英郡年華分布式供暖輸配系統(tǒng)功耗分析

西安市建筑設(shè)計研究院有限公司 張 亮 馬振周 姚 琳 叢 惠

1 概述

英郡年華國際社區(qū)位于西安市長安區(qū)西安國家民用航天產(chǎn)業(yè)基地，基地東臨神舟六路，南為飛天路，西為規(guī)劃路，北為航拓路。基地東西長約293 m、南北長約279.2 m，總建筑面積42萬m2，地下1層為設(shè)備用房及汽車庫，設(shè)有管道層，地上32層，主要建筑功能為住宅、幼兒園及商業(yè)街，高層住宅的1～3層為商業(yè)用房。

該工程二次網(wǎng)供暖系統(tǒng)采用分布式供暖輸配系統(tǒng)，于2015年2月交付使用，一期于2018年11月15日開始供暖，二期正在出售，三期正在建設(shè)中，一期目前已經(jīng)經(jīng)歷了2個完整的供暖季。

2 供暖熱源、管網(wǎng)及建筑單體

2.1 供暖系統(tǒng)熱負(fù)荷

供暖系統(tǒng)豎向分為低區(qū)、中區(qū)、高區(qū)，其中1～11層為低區(qū)供暖系統(tǒng)，12～23層為中區(qū)供暖系統(tǒng)，24～32層為高區(qū)供暖系統(tǒng)，計算得出供暖系統(tǒng)總熱負(fù)荷，見表1。

表1 英郡年華國際社區(qū)熱負(fù)荷 kW

2.2 建筑單體供暖需求

該工程特點(diǎn)：小區(qū)供暖面積大；建筑供暖范圍集中；供暖形式多樣，住宅為地面輻射供暖，商業(yè)用房、幼兒園為散熱器供暖；小區(qū)為高檔社區(qū)，室內(nèi)供暖要求高。

根據(jù)GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》，散熱器供暖系統(tǒng)供水溫度不宜高于85 ℃，供回水溫差不宜小于20 ℃；地面輻射供暖系統(tǒng)供水溫度不應(yīng)高于60 ℃；供回水溫差不宜大于10 ℃，且不宜小于5 ℃。

分布式供暖輸配系統(tǒng)中，散熱器供暖系統(tǒng)和地面輻射供暖系統(tǒng)供回水溫度的選擇，直接影響到供熱站及管網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計方案，不同的供暖方案直接導(dǎo)致造價和系統(tǒng)復(fù)雜程度不同，在溫度的確定上應(yīng)該慎之又慎。

2.3 供暖系統(tǒng)管網(wǎng)

集中供暖輸配系統(tǒng)，須設(shè)置2套供暖輸配管網(wǎng)和2套熱源換熱機(jī)組，分別供給末端的散熱器系統(tǒng)和地面輻射系統(tǒng)，2套不同的換熱機(jī)組分別設(shè)置對應(yīng)的循環(huán)泵及定壓方式[1]，熱源處的循環(huán)泵按最不利環(huán)路來考慮，各建筑單體因距離供熱站的遠(yuǎn)近不同，調(diào)節(jié)閥要分別設(shè)置不同開度來消除多余的資用壓力，況且地面輻射系統(tǒng)溫度低，導(dǎo)致管網(wǎng)管徑大、管路較長、用戶支路的阻力相差較懸殊、負(fù)荷變化較大；使用時間不同，造成輸送能耗增大，集中供暖系統(tǒng)先天不足的特點(diǎn)不可避免地產(chǎn)生用戶舒適性差異，用戶的舒適性無法從根本上得到保證[2-4]。

分布式供暖輸配系統(tǒng)，供暖管網(wǎng)采用散熱器供暖輸配系統(tǒng)和分布式供暖輸配系統(tǒng)合二為一，即管網(wǎng)輸送溫度涵蓋上述兩者的供回水溫度?？梢詫崿F(xiàn)從熱源到用戶計量間散熱器系統(tǒng)和地面輻射系統(tǒng)大溫差同管網(wǎng)運(yùn)行[5]，在熱源處設(shè)置1套換熱機(jī)組，在各個單體建筑的用戶泵房設(shè)置混連式裝置，就能滿足散熱器供暖系統(tǒng)和地面輻射供暖系統(tǒng)供回水溫度要求，輸配管網(wǎng)可采用大溫差、小流量的運(yùn)行方式[6-8]。

分布式供暖輸配系統(tǒng)管網(wǎng)設(shè)計工況的確定：二次網(wǎng)采用合理的大溫差運(yùn)行[9]，二次輸配管網(wǎng)供/回水溫度為85 ℃/40 ℃；商業(yè)用房散熱器供暖系統(tǒng)供/回水溫度為70 ℃/40 ℃；住宅地面輻射供暖系統(tǒng)供/回水溫度為50 ℃/40 ℃。散熱器供暖系統(tǒng)和地面輻射供暖系統(tǒng)同管網(wǎng)運(yùn)行，也就是以二次管網(wǎng)供/回水溫度85 ℃/40 ℃的工況運(yùn)行，在建筑單體的用戶處由混連式轉(zhuǎn)變?yōu)樯崞鞴r(供/回水溫度70 ℃/40 ℃)和地面輻射工況(供/回水溫度50 ℃/40 ℃)。

3 分布式供暖輸配系統(tǒng)設(shè)計

3.1 總體設(shè)計

該工程按三期分別施工，供暖管網(wǎng)按三期分別設(shè)置3個分支。

市政一次熱源提供供/回水溫度110 ℃/70 ℃的熱水，經(jīng)換熱器交換后供給二次熱水系統(tǒng)，供熱站設(shè)于1號樓地下室內(nèi)，在供熱站內(nèi)設(shè)置換熱機(jī)組、熱源泵、平衡管等；用戶泵房設(shè)于單體建筑的熱計量小間，在用戶泵房內(nèi)設(shè)置沿程泵、用戶泵、混連裝置等，具體設(shè)置見圖1。

圖1 英郡年華國際社區(qū)分布式混連式輸配系統(tǒng)圖

3.2 熱源泵設(shè)置及計算

熱源泵承擔(dān)熱源內(nèi)的管路循環(huán)和零壓差點(diǎn)以前的管網(wǎng)循環(huán)；管網(wǎng)供/回水溫度為85 ℃/40 ℃，按此溫差計算流量。

(1)

式中G為熱源泵的流量，m3/h；Q為供熱站的換熱量，kW；Δt為供熱管網(wǎng)的供回水溫差，℃。

依據(jù)計算出的流量及壓力損失，選擇合適的熱源泵，該項目低區(qū)、中區(qū)、高區(qū)熱源泵參數(shù)見表2。

表2 英郡年華國際社區(qū)供熱站熱源泵參數(shù)

3.3 平衡管設(shè)置

平衡管的設(shè)置位置是關(guān)鍵，影響到熱源泵、沿程泵的揚(yáng)程和系統(tǒng)復(fù)雜程度，綜合考慮各方面客觀因素，確定平衡管設(shè)置在供熱站內(nèi)供回水總管之間，管徑與輸配管網(wǎng)總管管徑相同，平衡管上不設(shè)置任何調(diào)節(jié)閥門。

3.4 輸配管網(wǎng)計算

二次輸配管網(wǎng)供/回水溫度為85 ℃/40 ℃，按每段所承擔(dān)的流量計算，計算方式和比摩阻與集中輸配系統(tǒng)水力計算相同。經(jīng)計算，低區(qū)集中輸配管網(wǎng)總供回水管徑為DN250，低區(qū)分布式輸配管網(wǎng)總供回水管徑為DN150。

3.5 混水系數(shù)計算

根據(jù)單體用戶散熱器系統(tǒng)和地面輻射系統(tǒng)供暖形式的不同，分別計算各用戶的混水系數(shù)，確定每個單體的沿程泵、用戶泵及熱源泵的流量、揚(yáng)程等選型參數(shù)。

混水系數(shù)定義為:多級混水泵系統(tǒng)中用戶旁通回水流量與管網(wǎng)供水流量之比，根據(jù)熱平衡原理，可得混水系數(shù)μ與管網(wǎng)供回水溫度之間的關(guān)系：

(2)

式中Gp為用戶旁通管流量，m3/h；G1g為用戶管網(wǎng)流量，m3/h；t1g為管網(wǎng)的供水溫度，℃；t2g、t2h分別為用戶的供、回水溫度，℃。

3.6 沿程泵、用戶混水泵計算

沿程泵承擔(dān)零壓差點(diǎn)以后的管網(wǎng)循環(huán),用戶泵承擔(dān)用戶內(nèi)的循環(huán),依據(jù)式(1)、(2)及各自承擔(dān)的負(fù)荷和不同的供回水溫差，計算各自的流量，根據(jù)不同的流量及資用壓力,結(jié)合工程地勢的高低，選擇合適的沿程泵和用戶泵及各自的安裝位置，確保沿程泵、用戶混水泵在高效率區(qū)運(yùn)行。

4 分布式輸配系統(tǒng)與集中輸配系統(tǒng)的比較

建立集中供暖輸配和分布式供暖輸配系統(tǒng)計算模型，保證2個輸配系統(tǒng)長度、規(guī)模完全相同，確保2個計算模型在相同條件下進(jìn)行對比，得出功耗等數(shù)值。

4.1 功耗對比

水泵的總功率(理論)，根據(jù)特勒根定理，按下式計算：

No=∑GiΔHi

(3)

(4)

式(3)、(4)中No為由特勒根定理計算的循環(huán)水泵總功率，kW；Gi為供熱系統(tǒng)管段i的流量，t/h；ΔHi為供熱系統(tǒng)管段i的壓降損失，m；N為水泵總功率，kW；η為水泵效率，取70%。

根據(jù)特勒根定理，計算出水泵總功率，進(jìn)行泵的功耗統(tǒng)計，得出集中供暖輸配系統(tǒng)和分布式供暖輸配系統(tǒng)功耗對比，見表3。

表3 英郡年華國際社區(qū)供暖低區(qū)、中區(qū)、高區(qū)功耗對比

從表3可以直觀地看出，集中供暖輸配系統(tǒng)循環(huán)泵提供的功率很大一部分消耗在調(diào)節(jié)閥門上。從本質(zhì)上，調(diào)節(jié)閥門是阻力元件，這也是集中供暖輸配系統(tǒng)不節(jié)能的根本原因，分布式供暖輸配系統(tǒng)沒有任何閥門功耗，有用功得到了最大的利用，系統(tǒng)真正達(dá)到了節(jié)能、高效的目的。

4.2 節(jié)能對比

節(jié)電率見表4。

表4 英郡年華國際社區(qū)項目節(jié)電率

從表4可直觀得出：較集中供暖輸配系統(tǒng)，分布式供暖輸配系統(tǒng)裝機(jī)節(jié)電率可觀，低區(qū)49.06%、中區(qū)48.97%、高區(qū)48.02%，小區(qū)總電耗節(jié)省48.91%。

4.3 運(yùn)行節(jié)電率及投資回收期對比

運(yùn)行節(jié)電率及投資回收期見表5。

表5 運(yùn)行節(jié)電率及投資回收期

集中供暖系統(tǒng)供熱站和管網(wǎng)的初投資為1 107.6萬元；分布式供暖系統(tǒng)供熱站和管網(wǎng)初投資為1 163.8萬元。分布式輸配系統(tǒng)比集中輸配系統(tǒng)初投資每m2高1.34元，經(jīng)過2.2 a就可以收回其高出的初投資。

5 運(yùn)行功耗分析

2019年12月對英郡年華國際社區(qū)進(jìn)行了功耗實時監(jiān)測，詳細(xì)記錄了9號樓熱源泵、沿程泵及用戶混水泵的運(yùn)行功耗，具體分析結(jié)果見圖2～7。

圖2 英郡年華供熱站溫度歷史曲線

圖3 室外平均溫度及負(fù)荷比日趨勢

圖4 9號樓低區(qū)沿程泵電耗

圖6 高區(qū)循環(huán)泵電耗

圖7 中區(qū)循環(huán)泵累積電耗

從圖2可以看出，輸配管網(wǎng)供水溫度與供熱站管網(wǎng)供水溫度變化趨勢一致，且幅度很小，推斷供熱站一次側(cè)不主動尋求調(diào)節(jié)，有的變化只是熱源供水溫度發(fā)生變化。為最大程度體現(xiàn)節(jié)電空間，輸配管網(wǎng)只進(jìn)行量調(diào)節(jié)。

整理西安市2019年11月15日至2020年3月15日每日平均溫度，最低日平均溫度-2.7 ℃，最高日平均溫度14 ℃，此時負(fù)荷比0%；西安地區(qū)室外供暖設(shè)計溫度-3.4 ℃，此時負(fù)荷比100%。根據(jù)一次函數(shù)，找到每日平均溫度對應(yīng)的負(fù)荷比。

通過相似定律和負(fù)荷比分析，循環(huán)泵、沿程泵、用戶泵日耗電量=額定功率乘以負(fù)荷比的三次冪，分析過程限制了泵頻率下限，最低為20 Hz。

從9號樓實際數(shù)據(jù)可以得出，功耗的結(jié)果與供熱負(fù)荷的變化相對應(yīng)，能反映出負(fù)荷變化的規(guī)律。

6 結(jié)語

分布式供暖輸配系統(tǒng)相比于集中供暖輸配系統(tǒng)，裝機(jī)節(jié)電和運(yùn)行節(jié)電大幅降低，該項目裝機(jī)節(jié)電率48.91%，系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)電率47%；分布式供暖輸配系統(tǒng)管徑小，普遍減小1～2號，節(jié)材率可觀，該項目管材節(jié)材率62%、保溫材料節(jié)材率32.6%、刷漆節(jié)省率43.2%；分布式供暖輸配系統(tǒng)平衡管設(shè)置位置應(yīng)該仔細(xì)考量，經(jīng)過反復(fù)計算比對，選擇最優(yōu)的安裝位置，以使全系統(tǒng)功耗最低。