間接供熱一級(jí)泵系統(tǒng)壓差控制方案研究*

曹榮光

(中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司,北京)

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化的推進(jìn),我國(guó)供熱規(guī)模和供熱半徑越來(lái)越大。區(qū)域供熱管網(wǎng)多為間接連接,即熱源與熱用戶間設(shè)置換熱站隔開(kāi),熱源與換熱站之間通過(guò)一次網(wǎng)連接,換熱站與熱用戶間通過(guò)二次網(wǎng)連接。由于熱網(wǎng)的熱惰性,區(qū)域供熱一次網(wǎng)采用質(zhì)調(diào)節(jié)會(huì)產(chǎn)生供熱過(guò)量或不足現(xiàn)象,影響供熱質(zhì)量或造成能源浪費(fèi)。一次網(wǎng)集中量調(diào)節(jié)比質(zhì)調(diào)節(jié)更優(yōu)越,供熱質(zhì)量更高,經(jīng)濟(jì)性更好[1]。

隨著區(qū)域供熱系統(tǒng)設(shè)備水平的提升,熱用戶末端裝置具備了自主調(diào)節(jié)能力,變流量運(yùn)行逐步在供熱系統(tǒng)中得到推廣應(yīng)用。區(qū)域供熱輸配變流量系統(tǒng)一般采用壓差控制,通過(guò)調(diào)節(jié)循環(huán)泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)和轉(zhuǎn)速控制熱網(wǎng)壓差保持恒定,以滿足末端用戶的熱量需求?，F(xiàn)有研究大多針對(duì)供熱一次網(wǎng)變流量調(diào)節(jié)的調(diào)控方法,缺少基于熱用戶逐時(shí)負(fù)荷分析的輸配系統(tǒng)工況變化和節(jié)能性研究[2-6]。本文以某建筑綜合體區(qū)域供熱輸配系統(tǒng)為例,基于供熱期各單體建筑的逐時(shí)熱負(fù)荷,通過(guò)建立管網(wǎng)動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型,定量分析間接供熱系統(tǒng)中一級(jí)泵在不同壓差控制方案下的全年逐時(shí)運(yùn)行工況變化和運(yùn)行能耗,以供工程設(shè)計(jì)參考。

1 工程概況

1.1 建筑概況

某建筑綜合體項(xiàng)目(如圖1所示)位于北京市,涵蓋辦公、商業(yè)、公寓等功能業(yè)態(tài),采用區(qū)域集中供熱,規(guī)劃用地面積為6.82萬(wàn)m2。集中供熱區(qū)域內(nèi)有13棟建筑,包括9棟辦公樓(辦公樓1～9)、2棟公寓樓(公寓樓1、2)及2棟配套商業(yè)樓(配套商業(yè)樓1、2),總供熱建筑面積為16.89萬(wàn)m2,各建筑供熱面積及最大熱負(fù)荷見(jiàn)表1。

注:J1～J16為供水側(cè)節(jié)點(diǎn)編號(hào);E1～E15為供水側(cè)管段編號(hào)。圖1 某建筑綜合體熱水輸送管網(wǎng)平面示意圖

表1 各建筑供熱面積及最大熱負(fù)荷

1.2 逐時(shí)熱負(fù)荷

該項(xiàng)目建筑逐時(shí)熱負(fù)荷計(jì)算采用EnergyPlus軟件,該軟件主要用于建筑能量特性模擬與負(fù)荷計(jì)算,它吸收了DOE-2和BLAST 2個(gè)軟件的優(yōu)點(diǎn),并具備很多新的功能[7-9]。該項(xiàng)目供暖季為11月15日到次年3月15日,共121 d。模擬采用的北京地區(qū)室外氣象參數(shù)從EnergyPlus氣象數(shù)據(jù)庫(kù)中選取,來(lái)源為CSWD(中國(guó)典型氣象年數(shù)據(jù))[10]。負(fù)荷計(jì)算時(shí)考慮了各建筑的使用功能、平時(shí)及節(jié)假日運(yùn)行時(shí)間、房間同時(shí)使用率等參數(shù),由于篇幅所限,本文不再贅述。各建筑及總體的熱負(fù)荷最大值見(jiàn)表1,供暖季逐時(shí)熱負(fù)荷見(jiàn)圖2～8。

圖2 辦公樓1～5逐時(shí)熱負(fù)荷

圖3 辦公樓6、7逐時(shí)熱負(fù)荷

圖4 辦公樓8逐時(shí)熱負(fù)荷

圖5 辦公樓9逐時(shí)熱負(fù)荷

圖6 公寓樓1、2逐時(shí)熱負(fù)荷

圖7 配套商業(yè)樓1逐時(shí)熱負(fù)荷

圖8 配套商業(yè)樓2逐時(shí)熱負(fù)荷

根據(jù)表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,該項(xiàng)目綜合最大熱負(fù)荷為6 605.95 kW,折合單位建筑面積熱指標(biāo)為39.1 W/m2。供暖期總供熱量為504.71萬(wàn)kW·h,折合單位面積供熱量為29.88 kW·h/m2。區(qū)域建筑逐時(shí)熱負(fù)荷見(jiàn)圖9,逐日耗熱量見(jiàn)圖10。

圖9 區(qū)域建筑逐時(shí)熱負(fù)荷

圖10 區(qū)域建筑逐日耗熱量

2 輸配系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)概況

熱源:該工程供熱熱源采用地埋管地源熱泵系統(tǒng),如圖1所示,熱泵機(jī)組設(shè)置于辦公樓8南側(cè)的地下冷熱機(jī)房?jī)?nèi),地埋換熱管布置于相鄰地塊的城市公園綠地內(nèi)。熱水設(shè)計(jì)供/回水溫度為50 ℃/40 ℃,總設(shè)計(jì)熱水流量為568.0 m3/h。

輸配系統(tǒng):該工程采用間接供熱,供熱輸配系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖11。一級(jí)泵B1設(shè)置于冷熱機(jī)房?jī)?nèi),承擔(dān)一次網(wǎng)阻力;各用戶二次網(wǎng)循環(huán)泵(B5、B6、B8、B9、B12、B13、B15、B16)分別設(shè)置于1#～4#站房?jī)?nèi),承擔(dān)用戶側(cè)熱水系統(tǒng)阻力。熱源側(cè)熱泵機(jī)組設(shè)置熱水循環(huán)泵,承擔(dān)熱源阻力,熱源側(cè)與輸配側(cè)通過(guò)平衡管隔開(kāi)。熱水一次網(wǎng)從冷熱機(jī)房到最遠(yuǎn)端的4#站房的管線長(zhǎng)度約為388.6 m。

注:J17～J32為回水側(cè)節(jié)點(diǎn)編號(hào);E16～E30為回水側(cè)管段編號(hào);B1、B5、B6、B8、B9、B12、B13、B15、B16為泵組編號(hào)。圖11 供熱輸配系統(tǒng)原理圖

熱用戶:供熱區(qū)域內(nèi)共8個(gè)熱用戶,各用戶設(shè)計(jì)熱水流量見(jiàn)表1。

2.2 輸送管網(wǎng)

如圖11所示,供熱輸配系統(tǒng)供水側(cè)共有15個(gè)管段,編號(hào)分別為E1～E15;該項(xiàng)目熱水輸送管網(wǎng)采用枝狀布置,為簡(jiǎn)化分析,設(shè)定回水側(cè)管網(wǎng)參數(shù)與供水側(cè)相同,則回水側(cè)共有15個(gè)管段,編號(hào)分別為E16～E30。根據(jù)各用戶節(jié)點(diǎn)的流量和經(jīng)濟(jì)比摩阻,經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算,各管段的內(nèi)徑、管長(zhǎng)及局部阻力系數(shù)設(shè)計(jì)值見(jiàn)表2。管徑小于DN300的管道采用無(wú)縫鋼管,大于等于DN300的管道采用螺旋焊接鋼管。

表2 各管段設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3 循環(huán)泵選型

2.3.1一級(jí)泵B1

該項(xiàng)目換熱站內(nèi)換熱器一次側(cè)及站內(nèi)管線設(shè)計(jì)總壓頭為10 m,輸配系統(tǒng)補(bǔ)水定壓水頭為63 m,定壓點(diǎn)為一級(jí)泵B1吸入口,管壁粗糙度為0.5 mm。根據(jù)管網(wǎng)參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)流量下各節(jié)點(diǎn)的供回水壓力,結(jié)果如圖12所示,節(jié)點(diǎn)J1處供回水壓頭差為13.6 m,第一個(gè)用戶分支節(jié)點(diǎn)J3處供回水壓頭差為12.3 m,一次網(wǎng)末端最不利用戶節(jié)點(diǎn)J8處供回水壓頭差為10.0 m。

圖12 熱水輸配一級(jí)泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況下的管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水壓圖

2.3.2二次網(wǎng)循環(huán)泵

該項(xiàng)目各換熱站內(nèi)換熱器二次網(wǎng)及站內(nèi)管線設(shè)計(jì)總壓頭為10.0 m,各用戶側(cè)設(shè)計(jì)壓頭均為12.5 m,二次網(wǎng)循環(huán)泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程為上述2項(xiàng)壓頭之和,均為22.5 m。

根據(jù)上述一級(jí)泵及二次網(wǎng)循環(huán)泵的揚(yáng)程參數(shù)及表1中列出的各用戶節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)熱水流量選擇水泵參數(shù),結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 一級(jí)泵及二次網(wǎng)循環(huán)泵選型

根據(jù)水泵樣本[11],采用拉格朗日插值法擬合得到一級(jí)泵及二次網(wǎng)循環(huán)泵變頻運(yùn)行的性能方程,見(jiàn)表4。

表4 一級(jí)泵及二次網(wǎng)循環(huán)泵性能方程

2.4 運(yùn)行策略

區(qū)域供熱輸配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)一方面是要保證各末端用戶隨時(shí)得到所需流量,另一方面要降低循環(huán)水泵能耗。由于用戶末端設(shè)備換熱具有顯著的非線性特征及水系統(tǒng)存在熱惰性,溫度控制方法在控制機(jī)理上存在不穩(wěn)定性,而壓差控制方法可以對(duì)用戶末端負(fù)荷的變化快速響應(yīng),控制參數(shù)簡(jiǎn)單明確,在國(guó)內(nèi)眾多大型項(xiàng)目中得到了應(yīng)用,是現(xiàn)階段工程設(shè)計(jì)中水系統(tǒng)控制普遍采用的方法[12-22]。

2.4.1二次網(wǎng)循環(huán)泵運(yùn)行策略

熱用戶末端負(fù)荷調(diào)節(jié)采用量調(diào)節(jié),供熱系統(tǒng)二次網(wǎng)變流量運(yùn)行。通過(guò)調(diào)節(jié)各二次網(wǎng)循環(huán)泵(B5、B6、B8、B9、B12、B13、B15、B16)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)和轉(zhuǎn)速,保持換熱站出口處供回水壓頭差恒定為設(shè)計(jì)值12.5 m,實(shí)時(shí)滿足末端設(shè)備的用熱需求。

2.4.2一級(jí)泵運(yùn)行策略

隨著換熱站供熱量的變化,實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)換熱器一次側(cè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥保持二次側(cè)供水溫度恒定,一次側(cè)變流量運(yùn)行,一級(jí)泵B1的運(yùn)行策略有如下3種:

1) 始端定壓差運(yùn)行。通過(guò)調(diào)節(jié)一級(jí)泵B1的運(yùn)行臺(tái)數(shù)和轉(zhuǎn)速,保持一次網(wǎng)第一個(gè)用戶分支節(jié)點(diǎn)J3處供回水壓頭差恒定為12.3 m。

2) 末端定壓差運(yùn)行。通過(guò)調(diào)節(jié)一級(jí)泵B1的運(yùn)行臺(tái)數(shù)和轉(zhuǎn)速,保持一次網(wǎng)末端最不利用戶節(jié)點(diǎn)J8處供回水壓頭差為10.0 m。

3) 變壓差運(yùn)行。監(jiān)測(cè)一次網(wǎng)供熱系統(tǒng)內(nèi)各換熱站一次側(cè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度和回水溫度,如所有用戶熱力入口閥門(mén)開(kāi)度低于100%,則一級(jí)泵B1變頻降速(結(jié)合水泵臺(tái)數(shù)控制)降低一次網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行流量,如存在任何一個(gè)換熱站一次側(cè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度為100%,且回水溫度低于一次網(wǎng)總回水溫度,則一級(jí)泵變頻提速(結(jié)合水泵臺(tái)數(shù)控制)提高一次網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行流量。

3 輸配能耗量化分析

3.1 輸配能耗計(jì)算方法

輸配能耗計(jì)算按下列步驟進(jìn)行。

1) 計(jì)算供冷季各用戶的逐時(shí)冷負(fù)荷,根據(jù)逐時(shí)負(fù)荷值求解各用戶節(jié)點(diǎn)的逐時(shí)熱水流量;

2) 參照文獻(xiàn)[22-23],根據(jù)表2及圖11的管網(wǎng)信息,建立管網(wǎng)動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型;

3) 根據(jù)步驟1)、2)的結(jié)果及系統(tǒng)壓差控制方案,求解輸配管網(wǎng)各時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)水壓,得到一級(jí)泵B1及各二次網(wǎng)循環(huán)泵的運(yùn)行揚(yáng)程;

4) 將步驟1)、3)計(jì)算得到的流量和揚(yáng)程值代入循環(huán)泵性能方程求解各水泵的運(yùn)行頻率、效率,進(jìn)而求解一級(jí)泵B1及各二次網(wǎng)循環(huán)泵的逐時(shí)能耗;

5) 將一級(jí)泵B1及各二次網(wǎng)循環(huán)泵的逐時(shí)能耗累加求和,即得到輸配能耗值。

3.2 一級(jí)泵運(yùn)行能耗

一級(jí)泵在始端定壓差、末端定壓差、變壓差等3種運(yùn)行策略下的年運(yùn)行能耗見(jiàn)表5,各運(yùn)行策略下一級(jí)泵B1的逐時(shí)運(yùn)行頻率、效率、耗電量見(jiàn)圖13～15。

表5 一級(jí)泵年運(yùn)行能耗

注:圖中不同曲線代表供暖期不同天的數(shù)據(jù)。圖13 一級(jí)泵B1逐時(shí)運(yùn)行頻率

注:圖中不同曲線代表供暖期不同天的數(shù)據(jù)。圖14 一級(jí)泵B1逐時(shí)運(yùn)行效率

注:圖中不同曲線代表供暖期不同天的數(shù)據(jù)。圖15 一級(jí)泵B1逐時(shí)運(yùn)行耗電量

3.3 二次網(wǎng)循環(huán)泵運(yùn)行能耗

各二次網(wǎng)循環(huán)泵年運(yùn)行能耗見(jiàn)表6,逐時(shí)能耗見(jiàn)圖16。

表6 二次網(wǎng)循環(huán)泵運(yùn)行能耗

注:圖中不同曲線代表供暖期不同天的數(shù)據(jù)。圖16 二次網(wǎng)循環(huán)泵逐時(shí)運(yùn)行耗電量

4 分析與討論

4.1 輸配能耗

由表5可見(jiàn),變壓差下一級(jí)泵系統(tǒng)的年耗電量最低,比始端定壓差下的年耗電量低64.3%,節(jié)能效果顯著。根據(jù)上一章的計(jì)算結(jié)果,統(tǒng)計(jì)各壓差控制方案的一級(jí)泵及二次網(wǎng)循環(huán)泵年運(yùn)行能耗之和,結(jié)果見(jiàn)表7。由表7可見(jiàn),相比始端定壓差,一級(jí)泵變壓差運(yùn)行策略可以節(jié)約29.7%的輸配系統(tǒng)電耗,節(jié)能效果顯著。

表7 各方案年運(yùn)行總能耗

4.2 可調(diào)性

圖17顯示了管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)供回水壓頭差。如圖17所示:在部分負(fù)荷下,始端定壓差運(yùn)行時(shí),各換熱站一次側(cè)的資用壓頭增大,電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的閥權(quán)度降低,調(diào)節(jié)性能降低;末端定壓差及變壓差運(yùn)行時(shí),在保證供給的前提下各換熱站的資用壓頭減小,電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的閥權(quán)度提高,調(diào)節(jié)性能提高。其中,基于末端閥門(mén)開(kāi)度檢測(cè)的變壓差控制方式可以實(shí)時(shí)追蹤一次網(wǎng)系統(tǒng)最不利用戶的位置,保證系統(tǒng)閥門(mén)阻力最小,能耗最低,是最優(yōu)的調(diào)節(jié)方式。

注:圖中不同曲線代表供暖期不同天的數(shù)據(jù)。圖17 管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)供回水壓頭差

4.3 經(jīng)濟(jì)性

基于末端閥門(mén)開(kāi)度檢測(cè)的變壓差控制方式僅需集中采集各換熱站一次側(cè)閥門(mén)開(kāi)度和回水溫度,相對(duì)始端定壓差和末端定壓差方案基本不增加系統(tǒng)初投資,經(jīng)濟(jì)性較好。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以北京某建筑綜合體集中供熱項(xiàng)目為例,定量分析了間接供熱系統(tǒng)中一級(jí)泵在不同壓差控制方案下的全年逐時(shí)運(yùn)行能耗。結(jié)果表明,相比常規(guī)的始端定壓差和末端定壓差,基于末端閥門(mén)開(kāi)度檢測(cè)的一級(jí)泵變壓差運(yùn)行可以顯著降低供熱輸配能耗,提高換熱站一次側(cè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)精度,具有較好的經(jīng)濟(jì)性,建議大規(guī)模推廣應(yīng)用。