開(kāi)式分布式動(dòng)力系統(tǒng)的節(jié)能性分析

尚有海 杜芳會(huì) 張子平

摘 要：分析介紹了分布式開(kāi)式水系統(tǒng)和閉式水系統(tǒng)的動(dòng)力系統(tǒng)的不同，以某再生水熱泵系統(tǒng)為例，對(duì)該熱泵區(qū)域供熱系統(tǒng)的源水輸配系統(tǒng)進(jìn)行了分析，經(jīng)過(guò)水力計(jì)算得到采用分布式動(dòng)力系統(tǒng)的輸送能耗比傳統(tǒng)的動(dòng)力集中式系統(tǒng)的能耗低8.7%，節(jié)能效果顯著，經(jīng)過(guò)計(jì)算可知開(kāi)式分布式系統(tǒng)相比于動(dòng)力集中式系統(tǒng)仍然具有節(jié)能性。

關(guān)鍵詞：開(kāi)式源水輸配系統(tǒng)；分布式動(dòng)力系統(tǒng)；節(jié)能

引言

隨著熱泵技術(shù)的發(fā)展提高以及逐漸增加的環(huán)境壓力，利用熱泵實(shí)現(xiàn)對(duì)江、河、湖水以及再生水等低品質(zhì)的能源進(jìn)行回收利用的區(qū)域供熱（供冷）有了較大規(guī)模的發(fā)展。低位熱能的提取方式主要有兩種，一種是閉式間接利用系統(tǒng)，在源水處設(shè)板式換熱機(jī)組，就近將低位熱能提?。涣硪环N是開(kāi)式直接利用式，將源水輸送到熱用戶處水源熱泵機(jī)組中進(jìn)行換熱。相比傳統(tǒng)的集中供熱系統(tǒng)，再生水等低位熱源的可利用溫差較小，常規(guī)的水源熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器進(jìn)出水溫差為8℃[1]，為了實(shí)現(xiàn)區(qū)域供熱，源水的流量通常比較大。取水點(diǎn)至熱用戶的高差一般只有幾米，由高差引起的兩種系統(tǒng)形式的能耗差別不大，而閉式系統(tǒng)既增加了初投資又增加了換熱的熱損失，因此對(duì)于水質(zhì)相對(duì)清潔的水體宜采用開(kāi)式系統(tǒng)。供熱系統(tǒng)主要由熱源、輸配管網(wǎng)、末端熱用戶三大部分組成，其中管網(wǎng)輸配系統(tǒng)是決定系統(tǒng)節(jié)能與否的關(guān)鍵，是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分，因此，管網(wǎng)輸配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行將決定著整個(gè)供熱系統(tǒng)的能耗水平，對(duì)于區(qū)域規(guī)模的水源熱泵系統(tǒng)來(lái)說(shuō)源水輸配系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。

1 開(kāi)式分布式水系統(tǒng)

源水輸送采用分布式動(dòng)力系統(tǒng)，即在水源點(diǎn)設(shè)源水提升泵站，克服源水去程到最不利點(diǎn)的阻力損失，在各用戶處的熱泵站內(nèi)設(shè)一次側(cè)加壓泵，克服水泵站內(nèi)及回程的阻力。首站源水提升泵和各用戶側(cè)加壓泵均宜采用變頻控制，前者是為了適應(yīng)每年系統(tǒng)總用水量的變化，后者是為了適應(yīng)每個(gè)采暖期內(nèi)末端負(fù)荷的變化而引起的再生水量的小幅變化。

開(kāi)式分布式動(dòng)力系統(tǒng)，與閉式循環(huán)的分布式變頻系統(tǒng)不同，前者必須保證再生水能被輸送到最遠(yuǎn)端，保證管道內(nèi)充滿水，因此開(kāi)式系統(tǒng)的“零壓差點(diǎn)”必須取在系統(tǒng)的最不利點(diǎn)。在末端負(fù)荷較低的前幾年，首站的再生水提升泵可以滿足最不利用戶的資用壓頭，各個(gè)用戶側(cè)變頻加壓泵不需要開(kāi)啟，屬于集中式動(dòng)力系統(tǒng)。隨著用水量的增加，個(gè)別較遠(yuǎn)端的熱用戶需要開(kāi)啟一次側(cè)提升泵，來(lái)滿足熱泵機(jī)組的需求。圖1是幾種不同形式的動(dòng)力配置示意圖。

比較常用的是圖d所示的結(jié)構(gòu)形式，王紅霞[2]等人將主循環(huán)泵、沿途加壓泵、用戶側(cè)變頻加壓泵三種功能的動(dòng)力系統(tǒng)靈活組合，給出六種不同的方案，六種方案相對(duì)于傳統(tǒng)方案的節(jié)電率均為33.75%，六種方案的設(shè)計(jì)均是按照熱源、熱網(wǎng)、用戶的阻力和資用壓頭的情況提供動(dòng)力，沒(méi)有剩余壓頭，因而能達(dá)到相同的節(jié)能效果。然而理想的模型系統(tǒng)付諸實(shí)踐必須滿足工程應(yīng)用的可及性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等方面的要求。分布式動(dòng)力系統(tǒng)由多泵組合實(shí)現(xiàn)，需要精確的計(jì)算流量、揚(yáng)程以及控制。

2 開(kāi)式系統(tǒng)水泵揚(yáng)程的確定

動(dòng)力分散系統(tǒng)中通常不設(shè)調(diào)節(jié)閥，節(jié)省了由于節(jié)流閥造成的能量損失，文獻(xiàn)[3，4]通過(guò)實(shí)例計(jì)算說(shuō)明了分散式動(dòng)力系統(tǒng)的節(jié)能性，且系統(tǒng)越大節(jié)能性越明顯。然而在應(yīng)用推廣方面并不樂(lè)觀，主要的一個(gè)原因是對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的技術(shù)問(wèn)題，動(dòng)力分散系統(tǒng)中的水泵，包括主循環(huán)泵、支線泵等都是相互協(xié)同并且水力關(guān)聯(lián)的，要使得管路中的流量分布達(dá)到設(shè)計(jì)工況，必須正確確定系統(tǒng)中各個(gè)泵的揚(yáng)程。

開(kāi)式動(dòng)力分散供熱輸配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路與閉式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)類似，一般來(lái)說(shuō)有以下幾點(diǎn)[5]：（1）對(duì)源水系統(tǒng)進(jìn)行水力計(jì)算，得出管網(wǎng)的特性曲線；（2）確定最不利用戶，將最遠(yuǎn)端選為零壓差點(diǎn)，主循環(huán)泵和分布式泵的配置就唯一確定了，零壓差點(diǎn)的位置決定了系統(tǒng)的造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)，當(dāng)系統(tǒng)中所有的熱用戶均沒(méi)有剩余壓頭時(shí)，系統(tǒng)沒(méi)有節(jié)流損失，也就是最優(yōu)的配置；（3）確定主循環(huán)泵，主循環(huán)泵的選取要能夠滿足全部的流量需求，負(fù)責(zé)克服水源點(diǎn)到零壓差點(diǎn)的阻力，還需結(jié)合管網(wǎng)的特性，盡量選擇Q-H曲線比較平坦的水泵，在流量變化范圍內(nèi)還能夠保證穩(wěn)定的揚(yáng)程；（4）各個(gè)分布式泵的選擇主要考慮滿足所對(duì)應(yīng)的用戶流量和該用戶機(jī)房?jī)?nèi)的損失和源水回程的揚(yáng)程要求。

開(kāi)式系統(tǒng)主循環(huán)水泵的揚(yáng)程H包括源水去程的流動(dòng)阻力和進(jìn)出口高差形成的靜水壓力，如公式（1）式所示：

而各個(gè)熱泵站內(nèi)的分布式水泵克服站內(nèi)的阻力損失和源水回程的阻力損失。

3 工程案例分析

某再生水源熱泵工程的管網(wǎng)輸配系統(tǒng)如下圖所示，共5個(gè)熱用戶，設(shè)計(jì)流量為5219t/h，通過(guò)水力計(jì)算可知各個(gè)管段的阻力損失，標(biāo)于各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間，流量標(biāo)于字母下方，系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

主循環(huán)泵的揚(yáng)程為H0，各支路水泵揚(yáng)程為H1，H2，H3，H4，H5，分布式變頻動(dòng)力系統(tǒng)是否設(shè)計(jì)合理，是否能達(dá)到比傳統(tǒng)集中式輸配系統(tǒng)節(jié)能的目的，主要由兩個(gè)方面的參數(shù)來(lái)決定，一是壓差控制點(diǎn)的選取，二是系統(tǒng)的背壓的作用，即循環(huán)泵的壓頭中用來(lái)提升流體勢(shì)能的那部分，用于提升流體勢(shì)能的這部分越大水泵的效率越低[6]。由于系統(tǒng)的首站主循環(huán)泵的吸入口和各個(gè)熱用戶機(jī)房?jī)?nèi)機(jī)組進(jìn)水口的高差最大為2.1m，本系統(tǒng)不考慮背壓對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的影響。

設(shè)循環(huán)泵效率均為70%，其軸功率的計(jì)算公式為：

其中：E-系統(tǒng)總的輸送功率，kW；Q-循環(huán)泵的流量，t/h；H-水泵揚(yáng)程，m；η-循環(huán)泵效率，定為70%。

系統(tǒng)的動(dòng)力設(shè)計(jì)方案有2種，方案1為傳統(tǒng)的動(dòng)力集中式系統(tǒng)，首站的主循環(huán)泵克服最不利用戶的阻力損失，各個(gè)熱用戶站內(nèi)不設(shè)分布式泵；方案2以5-5'為壓差控制點(diǎn)，主循環(huán)泵克服源水到最不利用戶⑤的阻力損失共26m，熱用戶機(jī)房?jī)?nèi)的分布式泵克服站內(nèi)源水的回程阻力損失，得到相應(yīng)的動(dòng)力配置。分別將各個(gè)方案的數(shù)據(jù)代入公式（2）可得兩個(gè)方案的能耗及配置情況：

從表1可以看出，當(dāng)各個(gè)熱用戶均沒(méi)有剩余壓頭時(shí)，一次系統(tǒng)不存在節(jié)流損失，源水輸送的總功率等于系統(tǒng)的需用功率，開(kāi)式分布式系統(tǒng)與動(dòng)力集中式系統(tǒng)相比，節(jié)省了8.7%的水泵裝機(jī)功率。開(kāi)式系統(tǒng)采用分布式的動(dòng)力系統(tǒng)，一個(gè)采暖季連續(xù)運(yùn)行120天，節(jié)約的電能是290880kWh，由此帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益較為可觀，在分布式動(dòng)力系統(tǒng)中可以不設(shè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，取而代之的是分布式變頻泵，系統(tǒng)的初投資及后期的運(yùn)行檢修費(fèi)用都會(huì)降低。

對(duì)于區(qū)域規(guī)模的供熱系統(tǒng)，末端的熱用戶通常是10萬(wàn)以上的一個(gè)小區(qū)，對(duì)于水源地附近的熱用戶通常建設(shè)進(jìn)度不一，各個(gè)熱用戶的同時(shí)使用系數(shù)較小，與傳統(tǒng)動(dòng)力集中的系統(tǒng)形式相比較，采用動(dòng)力分布式系統(tǒng)更靈活，首站泵站的規(guī)?？梢愿鶕?jù)末端的需求逐漸投入建設(shè)，住循環(huán)泵和分布式泵均采用變頻控制，在投入使用的前幾年負(fù)荷較低時(shí)采用變頻可以降低啟動(dòng)及運(yùn)行電流，降低運(yùn)行費(fèi)用，隨著負(fù)荷的增加最終首站達(dá)到滿負(fù)荷。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了適應(yīng)區(qū)域規(guī)模的再生能源熱泵供熱系統(tǒng)，源水的輸配采用開(kāi)式分布式動(dòng)力系統(tǒng)不僅降低了主管網(wǎng)內(nèi)的壓力，而且減少不必要的能源浪費(fèi)，與傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比輸配能耗減少了8.7%，而且滿足了末端負(fù)荷不同時(shí)存在的特點(diǎn)，降低了首站的初投資。根據(jù)末端熱用戶的工程進(jìn)度情況，再生能源系統(tǒng)采用開(kāi)式分布式動(dòng)力系統(tǒng)較為合理。

參考文獻(xiàn)

[1]GB/T 19409-2013.水（地）源熱泵機(jī)組[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.

[2]王紅霞，石兆玉，李德英.分布式變頻供熱輸配系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].區(qū)域供熱，2005（1）：31-38.

[3]狄洪發(fā)，袁濤.分布式變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)在供熱中的節(jié)能分析[J].暖通空調(diào)，2003（2）：90-93.

[4]符永正，吳克啟，蔡亞橋.常規(guī)水系統(tǒng)的閥門能耗及動(dòng)力分散系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用[J].暖通空調(diào)，2005（9）：6-10.

[5]姚東文，邱林.分布式變頻泵供熱系統(tǒng)節(jié)能影響因素[J].煤氣與熱力，2010（4）：14-17.

[6]符永正，吳克啟.背壓對(duì)泵與風(fēng)機(jī)變速調(diào)節(jié)節(jié)能效益的影響[J].暖通空調(diào)，2004（3）：70-72+16.

作者簡(jiǎn)介：尚有海（1986，11-），男，河北石家莊，本科學(xué)歷，研究方向：供暖、通風(fēng)與空調(diào)工程的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究。