分布式變頻供熱的節(jié)能分析

達福云

摘要：傳統(tǒng)的供熱系統(tǒng)中，釆用的是電動調(diào)節(jié)閥，其對系統(tǒng)供熱而言有著極大的能量消耗。筆者認(rèn)為，如果可使用分布式變頻調(diào)節(jié)將其替代，在投資初始金額不變的情況下能夠減少大量水泵的消耗，尤其是在負(fù)荷部分運行的工程條件下，有更加明顯的節(jié)能效果。由此本論述根據(jù)上述分析，探討分布式變頻供熱的節(jié)能措施，希望能夠為相關(guān)工程的節(jié)能供熱提供一些有效思路。

關(guān)鍵詞：分布式;變頻調(diào)節(jié);節(jié)能

中圖分類號：TU9文獻標(biāo)志碼：A

0引言

傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)運行期間，為保障各個用戶所需的流量需求，在用戶端安裝調(diào)節(jié)閥是其主要方式。而安裝調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量時，所選擇的泵流量與揚程需大于總用戶的流量總和，這樣才能夠滿足最遠端用戶流量的需求⑴。但是此種方式的實現(xiàn)，需要用戶支路阻力增加的支持，而一點阻力增加勢必會增加能量的消耗。所以如何選擇既能保障熱網(wǎng)運行水平又能減少資金投入的節(jié)能方法則成為供熱系統(tǒng)運行重點關(guān)注的問題。

1傳統(tǒng)熱網(wǎng)的調(diào)節(jié)方法

傳統(tǒng)熱網(wǎng)中所使用的調(diào)節(jié)方法一般都是加大循環(huán)泵流量，利用加裝調(diào)節(jié)閥的方式來實現(xiàn)⑵，其具體的水壓圖如圖1所示。

由圖1可知，供水管壓力分布用圖中實線部分表示，回水管壓力分布情況用圖中雙點劃線部分表示o 我們假設(shè)5個用戶用水，這5個用戶終端的資用壓頭相同，這樣用戶需要的壓頭則可以用單點與雙點劃線間距離來計算和表示;而在用戶安裝調(diào)節(jié)閥之后，其所消耗的壓頭則可用上方實線和單點劃線之間的距離表示，也就是圖中的虛線位置。雖然簡單且易安裝，但是在實際運行期間能耗較大。

由圖1可以看出，水壓線的斜率和被調(diào)節(jié)閥消耗的壓頭之間有著十分密切的關(guān)聯(lián)，斜率如果逐漸增加，其所被消耗的壓頭也會隨之增多，水泵耗能也會隨之增大。在此，假設(shè)這5戶用戶之間距離分布均勻相等，這也是理想狀態(tài)，供水管道和回水管道總長度為4000 m，比摩阻為60Pa/m，每個用戶所使用的流量均為30，用戶要求的資用壓頭為100 kPa，局部阻力為沿程阻力的30%，循環(huán)泵的效率為70%，那么循環(huán)泵的揚程可取值為412 kPa，這樣其泵的軸功耗則為：

其中p表示水的密度，單位為t/m ; g表示重力加速度，單位為m/s ; r）表示水泵的效率;Q表示水泵的流量，單位為m%; H則表示水泵的揚程，單位為kPao其所計算的結(jié)果和調(diào)節(jié)期間的各項能耗見表1和表2所列。

從表1和表2的計算結(jié)果可以得出以下三點：

⑴近端用戶用水期間，用戶1由于接近外網(wǎng)供給位置，因此其所使用的資用壓頭最高，可達到349.6 kPa，那么最遠的用戶5只需要100 kPa的資用壓頭即可。由此，外網(wǎng)提供壓頭消耗的能量，大部分都會在調(diào)節(jié)閥上分布，大約占據(jù)71%以上，導(dǎo)致水泵能量消耗較大;

（2）5個用戶的用水實際耗能為5.83 kW，占據(jù)總比例的24.27%;管道耗能為10.92 kW，占據(jù)總比例的45.44%;這兩者所消耗的能量是整個供熱系統(tǒng)中必須要消耗的能量形式。而調(diào)節(jié)閥耗能占比為30.29%，為7.28 kW，由此調(diào)節(jié)閥部分所消耗的能量可以通過對其調(diào)節(jié)方法的改變來達到節(jié)能的效果;

⑶當(dāng)比摩阻在其他條件不變化時下降到50 Pa/m之后，水泵的揚程也開始下降到360 kPa，此時，調(diào)節(jié)閥消耗的能量也由原有降低到現(xiàn)在的6.07 kW，耗能占比也下降到28.89%o這樣可以說明，如果不將調(diào)節(jié)方法加以改變，管道比摩阻降低也是一種降低調(diào)節(jié)閥消耗的有效辦法，但是降低量是存在一定限度的，并且管道比摩阻降低，表示需要管道的直徑增加，初始投資會提升，所以僅僅依靠降低管道比摩阻并不是一種有效的節(jié)能方法⑶。

2變速泵在未達到供熱面積期間所產(chǎn)生的能耗分析

如果泵所產(chǎn)生的流量達到一定量，那么為了減少調(diào)節(jié)閥的能耗，則可以利用變速循環(huán)泵來實現(xiàn)。如流量減少到80%，減少其能耗可以根據(jù)轉(zhuǎn)速三次方和泵功耗之間的正比關(guān)系來實現(xiàn)。但是實際運行與操作期間并非如此。

需要注意的是，所使用循環(huán)泵的速度在降低時，也會有一定的限制，且降低轉(zhuǎn)速也表示揚程減小，還需要滿足程端用戶的流量需求，所以如果流量下降較多，為了達到流量滿足最遠端用戶的需求，實際熱網(wǎng)運行期間，泵轉(zhuǎn)速比并不等于流量比，而是要大于流量比氣

還是以上述5個用戶為例，如果將流量下降到80%，變速泵轉(zhuǎn)速比也為80%時，泵揚程則變?yōu)?63.7 kPa，這時的用戶5可以用到的資用壓頭只有82.9 kPa，難以滿足原有的100 kPa需求。因此為了解決此問題，必須要將泵轉(zhuǎn)速提高。由計算可以得出，當(dāng)泵轉(zhuǎn)速比為82.55%時，用戶5的壓頭剛好為100 kPa，此時泵揚程為280.8 kPa、流量比為80%。這樣即使使用變速泵，也沒有良好的節(jié)能效果。

那么如何保障泵揚程、轉(zhuǎn)速比和流量比都可滿足最遠端用戶的資用壓頭需求，則是供熱系統(tǒng)設(shè)計需要嚴(yán)格關(guān)注的重要問題。由此設(shè)計出分布式變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)節(jié)能系統(tǒng)。

3分布式變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)的節(jié)能研究

3.1節(jié)能分析

在上文分析中可以看出，在保障管道直徑和用戶流量不變的情況下，只有依靠減少調(diào)節(jié)閥的耗能來降低泵耗。并且在水壓圖上分析，實際上就是要將圖中虛線的高度降低。如果可以調(diào)整水壓線則有可能實現(xiàn)這一目的，調(diào)速后的水壓圖如圖2所示。

在圖2中可以看出，外網(wǎng)提供給用戶1的壓頭剛好和用戶需要的資用壓頭相等，所以用戶1可不使用調(diào)節(jié)閥。而用戶2到用戶5之間，外網(wǎng)能夠提供的壓頭需要小于資用壓頭，所以為了保障系統(tǒng)正常運行的狀態(tài)，必須要將變頻回水加壓泵安裝在這4戶用戶位置。其中圖2中豎直直線的高度則可表示本泵揚程，虛線高度則可表示消耗的壓頭，此時揚程約為162.4 kPa，功率為9.47 kW，其他的計算結(jié)果如表3和表4所列。

3.2未達到設(shè)計供熱面積時能耗分析

根據(jù)上述基礎(chǔ)條件，給予用戶1足夠的資用壓頭，這時當(dāng)流量被變化到80%期間，循環(huán)泵此時的揚程為139.9 kPa，功耗為6.53 kW，用戶2/3和用戶5共計消耗了 2.79 kW的功耗，由此回水加壓泵和循環(huán)泵所消耗的總功耗則為9.32kW，和上述2標(biāo)題內(nèi)容中的13.1 kW 相比節(jié)能了28.88%。

因此可以明確的是：無論是設(shè)計的流量還是部分存在的流量，只要供熱系統(tǒng)在這兩種條件下運行，那么回水加壓泵的揚程就可以被分布式變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行設(shè)計與調(diào)節(jié)，保障能夠使每一戶的資用壓頭要求得到充分滿足，也可減少循環(huán)泵的能耗，提升整個熱網(wǎng)系統(tǒng)的運行效率。

3.3投資分析

對熱網(wǎng)進行控制時，可被分為通訊網(wǎng)絡(luò)和中央控制機、當(dāng)?shù)乜刂圃O(shè)備兩項重要部分。與傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥控制都需要通訊網(wǎng)絡(luò)和中央控制機，所以二者調(diào)節(jié)方法在此方面有著相同的投資;而對于當(dāng)?shù)乜刂贫?，分布式變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)需要回水加壓泵、變頻器與控制器，而傳統(tǒng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)方法則需要電動調(diào)節(jié)閥與控制器，二者在此項投資中的金額相差不多，且分布式變頻調(diào)節(jié)中的主循環(huán)泵揚程將會極大的降低，進而可減少主循環(huán)泵的一次性投資金額成。因此二者在總投資上十分相近。從上述各項能耗和經(jīng)濟性計算中也可以看出，在現(xiàn)有的熱網(wǎng)系統(tǒng)運行中，分布式變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)的應(yīng)用十分有益，能夠在減少其供熱管網(wǎng)運行能耗的基礎(chǔ)上，保障用戶的供熱需求。

4結(jié)束語

綜上所述，本論述以分布式變頻調(diào)節(jié)在供熱系統(tǒng)中的節(jié)能分析和傳統(tǒng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)方法的能耗分析做對比，可以看出在選擇分布式變頻調(diào)節(jié)方法時，二者投資金額相當(dāng)，且能夠更大程度的減少泵耗，這對于現(xiàn)有的供熱系統(tǒng)運行有著十分重要的經(jīng)濟性意義和效益意義'句，在未來的供熱系統(tǒng)運行中有著十分重要的使用價值，值得技術(shù)推廣與使用。

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