分布式輸配供熱系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用難點(diǎn)研究

韓洪姍，狄育慧，呂硯昭

(1.西安工程大學(xué) 城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2.西安市建筑設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710000)

1 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2017年，北方城鎮(zhèn)建筑供暖面積增加了近2倍，而能耗的增加不到1倍，遠(yuǎn)低于供暖面積的增長(zhǎng)，可以看出供暖能耗的節(jié)能取得了明顯成效，目前供暖的節(jié)能手段大部分是通過(guò)高效節(jié)能的熱源方式[1]，多采用集中供暖系統(tǒng)，而分布式輸配系統(tǒng)能從供熱系統(tǒng)的另一個(gè)組成部分——管網(wǎng)入手，合理利用分布式輸配供熱系統(tǒng)能為供暖節(jié)能提供新的方向。

2 系統(tǒng)對(duì)比

2.1 傳統(tǒng)系統(tǒng)

傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及水壓圖如圖1所示，可以看出傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)的循環(huán)泵設(shè)置在熱源處，根據(jù)最不利用戶的資用壓頭選擇，循環(huán)泵需承擔(dān)熱源內(nèi)部、整個(gè)管網(wǎng)及熱用戶3個(gè)部分的阻力。這樣必然造成近端用戶資用壓頭過(guò)大，產(chǎn)生資用壓頭過(guò)剩的情況，需設(shè)置調(diào)節(jié)閥將多余的資用壓頭消耗掉，因此產(chǎn)生無(wú)謂的節(jié)流損失。傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)由于自身的設(shè)計(jì)不足，容易造成熱量的浪費(fèi)、冷熱不均、大流量小溫差及供熱系統(tǒng)能效低下等一系列問(wèn)題[2]。

近端用戶流量超標(biāo)的同時(shí)，往往意味著遠(yuǎn)端用戶的資用壓頭不足，末端用戶無(wú)法得到實(shí)際所需的熱量，容易形成近端用戶熱量過(guò)多，需調(diào)節(jié)閥將其消耗掉，而遠(yuǎn)端用戶供回水壓差過(guò)小，室內(nèi)溫度無(wú)法滿足人員需求，資用壓頭不足的問(wèn)題，冷熱不均現(xiàn)象嚴(yán)重。

為了改善末端用戶的供熱效果，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中會(huì)采取直接的手段，加大循環(huán)水泵或在末端設(shè)置加壓泵，將流量加大，這樣的設(shè)計(jì)思路并不能徹底解決冷熱不均的問(wèn)題，而是會(huì)形成 “大流量、小溫差”的運(yùn)行方式。

“大流量、小溫差”的運(yùn)行方式會(huì)造成40%-50%的能量浪費(fèi)[3]，包括兩方面：熱量浪費(fèi)和電量浪費(fèi)。近端用戶室內(nèi)過(guò)高的溫度必然會(huì)導(dǎo)致用戶開(kāi)窗散熱，損失熱量；大流量運(yùn)行必然需要增加水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)或調(diào)整水泵的功率，使水泵的運(yùn)行電耗增加，造成系統(tǒng)電量的浪費(fèi)，這兩方面的能量浪費(fèi)導(dǎo)致供熱系統(tǒng)能效水平低下。

2.2 分布式輸配系統(tǒng)

分布式輸配供熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及水壓圖如圖2所示，主循環(huán)泵只需承擔(dān)熱源內(nèi)部，即從熱源到壓差控制點(diǎn)的阻力[4]，大幅度降低主循環(huán)泵的揚(yáng)程，也降低了主循環(huán)泵的電機(jī)功率，用可調(diào)速的水泵代替管網(wǎng)中的調(diào)節(jié)閥，更有益于管網(wǎng)的調(diào)節(jié)，減少了浪費(fèi)在調(diào)節(jié)閥上無(wú)效電耗的產(chǎn)生，雖然增加了循環(huán)泵的使用數(shù)量，但各循環(huán)泵的總功率減少，有利于提升供熱系統(tǒng)能效。

圖2 分布式輸配供熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及水壓圖

3 水力工況分析

水力工況是系統(tǒng)中流量、壓力等的變化情況，當(dāng)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行流量等于系統(tǒng)最佳流量時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到水力平衡。

3.1 水力失調(diào)分析

水力失調(diào)是供熱系統(tǒng)中常見(jiàn)的通病，導(dǎo)致系統(tǒng)低能效的重要原因之一，在系統(tǒng)中體現(xiàn)為各熱用戶的實(shí)際流量與設(shè)計(jì)流量不一致,可分為靜態(tài)水力失調(diào)和動(dòng)態(tài)水力失調(diào)。

靜態(tài)水力失調(diào)是由最初的設(shè)計(jì)、材料設(shè)備的選用及連接安裝等環(huán)節(jié)的因素，不可避免地導(dǎo)致系統(tǒng)在實(shí)際使用過(guò)程中個(gè)終端的流量與設(shè)計(jì)要求流量值在一定程度上不一致，從而產(chǎn)生的水力失調(diào)；動(dòng)態(tài)水力失調(diào)則是由于運(yùn)行過(guò)程中用戶的使用狀態(tài)發(fā)生變化，引起管道流量及壓力的波動(dòng)，影響到其他用戶流量的改變而產(chǎn)生水力失調(diào)，動(dòng)態(tài)水力失調(diào)是在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的，失調(diào)狀態(tài)較為復(fù)雜，無(wú)規(guī)律可循。

水力失調(diào)程度用水力失調(diào)度來(lái)衡量，既可大于1也可小于1，同時(shí)水力失調(diào)又區(qū)分為是否一致失調(diào)，當(dāng)管網(wǎng)中各熱用戶的水力失調(diào)度都大于1或小于1時(shí)，稱為一致失調(diào)，否則，稱為不一致失調(diào)；其中，一致失調(diào)根據(jù)各用戶失調(diào)度是否相等又分為等比失調(diào)和不等比失調(diào)[5]。

傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)中，容易造成近端流量過(guò)多，而遠(yuǎn)端流量不足的現(xiàn)象，產(chǎn)生水力失調(diào)，進(jìn)而導(dǎo)致熱力失調(diào)，形成冷熱不均。為了解決這一問(wèn)題，常常采用調(diào)節(jié)閥增加阻抗的方式，消耗掉近端用戶的資用壓力，來(lái)使各路阻力達(dá)到平衡，雖然這樣有利于管路的水力平衡，但也帶來(lái)了能量的浪費(fèi)，而且當(dāng)系統(tǒng)管路較長(zhǎng)時(shí)，用戶支路阻力相差較大，通過(guò)閥門(mén)調(diào)節(jié)的方式很難達(dá)到系統(tǒng)的水力平衡。

分布式輸配系統(tǒng)選擇用戶泵代替調(diào)節(jié)閥，利用主循環(huán)泵與用戶泵接力的方式，給熱媒輸送增加一個(gè)向前的“抽力”，利用變頻系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)最佳流量運(yùn)行，可為用戶提供恰好所需的流量，做到按需供熱，真正消除水力失調(diào)的現(xiàn)象，達(dá)到水力平衡[6]。

3.2 水力穩(wěn)定性分析

水力穩(wěn)定性指供暖系統(tǒng)調(diào)試后平衡的持久性，即網(wǎng)路中各個(gè)熱用戶在其他熱用戶流量改變時(shí)，保持自身流量不變的能力，提高熱網(wǎng)水力穩(wěn)定性可使供熱系統(tǒng)正常運(yùn)行，節(jié)約無(wú)效的熱能和電能消耗，便于系統(tǒng)的初調(diào)節(jié)和運(yùn)行調(diào)節(jié)，需要充分重視提高系統(tǒng)水力穩(wěn)定性問(wèn)題。

提高供熱系統(tǒng)水力穩(wěn)定性的方法主要有相對(duì)的減少網(wǎng)路干管的壓力損失或相對(duì)的增大熱用戶系統(tǒng)的壓降。為了減少干管壓降，可適當(dāng)增大干管管徑，但這種方法增加了投資成本；或通過(guò)采用水噴射器、調(diào)節(jié)閥、安裝高阻力小管徑閥門(mén)等措施來(lái)相對(duì)增大熱用戶的壓力損失，與此同時(shí)，當(dāng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)時(shí)，消耗其所在支路的壓力，帶來(lái)無(wú)用電耗，也會(huì)因此改變管網(wǎng)阻力特性，使管網(wǎng)中的工作點(diǎn)偏移，在多數(shù)的情況下這也意味著系統(tǒng)效率下降，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的降低[5]。

分布式輸配供熱系統(tǒng)利用變頻泵調(diào)節(jié)用戶流量時(shí)，根據(jù)相似定律，泵功率與流量的三次方成正比，可知流量減少，泵功率也相對(duì)下降，且泵的運(yùn)行效率不變，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[7]，且在分布式輸配系統(tǒng)中，當(dāng)干管流量發(fā)生變化時(shí)，各支路流量變化遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)，水力耦合作用相對(duì)較小，因此具有更好的水力穩(wěn)定性[8]。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

4.1 工程概況

西安市某小區(qū)建筑面積70776 m2，建筑高度96 m，熱源采用市政熱水，為達(dá)到節(jié)能效果，管網(wǎng)設(shè)計(jì)采用大溫差小流量的運(yùn)行方式，一次網(wǎng)供回水溫度為110 ℃/70 ℃，二次側(cè)用戶供暖采用地面輻射系統(tǒng)，供回水溫度為85 ℃/40 ℃，混水系數(shù)為0.3，以該實(shí)例作為模型進(jìn)行傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)和分布式輸配供熱系統(tǒng)的對(duì)比分析。

4.2 能耗分析

針對(duì)以上設(shè)計(jì)條件，計(jì)算匯總該小區(qū)的功耗對(duì)比如表1和圖3、圖4。

表1 兩種系統(tǒng)功耗匯總 kW

圖3 傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)各項(xiàng)功耗占比(%)

圖4 分布式輸配供熱系統(tǒng)各項(xiàng)功耗占比(%)

通過(guò)以上圖表，兩種系統(tǒng)各項(xiàng)功耗對(duì)比可以看出，相對(duì)于傳統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)而言，傳統(tǒng)系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥的能耗占比10%，管道功耗占比也較大，分布式輸配系統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥消耗降為0，管道功耗也明顯下降，計(jì)算得到分布式輸配系統(tǒng)的節(jié)能率為47%，節(jié)能效果顯著。

4.3 經(jīng)濟(jì)性分析

基于以上兩種系統(tǒng)的功耗對(duì)比，做出經(jīng)濟(jì)性分析，如表2所示。

由表2可知，雖然分布式輸配系統(tǒng)的初投資會(huì)高于傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)，但電耗明顯降低，年運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省接近5萬(wàn)元，根據(jù)靜態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算，可通過(guò)大概三年時(shí)間回收初投資。且傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)無(wú)法在運(yùn)行中靈活改變流量，而分布式輸配系統(tǒng)可根據(jù)溫度等參數(shù)調(diào)節(jié)流量，根據(jù)西安市的氣象參數(shù)，分布式輸配供熱系統(tǒng)只在6%的時(shí)間滿負(fù)荷運(yùn)行，大部分時(shí)間處于低流量運(yùn)行中，實(shí)際運(yùn)行能耗遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)，總體經(jīng)濟(jì)性明顯好于傳統(tǒng)系統(tǒng)。

表2 兩種系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

綜合以上分析，分布式輸配系統(tǒng)較傳統(tǒng)系統(tǒng)而言，節(jié)省了管材和閥門(mén)上的投資，也節(jié)省了浪費(fèi)在上面的無(wú)供電耗，有很顯著的節(jié)能效果，能做到節(jié)能省電，有效減少供暖費(fèi)用，提高了經(jīng)濟(jì)效益，且管網(wǎng)變流量運(yùn)行，水力熱力平衡，減少了管理費(fèi)用，供暖溫度適宜，用戶滿意度高，有利于減少用戶糾紛。

5 分布式輸配系統(tǒng)的應(yīng)用難點(diǎn)

分布式輸配系統(tǒng)在節(jié)能方面優(yōu)勢(shì)明顯，但在實(shí)際應(yīng)用中，水泵的選擇、零壓差點(diǎn)的選取和系統(tǒng)背壓需要根據(jù)不同工程情況進(jìn)行選擇，否則分布式輸配系統(tǒng)很難取得理想的節(jié)能效果，甚至?xí)兊貌还?jié)能。

5.1 泵揚(yáng)程選擇

對(duì)于主循環(huán)泵揚(yáng)程的選擇，理論上只需提供熱源內(nèi)部的水循環(huán)，但這樣的設(shè)計(jì)可能會(huì)造成加壓泵功耗過(guò)大，增加系統(tǒng)的初投資[9]，根據(jù)不同系統(tǒng)選擇熱源循環(huán)泵、加壓泵及用戶泵選擇時(shí)，應(yīng)綜合考慮投資與經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于系統(tǒng)中各類(lèi)泵的揚(yáng)程功耗做出合理選擇。

5.2 壓差控制點(diǎn)位置

一般來(lái)說(shuō),熱網(wǎng)存在一個(gè)使能耗最低的壓差控制點(diǎn),也存在一個(gè)使熱網(wǎng)穩(wěn)定性最好的壓差控制點(diǎn),當(dāng)壓差控制點(diǎn)選在熱源處，可以提高靠近熱源的用戶水力穩(wěn)定性，當(dāng)壓差控制點(diǎn)選在熱網(wǎng)末端時(shí)，只對(duì)壓差控制點(diǎn)處的用戶水力穩(wěn)定有利，而當(dāng)壓差控制點(diǎn)選在中部時(shí)，系統(tǒng)比較穩(wěn)定[10],如何針對(duì)具體工程，選擇合適的壓差控制點(diǎn)仍需深入探討。

5.3 系統(tǒng)背壓分析

系統(tǒng)背壓也會(huì)明顯影響分布式輸配系統(tǒng)的節(jié)能效果，無(wú)背壓系統(tǒng)的分布式輸配系統(tǒng)節(jié)能效果最佳；在有背壓系統(tǒng)中,分布式輸配系統(tǒng)的節(jié)能率隨著背壓的增大而逐漸降低,當(dāng)背壓增大到一定程度,分布式輸配系統(tǒng)變頻調(diào)節(jié)的能耗可能會(huì)大于傳統(tǒng)系統(tǒng)節(jié)流調(diào)節(jié)的能耗，變頻調(diào)節(jié)便不再具有意義[11]。因此，對(duì)于有背壓的系統(tǒng)，需要認(rèn)真的分析計(jì)算，以確定其與傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)對(duì)比之后，是否能夠達(dá)到節(jié)能條件。

5.4 規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)的普及

另外，由于發(fā)展時(shí)間還不夠，沒(méi)有得到普遍認(rèn)可，分布式輸配系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用還沒(méi)有得到普及，在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等方面缺乏相關(guān)的法律法規(guī)，設(shè)計(jì)人員沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照參考，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化完善。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)與分布式輸配系統(tǒng)，結(jié)合工程實(shí)例，突出了分布式輸配系統(tǒng)在節(jié)省電耗的優(yōu)勢(shì)。分布式輸配系統(tǒng)作為在水力調(diào)節(jié)、節(jié)能環(huán)保、節(jié)省投資等方面都有明顯優(yōu)勢(shì)的管網(wǎng)供熱系統(tǒng)，應(yīng)得到更多的推廣和應(yīng)用，但由于工程情況的復(fù)雜性，不能達(dá)到理想的效果，其發(fā)展受到了一定的限制，不能得到更多人的認(rèn)可，在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)設(shè)備等方面還存在一定的問(wèn)題，需要結(jié)合更多的工程實(shí)例，綜合分析經(jīng)濟(jì)技術(shù)難點(diǎn)，進(jìn)一步探討和完善分布式輸配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。