邵宗義 吳金星

北京建筑工程學院供熱、供燃氣、通風及空調工程北京市重點實驗室

隨著我國建筑業(yè)的飛速發(fā)展，建筑能耗占總能耗的比重越來越大，據(jù)統(tǒng)計目前已經(jīng)達到38%[1]。其中約有55%為采暖能耗，是建筑能耗的最主要部分，也是節(jié)能潛力最大的部分。我國建筑能耗浪費嚴重也體現(xiàn)在主要耗能設備能源效率低，水泵平均設計效率75%，比國際先進水平低5個百分點，系統(tǒng)運行效率低近20個百分點。與發(fā)達國家相比，我國即使在達到了節(jié)能50%的目標后仍有約50%的節(jié)能潛力，供熱系統(tǒng)的運行調節(jié)模式優(yōu)化的研究對建筑節(jié)能目標的實現(xiàn)至為關鍵。

1 供熱系統(tǒng)的運行與調節(jié)模式

在城市集中供熱系統(tǒng)中，根據(jù)調節(jié)地點的不同，供熱系統(tǒng)運行調節(jié)可分為集中調節(jié)、局部調節(jié)和個體調節(jié)三種。集中調節(jié)在熱源處進行，其調節(jié)方法主要有：質調節(jié)、分階段改變流量的質調節(jié)、間歇調節(jié)[2]。其中分階段改變流量質調節(jié)需要在供暖期中按室外溫度高低分成幾個階段，在室外溫度較低的階段中保持較大的流量，而在室外溫度較高的階段中保持較小的流量，在每一階段內管網(wǎng)的循環(huán)水量總保持不變，供熱調節(jié)采用改變管網(wǎng)供水溫度的質調節(jié)。這種調節(jié)方法，綜合了質調節(jié)和量調節(jié)的優(yōu)點，既較好地避免了垂直失調，又顯著地節(jié)省了電能，是一種公認的比較經(jīng)濟合理的調節(jié)方法，在區(qū)域鍋爐房熱水供暖系統(tǒng)中得到了較多的應用。近年來，人們從節(jié)能的角度出發(fā)，開始研究和使用變頻調速水泵，調速水泵的出現(xiàn)，使供熱系統(tǒng)實現(xiàn)無級的變流量運行成為可能，“變頻”幾乎成為節(jié)能的代名詞，廣泛用于供熱系統(tǒng)節(jié)能改造工程中。

2 對現(xiàn)行供熱系統(tǒng)調節(jié)模式及其研究思考

很多資料都認為，在整個供暖期內，采用兩階段變流量質調節(jié)時，熱網(wǎng)系統(tǒng)循環(huán)流量比應被分為100%和75%兩檔；當熱網(wǎng)規(guī)模較大時，應采用三階段變流量質調節(jié)，系統(tǒng)中的循環(huán)流量比應被分為100%，80%和60%三檔。于是在眾多對供熱系統(tǒng)調節(jié)的分析研究中，不乏單純地將上述這兩種分階段變流量調節(jié)能耗與采用變頻調節(jié)的能耗相比較，故而得出變頻調節(jié)模式更為節(jié)能的結論。

那么，對于分階段改變流量的質調節(jié)，盡管這些分檔運行的方式早已被人們所接受，但從運行能耗的角度考慮，對同一熱網(wǎng)而言，如此分檔是否最為經(jīng)濟？值得一提的是，有學者已經(jīng)從循環(huán)水泵經(jīng)濟運行的角度出發(fā)，給出了采用分階段變流量質調節(jié)的熱網(wǎng)的經(jīng)濟流量比的確定方法[3]。以下將結合工程實例，對供熱系統(tǒng)兩階段變流量質調節(jié)模式下采用傳統(tǒng)分檔方式和經(jīng)濟流量比分檔方式進行系統(tǒng)運行分析。

3 工程實例

3.1 供熱調節(jié)的基本公式

令在運行調節(jié)時，相應tw下的熱負荷與設計熱負荷之比成為相對供熱系統(tǒng)熱負荷比，而稱其流量之比為相對流量比，則[2]

為避免整個熱網(wǎng)產(chǎn)生明顯的水力失調，對于分階段變流量質調節(jié)分階段處的供、回水溫差一般應設定為tg-th=t'g-t'h。在某一室外溫度tw的運行工況下，采用分階段改變流量的質調節(jié)，即令φ==const，代入供熱調節(jié)的基本公式，可得分階段處的供、回水溫度為：

式中：b為散熱器的特性參數(shù)。

根據(jù)供熱負荷延續(xù)時間的數(shù)學表達式：

式中：β0為與地區(qū)有關的常數(shù)；Nzh、N為供暖期的總天數(shù)和低于某一室外溫度tw的累積天數(shù)。

故可求得室外溫度為tw時的積累天數(shù)：

3.2 工程概況

北京市某集中供熱區(qū)域，總建筑面積約40000m2，管網(wǎng)設計供回水溫度為80℃/60℃，設計熱負荷為990kW，管網(wǎng)設計循環(huán)水量為43000kg/h，循環(huán)水泵揚程為33mH2O，室外采暖計算溫度為-9℃，采暖期天數(shù)為129d。

按采暖季不同負荷率進行分段統(tǒng)計，累計小時數(shù)如圖1所示。

圖1 采暖季不同負荷率的累計小時數(shù)

可以看出，采暖季負荷率能達到90%以上的小時數(shù)非常少，而負荷率在70%以下的積累小時頻率則高達98.68%。負荷率在50%以下的小時頻率仍高達93.65%。這點在設備選擇及系統(tǒng)運行調節(jié)方面應給予足夠重視。

3.2.1 方案一：傳統(tǒng)分檔方式

一般來說，供暖期內采用兩階段變流量質調節(jié)時，熱網(wǎng)系統(tǒng)循環(huán)流量比應被分為100%和75%兩檔。

表1傳統(tǒng)分檔方式下水泵電耗計算結果

采用此分檔方式的兩階段改變流量的質調節(jié)方案：室外采暖溫度為-9～-3℃，相對流量比為100%；室外采暖溫度為-3～5℃，相對流量比為75%。依據(jù)供熱調節(jié)基本公式得出循環(huán)水泵在不同室外環(huán)境溫度下的運行參數(shù)及電耗量、在采暖期的總電耗量，計算結果見表1。

3.2.2 方案二：經(jīng)濟流量比分檔方式

1）經(jīng)濟流量比的確定

根據(jù)水泵耗電W的基本公式：

式中:W為水泵耗電量，kW·h；g為重力加速度，m/s2。

根據(jù)式（5）結合圖2可得在整個采暖期內采用分階段變流量質調節(jié)時熱網(wǎng)循環(huán)水泵耗電量：

圖2 兩階段變流量質調節(jié)循環(huán)水泵能耗

可以看出，采暖期循環(huán)水泵總耗電量還與實際運行工況有關，本文僅依據(jù)所選用水泵樣本參數(shù)進行工況擬合，并且為使問題研究的簡化，這里假定水泵的效率η在一定流量變化范圍內為常數(shù)。

若要求在整個采暖期中使熱網(wǎng)循環(huán)水泵耗能最少，即以W為最小的目標函數(shù)，可通過對上式求導并令dw/dφ=0，通過計算機可解得φ值。對于該工程，φ=0.71。

表2經(jīng)濟流量比分檔方式下水泵電耗計算結果

2）循環(huán)水泵能耗

采用兩階段改變流量的質調節(jié)方案：室外采暖溫度為-9～-4℃，相對流量比為100%；室外采暖溫度為-3～5℃，相對流量比為70%。計算得出循環(huán)水泵在不同室外環(huán)境溫度下的運行參數(shù)及電耗量、在采暖期的總電耗量，計算結果見表2。

可以看出，僅以北京地區(qū)設計熱負荷為990kW熱網(wǎng)為例，采用經(jīng)濟流量比的兩階段變流量質調節(jié)供熱系統(tǒng)循環(huán)水泵能耗比傳統(tǒng)分檔方式運行調節(jié)能耗節(jié)約達1516kWh，節(jié)能百分比近10%。

圖3所示為兩種分檔方式不同熱負荷比下供熱系統(tǒng)循環(huán)水泵的積累電耗，則曲線下面積為循環(huán)水泵總電耗，供熱系統(tǒng)在經(jīng)濟流量比分檔方式下運行調節(jié)的節(jié)能潛力顯而易見。

圖3 不同熱負荷比下循環(huán)水泵總電耗

研究表明，分階段變流量質調節(jié)的經(jīng)濟流量比與地區(qū)有關，且越往北經(jīng)濟流量比趨于減小，甚至降為不足60%[3]。那么，對于更大規(guī)模以及其他地區(qū)的供熱系統(tǒng)，采用分階段變流量質調節(jié)的經(jīng)濟流量比分檔調節(jié)是否具有更大節(jié)能潛力呢？另外，供熱系統(tǒng)能耗與循環(huán)水泵的合理選擇有著緊密關系，確保循環(huán)水泵處于高效率狀態(tài)下運行也是系統(tǒng)節(jié)能的關鍵。

變頻調節(jié)方法在節(jié)能方面存在優(yōu)勢，但研究分析尤其是對比中應選擇二者存在可比性情況下進行，即系統(tǒng)在這兩種調節(jié)模式下的最佳運行工況進行研究分析。實際上，選擇性能良好的單體設備，同時也要保證各種設備的組合運行，上述分析均基于供熱系統(tǒng)不同運行調節(jié)模式下循環(huán)水泵能耗對比，實際運行中更應考慮整個系統(tǒng)中各設備的性能優(yōu)化組合，對供熱系統(tǒng)進行綜合分析后得出合理的運行調節(jié)模式。

4 結語

變頻水泵因其變速節(jié)能受到更多學者的青睞，但在推陳納新的同時應當更加深入思考：

1）單純將分階段變流量調節(jié)傳統(tǒng)分檔模式與采用變頻調節(jié)模式的供熱系統(tǒng)運行調節(jié)進行比較是否過于片面；

2）供熱系統(tǒng)采用分階段改變流量的質調節(jié)與變頻調節(jié)的最佳工況點；

3）較于分階段改變流量的質調節(jié)，變頻調節(jié)存在的弊端。

另外，選擇性能良好的單體設備，同時也要保證各種設備的組合運行，上述分析均基于供熱系統(tǒng)不同運行調節(jié)模式下循環(huán)水泵能耗對比，實際運行還要考慮整個系統(tǒng)中各設備的性能優(yōu)化組合，對供熱系統(tǒng)進行綜合分析后得出合理的運行調節(jié)模式。

[1] 李聯(lián)友.建筑設備運行節(jié)能技術[M].北京:中國電力出版社,2008

[2] 賀平，孫剛.供熱工程(第4版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009

[3] 胡思科.分階段變流量質調節(jié)方式下熱網(wǎng)運行經(jīng)濟流量比的確定[J].暖通空調,2007,37(2):119-122

[4] 林雪松.MATLAB7.0應用集錦[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006