断的。真正的水力平衡只能靠设备控制来实现，无论是节流式水力平衡通过调节阀门改变管网阻力来实现，还是有源式水力平衡通过分布式变频水泵的变速调节借以改变管网的阻力来实现。换言之，不加监控的热网，会存在先天的近端流量大远端流量小的问题，如果只给一间房子供热，确定一个合适的流量就很简单，然而我们供热的对象是千家万户，每个房间很难同时满足所需的流量，也就出现了冷热不均的问题。所以说热网的水力平衡要靠强大的监控系统来实现，平衡是控制出来的，不是设计出来的。

1.2水力平衡不等于热力平衡
问题是水力平衡就等于热力平衡吗？一次网水力平衡，做到了按各热力站供热面积大小分配一次网的循环水量。该方式只有在所有热力站换热器选型合理且换热系数相等的前提下才能实现各热力站热力平衡。但是前提是不可能成立的。原因有三：①、建设初期，考虑扩容需要，一般选择较大功率的换热器，各换热站的供热面积与换热器功率不匹配；②、换热器工作一定时间后，均存在结垢现象，且结垢情况不等，造成换热系数不同；③二次网的设备配置和运行工况也不一定“配合”一次网换热，如堵塞、旁通、近端短路等问题。

1.3热力平衡不等于热量平衡
热力平衡也不等于热量平衡。例如热源的不可控（热电联产）或热源能力不足造成的供暖对象普遍过热或过冷的现象，以及不同的房屋维护结构、不同的末端散热方式（普暖或地暖），即使是热力平衡了，但仍然达不到供热的目的——舒适的室内温度和节能降耗的要求。
以往基于温度管理的热网平衡调节，充其量做到了水力平衡、热力平衡或热量静态按需跟随，很难实现热量平衡。温度管理是一种粗线条的管理模式，已经不适应当今供热对供热成本和供热质量的较高要求。图1有助于对以上叙述的理解。
 
图1 水力、热力、热量平衡关系图
 
2、传统平衡调节的现状
2.1传统平衡调节的方法分类
从运行调节的角度而言，集中供热有两种基本的系统，一为恒流量系统，通常叫质调节系统，即在整个运行期间系统的循环水量保持不变，通过改变系统的供回水温度来实现对热负荷的调节；二为变流量系统，通常叫量调节系统，即在整个运行期间系统的供水温度或供回水温差保持不变，通过改变系统的循环水量来实现对热负荷的调节。其它类型的系统，如分阶段变流量的质调节系统、间歇调节系统都是这两种基本系统的结合或变异。第5种热量调节方法是区别于传统平衡调节方法的先进的调节方法。
表一：平衡调节方法分类表

分类	序号	调节 方法	分类原理	优缺点
传统方法	1	质调节	循环水流量保持不变而只改变供水温度	1、 水力工况稳定； 2、 适用于一、二级热网； 3、 只节热，不节电； 4、 热网远、近端用户温度有时间差；
	2	量调节	保持供水温度不变，只改变循环水流量	1、 既节热，又节电； 2、 可消除热网远近端在调节上的时间差； 3、 只适用于一级热网； 4、 在技术和操作层面上较难实现；
	3	分阶段变流量的质调节	把整个供暖期按室外温度的高低分几个阶段（一般3—4个阶段），在热负荷较大时采用较大流量，反之采用较小流量，在每个阶段采用保持流量不变的质调节	1、 每个阶段内，水力工况稳定； 2、 流量变化不连续，只分几段，节热同时只部分节电； 3、 热网远、近端用户温度有时间差；
	4	间歇调节	不改变循环水量和供水温度，但减少每天的供热时间，只能作为一种辅助调节措施	1、只开关，不调节，运行简单； 2、比变负荷连续运行要浪费能源；锅炉要频繁的起火、压火，网络供回水温度不断变化；
先进方法	5	热量（质量）调节法	通过热量监测装置根据热用户的要求直接控制供热负荷和供热量，前提是大温差优先	1、简单易行、直奔主题；传统供热调节，其目的就是通过控制网络供回水温度、流量、运行时间来调节供热量，以适应用户热负荷的变化；热量平衡了，温度、流量是随动结果，本末使然，不必人为控制； 2、要上计量设备，要上监控系统；

 
2.1传统平衡调节的理论基础
分阶段变流量的质调节系统是以往比较常用的供热调节系统，但对于该系统的运行调节，目前大部分企业的操作方法是：依据设计参数，给出理论计算的一次网水温水量调节曲线、二次网水温水量调节曲线和采暖热负荷曲线图，先不说这些图的准确性与否（肯定是不准确，因为建成的热网已经不是设计图纸上的热网，运行参数也不是设计参数），即使是囫囵吞枣的按这些图操作了，充其量也只能做到非常粗放的“热量按需跟随”。以上理论更多的是对热源的规划和管理，对热力站和二次网的平衡调节几乎无能为力。
2.2.1供温曲线的绘制方法
以西北地区的供热系统为例，说明分阶段变流量质调节系统的一次网水温水量调节曲线、二次网水温水量调节曲线和采暖热负荷曲线图的给出方法。该地区的供暖室外计算温度为-10℃，供热介质为热水，采用质量-流量调节方式。一级管网的设计供、回水温度为130、70℃，二级管网的设计供、回水温度为90、65℃，供暖室内计算温度为18℃。采用BR型板式水-水换热器，供暖面积185万m2，热指标取50W/m2，采暖天数150天，采暖期室外平均温度-4.7℃。
在实际运行中，一般先确定相对质量流量比的最小值。为了避免因相对质量流量比过小引起水力失调， 取值应大于等于0.7，在本例中最小值设为0.75，然后按照温度梯度(温度梯度一般取1℃)线性设置相对质量流量比，取实际供暖室外温度的初始温度为的计算结果见表1，由表中数据绘制：二级管网和一级管网的水温调节曲线、一级管网的流量调节曲线。



  

2.2.2利用无因次综合计算公式绘制采暖热负荷延时图
利用无因次综合计算公式确定采暖热负荷延时图的主要优点，在于无需收集详尽的当地气象资料，只要已知该城市采暖期天数或小时数，采暖室外计算温度和采暖期室外平均温度，（此三个数值很容易在暖通规范中查出），就可绘制采暖热负荷延时图，见文献[1]张段军、贺平、许明哲《利用无因次综公式确定采破热负荷延续图》区域供热杂志1990年第3期，文献中已详细介绍了该计算方法，下面仅将公式列举如下。
室外气温表达公式：
�                                             （13）
采暖热负荷表达公式：
 
                                            （14）
——实际供暖室外温度，℃
——供暖室外计算温度，℃
——采暖期室外平均温度，℃
       ——采暖期天数（天）
——延续天数, 即采暖期内室外气温等于或低子的历年平均天数
——采暖设计热负荷
——某一室外温度下的采暖热负荷
——一个无因次值，代表无因次延续天数（小时数）

——采暖期小时数
——延续小时数, 即采暖期室外气温等于低于的历年平均小时数
——系数，
——指数，

表3：利用无因次综合计算公式绘制采暖热负荷延时图计算表

			GJ/h	Rn			GJ/h	GJ
1.034	0.698	0.649	333	0	-19	120	333	39960
				0.048276	-16	288	322.57	55068
				0.103448	-14	480	310.66	60790
				0.158621	-12	672	298.74	58502
				0.213793	-11	864	286.82	56214
				0.268966	-9	1056	274.90	53926
				0.324138	-8	1248	262.99	51637
				0.37931	-7	1440	251.07	49349
				0.434483	-6	1632	239.15	47061
				0.489655	-4	1824	227.23	44773
				0.544828	-3	2016	215.32	42485
				0.6	-2	2208	203.40	40197
				0.655172	-1	2400	191.48	37909
				0.710345	0	2592	179.57	35621
				0.765517	1	2784	167.65	33333
				0.82069	2	2976	155.73	31044
				0.875862	3	3168	143.81	28756
				0.931034	4	3360	131.90	26468
				1	5	3600	117.00	29868

图5 采暖热负荷延时曲线图及对应室外温度下的需热量
2.3传统平衡调节的存在的主要问题
2.3.1传统供热调节方法不能实现按需供热
供热系统在流量均匀调节的基础上，再根据水温、水量调节曲线进行运行调节，则可使供热系统实现按需供热，保证各热用户均匀满足设计室温，同时供热量既不亏欠也不多余，这是理想状态。
在实际运行中，传统供热调节方法是难于控制操作的。首先流量均匀调节是不具备的，如果水力平衡就不会出现热网冷热不均的普遍现象；其次各种调节曲线是不准确的，由于供暖系统的设备工况偏离设计工况很多，例如热用户安装散热器过多（谁家装修不换暖气片！），导致水温调节曲线不符合实际情况，结果形成了目前广泛采用的凭经验调节水温的方法，再加上水温、水量调节计算公式未考虑日照、风速、以及供热状况等动态因素，因此属于静态的近似计算方法，很难实现真正的按需供热。
就水温控制而言，网路的供回水温度决定于锅炉燃烧状态和室外气象条件等多种因素影响。一般来说，锅炉在运行过程中，其瞬间供热量经常在变化，当然供水温度也随之改变，即使锅炉运行状态调节的较好，给煤量和鼓引风量也不变，但由于燃煤结焦、拨火和清灰等原因，加之室外温度变化的影响，供水温度仍在不断的变化。所以司炉工很难准确地控制供回水温度，尤其是在锅炉循环流量没有计量和不加控制的情况下，供热量只能大致控制在一个范围内，误差较大。如供回水25℃温差时，差1℃就是4%的热量偏差，差2℃就是8%的热量偏差。
随着室外温度的变化，要求网路的供回水温度也要相应变化，也就是说，锅炉要通过调节给煤量和鼓引风量变负荷运行，来满足网路所要求的供回水温度，如果没有监控系统的参与支持，人工运行是很难实现这一点的。充其量运行大中小几个负荷点，再省事的就是间歇运行，温度高了就关，温度低了就开。锅炉的运行不看负荷看温度，不看效率看煤渣，何谈按需供热，何谈供热节能。多年来我们就是拿落后当经验，再拿着经验当技术去务实的。
2.3.2大流量小温差的运行模式弊端多多
为了掩盖我们设计、运行中一系列问题，消除冷热不均现象突出的问题，我们饮鸩止渴的采用了大流量小温差的运行模式。这种漫灌的运行模式不但不能节能、抑制热源设备供热能力的发挥，而且还要增加各方面的造价和运行费用。
大流量小温差运行导致启用设备数量增多。低温差运行导致流量增大到远远超过锅炉的额定流量，流量大，炉膛温度低，锅炉效率低，还不得不多启用锅炉台数，这样其它设备启用数量也相应增加，这样运行费用和管理费用都要相应增加。
大流量小温差运行致使循环水泵的电耗增加。大家都知道水泵的电功率与流量的立方成正比。
采用大流量小温差的设计模式，散热器的用量增加。供水温度的降低，导致散热器的对流散热和辐射散热也随之降低，要保证室内温度不降低，就要相应增加散热器的面积。
采用大流量小温差的设计模式，供热管径增大。不但是供热管径增大，同时管理阀门、水箱、分水箱、分水器、除污器等都要加大，投资费用和施工劳动强度都要加大。
大流量小温差的供热运行模式不适合计量供热的用户自主调节。温差越小散热器的调节性能越差，也就是说在大流量运行时，即使流量改变很大，也不能变化多少散热量，散热器的供回水温差越大，流量变化引起的散热量的变化越明显。
2.3.3源网共泵 顾此失彼
传统的供热模式是：热源和热网共用一个集中循环泵，外网和热源的循环流量绑架在一起，互相钳制。往往是满足了外网的水力平衡流量就会不满足热源的额定循环流量，瞒足了热源的流量对于外网来说不是大了就是小了，大了就是大流量小温差的不经济的运行模式，小了又不能满足外网的水力平衡，所以说是顾此失彼。虽然热源可以通过旁通管或旁通锅炉的方式缓解外网流量大于锅炉循环流量的问题，但电能和热量的损耗又会不可避免。另外这种工艺模式下外网的调节性也很不好。
2.3.4温度管理 以偏概全 
传统的控制策略可以归纳为“温度管理模式”，它表现为根据室外温度控制一次供水温度、一次回水温度、二次供水温度、二次供回水平均温度，或者采用调节一次网阀门控制二次供回水温差等多种方式。这种仅仅把“温度”作为控制目标的传统供热方式在供热系统发生各种不理想运行状态下都会产生可能的误判！温度高不一定代表供热量大！使用“温度”作为控制目标的传统供热管理方式是造成我国供热界多年难以解决平衡供热难题的理论根源。
2.3.5冷热不均 费煤费电 
在没有手段或者是手段不科学的情况下，热网平衡的调节往往伴随整个采暖季，反反复复、筋疲力尽，结果还是按倒葫芦起来瓢，不平衡依然存在。热力不平衡就导致冷热不均，进而导致投诉量增大，供热部门被迫直接增大热源负荷解决不热户。为了避免平衡调节的“麻烦”，在连续多天气温变化不大时，就以每天的夜间低气温为需求，数天恒定供热。尤其在热网不平衡情况下，热源被迫升温，供热量又增加了一块，这种漫灌方式，必将造成大量的能源浪费和高成本运行。根源就是传统平衡管理方法的不可操作性。
2.3.6锅炉难控 效率不高 
锅炉没有自控或自控不力，全凭烧锅炉师傅的经验和习惯运行，往往是在锅炉出力不详、效率高低不知的情况下，眼睛直盯着锅炉出水温度达到那条“供温曲线”就完事大吉了，结果是尽职尽责，却又浪费严重。
3先进的供热运行管理模式
3.1建立三级解耦的工艺基础
热网平衡调节是困扰全国供热界的历史性难题，究其根源，首先是传统供热系统的工艺结构不合理！这种传统供热系统一次网采用“热源和多个热力站共用一个集中循环泵”，二次网采用“换热站的多个分支共用一个集中循环泵”。这种系统模式呈现的特点必然是“热源与热网的流量耦合”、“各热力站之间的流量强耦合”、“二次网各分支之间的流量耦合”。组成供热系统的这三个基本环节的流量全部是耦合关系或者是强耦合关系，也就注定了供热平衡调节困难的必然结果！特别是在配套的流量、热量检测仪表不完善的情况下，供热平衡的调节和管理工作就更加困难，绝大多数热力公司的平衡调节工作会没完没了的贯穿整个采暖季！很显然对于一个不断疲于奔命应对供热投诉的热力公司讨论节能降耗是不现实的。
解决三个环节的流量耦合问题应综合采用“解耦管技术”、“分布变频泵技术”、“二次网分解泵技术”，我们叫它“三级解耦技术”。
解耦管技术不是通常意义上的均压管概念，解耦管以混水方式实现热源向热网传递热量。热源流量可以大于热网运行流量，也可以小于热网运行流量。从而很好的解决了在供热运行中热网流量超出锅炉额定流量引起的电能浪费和作为旁通使用锅炉的热能浪费；锅炉可以根据供热量需要合理组合运行；热网运行温差可以大于锅炉运行温差，有利于大温差小流量的节电热能传输方案的实施，对于热电联产供热系统长距离热能传输的节电意义更大。
分布变频泵技术方案是通过在各热力站安装小循环泵取代传统的统一大循环泵的运行方式有效的解决了各热力站富裕资用压力造成的大量电能浪费。把传统的“杀富济贫”的硬平衡调节方式改变成“各取所需”的软平衡调节方式，可以实现“立竿见影”的调节效果。
分解泵技术是针对具有多个二次网分支环路的热力站供热系统，在每个分支环路配置循环泵取代二次网集中循环泵的工艺方案。它彻底改变了二次网平衡调节的困难现状！能够较好的解决科学供热、节能供热的基础难题——二次网的平衡供热！
3.2热源的按需供热模式
锅炉必须做到根据环境温度的变化迅速地变负荷运行，生产出需要的热量，而不是“温度”，同时做到优化燃烧，高效率的运行。1台百吨炉，满负荷运行180天，烧5000kcal/kg的煤，80%的效率要比60%的效率少烧2万多吨煤！
3.2.1 传统锅炉控制策略的缺陷
固定风煤比控制：目前固定风煤比控制在链条炉上应用最多，它属于开环控制。这种方法根据给煤量通过查表和插值确定鼓风量，这种控制不能处理煤质、给煤等的小幅波动和大幅变化，而这些变化往往是不可避免的。所以这种方式存在本质上的弱点，是粗放的控制方式，一般很少采用。
烟气含氧量控制：这种方法在理论上是合理的，并且可以实现闭环控制。但实际运行中受负荷变化、煤质变化、炉况多种因素的影响，往往难于达到预期效果。特别在锅炉密封存在问题的情况下，这种方法甚至无法操作。另外氧化锆价格较高且使用寿命短，也是这种方法应用不理想的原因。
炉温寻优控制：采用炉温寻优控制是一种试图实现闭环优化燃烧控制的方法。但是这种方法即使能找到炉温最高点，由于受到各种干扰因素影响，很难稳定运行，甚至产生振荡，炉温是寻优了，可能火床只有半膛火了。“优”不能维持。
3.2.2自寻优、自学习锅炉燃烧控制
“自寻优、自学习锅炉运行计算机控制系统”是在传统控制策略的基础上，经过大量的实践总结提炼而成的新技术，它准确、方便、可靠的实现了锅炉自动优化燃烧和变负荷运行，进而达到最好的供热效果和最高的经济效益。解决了固定风煤比、烟气含氧量等传统控制方法不能解决的问题，实现了锅炉自动优化燃烧。并通过手操器、触摸屏、计算机三级控制，和手动与自动的无扰切换，最大限度的保证了锅炉的安全稳定运行。那种不看数据，粗放型的锅炉运行方法远远不能满足现今科学化管理的需要，更达不到好的供热效果和节能目的。本锅炉自控系统可以保证锅炉在一定时间段内热源出力恒定运行，配合热网达到最好的供热效果，同时避免能源浪费。 锅炉实现优化燃烧，就是要提高锅炉的运行效率，从而节约能源。
“自寻优、自学习锅炉运行计算机控制系统”的策略是：在锁定锅炉运行功率W为控制目标的同时也把锅炉的优化燃烧作为重要目标。一旦锅炉输出功率W达到了目标功率Wm，控制系统就自动进入以锅炉最高效率ηmax为目标的自动寻优运行，并且在寻优运行过程中自动记录下对应每次达到最优效率ηmax的相关运行参数、完成一次自学习，以备锅炉再次运行到该状态时作为参考使用。该控制策略保证了每个寻优运行的成果都可能实时的转化为节煤成果。
3.3热网平衡调节的周期热量管理模式
采用热量管理的方式，以热量为纲，才能纲举目张。热量是个综合参数，它体现的信息和供热效果具有唯一对应性，大就是大、小就是小，是没有附加条件的。不论供热量大、小，供应方和使用方都清清楚楚。供热量大的二次网出现不热的用户或起因于二次网不平衡、或非保温建筑等，不能再归因给一次网；二次网不热、一次网热量小，或起因于一次网流量小、换热器积垢堵塞、二次网流量太小等等，这样问题清楚、责任明确！不用扯皮！供热人不怕出问题，就怕出了问题找不到出力的方向！
城市供热的基本特点是它的周期性，气温是日复一日的昼升夜降的循环变化过程。除冷、暖气流突然侵袭的短暂气温突变过程，整个取暖季的气温变化是一个一天天缓慢变冷又逐渐转暖的平稳降温和升温过程。在我国北方，其温度变化的数字特征是在100多天的取暖季里（严寒地区为180天），每天的平均温度变化基本小于1℃。（我国严寒地区最低气温为零下40℃左右，而京津唐地区为零下10℃左右）但是，每天昼夜气温的变化则高达10℃左右（严寒地区大些）。因此，由宏观环境条件决定，供热过程在任何一段相邻的几天里都可以近似认为是一个周期供热过程，并且其供热量调整幅度主要是依据昼夜温差的变化。而初末寒期到严寒期的室外温度变化是以渐变的形式调整着这个周期过程平均值的变化。
采用“周期热量平衡分析方法”对所有热力站的供热平衡进行分析和控制。废止使用传统的“流量平衡基础上的温度平衡管理方法”。
使用这种理论方法的基本原则是：决不允许任何热力站不经过调度中心授权的独立调节！
“周期热量平衡分析方法”的基本原理如下：
（15） 该式表明了各个热力站的平衡可由热力站一天的单位面积累计供热量比较确定。由上述依据热力站累计供热量确定的供热系统的平衡是真正的建立在热量计量基础上的热平衡。 
3.3.1热源规划
热源规划将自动根据环境温度计算出热网需求热量及一次网运行参数建议（公式1），用户可根据需要选择自动/手动调整模式控制。
Q=((tn-t0) /( tn-)) q·S                        
（16）式中 Q — 热源生产的总热量（W）
   q —热指标， q=W/m2（节能建筑）
— 设计计算温度（℃）
— 设计室内温度（取18℃）
— 实测环境温度（在4级风以上需要加补偿）（℃）
S — 总供热面积（m2）
供热计算机监控系统将根据气象局天气预报的室外气温变化(结合考虑刮风天的因素，按风力增大一级气温下降0.4℃折算)宏观规划供热量。
3.3.2热网供热运行控制策略
一次网最小特征运行流量为0.5kg/h/m2，最大特征运行温差60℃；二次网以用户网的平衡为原则，执行不小于3.5 kg/h/m2的运行流量，地暖用户不小于5kg/h/m2。控制策略如下。
在供热的初、末寒期，一次网在执行最小运行流量条件下采用质调节供热策略；当供热量需求达到一次网最大供、回水特征运行温差后执行量调节供热策略。
3.4热网监控系统
只有做到量化监控，才能做到事半功倍的平衡热网的效果。只有量化的，才是能够被管理的。通过工艺改造和实施热力站无人值守型的热网监控系统建设，供热管理就有了合理的工艺基础，有了提纲挈领的“热量”主线，有了高度时效性的量化数据和调控目标值，有了方便的调控手段，热网的平衡调节工作就变得非常容易。平衡调节工作不再占用大量的精力和时间，不再是供热管理的主要难题和矛盾，那么追随环境温度变化的变负荷运行和高精度的平衡调节就变成我们的日常工作，安全高效和节能降耗的供热也就成了“量化监控”的必然结果。
同时要说明各热力站单独控制的气候补偿法不可行的原因。各热力站单独控制，热力站根据测出的室外温度tw,调整一次侧的电动调节阀门（或水泵变频）。以改变流过换热器一次侧的水流量。从而使二次侧热交换器出口水温tg达到设定值。从原理上讲，只要给出合理的室外温度tw与二次网供水温度tg之间的关系式，设计好电动调节阀门的调节算法，是能够使用户侧采暖建筑达到要求的。但从整个热网看，由于各热力站与热网皆为并联关系，热力站之间存在相互的耦合作用，某一个站阀门有动作，其余的热力站的电动阀门都将随之动作，况且环境温场是基本一样的，各站要关都关，要开都开，总热网及各站将产生无休止的振荡现象，尤其是当室外温度tw变化较大，热负荷变化较大，而热源调整又不及时的时候，再加上质调节系统温度延时的因素，这种振荡会严重到整个系统不能正常运行。
4结束语
供热是一项系统工程，供热平衡的调节也是一项系统工作。针对一个供热系统，要做到系统规划、因地制宜、工艺合理、运行策略科学、调控手段有力，才能做到事半功倍，才能保证实现室温合理而能耗指标又低的科学供热。