分布式輸配技術發(fā)展概述

北京交通大學 楊 松

0 引言

19世紀初期，歐洲出現了以蒸汽或熱水作為熱媒的集中式供熱系統(tǒng)。1877年，在美國紐約建成了世界上第一個區(qū)域鍋爐房[1]。20世紀初，紐約建成了世界上第一個人工制冷空調系統(tǒng)。之后，城鎮(zhèn)集中供熱和空調制熱制冷事業(yè)迅速發(fā)展。我國的供冷供熱事業(yè)在20世紀80年代初期改革開放以后，隨著經濟的飛速發(fā)展，得到快速興起并發(fā)展，對改善人民群眾的生活質量作出了巨大的貢獻。但就其技術、設備、管理和服務質量來說，與國外的先進水平相比，還存在較大的差距。在這種情況下，眾多專家學者對集中供冷供熱系統(tǒng)的優(yōu)化運行進行了系統(tǒng)研究。經過長期的努力，我國學者從國情出發(fā)，在冷熱能輸配理論和技術方面進行了深入研究，提出并發(fā)展了分布式變頻輸配技術，并且運用到工程實踐當中，取得了極好的經濟效益和社會效益，為推動我國集中供熱事業(yè)的發(fā)展作出了卓越貢獻。

分布式變頻輸配的核心思想是在冷熱媒輸配管網的節(jié)點上安裝泵，主動從管網抽取冷熱媒，變頻調節(jié)流量，以多個小動力源替代集中輸配方式的單個大動力源，實現精細化調節(jié)和節(jié)能運行。分布式輸配涵蓋集中供冷供熱所有環(huán)節(jié)的工藝、自控和監(jiān)控，是分布式思想在能源輸配系統(tǒng)的應用，是安全、穩(wěn)定、節(jié)能、高效的方案。分布式輸配概念的提出開始于變頻泵技術的發(fā)展和應用——變頻既能大幅度節(jié)約輸配電能，又能靈活地進行流量自動調節(jié)。最初是國外學者為解決空調水輸配系統(tǒng)存在的弊端，在系統(tǒng)運行效率方面進行有效的探索，研究水泵的設置方式、運行調節(jié)和流量熱量分配調度對運行能耗的影響。從20世紀50年代中期開始，歐洲國家對多動力源輸配、多環(huán)路分設水泵均有研究和應用。到20世紀90年代，空調冷水系統(tǒng)用戶末端采用變頻泵或三速泵代替流量調節(jié)閥，小型變速水泵得到應用，并提出了相應的控制策略。在國內，江億提出了冷熱聯(lián)供熱網的用戶回水加壓泵方案及用變頻泵和變頻風機代替調節(jié)閥方案；在用戶回水加壓泵這一新型熱網設計方案中,結合工程應用案例，首次給出了零壓差點的調節(jié)方式[2-3]。分布式輸配的形成和發(fā)展得益于水力、熱力工況計算方法的研究和計算機供熱系統(tǒng)分析軟件的研發(fā)——便于實現對輸配管網的建模和仿真。20世紀60年代，蘇聯(lián)利用計算機技術，提出了多種計算分析管網水力工況的方法。從20世紀70年代開始，先后出現了蘇聯(lián)的COCHA計算軟件、瑞典的ENOK軟件、芬蘭EKOND能源規(guī)劃系統(tǒng)軟件、芬蘭APROS軟件包、德國的STANET和我國的HACNet軟件等。到21世紀初，一、二級泵系統(tǒng)進入理論化總結階段，提出了多種形式，側重于數值模擬和節(jié)能分析。這類軟件工具的研發(fā)，在分布式輸配的理論研究及在供熱系統(tǒng)的整體規(guī)劃、可靠性、經濟運籌、多熱源環(huán)網、動態(tài)預測、優(yōu)化運行、模型模擬等理論的系統(tǒng)化、體系化方面發(fā)揮了重要作用。

1 分布式輸配技術的發(fā)展

三十多年來，關注此理論和應用的學者眾多，從空調系統(tǒng)延伸到集中供熱系統(tǒng)，研究結果豐富。各高校、設計院和研究機構培養(yǎng)了大量研究生和專業(yè)技術人才。經過幾十年的努力，我國學者在供冷供熱輸配系統(tǒng)理論論證、水力工況和熱力工況的模擬仿真、供冷供熱方式的優(yōu)化規(guī)劃、系統(tǒng)設計選型及參數優(yōu)選、輸配系統(tǒng)的可靠性及系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、節(jié)能效果、控制策略等方面作了深入研究，成果已在工程中得到了應用，大量案例實施，取得了迅速和長足進展。

圖1、2和表1、2顯示了有關分布式輸配和分布式變頻的文獻搜索結果。從圖1、2和表1、2可以看出：2000年后研究成果層出不窮，研究機構以清華大學、西安工程大學、中國市政工程華北設計研究總院為代表。與國外側重空調水系統(tǒng)不同，國內的研究主要在集中供熱領域。清華大學石兆玉全面、系統(tǒng)地提出和完善了供冷供熱、空調水系統(tǒng)的分布式輸配系統(tǒng)的原理、設計方法和運行方案，攻克了多項核心理論與技術難點，并通過工程應用實踐，對工藝設計、控制策略、運行調節(jié)等技術細節(jié)，作了全面、系統(tǒng)的研究和總結，著書立說、發(fā)表系列研究成果，促進了行業(yè)的技術革新，作出了突出貢獻。

圖1 關鍵詞“分布式變頻”(共251篇)發(fā)表年度分布(中國知網)

圖2 關鍵詞“分布式輸配”(共168篇)發(fā)表年度分布(中國知網)

表1 關鍵詞“分布式輸配”“分布式變頻”作者分布(維普)

1.1 變頻技術的研究

表2 關鍵詞“分布式輸配”“分布式變頻”研究單位分布(維普)

(1)

式中nf、n50分別為變頻、工頻時的轉速，也視為頻率。

式(1)表明，水泵在變頻調速時，頻率(轉速)愈低，節(jié)能效益愈明顯。

變頻技術是分布式變頻能夠成功應用的前提和推動技術。石兆玉是最早把變頻技術引入到供熱系統(tǒng)熱媒輸配和運行調節(jié)的學者之一。20世紀90年代，石兆玉指出：在熱網運行調節(jié)方面，集中質調節(jié)不能完全滿足各種運行工況的要求，間接連接系統(tǒng)中若二次網采用集中質調節(jié)，則一次網必須進行變流量調節(jié)；在多種熱負荷、多個熱源的熱網中，為進行系統(tǒng)流量平衡，也必須實行變流量運行；質調節(jié)耗電多，不利于節(jié)能，特別是大的供熱系統(tǒng)，尤為突出；水泵的變頻調速使得變流量運行成為可能。同時，他研究了變頻調速方法的優(yōu)勢，并分析了在供熱系統(tǒng)中應用變頻調速進行變流量調節(jié)的節(jié)能效益[5]。21世紀初，石兆玉總結了變頻調速技術在供熱空調系統(tǒng)循環(huán)水泵熱媒輸配調節(jié)變流量控制(散熱器供暖系統(tǒng)、空調供暖供冷系統(tǒng)、地板輻射供暖系統(tǒng))、空調變頻變風量控制、制冷機的變頻調速控制和供熱空調水系統(tǒng)的旁通補水變頻定壓等方面應用的典型方法，并分析了節(jié)能效益[6]。在各熱力公司逐步采用分布式變頻輸配技術實施多個案例以后，石兆玉詳細分析了水泵在變頻減速工況下對電動機及其自身效率的影響，并著重指出：由于功率下降幅度遠大于效率降低導致的能耗增加幅度，因此，變頻減速節(jié)能效益明顯。同時，分析了變頻水泵組合運行的合理方案，對分布式變頻工程中變頻調速的技術問題作了總結[4]。

1.2 分布式輸配理論論證和應用探索

這一階段的理論研究是利用網絡圖論，對熱網建立水力工況數學模型，抽象成節(jié)點和網絡管段，并通過基爾霍夫電流定律(任一節(jié)點電流為零)和電壓定律(任一環(huán)路電壓降為零)，列出網絡矩陣線性方程，求解網絡上任一個節(jié)點和管段的流量和壓降。特勒根定理是指功率守恒，即任一給定網絡的提供功率等于消耗功率。根據特勒根定理，并利用最優(yōu)化理論，通過解微分方程，可以得出完成某個管網系統(tǒng)流量傳輸的最小功率。以下研究基于數學模型，通過計算機編程計算，在理論上設計出流體網絡分布式輸配方式，證明其可行性，并給出設計和運行方法理論結論。石兆玉所作報告《流體網絡分析與綜合》根據數學網絡圖論理論，建立了水力工況數學模型，利用節(jié)點分析法和回路分析法進行目標綜合，給出了網絡的計算機算法，重點研究了供熱輸配管網的建模、理論計算，為管網輸配研究和分布式輸配奠定了理論基礎[7]?；诖死碚摵退惴?，石兆玉課題組開發(fā)了我國最早的水力計算與分析工具軟件HFSNET[8]。蔡啟林等人在供熱方式優(yōu)化規(guī)劃、供熱管網平面布置的優(yōu)化規(guī)劃、熱電聯(lián)產系統(tǒng)設計參數的優(yōu)選、供熱系統(tǒng)的可靠性及多熱源并網系統(tǒng)的優(yōu)化設計等方面作了深入的研究[9-10]。狄洪發(fā)等人提出了使用分布式變頻調節(jié)系統(tǒng)替換傳統(tǒng)電動調節(jié)閥，在初投資不增加的前提下，大大減少了水泵能耗[11]。付林等人提出了冷熱聯(lián)供系統(tǒng)水力工況模擬計算方法，并針對實際工程，給出了不同輸配和調節(jié)方案，指出了回水加壓泵系統(tǒng)的優(yōu)勢[12]。秦緒忠研究了供熱輸配系統(tǒng)的物理模型，以及基于網絡圖論的數學表達方法，并將分析方法應用于分布式變頻系統(tǒng)模擬計算；定量分析了分布式變頻形式的輸配系統(tǒng)的水力穩(wěn)定性，得出了該系統(tǒng)形式可大大改善系統(tǒng)穩(wěn)定性和可調性的結論[13]。王紅霞確定了最優(yōu)的分布式變頻泵工藝方案，首次給出了分布式輸配系統(tǒng)科學、合理、可行的設計方法。研究中應用HFSNET軟件，分別對沿途加壓變頻泵、用戶加壓變頻泵、用戶混水變頻泵等幾種不同的分布式變頻泵進行了模擬計算和可行性分析，通過理論分析和經濟分析，得出了最優(yōu)的供熱輸配系統(tǒng)設計方法——用戶混水變頻泵與沿途加壓變頻泵和主循環(huán)變頻泵相結合的方法，與傳統(tǒng)設計方法相比，既能滿足各用戶的資用壓頭，又能實現流量的合理分配，綜合節(jié)能率可達75%。最優(yōu)輸配方式見圖3[8]。陳亞芹通過研究HACNet軟件算法和應用，進行了分布式變頻系統(tǒng)水力工況模擬計算、優(yōu)化設計，提出了分布式變頻系統(tǒng)的優(yōu)化設計方法，定義目標函數并建立熱網模型，研究了支路的選擇、零壓差點位置的變化對系統(tǒng)經濟性及泵的選型的影響。模擬分析表明，該種設計方法簡單易行，具有廣泛的適用性和實用價值[14]。

注：圖中數字為管段編號。圖3 分布式輸配系統(tǒng)示意圖

分布式輸配相比集中式輸配，節(jié)電原理見式(2)、(3)[15-16]。就任一輸配系統(tǒng)而言，集中式的總功率總是要大于分布式，因為集中式輸配前端用戶必然有多余的資用壓頭,而且還不得不安裝調節(jié)閥門將其消耗掉。

(2)

(3)

式(2)、(3)中Nj、Nf分別為集中式和分布式輸配的水泵總功率；Gz為總流量；G1、G2、…、Gn為各用戶流量；Hmax為最遠端用戶最大雙程壓降；H1、H2、…、Hn為各用戶所需壓降；η為水泵效率。

因為，H1、H2、…、Hn≤Hmax，所以，Nf

理論基礎建立后，需要探索實踐應用。2000年以后，石兆玉通過多個具體案例，深入研究和指明了輸配系統(tǒng)分布式設計思想和具體方法，以及運行調節(jié)方案，并通過理論和實際節(jié)能的對比，指出工程設計的方向及需注意的問題。石兆玉等人分析了供熱系統(tǒng)循環(huán)水泵傳統(tǒng)設計方法——熱源單泵系統(tǒng)存在的缺點，指出應采用分布式變頻泵系統(tǒng)代替。對6種新的設計方案與傳統(tǒng)的循環(huán)水泵設計方案進行了比較，并指出新的設計方案比傳統(tǒng)設計方案的循環(huán)水泵的裝機電容量可減小1/3～2/3；詳細闡述了供熱系統(tǒng)分布式變頻循環(huán)水泵最優(yōu)方案及其確定過程，并對其設計、運行基本方法進行了介紹[17-18]。

1.3 分布式輸配應用實踐和技術總結

這一階段主要是分布式輸配技術工程應用的推廣，研究在具體的工程中，供熱系統(tǒng)如何設計，設備如何選型，系統(tǒng)如何運行調節(jié)，針對安全、穩(wěn)定、節(jié)能、智能運行的具體技術問題，提出解決策略和方法，比如分布式定壓技術、分布式混水設計、分布式水力仿真、分布式控制策略等技術應用。同時，將分布式輸配技術與其他技術結合，應用到更為復雜的熱網系統(tǒng)中，比如多熱源環(huán)網、遠距離長輸管網等。

“十一五”(2006—2010年)期間，分布式輸配技術開始應用于多熱源供熱管網和公共建筑的空調系統(tǒng)中，針對實踐過程中遇到的各種工程技術問題，更多的專家學者和系統(tǒng)運行人員進行了更廣泛的研究。在國家科技支撐課題“供熱系統(tǒng)節(jié)能關鍵技術研究與示范”中，更是設立了分布式輸配系統(tǒng)專題，對系統(tǒng)水力熱力工況(失調和平衡)、定壓、節(jié)能(節(jié)電、節(jié)熱)、運行調節(jié)、可靠性、自動控制及經濟性等進行了系統(tǒng)研究。石兆玉把分布式輸配理論應用到混水直接連接，進一步發(fā)展了分布式輸配的應用技術，混水連接具有明顯的節(jié)電效益和技術優(yōu)勢。為使設計方案更加科學合理，對混水連接的管網特性、方案的最優(yōu)組成及節(jié)能(電)計算進行了探討，為分布式變頻混水的設計和應用提供了理論上的系統(tǒng)指導[15]。21世紀10年代初，石兆玉團隊完成了山東萊州全網分布式輸配變頻混水改造項目，總結了各地工程案例的運行情況和發(fā)現的問題，針對當時分布式循環(huán)供熱系統(tǒng)在設計、運行中的實際情況，就循環(huán)流量、變頻調速、節(jié)能效益、熱負荷需求適應性、連接方式、均壓管設置及調節(jié)控制方式，各站自控和全網監(jiān)控，協(xié)調運行、智能供熱等問題，進行了分析、探討，給出了問題的原理分析和解決方案，使得這項新技術的推廣更加完善[19]。李德英等人[20]、孫海霞等人[21]指出分布式變頻供熱系統(tǒng)的應用對于解決管網的水力失調、輸送能耗高等問題有極大的幫助，并通過分析實際工程的改造效果，提出了分布式變頻泵供熱系統(tǒng)按熱量控制的方法，并選取加壓泵的流量、溫差，主循環(huán)泵的壓差，熱源的總熱量作為控制對象。李鵬等人針對枝狀管網,以熱網最小年折算費用作為目標函數,干管、支管平均經濟比摩阻作為約束,對分布式循環(huán)泵供熱系統(tǒng)最佳零壓差點的位置進行了模擬求解[22]。Zhang等人對區(qū)域供冷分布式變頻泵系統(tǒng)運行能效作了分析，指出該系統(tǒng)適用于末端冷負荷波動大的用戶。通過以泵代閥，效率明顯提升，系統(tǒng)輸配能耗明顯下降。與集中循環(huán)大泵相比，分布式變頻泵和儲水系統(tǒng)夏天每天節(jié)電57%，全系統(tǒng)節(jié)能10%[23]。

針對中大型供熱系統(tǒng)多熱源、環(huán)狀管網、長輸系統(tǒng)等特點，分布式輸配是否適用等疑問，學者們均有研究。石兆玉重點闡述了多熱源供熱系統(tǒng)中分布式輸配動力裝置的設計方法，介紹了環(huán)狀與枝狀管網的設計特點，探究了調峰熱源的設置方法，最后明確得出結論：分布式輸配供熱系統(tǒng)完全適用于多熱源聯(lián)網運行，而且優(yōu)勢更加明顯[24]。王芃等人給出了傳統(tǒng)單熱源枝狀熱網及多熱源熱網、環(huán)狀熱網改造成分布式循環(huán)泵供熱系統(tǒng)后的節(jié)能率計算式[25]。王瑩等人以某城市的大高差長輸供熱項目為例,對分布式系統(tǒng)與中繼泵站系統(tǒng)在大高差長輸供熱管線的應用優(yōu)勢與劣勢進行了詳細的對比[26]。利用電廠余熱，通過大溫差遠距離長輸供熱是城鎮(zhèn)供熱的發(fā)展趨勢，這是分布式輸配在供熱長輸管線中又一個重要應用。

近年來，分布式輸配理論更豐富、技術更全面，利用軟件仿真模擬，運行調節(jié)和節(jié)能理論化、模型化，并擴展到分布式輸配混水系統(tǒng)的水力穩(wěn)定性分析和運行調節(jié)方法研究。

1.4 全網分布式輸配的提出和研究

針對分布式輸配的應用多數只在一次網實施的情況，石兆玉指出，分布式輸配不僅可以在供熱系統(tǒng)一次網中實施，也可以在二次網(庭院管網)、三次網用戶熱入口(室內供熱系統(tǒng))全方位實施，稱為全網分布式輸配供熱系統(tǒng)。如圖4所示，熱源到熱力站稱為一次網，熱力站到樓棟熱入口稱為二次網，室內系統(tǒng)稱為三次網，都設計為分布式輸配，每級輸配系統(tǒng)有自己的零壓差點，通過自動控制解決平衡問題，實現全網高效輸配、最少投資、最優(yōu)化運行。

1.循環(huán)泵；2.均壓管；3.鍋爐；4.換熱器；5.散熱器；O1、O2為零壓差點。圖4 全網分布式輸配系統(tǒng)圖

從理論方面，石兆玉等人對分布式所依據的基本原理特勒根定理及其應用作了說明，并系統(tǒng)地提出和介紹了全網分布式輸配供熱系統(tǒng)方案及其優(yōu)越性、必要性及系統(tǒng)結構的基本形式與循環(huán)水泵的選型等具體技術問題[27]?；谌W分布式輸配系統(tǒng)的理論基礎和分戶熱計量的技術應用問題，經過多年的研究，石兆玉團隊開發(fā)了“供暖分戶計量調控裝置”。該裝置集平衡調節(jié)、室溫控制、熱量分攤與計量收費為一體，既滿足了熱量計量，又能直接調控用戶室溫，為解決目前供熱計量技術中的難題作出了前瞻性探索。石兆玉等人[28]、楊同球等人[29-30]、夏三華等人[31]在廊坊通奧深入研究，創(chuàng)新試點，取得了成功，并集中發(fā)表了多項研究成果，深入闡述了總體方案的構建、節(jié)能優(yōu)勢、系統(tǒng)的末端裝置、分戶供暖電器的計量功能、微型齒輪泵的工藝創(chuàng)新、系統(tǒng)的控制決策，以及技術創(chuàng)新評價、社會和經濟效益分析。

2 分布式輸配技術應用推廣和工程案例

分布式輸配供熱系統(tǒng)有源式管網輸配、調節(jié)水力平衡、消除冷熱不均及節(jié)電節(jié)熱方面的優(yōu)勢被越來越多的業(yè)內人士所認識。目前已在相當數量的實際工程中推廣、應用，取得了理想效果。據不完全統(tǒng)計，目前全國有將近3億m2供熱面積使用分布式輸配技術。采用該技術的供熱系統(tǒng)，最大的供熱規(guī)模已經超過上千萬m2供熱面積，最小的為二次庭院管網。分布式間接和分布式混水連接方式都有大型工程案例，比如太原熱力、威海熱電、吉林熱力總公司；二次管網樓棟分布式也獲得了大量應用，包括北京熱力、承德熱力都有區(qū)域案例。在推廣過程中，眾多專家學者、多家專業(yè)公司在分布式輸配推廣上做了大量的工作，取得了不錯的成績。

石兆玉團隊作了全國性技術推廣，主持完成了很多應用項目，包括位于山東萊州、河北臨西、山西臨汾等地方的多個規(guī)模和形式不同的分布式輸配及混水工程案例，不僅實現了系統(tǒng)自動調節(jié)，而且節(jié)電率最高達到了69%，節(jié)熱率普遍在10%左右。特別是供熱分戶計量調控微型齒輪泵在廊坊生產基地大樓試點成功，第一次把分布式做到了熱用戶入口。

北京某公司2007年在新疆庫爾勒新隆熱力公司完成了全國首個分布式輸配案例，之后在新疆、東北三省、河北、山西都建設了許多分布式輸配工程。這些工程項目不但系統(tǒng)運行壓力低，而且還改善了水力熱力平衡，節(jié)電節(jié)熱量大，達到了預期效果。

2013年7月，呂硯昭團隊編制了國家建筑標準設計圖集13K511《分布式冷熱輸配系統(tǒng)用戶裝置設計與安裝》[32]，完善了分布式輸配系統(tǒng)的工作原理，歸納了分布式輸配的主要系統(tǒng)形式及其應用條件，確定了分布式輸配系統(tǒng)設計的計算方法，提供了分布式輸配系統(tǒng)的自控策略等，建立了國內分布式輸配系統(tǒng)的體系，推動了分布式輸配技術在供冷供熱系統(tǒng)一次網及二次網中的應用與發(fā)展。自2010年以來，呂硯昭團隊先后設計了十幾個分布式輸配供熱供冷項目，建筑面積從5萬m2到85萬m2，系統(tǒng)裝機節(jié)電率在30%～60%之間，系統(tǒng)運行穩(wěn)定高效[33-34]，特別是設計的二次網分布式供冷輸配系統(tǒng)，運用了合理的大溫差，取得了明顯的社會效益和經濟效益，實現了設計單位對分布式輸配技術的應用先例。

從分布式輸配工程應用綜合來看，技術問題上，設計偏重理論計算而忽視系統(tǒng)靜態(tài)和運行特性；針對不同特性的供熱系統(tǒng)在尋找最佳自控和全網調度策略上也沒有找到最優(yōu)方法；分布式做到樓棟到戶，且與熱計量結合并沒有得到實質性進展。就推廣而言，目前速度并不快，究其原因：一方面專業(yè)人員缺乏，推廣力度不夠；另一方面還是做得不夠好，節(jié)能并沒達到最佳水平?？傊?，理論還需深化，技術有待提升，與工程結合還需更緊密。

3 結語與展望

供冷供熱是民生工程、能源工程、環(huán)保工程，涉及到國計民生，國家出臺了節(jié)能減排、清潔取暖、治理霧霾等基本政策。隨著分布式輸配技術的推廣，工程應用實例越來越多。技術變革帶來諸多優(yōu)勢：實現精準調節(jié)，能源高效利用，節(jié)能效果顯著，政府、熱力公司和熱用戶多方受益。分布式輸配技術已經在多個國家級技術規(guī)范中被列為重要的節(jié)能技術，國家政策層面非常重視，并大力扶持。伴隨國家經濟的高速發(fā)展和人民生活需求的提高，今后肯定會在更多的供熱企業(yè)和公共建筑供冷供熱系統(tǒng)中應用，技術本身也將得到不斷的發(fā)展、改進和完善。我國北方冬季供暖的城鄉(xiāng)建筑面積達206億m2(城鎮(zhèn)140億m2，每年消耗2億t標準煤)，且以8%～10%的速度增長[35]。供冷供熱行業(yè)的熱媒分布式輸配技術，至今在全國范圍內才推廣約3億m2，推廣供熱面積目前僅占總面積的2%～3%[28]，絕大多數還只是一次網，應用前景十分廣闊。未來輸配方式應普及分布式輸配，使供冷供熱系統(tǒng)做到“無人駕駛”、無人化運營，實現供冷供熱技術智能化、現代化。