分布式供熱系統(tǒng)循環(huán)水泵的節(jié)能分析

高光洋張林華*周守軍趙宗峰

1山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院

2可再生能源利用技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

3山東省可再生能源建筑應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

分布式供熱系統(tǒng)循環(huán)水泵的節(jié)能分析

高光洋1張林華2，3*周守軍1趙宗峰1

1山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院

2可再生能源利用技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

3山東省可再生能源建筑應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

分布式循環(huán)水泵供熱系統(tǒng)是一種新型的一次管網(wǎng)輸配形式，與傳統(tǒng)的供熱管網(wǎng)相比具有系統(tǒng)壓力低、能耗低、運(yùn)行成本低的特點(diǎn)。本文以建立的模擬管網(wǎng)為基礎(chǔ)，對3種不同形式的分布式循環(huán)水泵系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，得出熱源泵單獨(dú)設(shè)置、熱網(wǎng)泵和熱用戶泵合一的分布式供熱系統(tǒng)在實(shí)際工程中是最值得推廣和應(yīng)用的系統(tǒng)形式。

分布式循環(huán)水泵 供熱系統(tǒng) 節(jié)能分析

在傳統(tǒng)的城市供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由最遠(yuǎn)、最不利用戶的資用壓差選擇系統(tǒng)的循環(huán)水泵，通常僅在熱源處設(shè)置循環(huán)水泵，并用來克服熱源、熱網(wǎng)和熱用戶系統(tǒng)的阻力。然而在供熱系統(tǒng)的近端熱用戶處，往往會形成過多的資用壓頭，為了滿足近端熱用戶的循環(huán)流量，近端的用戶不得不通過各種流量閥門來調(diào)節(jié)消耗多余的資用壓頭。這樣的節(jié)流調(diào)節(jié)會導(dǎo)致系統(tǒng)循環(huán)水泵產(chǎn)生過多的無效電耗和冷熱不均的水力失調(diào)現(xiàn)象。而分布式供熱系統(tǒng)通過在用戶處設(shè)置循環(huán)泵，在降低熱源循環(huán)泵揚(yáng)程的同時，也不同程度地避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中近端熱用戶由于資用壓頭過大導(dǎo)致節(jié)流損失[1]，使系統(tǒng)由原來在調(diào)節(jié)閥上消耗多余的資用壓頭改為用分布式變頻泵提供必要的資用壓頭。分布式循環(huán)水泵的設(shè)計(jì)方案與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案相比，循環(huán)水泵的裝機(jī)電容量可節(jié)約1/3～2/3[2]。所以，分布式循環(huán)水泵供熱系統(tǒng)在工程中具有較大的推廣和應(yīng)用空間。

1 集中供熱管網(wǎng)水力工況的建模

1.1 集中供熱管網(wǎng)水力工況基本模型

集中供熱管網(wǎng)是一種流體網(wǎng)絡(luò)，與電網(wǎng)絡(luò)類似，遵從基爾霍夫電流、電壓定律，其中的支路流量、壓降和管路阻力特性系數(shù)可以類比于電網(wǎng)絡(luò)中的支路電流、電壓和電阻。對于任意一個管網(wǎng)，可以得到集中供熱管網(wǎng)水力工況基本模型[3]：

對于一個具有n+1個節(jié)點(diǎn)，m個管段的熱網(wǎng)，則有：A為管網(wǎng)關(guān)聯(lián)矩陣，n×m階矩陣，它唯一代表管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其秩Rank(A)=n；Bf為管網(wǎng)的基本回路矩陣，(m-n)×m階矩陣；G為管段流量向量，G=(G1,G2,……Gm)；△H為管段阻力壓降，△H=(△H1…△Hm)；S為管段阻力特性系數(shù)矩陣（m階對角矩陣），S=diag{S1, S2,…,Sm}；|G|為管段流量G的絕對值m階對角矩陣，|G|=diag{|G1|,|G2|,…,|Gm|}；DH為管段的水泵向量，DH=(DH1,DH2,……DHm)T，當(dāng)管段不含水泵時，該管段DH=0；含水泵時，DH為水泵揚(yáng)程；Z—為管段支路中兩節(jié)點(diǎn)的位能差向量，Z=(Z1,Z2,……Zm)。

1.2 集中供熱管網(wǎng)水力工況計(jì)算模型

針對以上建立的非線性水力工況基本模型，經(jīng)過變換可以得到：

式中：M稱為馬克斯威（Max Well）矩陣，是以Bf為基礎(chǔ)的(m-n)×(m-n)階的對稱正定矩陣。M矩陣對應(yīng)于一定的樹，不同的樹，相對應(yīng)的M矩陣也不同；Δhk為基本回路管段壓降代數(shù)和，當(dāng)Gk為方程組的解時，其值為0。

式（4）即為供熱管網(wǎng)水力工況計(jì)算模型，該方程組為線性方程組。

2 傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)和分布式循環(huán)水泵供熱系統(tǒng)

為敘述方便，采用以下供熱系統(tǒng)[4]：模擬一次供熱管網(wǎng)為1個單熱源枝狀管網(wǎng)，包含10個二級換熱站，二級換熱站采用板式換熱器進(jìn)行換熱。模擬一次管網(wǎng)共分為31個管段，22個節(jié)點(diǎn)。管段及節(jié)點(diǎn)標(biāo)號如圖1所示。

模擬一次管網(wǎng)設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為67670kW，平均分配給10個換熱站，每個換熱站設(shè)計(jì)熱負(fù)荷6767kW。一次網(wǎng)設(shè)計(jì)供回水溫度為120/60℃，二次網(wǎng)設(shè)計(jì)供回水溫度為80/55℃，即每個二級站用戶一次側(cè)設(shè)計(jì)流量為100m3/h，總流量為1000m3/h。二次側(cè)設(shè)計(jì)流量為233m3/h。熱用戶資用壓頭為10m水柱，熱源內(nèi)部的總壓力損失為10m水柱。循環(huán)水泵的效率按80%選取。

圖1 傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)

2.1 傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)

傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)僅在熱源處設(shè)置循環(huán)水泵，此循環(huán)水泵流量為整個管網(wǎng)的總流量，揚(yáng)程用于克服熱源內(nèi)部的阻力，管網(wǎng)的阻力和用戶處的阻力，且揚(yáng)程的確定是找最不利熱用戶（如圖1所示）。根據(jù)此理論本供熱模型的水泵流量是1000m3/h，揚(yáng)程是0.93899MPa。

2.2 分布式循環(huán)水泵供熱系統(tǒng)

分布式循環(huán)水泵供熱系統(tǒng)是指可以在熱源處、供回水干管處及熱用戶處設(shè)置循環(huán)水泵的供熱系統(tǒng)，故其循環(huán)泵的形式有熱源泵、熱網(wǎng)泵、熱用戶泵。組合形式有許多種，如熱源泵單獨(dú)設(shè)置，熱網(wǎng)泵與熱用戶泵合一；熱源泵和熱用戶泵合一，承擔(dān)熱源內(nèi)部的水循環(huán)和各熱用戶資用壓頭的建立，熱網(wǎng)泵由設(shè)在各熱用戶供回水干管上的加壓泵承擔(dān)；熱源泵、熱網(wǎng)泵和熱用戶泵各司其職，即熱源泵只承擔(dān)熱源內(nèi)部的水循環(huán)，熱網(wǎng)泵由供回水干管上的加壓泵承擔(dān)，熱用戶泵由熱用戶各自的加壓泵承擔(dān)資用壓頭的建立；熱源泵單獨(dú)設(shè)置，只在供水干管上設(shè)置熱網(wǎng)加壓泵[2]等。本文將討論具有代表性的三種方案并計(jì)算其節(jié)能率。

方案一：熱源泵單獨(dú)設(shè)置，熱網(wǎng)泵與熱用戶泵合一，即在鏈支22～31上均設(shè)置水泵（如圖2）。

圖2 熱源泵單獨(dú)設(shè)置，熱網(wǎng)泵與熱用戶泵合一

方案二：熱源泵和熱用戶泵合一，單獨(dú)設(shè)置有限個熱網(wǎng)泵，即在干管1、4、7、11、14、17上設(shè)置水泵（如圖3）。

圖3 熱源泵和熱用戶泵合一，單獨(dú)設(shè)置有限個熱網(wǎng)泵

方案三：熱源泵和熱用戶泵合一，每個干管上設(shè)置熱網(wǎng)泵，即在干管1～20上均設(shè)置水泵（如圖4）。

圖4 熱源泵和熱用戶泵合一，每個干管上設(shè)置熱網(wǎng)泵

3 節(jié)能分析

傳統(tǒng)方案是將熱媒在管道中“推著走”，方案一則是在管道中讓熱媒“抽著走”，反映在水壓圖上，就是傳統(tǒng)方案供水壓線大于回水壓線，如圖5所示，方案一是回水壓線大于供水壓線，如圖6所示。圖7、圖8則是方案二與方案三的供回水壓力圖。

圖5 傳統(tǒng)方案中管網(wǎng)的供回水壓力

圖6 方案一中管網(wǎng)的供回水壓力

圖7 方案二中管網(wǎng)的供回水壓力

圖8 方案三中管網(wǎng)的供回水壓力

三種方案的水力特性數(shù)據(jù)如表1。

表1 不同方案水泵的流量和壓力

根據(jù)特蘭根定律[3]，按下式計(jì)算以上三種方案的循環(huán)水泵的總功率。

式中：Gi為供熱系統(tǒng)各管段的流量，t/h；△Hi為供熱系統(tǒng)各管段的壓降損失，m水柱；η為水泵效率；N0為由特蘭根定律計(jì)算的循環(huán)水泵總功率，kW；N為循環(huán)水泵總功率，kW。

利用式（5）與（6）分別對三種方案進(jìn)行循環(huán)水泵功率的計(jì)算，其結(jié)果如表2。

表2 三種方案的節(jié)能率

從表2中可以得出以下結(jié)論：

1）方案一、二、三比較可以看出，三種分布式循環(huán)水泵供熱系統(tǒng)較傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)均具有節(jié)能效果，且方案一與方案三的節(jié)能效果更明顯。

2）方案二和方案三比較可以看出，不在每個干管上都加裝水泵，而是設(shè)置有限數(shù)量水泵的情況會使系統(tǒng)的節(jié)能率降低。

4 結(jié)論

通過上述分析可知，分布式循環(huán)水泵供熱系統(tǒng)作為一種新型的供熱系統(tǒng)運(yùn)行方式，整個系統(tǒng)的壓力明顯比傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)的壓力降低，能耗也降低，具有明顯的節(jié)能效果。不在每個干管上加裝水泵的形式會使系統(tǒng)節(jié)能率降低，但從初投資及管理方面考慮，在每個干管上加裝水泵是不經(jīng)濟(jì)的。所以，綜合考慮能耗、初投資及管理運(yùn)行方面，熱源泵單獨(dú)設(shè)置，熱網(wǎng)泵和熱用戶泵合一的分布式供熱系統(tǒng)在實(shí)際工程中值得推廣和應(yīng)用。

[1]王芃,鄒平華,方修睦.分布式循環(huán)泵供熱系統(tǒng)節(jié)能分析[J].煤氣與熱力,2009,29(2):23-26

[2]石兆玉.供熱系統(tǒng)分布式變頻循環(huán)水泵的設(shè)計(jì)[A].見:2006年全國供熱技術(shù)研討會論文集[C].2006:27-38

[3]石兆玉.流體網(wǎng)絡(luò)分析與綜合[M].北京:清華大學(xué),1993

[4]周守軍.基于管網(wǎng)動態(tài)模型的城市集中供熱系統(tǒng)參數(shù)預(yù)測及運(yùn)行優(yōu)化研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2012

Ana lys is on Ene rgy Sa ving of Circ ula ting Pum ps in Dis tribute d He a ting Sys te m

GAO Guang-yang1,ZHANG Lin-hua2,3*,ZHOU Shou-jun1,ZHAO Zong-feng1
1School of Thermal Energy Engineering,Shandong Jianzhu University
2 Key Laboratory of Renewable Energy Utilization Technology in Building of National Education Ministry
3 Shandong Provincial Key Laboratory of Renewable Energy Construction Application Technology

Distributed circulating pump heat-supply system is a new form of a network distribution,compared with traditional heating network,it has the characteristics of low system pressure,saving energy,low operation cost.In this paper,based on the established simulation network,to the three different forms of distributed circulating pump system simulation analysis,concluded that heat pump set separately,the unity of pump and pump and heat users distributed heating system is the most worthy of popularization and application in practical engineering systems.

distributed circulating;pump heating system,energy saving analysis

1003-0344（2015）03-059-4

2013-11-18

張林華（1965～），男，博士，教授；山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院（250101）；E-mail:zhth0015@sdjzu.edu.cn

住建部科技計(jì)劃項(xiàng)目（2011-K1-34）；山東省住建廳科技計(jì)劃項(xiàng)目（2011YK020）