基于混水原理的供熱系統(tǒng)節(jié)能分析

宋躍文，曲學(xué)軍

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) a.后勤服務(wù)中心;b.航空航天工程學(xué)部，沈陽(yáng) 110136)

冬季供暖在我國(guó)北方是城市基本建設(shè)及居民生活的重要方面。而目前我國(guó)供暖仍然以煤為主要燃料，能源消耗量大，如何提高效率、減少能源消耗、降低成本，是供熱運(yùn)行管理的關(guān)鍵。對(duì)于供熱系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，通過(guò)提高鍋爐熱效率、提高煤的燃燒充分度、減少供熱管道的熱損失、以及對(duì)各供熱單元的熱平衡調(diào)節(jié)等可以實(shí)現(xiàn)節(jié)約能耗，特別是隨室外溫度變化及時(shí)調(diào)整供回水溫度是降低外網(wǎng)供熱損失和過(guò)度熱消耗的重要方面。隨著自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展，基于混水原理的供熱運(yùn)行調(diào)節(jié)方式，因其調(diào)節(jié)及時(shí)、準(zhǔn)確、可以提高鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)而越來(lái)越多應(yīng)用于鍋爐運(yùn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)。本文對(duì)某供熱運(yùn)行自控系統(tǒng)進(jìn)行了分析，提出了混水方式的改進(jìn)，并對(duì)改進(jìn)后的系統(tǒng)進(jìn)行了節(jié)能分析、定量計(jì)算以及水溫控制方程推導(dǎo)等。

1 分流混水供熱原理及分析

冬季室外溫度是隨時(shí)變化的，尤其是晝夜溫差相差較大，同時(shí)不同熱用戶的供熱需求也是不同的，如果不能夠根據(jù)室外溫度變化和實(shí)際熱需求調(diào)整供熱運(yùn)行狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生極大的無(wú)效供熱和能源的浪費(fèi)。為此一些供熱公司特別是大的熱源廠開始引入供熱運(yùn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)，如圖1所示是某公司智能化供熱運(yùn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖，該系統(tǒng)根據(jù)室外溫度變化和熱負(fù)荷情況動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)熱量供給，分時(shí)段、分區(qū)域供熱，實(shí)現(xiàn)熱量的供需平衡，最大限度提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，有效降低系統(tǒng)的能源消耗。

該供熱系統(tǒng)在鍋爐出口即總供水管加裝電動(dòng)三通閥，并設(shè)置支管與總回水管相連，使少部分熱水不經(jīng)管網(wǎng)換熱重新進(jìn)入鍋爐循環(huán)，達(dá)到調(diào)節(jié)進(jìn)入熱網(wǎng)水量的目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)隨室外氣溫和熱負(fù)荷變化調(diào)節(jié)進(jìn)入管網(wǎng)的熱量，最大限度減少不必要的能量消耗，達(dá)到節(jié)能目的。由于其原理是將少部分供水通過(guò)支管分流至回水管，因此我們將其定義為分流式混水供熱系統(tǒng)(Backflow mix water heating system)。

在實(shí)際運(yùn)行中分流混水供熱存在以下不足，首先對(duì)外網(wǎng)的水力運(yùn)行有影響，由于經(jīng)過(guò)分流，進(jìn)入管網(wǎng)的水量減少，導(dǎo)致外網(wǎng)的總壓力降低，影響外網(wǎng)的水力平衡，如果分流過(guò)大很容易造成管網(wǎng)水力失調(diào)。其次由于分流前后供水溫度沒(méi)有變化，在室外環(huán)境變暖，需要減少熱量供給時(shí)，供水溫度卻沒(méi)有降低，因此仍然存在熱量過(guò)度消耗現(xiàn)象，特別是對(duì)于距離熱源較近的熱用戶，達(dá)不到供熱調(diào)節(jié)目的，而對(duì)于末端用戶，由于水量減少又會(huì)產(chǎn)生供熱溫度不足現(xiàn)象，導(dǎo)致熱量分配不平衡。針對(duì)以上弊端，我們對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，采用回流混水供熱方式(Bypass mix water heating system)，可以有效解決上述問(wèn)題。

圖1 某分流混水供熱自控系統(tǒng)原理圖

2 回流混水供熱原理及分析

常規(guī)供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在鍋爐的進(jìn)水口和出水口之間都要加裝一個(gè)連通管，稱為熱源旁通管，其作用主要有降低鍋爐阻力，提高供水壓力;鍋爐故障或檢修時(shí)確保系統(tǒng)水循環(huán)正常等。回流混水供熱的形式和旁通管相似，如圖2所示，在循環(huán)泵與鍋爐進(jìn)水口之間加裝一根支管(在此稱為混水管)，直接與鍋爐出口的供熱主管線相連，使一小部分回水不用通過(guò)鍋爐加熱，直接進(jìn)入系統(tǒng)循環(huán)，從而對(duì)供水溫度起到調(diào)節(jié)作用。同時(shí)加裝自動(dòng)控制閥門，該閥門連接自動(dòng)氣候補(bǔ)償器，并由預(yù)先設(shè)定的程序，根據(jù)室外氣溫計(jì)算出供水溫度，自動(dòng)調(diào)節(jié)混水量，該計(jì)算程序須根據(jù)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)和相應(yīng)公式編制(見本文第4節(jié))。

圖2 回流混水供熱原理圖

采用回流混水方式可以有效解決分流供熱帶來(lái)的弊端。首先混水前后供水溫度得以適當(dāng)降低，保證了室外溫度變暖后對(duì)熱量供給進(jìn)行了有效調(diào)節(jié)，減少了過(guò)度消耗和沿程熱損失。其次由于混水管設(shè)置在循環(huán)泵之后，因此對(duì)進(jìn)入外網(wǎng)的流量和水力平衡沒(méi)有影響。采用回流混水供熱同樣可以通過(guò)氣候補(bǔ)償器等自動(dòng)控制裝置，實(shí)現(xiàn)供水溫度隨室外溫度變化的即時(shí)調(diào)節(jié)，避免由于供水溫度過(guò)高造成熱量損失和過(guò)度消耗，達(dá)到節(jié)能降耗目的，并且響應(yīng)快、準(zhǔn)確度高。可以使鍋爐長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定運(yùn)行，并始終處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，便于鍋爐實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。另外可以提高鍋爐出口水溫，使鍋爐在額定狀態(tài)或接近額定工況下運(yùn)行，提高鍋爐熱效率，大幅增加單臺(tái)鍋爐的供熱能力，對(duì)于供熱面積大，裝機(jī)容量小的熱源廠意義非常大。

3 回流混水供熱節(jié)能定量計(jì)算

由于目前大部分鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)都采用設(shè)定鍋爐出口水溫的方法，因此這里在鍋爐出口水溫保持不變前提下對(duì)回流混水供熱進(jìn)行節(jié)能分析。

如圖3所示，未采用混水供熱的系統(tǒng)供回水溫度為tg0、th0，系統(tǒng)水流量為G，熱容為C，熱量輸出為q0;在室外溫度變暖后某時(shí)段，未采用混水控制的仍保持此溫度，采用混水控制的系統(tǒng)(見圖2)將供回水溫度調(diào)整到tg1、th1后即可保證供熱需求，其中 tg0=tg'、tg1＜ tg'，此時(shí)熱量輸出為 q1。根據(jù)等流量法有:

圖3 未采用混水供熱的系統(tǒng)

由上式得出，節(jié)能率是混水供熱前后的供回水溫差比值的函數(shù)。

下面討論供回水溫差同供水溫度的關(guān)系，設(shè)某系統(tǒng)供回水溫度為tg、th，系統(tǒng)水平均溫度為(tg+th)/2，室外溫度tw，整體供熱系統(tǒng)與室外環(huán)境當(dāng)量換熱系數(shù)為K(在供熱面積和外網(wǎng)情況不變時(shí)為常量)，則換熱量為:

因此對(duì)于不同供回水溫度 tg0、th0和 tg1、th1，tg0＞ tg1，則有:

將式(5)和式(6)代入式(2)得:

式(7)即為在某一室外溫為tw時(shí)，降低供水溫度后的節(jié)能效率計(jì)算公式，設(shè)室外溫度為－10℃，鍋爐出口水溫為80℃，經(jīng)混水后供水溫度降為75℃即可保證住戶室內(nèi)溫度，由上式得出節(jié)能效率為5.56%，因此可以看出節(jié)能效果還是非常明顯的。

4 供水溫度自動(dòng)控制方程

在供熱運(yùn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)中，如何根據(jù)室外溫度確定供水溫度是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的關(guān)鍵。目前的算法有幾種，一種是根據(jù)建筑設(shè)計(jì)時(shí)的熱負(fù)荷、建筑材料、外墻面積等參數(shù)以及管網(wǎng)設(shè)計(jì)情況進(jìn)行計(jì)算，這種方法由于系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中差異較大，因此有較大誤差，在實(shí)際運(yùn)行一定時(shí)間后需要進(jìn)行修正;另外一種算法是經(jīng)過(guò)一定時(shí)間運(yùn)行后，對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并進(jìn)行擬合后確定，這種算法會(huì)更接近實(shí)際情況，但不能揭示系統(tǒng)水溫與環(huán)境溫度的內(nèi)在聯(lián)系。下面從理論分析的角度確定供水溫度的計(jì)算方法，通過(guò)推倒出的公式揭示供水溫度與熱用戶室內(nèi)溫度和室外溫度變化之間的關(guān)系。

圖4 供熱系統(tǒng)熱流量示意圖

如圖4供熱系統(tǒng)熱流量示意圖，熱用戶室內(nèi)平均溫度為tn，系統(tǒng)水與熱用戶室內(nèi)當(dāng)量換熱系數(shù)為Kn，用戶與室外當(dāng)量換熱系數(shù)為Kw。根據(jù)供回水溫度可計(jì)算出鍋爐輸出的熱量為Q，該熱量與系統(tǒng)水傳遞給熱用戶的熱量和熱用戶與室外的換熱量相等，因此有熱平衡方程:

由以上3個(gè)等式可推導(dǎo)出供水溫度的自動(dòng)控制方程為:

由式(9)可以看出在保持用戶溫度一定情況下供水溫度同室外溫度成反比的變化關(guān)系，采用此公式即可根據(jù)室外溫度計(jì)算出供水溫度，并自動(dòng)調(diào)節(jié)混水供熱的混水量，實(shí)現(xiàn)供水溫度隨室外溫度變化的即時(shí)調(diào)節(jié)。其中C和G可通過(guò)測(cè)量得出，當(dāng)量換熱系數(shù)可以根據(jù)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出，其實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)隨供熱區(qū)域和系統(tǒng)熱負(fù)荷等情況不同而不同。

5 單臺(tái)鍋爐供熱能力及流量分配

混水供熱的另外一個(gè)作用就是通過(guò)提高鍋爐出口水溫，增加單臺(tái)鍋爐的供熱面積，并且在保持鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)供熱面積。下面通過(guò)舉例計(jì)算來(lái)說(shuō)明。

將圖3所示供熱系統(tǒng)的鍋爐出口水溫提高至tg'(見圖2)，采用回流混水供熱，外網(wǎng)供水溫度提高至tg1(可在 tg'與 tg0之間調(diào)節(jié)，即 tg'＞tg1＞tg0)，回水溫度不變 th1=th0，此時(shí) q1＞q0，由公式(1)計(jì)算出熱負(fù)荷增加比例為:

設(shè)流經(jīng)鍋爐與混水管的流量分別為Gl、Gh，其流量分配計(jì)算如下:

設(shè)tg0=80℃、th1=th0=65℃，tg'=90℃，tg1=85℃，代入式(10)和式(12)，計(jì)算可增加供熱面積(熱負(fù)荷增加比例)為6.25%，此時(shí)流經(jīng)鍋爐和混水管的流量比為4，由此可見在該設(shè)定工況下，流經(jīng)混水管的流量是流經(jīng)鍋爐流量的1/4，即總流量的1/5，因此混水管管徑的設(shè)計(jì)不宜過(guò)小，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，并且考慮到對(duì)系統(tǒng)壓力的影響，一般應(yīng)為主供暖管線的1/3～1/4左右為宜。

6 結(jié)束語(yǔ)

混水供熱已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用于供熱運(yùn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)于熱源混水來(lái)說(shuō)，回流方式比分流方式有更多優(yōu)勢(shì)，而分流方式更多應(yīng)用于各用熱單元和用戶，隨著節(jié)能降耗要求的提高以及用戶熱計(jì)量收費(fèi)的逐步推廣，混水供熱方式已成為供熱自動(dòng)運(yùn)行控制和熱平衡調(diào)節(jié)的重要方法，將有效的減少供熱管網(wǎng)的能量損失和多余的熱量消耗。

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