基于環(huán)路拓展的三級集中供熱系統(tǒng)原理與分析

李永安，劉振棟，?；郏瑒W(xué)來

（山東建筑大學(xué) 熱能工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250101）

0 引言

集中供熱已成為現(xiàn)代化城鎮(zhèn)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是城鎮(zhèn)公用事業(yè)的重要組成部分，是現(xiàn)代化的標(biāo)志之一。根據(jù)目前初步統(tǒng)計，城鎮(zhèn)建筑供暖用能折合標(biāo)準(zhǔn)煤1.3億t／a，占我國總城鎮(zhèn)建筑用能的52%，因此是建筑用能的最主要部分［1］。集中供熱系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：熱源、熱用戶和輸配管網(wǎng)。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，輸配管網(wǎng)通過循環(huán)泵將熱水輸送到用戶，由于系統(tǒng)設(shè)計原因或是系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制不當(dāng)，導(dǎo)致系統(tǒng)的輸配能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其實際所需能耗。據(jù)有關(guān)資料顯示，系統(tǒng)的輸配能耗大約占到整個運(yùn)行能耗的40%［2－3］。因此，減少供熱輸配管網(wǎng)的能量損失對于降低供熱系統(tǒng)的能耗有著重要作用。

基于環(huán)路拓展的集中供熱系統(tǒng)作為一種新型的供熱系統(tǒng)，能夠很好解決現(xiàn)階段供熱中存在的水力不平衡和運(yùn)行能耗高的問題，具有很高的推廣應(yīng)用價值［4］。因此，對該系統(tǒng)的研究具有非常重要的意義。

1 基于環(huán)路拓展的集中供熱系統(tǒng)

1.1 傳統(tǒng)集中供熱形式

常用的集中供熱形式主要有傳統(tǒng)直連式供熱系統(tǒng)和間接連接式供熱系統(tǒng)。傳統(tǒng)直連式供熱系統(tǒng)的水泵一般設(shè)置在熱源處，需要承擔(dān)來自用戶、輸配管網(wǎng)和熱源的阻力損失［5］。間接連接式供熱系統(tǒng)則是在熱源和熱用戶之間加了一個表面式換熱器，使熱源側(cè)輸配管網(wǎng)和用戶側(cè)輸配管網(wǎng)互不影響，兩側(cè)管網(wǎng)分別裝有水泵［6］。分布式供熱系統(tǒng)是在間接連接式供熱系統(tǒng)上衍生出來的一種新型供熱形式。該系統(tǒng)將設(shè)在熱源側(cè)負(fù)責(zé)整個熱網(wǎng)的循環(huán)泵換成了只負(fù)責(zé)承擔(dān)熱源內(nèi)部循環(huán)所需的小泵，并在換熱站內(nèi)也加設(shè)了循環(huán)泵。雖然該系統(tǒng)中水泵的數(shù)量增多了，但是每個水泵的流量和揚(yáng)程都小了，系統(tǒng)的無效功耗也隨之減少，大大降低了其總的輸配能耗［7］。

1.2 基于環(huán)路拓展的集中供熱系統(tǒng)

雖然分布式供熱系統(tǒng)便于調(diào)節(jié)，也在很大程度上降低了供熱管網(wǎng)的運(yùn)行能耗，但是該系統(tǒng)的初期投資比較高。為了解決供熱系統(tǒng)中存在的水力失調(diào)問題，同時又要降低供熱系統(tǒng)的運(yùn)行能耗，降低投資費(fèi)用，基于環(huán)路拓展的集中供熱系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

1.2.1 水力分壓器

基于環(huán)路拓展的集中供熱系統(tǒng)主要的部件是水力分壓器。水力分壓器是一個封閉的容器，兩側(cè)分別接有兩根水管，其中一側(cè)是連接熱網(wǎng)供回水，另一側(cè)連接的是用戶供回水。為控制水力分壓器內(nèi)的水流方向，內(nèi)部通常設(shè)有導(dǎo)流葉片。水力分壓器在使用時，熱源側(cè)的供水可以流向用戶供水管，也可以流向熱源回水管；用戶回水則可以與熱源供水混合流向用戶供水管，也可以流向熱源回水管［3］。

由于水力分壓器的雙向混水特性，使得供熱系統(tǒng)可以適應(yīng)地暖、散熱器等不同水溫要求的供暖方式；當(dāng)用戶調(diào)節(jié)流量時，水力分壓器內(nèi)的混水情況和流量會發(fā)生變化，但對于水力分壓器內(nèi)的壓力并不會產(chǎn)生影響，因此不會對熱網(wǎng)產(chǎn)生擾動，這大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.2.2 基于環(huán)路拓展的集中供熱系統(tǒng)原理

基于環(huán)路拓展的兩級集中供熱系統(tǒng)主要由熱源側(cè)管網(wǎng)和熱用戶側(cè)管網(wǎng)組成。兩級管網(wǎng)之間通過水力分壓器連接，熱源側(cè)供回水管接在水力分壓器的一側(cè)，熱用戶側(cè)供回水管接在水力分壓器的另一側(cè)。熱源供水管的熱水在水力分壓器中與熱用戶的部分回水混合后進(jìn)入熱用戶供水管。相對于輸配管網(wǎng)的管徑，水力分壓器是一個大空間容器，忽略水在容器內(nèi)的重力作用，可認(rèn)為其內(nèi)部是恒壓的，所以在水力分壓器內(nèi)同一級管網(wǎng)供回水之間的壓差為零［8］。

2 三級集中供熱系統(tǒng)原理及分析

基于環(huán)路拓展的集中供熱系統(tǒng)中，對于用戶側(cè)，由于某些原因（如地形條件、管網(wǎng)管徑限制等）使得供熱主管網(wǎng)無法延伸到新建用戶時，可以考慮在其近端用戶回水上串聯(lián)環(huán)路。

如果二次網(wǎng)用戶是地暖用戶，由于其回水溫度比較低，無法再直接用于供熱，因此僅對二次網(wǎng)是散熱器用戶的串聯(lián)模型進(jìn)行介紹。為了便于對比分析，對模型做如下簡化：一次供水管網(wǎng)的供回水溫度按 95／70℃計算，忽略管網(wǎng)的熱損失［9－10］。

2.1 一個環(huán)路的供熱模型分析

串聯(lián)一個用戶環(huán)路（串聯(lián)級數(shù)為1）的系統(tǒng)原理，如圖1所示。

圖1 一個環(huán)路的供熱模型圖1熱源；2一次網(wǎng)輸配管網(wǎng)；3一次網(wǎng)循環(huán)水泵；4水力分壓器；5二次網(wǎng)循環(huán)水泵；6散熱器用戶；7二次網(wǎng)輸配管網(wǎng)

由系統(tǒng)特點知，同一側(cè)的供回水流量是相等的，t1＝95℃，＝70℃。為保證熱網(wǎng)供水能夠全部進(jìn)入用戶，用戶側(cè)的水泵流量略大于熱網(wǎng)的水泵流量，則用戶回水G2一部分進(jìn)入熱網(wǎng)回水管，另一部分則與熱網(wǎng)供水一并進(jìn)入用戶供水管，并且。通常用戶側(cè)的流量與熱網(wǎng)側(cè)的流量比取1.1～1.2。此處的模型流量比取1.1，即 G2／G1＝1.1。

由熱力學(xué)第一定律得Q1＝Q2，即得式（1）為

式中：G1、G2分別為熱網(wǎng)側(cè)與用戶側(cè)的熱水的流量，kg／h；c為水的質(zhì)量比熱，J／（kg·℃）；t1、分別為熱網(wǎng)側(cè)流入和流出水力分壓器的熱水的溫度，℃；t2、分別為用戶側(cè)流出和流入水力分壓器的熱水的溫度，℃。

假設(shè)水的比熱容恒定，將G2／G1＝1.1帶入式（1）中，得式（2）為

則一次網(wǎng)供回水溫差Δt1＝25℃，二次網(wǎng)供回水溫差Δt2＝22.7℃。

經(jīng)上述分析，串聯(lián)一個環(huán)路時能夠滿足熱用戶的用能需求。

2.2 兩個環(huán)路的供熱模型分析

串聯(lián)兩個用戶環(huán)路（串聯(lián)級數(shù)為2）的情況，如圖2所示。

圖2 兩個環(huán)路的供熱模型圖1熱源；2一次網(wǎng)輸配管網(wǎng)；3循環(huán)水泵；4水力分壓器；5散熱器用戶；6二次網(wǎng)輸配管網(wǎng)；7三次網(wǎng)輸配管網(wǎng)

由于三次網(wǎng)的接入，必然導(dǎo)致二次網(wǎng)回水水溫和一次網(wǎng)的回水水溫降低，一次網(wǎng)和二次網(wǎng)的供回水溫差改變。由于水力分壓器的混水作用，二次網(wǎng)的供水溫度將會低于92.7℃，在不改變水泵特性的情況下，二次網(wǎng)通過散熱器用戶的供回水溫差Δt2將小于22.7℃，則二次網(wǎng)的熱用戶將會出現(xiàn)熱力失調(diào)。

圖1中為了提高熱網(wǎng)的熱效率，讓一次網(wǎng)的供水能夠完全進(jìn)入二次網(wǎng)，需要使得二次網(wǎng)和一次網(wǎng)有一定的流量比G2／G1＝1.1。雖然兩側(cè)流量不同，但Q1＝Q2。而對于圖2中的環(huán)路串聯(lián)系統(tǒng)，要使二次網(wǎng)仍然得到原有的熱量，就必須保持二次網(wǎng)的工況與圖1類似，使回水溫度為70℃。解決這一問題最簡單可行的就是降低二次網(wǎng)和一次網(wǎng)的流量比，令G2／G1＝1，即G1＝G2，水力分壓器內(nèi)無混水現(xiàn)象，一次網(wǎng)供水直接進(jìn)入二次網(wǎng)供水，有t1＝t2＝95℃。雖然二次網(wǎng)的流量減少，但是供水溫度提高了，熱量Q2，與圖1中二次網(wǎng)散熱器熱用戶的熱力工況相同。

當(dāng)G2／G1＝1時，二次網(wǎng)仍可以串聯(lián)下一個環(huán)路。則圖2中，一次網(wǎng)供水溫度t1＝95℃，二次網(wǎng)供水溫度t2＝t1＝95℃，離開散熱器用戶的水溫70℃。設(shè)三次網(wǎng)流量與二次網(wǎng)流量比G3／G2＝1.1，為保證三次網(wǎng)散熱器用戶的熱力工況滿足要求，就需要使二次網(wǎng)流經(jīng)散熱器后，水力分壓器的供回水溫差為，則二次網(wǎng)回水溫度為＝45℃，三次網(wǎng)的供回水溫差Δt3＝22.7℃，則三次網(wǎng)的供水溫度為：

t3＝t′3+Δt3＝45+22.7＝67.7℃經(jīng)上述分析，由于三次網(wǎng)中的供水溫度低了，散熱器與室內(nèi)的溫差減小了，需加大散熱器的面積才能使室內(nèi)達(dá)到設(shè)計溫度。

2.3 三個串聯(lián)環(huán)路的供熱模型分析

串聯(lián)三個用戶環(huán)路（串聯(lián)級數(shù)為3）的情況，如圖3所示。

圖3 三個環(huán)路的供熱模型圖1熱源；2一次網(wǎng)輸配管網(wǎng)；3循環(huán)水泵；4水力分壓器；5散熱器用戶；6地暖用戶；7二次網(wǎng)輸配管網(wǎng)；8三次網(wǎng)輸配管網(wǎng)；9四次網(wǎng)輸配管網(wǎng)

當(dāng)串聯(lián)級數(shù)為3時，由圖2可知，當(dāng)G3／G2＝1.1時，t3＝67.7℃和＝45℃。若在此基礎(chǔ)上串聯(lián)下一級環(huán)路，由于三次網(wǎng)供水中混合了部分回水，這勢必會導(dǎo)致三次網(wǎng)的供水溫度降低，造成熱力失調(diào)。

為避免這一問題的出現(xiàn)，需要對三次網(wǎng)進(jìn)行類似對二次網(wǎng)調(diào)節(jié)的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，即減小三次網(wǎng)水泵的流量，二次網(wǎng)的流量保持不變，使此時進(jìn)三次網(wǎng)用戶的水溫t3＝70℃，出散熱器用戶的水溫＝45℃。

由于45℃水對于散熱器用戶已很難再繼續(xù)利用，但對于地暖用戶來說，還是比較合理的。因此，對于四次網(wǎng)的用戶應(yīng)選擇地暖，供回水溫差數(shù)值取10℃［11］。

（3）為

式中：G3、G4分別為三次網(wǎng)和四次網(wǎng)中的流量，kg／h分別為三次網(wǎng)側(cè)流入與流出水力分壓器（右1）的熱水的溫度，℃；t4、分別為四次網(wǎng)側(cè)流出與流入水力分壓器（右1）的熱水的溫度，℃。

（4）為

從舒適及節(jié)能考慮，地面供暖供水溫度宜采用較低數(shù)值，國內(nèi)外經(jīng)驗表明，35～45℃是比較合適的范圍［12］。若再串聯(lián)第四級地暖用戶，由于水力分壓器的混水，第四級管網(wǎng)的供水溫度將低于34℃，不宜再繼續(xù)拓展。

3 結(jié)論

文章通過對基于環(huán)路拓展的集中供熱系統(tǒng)的原理和分析研究可知：

（1）基于環(huán)路拓展的集中供熱系統(tǒng)作為一種新型供熱形式，將水力分壓器應(yīng)用到供熱管網(wǎng)中，實現(xiàn)了用戶側(cè)管網(wǎng)與室外主管網(wǎng)的水力工況的分離。既保證了用戶的熱力工況，又降低了系統(tǒng)的能耗。

（2）基于環(huán)路拓展的集中供熱系統(tǒng)采用定溫差調(diào)節(jié)的方式，能夠通過流量的波動精確判斷出熱量的波動，能夠迅速對用戶需求做出反映，該調(diào)節(jié)方式還充分發(fā)揮了水力分壓器的調(diào)節(jié)性能，降低了熱網(wǎng)的輸配能耗。

（3）建立了基于環(huán)路拓展的集中供熱系統(tǒng)三

級用戶串聯(lián)的模型，通過對模型的理論分析，發(fā)現(xiàn)如果既有散熱器用戶，也有地暖用戶，且散熱器用戶在前，則可以在散熱器用戶的回水管上串聯(lián)一級散熱器用戶和一級地暖用戶。

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