分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)

西安市建筑設計研究院有限公司 呂硯昭

0 引言

供冷供熱系統(tǒng)由冷熱源、輸配管網和用戶三部分組成。集中供冷供熱輸配系統(tǒng)的循環(huán)水泵通常設在冷熱源側，提供從輸配管網到末端用戶的水循環(huán)動力。目前集中空調系統(tǒng)和集中供熱系統(tǒng)的工程設計、項目運行大都采用這一方式[1]。

集中供冷供熱輸配系統(tǒng)在系統(tǒng)設計、運行和調試等方面存在以下問題：系統(tǒng)設計采用的循環(huán)泵揚程高、配電功率大；管網用戶設置調節(jié)閥門節(jié)流，系統(tǒng)運行能耗高；管網運行水力失調嚴重，用戶熱力穩(wěn)定性差；系統(tǒng)調節(jié)不能滿足實時變流量的用戶側運行方式[2]。

分布式輸配技術在國外應用了30多年，在國內也應用了20多年，但至今還沒有建立完善的技術體系。國內實際工程大多是由工程公司和自控公司設計實施,出自于設計院之手的寥寥無幾，在實際應用中出現(xiàn)很多偏離設計值和運行不完善的情況。本文嘗試建立分布式輸配技術體系。

隨著供冷供熱技術的發(fā)展和國家節(jié)能減排要求的提高，集中供冷供熱輸配方式因運行能耗高、熱力穩(wěn)定性差、供冷和供熱效果差，已經不能滿足目前建筑節(jié)能的要求。為了提高輸配管網的輸送效率，減少輸配系統(tǒng)的無功電耗，滿足用戶的舒適性，大力推廣分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)勢在必行[3]。

1 分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)

1.1 分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)概念

在供冷供熱系統(tǒng)中，冷熱源處設置冷熱源泵，用戶處分別設置與冷熱源串聯(lián)連接的用戶泵和用戶泵組，冷熱源泵提供冷熱源內的循環(huán)和零壓差點前的管網循環(huán)動力，用戶泵或用戶泵組提供零壓差點后的管網和用戶內循環(huán)動力，這樣的系統(tǒng)稱為分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)。冷熱源泵、沿程泵、用戶泵組均采用變頻控制[4]。

分布式輸配系統(tǒng)適用于區(qū)域內單體建筑物比較密集、供冷供熱輸配作用半徑合理、冷熱負荷密度大、年負載率或運行時間長、用戶有多種工況需求的供冷供熱輸配工程，具體適用的工程類別有：城市供冷供熱一次網，城市綜合體、CBD、校園、工廠、住宅等小區(qū)二次網，單體建筑內輸配系統(tǒng)等。

分布式輸配系統(tǒng)是以泵代閥的輸配系統(tǒng)，系統(tǒng)中沒有任何兩通閥、三通閥、靜態(tài)平衡閥、動態(tài)平衡閥、壓差動態(tài)平衡閥等調節(jié)阻力的閥門。

1.2 分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)的典型圖示(見圖1)

圖1 分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)示意圖

1.3 分布式輸配系統(tǒng)基本術語(見表1)

表1 分布式輸配系統(tǒng)基本術語

1.4 分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)的分類

分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)分為直連式系統(tǒng)和混連式系統(tǒng)。

1.4.1分布式輸配直連式系統(tǒng)

分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)中，用戶的供回水溫度與管網的供回水溫度相等，冷熱源泵提供零壓差點前管網和設備的循環(huán)動力，用戶泵提供零壓差點后管網的管路循環(huán)和用戶內循環(huán)動力的輸配系統(tǒng)稱為分布式輸配直連式系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 分布式輸配直連式系統(tǒng)

分布式輸配直連式系統(tǒng)包括2種方式：1) 供水管安裝用戶泵的直連式系統(tǒng)；2) 回水管安裝用戶泵的直連式系統(tǒng)。

1.4.2分布式輸配混連式系統(tǒng)

分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)中，用戶供水溫度和管網供水溫度不同，用戶回水溫度和管網回水溫度相同，冷熱源泵提供零壓差點前管網和設備的循環(huán)動力，沿程泵提供用戶零壓差點后管網的管路循環(huán)動力，用戶混水泵提供用戶內的循環(huán)動力的輸配系統(tǒng)稱為分布式輸配混連式系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 分布式輸配混連式系統(tǒng)

分布式輸配混連式系統(tǒng)包括4種方式：1) 供水管安裝用戶混水泵和沿程泵的分級混水泵系統(tǒng)；2) 回水管安裝用戶混水泵和沿程泵的分級混水泵系統(tǒng)；3) 供水管安裝用戶混水泵和回水管安裝沿程泵的分級混水泵系統(tǒng)；4) 供水管安裝沿程泵和回水管安裝用戶混水泵的分級混水泵系統(tǒng)。

分布式供冷系統(tǒng)中，用戶的供水溫度高于管網的供水溫度，分布式供熱系統(tǒng)中，用戶的供水溫度低于管網的供水溫度，2種系統(tǒng)中用戶回水溫度與管網回水溫度相等。

1.5 分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)的工況

分布式輸配直連式系統(tǒng)用戶工況與輸配管網工況相同；分布式輸配混連式系統(tǒng)用戶工況與輸配管網工況不同，即不同用戶經過混水連接可以在同工況的管網中運行，根據不同的用戶工況確定相同的管網回水溫度，用戶供水溫度不同。分布式輸配供冷工況示意圖見圖4，分布式輸配供熱工況示意圖見圖5。

圖4 分布式輸配供冷工況示意圖

圖5 分布式輸配供熱工況示意圖

1.6 分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)的水壓圖

1.6.1零壓差點設于機房內的水壓圖

分布式輸配系統(tǒng)零壓差點設于機房內的水壓圖見圖6、7。從圖6、7可以看出：冷熱源泵只承擔源側的阻力損失，遠比承擔全系統(tǒng)阻力損失要小得多；平衡管的位置就是零壓差點，也就是全輸配系統(tǒng)分成2個環(huán)路的解耦點；零壓差點前冷熱源環(huán)路的供水壓線在上，回水壓線在下，零壓差點后管網環(huán)路的供水壓線在下，管網回水壓線在上，也就是管網的水從零壓差點后靠用戶泵或用戶泵組的抽力流動[4]。

圖6 分布式輸配直連式水壓圖

從分布式輸配系統(tǒng)直連式水壓圖(見圖6)可以看出，冷熱源泵只承擔源側的阻力損失，用戶泵承擔零壓差點后管網和用戶內的阻力損失，其中管網供回水之間的高度(圖6中的h1+h2)為管網阻力損失，用戶段的高度(圖6中的H1)為用戶阻力損失[4]。

從分布式輸配系統(tǒng)混連式水壓圖(見圖7)可以看出，冷熱源泵只承擔源側的阻力損失，沿程泵承擔零壓差點后管網的阻力損失，用戶泵承擔用戶內的阻力損失，其中管網供回水之間的高度(圖7中的h1+h2)為沿程泵承擔的阻力損失，用戶段的高度(圖7中的H)為用戶泵承擔的阻力損失。

圖7 分布式輸配混連式水壓圖

1.6.2零壓差點設于系統(tǒng)功耗最小處的水壓圖

圖8、9為分布式輸配系統(tǒng)零壓差點設于系統(tǒng)功耗最小處的水壓圖。從圖8、9可以看出，冷熱源泵除承擔源側的阻力損失外，還承擔系統(tǒng)前端用戶的阻力損失，但總阻力依然比承擔全系統(tǒng)阻力損失要??；平衡管的位置仍然是全輸配系統(tǒng)分成2個環(huán)路的解耦點；零壓差點前冷熱源環(huán)路的供水壓線在上，回水壓線在下，零壓差點后管網環(huán)路的供水壓線在下，管網回水壓線在上，也就是管網的水在零壓差點前由冷熱源泵“推”著流動，而零壓差點后靠用戶泵或用戶泵組的抽力流動[5]。

圖8 分布式輸配直連式最小功耗水壓圖

圖9 分布式輸配混連式最小功耗水壓圖

1.6.3最佳零壓差點的確定

經過全系統(tǒng)功耗計算分析可知，分布式輸配系統(tǒng)功耗最小時零壓差點的位置大概在全系統(tǒng)靠近冷熱源側的黃金分割點上，也就是在輸配系統(tǒng)靠近冷熱源1/3處附近，此點就是系統(tǒng)的最佳零壓差點。當全系統(tǒng)功耗最小時，零壓差點前是集中式輸配系統(tǒng)，零壓差點后是分布式輸配系統(tǒng)；當零壓差點設于輸配系統(tǒng)靠近冷熱源的黃金分割點上時，集中式輸配系統(tǒng)和分布式輸配系統(tǒng)完美結合[4-6]。

1.7 分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)的水力平衡

分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)的水力平衡是有源式水力平衡，也就是通過分布式輸配管網的所有變頻水泵的變速改變管網的流通率，從而改變管網阻力來完成的[7-8]。

分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)中管網水由用戶泵或用戶泵組的抽力運輸，也就是管網的阻力由用戶泵或用戶泵組根據管網阻力的變化實時克服。

1.8 分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)的自動控制

分布式輸配系統(tǒng)的自動控制是指根據末端用戶的負荷變化，同步調整冷熱源泵、沿程泵、用戶泵的頻率，滿足全系統(tǒng)全過程的變流量調節(jié)要求。實現(xiàn)源、網、用戶可監(jiān)、可視、可控。

1.9 分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)的運行

分布式輸配系統(tǒng)運行基于全相似理論，在保證零壓差點的位置不變的同時，用戶流量與資用壓頭成比例變化。當某一用戶負荷發(fā)生變化時，調節(jié)冷熱源泵的轉速，改變其流量，用戶泵或用戶泵組的轉速也同時改變，系統(tǒng)達到一個新的平衡狀態(tài)，各個用戶重新獲得所需的流量。分布式輸配系統(tǒng)的運行就是用最短的時間從一個流量、資用壓力的比例平衡狀態(tài)調整到另一個流量、資用壓頭的比例平衡狀態(tài)。分布式輸配系統(tǒng)變頻調速運行，同時達到質量雙調。系統(tǒng)的初調節(jié)簡單，運行維護工作量極少。分布式輸配系統(tǒng)是實時動態(tài)平衡的變流量輸配系統(tǒng)[5,8]。

1.10 分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)的節(jié)能率

分布式輸配系統(tǒng)節(jié)能的主要原因：第一是系統(tǒng)采用以泵代閥的輸配方式，沒有調節(jié)閥阻力，減少了管網輸送的無效功耗，節(jié)省了水泵的運行耗電量；第二是系統(tǒng)采用大溫差、小流量的設計和運行，減少了輸配管網的管徑，節(jié)省了管材、閥門等的一次投資；第三是系統(tǒng)運行時沒有過度供冷供熱、欠供冷供熱的現(xiàn)象，系統(tǒng)始終保持水力平衡、熱力平衡，節(jié)省了可觀的冷熱量；第四是部分系統(tǒng)直接采用混水連接，減少了系統(tǒng)的換熱設備，提高了效率；第五是系統(tǒng)采用不同用戶工況同管網運行，例如散熱器工況70 ℃/40 ℃和地板輻射工況50 ℃/40 ℃均可以在輸配管網工況80 ℃/40 ℃中運行，相當于二合一系統(tǒng)，減少了輸配系統(tǒng)。

根據國內外30多年工程實踐的經驗，分布式輸配系統(tǒng)裝機節(jié)電率為20%～60%；節(jié)材率為23%～53%；運行節(jié)電率為25%～50%；新建建筑節(jié)熱率為10%，改造建筑節(jié)熱率為20%。

2 分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)設計

2.1 冷熱負荷

分布式輸配系統(tǒng)冷熱負荷計算按GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》的規(guī)定執(zhí)行，熱負荷按房間熱負荷計算，空調冷負荷按逐時冷負荷計算，不用考慮負荷放大系數。

2.2 管網系統(tǒng)設計

合理確定冷熱源機組的運行臺數，使冷熱源在系統(tǒng)運行時可調范圍較大；合理確定冷熱源的供回水溫差，盡量采用大溫差、小流量的設計和運行方式；根據末端用戶工況相同或不同確定采用直連式系統(tǒng)還是混連式系統(tǒng)；確定零壓差點的位置，使輸配系統(tǒng)功耗最?。淮_定自控方式，選擇合理的控制策略。

2.3 系統(tǒng)工況的選擇

一次網供回水溫度盡量采用合理的大溫差；根據一次網供水溫度確定二次網的供水溫度，根據用戶網的最低回水溫度確定二次網的回水溫度，包含用戶的所有工況。

2.4 管網零壓差點的選擇

零壓差點的位置不同，系統(tǒng)的設備初投資和管網的運行費用也不同，應該經過初投資和管網運行費用的技術經濟分析確定零壓差點的位置。一次網要根據系統(tǒng)功耗最小來計算確定零壓差點位置；二次網可以根據系統(tǒng)功耗最小來計算確定零壓差點位置，也可以將零壓差點設于主機房內。

2.5 系統(tǒng)定壓方式的選擇

可供選擇的定壓方式有3種：旁通管定壓、高位水箱定壓、落地膨脹水箱定壓。首選旁通管定壓方式[4]。

2.6 冷熱源泵的選擇

水泵流量是指全部管網用戶的總流量，水泵揚程用于克服冷熱源系統(tǒng)內部到零壓差點之前的管段阻力之和。

2.7 用戶泵的選擇

分布式輸配直連式系統(tǒng)：水泵流量為該用戶的流量；水泵揚程為克服零壓差點之后管網供回水管到用戶前和用戶內的管段阻力之和。

分布式輸配混連式系統(tǒng)：水泵流量為該用戶的流量；沿程泵揚程為克服零壓差點之后管網供回水管到用戶前的管段阻力之和；用戶泵揚程為克服用戶內的管段阻力之和。

2.8 自控方式的選擇

可根據工程實際情況選擇現(xiàn)場自動控制、遠傳自動控制。控制模式包括定壓差、變壓差、定溫差、變溫差。

2.9 分布式輸配直連式系統(tǒng)設計

2.9.1分布式輸配直連式系統(tǒng)計算圖(見圖10)

注：G為用戶流量，m3/h；t1g為管網供水溫度，℃，同冷熱源供水溫度；t1h為回水溫度，℃，同冷熱源回水溫度。圖10 計算用分布式輸配直連式系統(tǒng)圖

2.9.2分布式輸配直連式系統(tǒng)水壓圖(見圖11)

圖11 分布式輸配直連式系統(tǒng)局部水壓圖

2.9.3分布式輸配直連式系統(tǒng)的計算

用戶流量：

(1)

式中G為用戶流量，m3/h；Q為用戶冷熱量，kW。

用戶泵揚程：

H=a(H1+h1+h2)

(2)

式中H為用戶泵揚程，m；a為管段阻力附加系數；H1為用戶資用壓頭，m；h1為克服用戶沿管網供水管的阻力所需壓頭，m；h2為克服用戶沿管網回水管的阻力所需壓頭，m。

2.10 分布式輸配混連式系統(tǒng)設計

2.10.1分布式輸配混連式系統(tǒng)計算圖(見圖12)

注：G1g為混連式系統(tǒng)管網供水流量，m3/h；G1h為混連式系統(tǒng)管網回水流量，m3/h；t2g為混連式系統(tǒng)用戶供水溫度，℃；t2h為混連式系統(tǒng)用戶回水溫度，℃；G2g為混連式系統(tǒng)用戶供水流量，m3/h；G2h為混連式系統(tǒng)用戶回水流量，m3/h；Gp為旁通管流量，m3/h。圖12 計算用分布式輸配混連式系統(tǒng)圖

2.10.2分布式輸配混連式系統(tǒng)水壓圖(見圖13)

圖13 分布式輸配混連式系統(tǒng)局部水壓圖

2.10.3分布式輸配混連式系統(tǒng)的計算

用戶管網流量：

(3)

用戶流量：

(4)

旁通管流量：

Gp=G-G1g

(5)

混水系數u：

(6)

用戶泵揚程：

H=aH1

(7)

混連式系統(tǒng)沿程泵揚程Hy：

Hy=a(h1+h2)

(8)

3 分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)特性

1) 分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)以泵代閥，系統(tǒng)中沒有平衡閥、兩通閥、三通閥等調節(jié)閥門，理論上系統(tǒng)沒有無功電耗。實際上水泵選型時存在工作點偏離，會導致極小的無功電耗。

2) 分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)可以合理大溫差、小流量運行，減少輸配功耗。

3) 分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)管網平衡是主動式管網平衡，不同于集中輸配系統(tǒng)的被動式管網平衡。

4) 分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)中設置的水泵均變頻調速運行，實現(xiàn)用戶流量的自動分配，滿足全系統(tǒng)全過程的變流量調節(jié)要求。

5) 分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)中用戶可采用與管網供回水相同或不同的溫差，實現(xiàn)用戶同管網不同供回水溫差的運行方式。

6) 分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)調試簡單，運行平穩(wěn)，維護工作量極少。

7) 分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)采用精細化設計，通過對用戶冷熱負荷計算、能耗分析、管網水力計算、設備選型等進行全面、細致、準確地設計，達到系統(tǒng)的最優(yōu)化。

8) 分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)的節(jié)電率高，相應節(jié)熱率、節(jié)材率也很可觀。

9) 分布式供熱輸配系統(tǒng)節(jié)能率遠高于供冷系統(tǒng)，分布式供冷輸配系統(tǒng)應盡量采用大溫差主機，經計算合理確定運行工況，在提高輸配效率的同時，最終保證全系統(tǒng)節(jié)能率。

10) 分布式輸配系統(tǒng)采用智能化動態(tài)控制方式。一般采用能源站群控和用戶泵房分散控制的聯(lián)控管理方式，通過對源泵、沿程泵、用戶泵的不同控制策略，調整水泵運行頻率，實現(xiàn)節(jié)能、智慧、高效的控制。

4 結語

分布式輸配系統(tǒng)以泵代閥，不僅減少輸配功耗，最重要的是系統(tǒng)始終保持水力平衡、熱力平衡，實時響應用戶負荷變化，使冷熱源能夠直接快速且有效地輸送冷熱量到用戶，隨著暖通空調技術不斷發(fā)展進步，室內系統(tǒng)形式更加趨于多樣化，分布式輸配系統(tǒng)實現(xiàn)用戶同管網不同供回水溫差的運行方式可以滿足不同用戶工況的需求。

目前在暖通空調領域中，建筑節(jié)能在冷熱源和用戶2個方面已經取得了豐碩的成果，而管網輸配的節(jié)能在我國還一直是一個弱項，分布式輸配技術突破原有的管網輸配系統(tǒng)的理念，豐富和完善了管網輸配系統(tǒng)的形式和手段，是暖通空調系統(tǒng)節(jié)能減排的重要舉措。