潘軍剛，萬　莉，鄭明明

(中國石油大學(xué)(華東)后勤管理處，山東　青島　266580)

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HACNET軟件在熱網(wǎng)水力平衡調(diào)節(jié)中的應(yīng)用

潘軍剛，萬莉，鄭明明

(中國石油大學(xué)(華東)后勤管理處，山東青島266580)

0引言

在集中供熱系統(tǒng)中，管網(wǎng)的運(yùn)行工況由于受多方面因素影響，存在前段用戶壓頭大、末端用戶壓頭小等情況，造成前端用戶流量大而出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，末端用戶流量小而出現(xiàn)偏冷現(xiàn)象。為了改善末端用戶的采暖效果，通常的做法是提高供水溫度或加大循環(huán)流量，從而造成了能源浪費(fèi)，且隨著供熱半徑和供熱負(fù)荷的增大而愈加嚴(yán)重[1-4]。水力失調(diào)是供熱系統(tǒng)中普遍存在的現(xiàn)象，如何解決供熱管網(wǎng)的水力平衡和熱力平衡問題，既改善供熱質(zhì)量又提高節(jié)能效果，是供熱單位所面臨的問題[5-6]。由于集中供熱管網(wǎng)規(guī)模較大，控制相對就較為復(fù)雜[7]。要想消除這種水力失調(diào)需要進(jìn)行相應(yīng)的測試，然后通過進(jìn)行調(diào)節(jié)來解決，從而提高供熱質(zhì)量、節(jié)約能源[8]。通常的調(diào)節(jié)方式是根據(jù)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過程比較復(fù)雜，調(diào)節(jié)結(jié)果不好保證。通過HACNET水力計(jì)算軟件來模擬不同閥門開度條件下的管網(wǎng)水力平衡情況，可以科學(xué)、準(zhǔn)確、方便的使管網(wǎng)達(dá)到水力平衡和熱力平衡。

1供熱系統(tǒng)概況

中國石油大學(xué)(華東)青島校區(qū)1#換熱站所轄建筑面積29.45萬m2。換熱站熱源來自于市政高溫?zé)崴Q熱站內(nèi)配備5臺(tái)板式換熱器及循環(huán)水泵，水泵與換熱器均為并聯(lián)運(yùn)行。換熱站內(nèi)水泵沒有配備變頻器，通過改變水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)和一級管網(wǎng)熱量來實(shí)現(xiàn)分階段變流量質(zhì)調(diào)節(jié)，從而達(dá)到節(jié)能目的。

由于該換熱站所轄建筑面積比較大，且近幾年供暖負(fù)荷在不斷調(diào)整，導(dǎo)致室內(nèi)供暖溫度冷熱不均，管網(wǎng)熱力不平衡，從而出現(xiàn)遠(yuǎn)端用戶室內(nèi)溫度不達(dá)標(biāo)、近端用戶經(jīng)常開窗散熱等不合理現(xiàn)象。學(xué)校通過加大循環(huán)流量的辦法來提高末端用戶的供暖質(zhì)量。循環(huán)水泵開啟臺(tái)數(shù)增加后，使供熱系統(tǒng)出現(xiàn) “大流量、小溫差”現(xiàn)象，電耗大幅增加，遠(yuǎn)端用戶室內(nèi)溫度雖有所改善，但還是低于18℃。

2水力平衡測試及問題分析

為了摸清供熱管網(wǎng)存在的問題，對每棟建筑的熱力入口管道進(jìn)行了流量測試，與設(shè)計(jì)采暖循環(huán)流量進(jìn)行了比較，以分析供熱管網(wǎng)的實(shí)際水力工況，1#換熱站部分建筑得到的管網(wǎng)流量測試數(shù)據(jù)如表1所示。

對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到：

(1)向南一條回路，供暖流量普遍偏高，這是由于照顧遠(yuǎn)端用戶供暖效果而造成的“大流量、小溫差”所致。對比數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，該回路存在一致不等比失調(diào)。由于該回路供暖閥門全部打開，前端供回水壓差大，所以循環(huán)流量大，隨著距離的增加，供回水壓差減小，故而循環(huán)流量變小。

(2)向東一條回路，水力失調(diào)度有的大于1，有的小于1，存在不一致水力失調(diào)。處于前端的基礎(chǔ)樓(A、B、C、D)的水力失調(diào)度都大于1.2。南堂處于管網(wǎng)中間，水力失調(diào)度為0.96。體育場看臺(tái)處在最不利的末端，管徑小，沿途損失大，因而水流量小，水力失調(diào)度為0.51。

表11#換熱站部分建筑運(yùn)行參數(shù)表

回路建筑名稱采暖設(shè)計(jì)熱指標(biāo)/W·m-2管徑/cm實(shí)測流量/m3·h-1設(shè)計(jì)流量/m3·h-1水力失調(diào)度南路1#公寓2876×3.525.5618.41.394#公寓29.4108×420.1114.31.418#公寓29.4108×418.6514.31.39#公寓29.4108×418.0814.31.26東路基礎(chǔ)樓A39133×453.7942.81.26基礎(chǔ)樓B35.1133×464.5829.322.2基礎(chǔ)實(shí)C35.1133×449.4929.061.7基礎(chǔ)樓D35.1133×451.9834.581.5講堂群2689×4107.9469.931.54南堂30108×439.2140.940.96體育看臺(tái)28.8108×44.639.130.51西路12#公寓35108×430.5139.010.7813#公寓35108×430.5139.010.7815#公寓35108×425.8839.010.6616#公寓35108×421.9239.090.56第二餐廳27133×425.0936.010.7

(3)向西一條回路，水力失調(diào)度均小于1，該回路存在一致不等比失調(diào)。該條回路建筑面積大，距離換熱站遠(yuǎn)，由于供回水壓差較小，所以供暖循環(huán)流量普遍偏小。

由此看出，1#換熱站所轄片區(qū)近端建筑循環(huán)流量大、遠(yuǎn)端用戶循環(huán)流量小，供熱管網(wǎng)存在嚴(yán)重的水力失調(diào)現(xiàn)象。

為消除供熱管網(wǎng)存在的水力失調(diào)現(xiàn)象，可將采暖系統(tǒng)前端建筑的熱力入口的閥門的開度關(guān)小，稍稍增大采暖系統(tǒng)前端建筑的循環(huán)阻力，與采暖系統(tǒng)后端建筑的循環(huán)阻力達(dá)到一個(gè)相對的平衡，從而實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水力平衡，消除冷熱不均現(xiàn)象，達(dá)到管網(wǎng)熱力平衡的目的。

3供熱管網(wǎng)水力模擬仿真

1#換熱站二級供熱管網(wǎng)敷設(shè)半徑大，所帶用戶多，存在嚴(yán)重的水力失調(diào)，需要對供熱管網(wǎng)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。由于調(diào)節(jié)過程較為復(fù)雜，憑工作人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)節(jié)誤差較大，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。利用HACNET水力計(jì)算軟件，可以對管網(wǎng)進(jìn)行較為準(zhǔn)確的仿真模擬，為管網(wǎng)水力調(diào)節(jié)提供幫助。

3.1　HACNET水力計(jì)算軟件簡介

供熱空調(diào)輸配系統(tǒng)水力計(jì)算軟件(HACNET)是由清華大學(xué)建筑學(xué)院和清華同方股份有限公司經(jīng)多年潛心開發(fā)推出的用于供熱空調(diào)輸配系統(tǒng)水力模擬及動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)仿真的軟件包，程序采用先進(jìn)的VISUAL C++語言設(shè)計(jì)、WINDOWS環(huán)境下運(yùn)行，全部采用圖形化輸入輸出，用戶界面友好，使用簡潔方便，核心計(jì)算程序依據(jù)流體網(wǎng)絡(luò)理論，可精確求解任意結(jié)構(gòu)的水力網(wǎng)絡(luò)，程序經(jīng)過嚴(yán)格測試，計(jì)算準(zhǔn)確、可靠。

3.2　建立管網(wǎng)模型

以流量變化處為節(jié)點(diǎn)，按照管段基本走向，繪制供熱系統(tǒng)管網(wǎng)模型，1#換熱站的管網(wǎng)模擬計(jì)算拓?fù)浣貓D如圖1所示。

圖1　1#換熱站管網(wǎng)模擬計(jì)算拓?fù)浣貓D

3.3　參數(shù)輸入

水力計(jì)算前，需輸入相應(yīng)的管路、節(jié)點(diǎn)、循環(huán)泵、閥門等數(shù)據(jù)參數(shù)。

3.4　模型調(diào)整

管網(wǎng)模型建成后，需對該模型進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整過程首先需要對管網(wǎng)進(jìn)行實(shí)際調(diào)研，測試各用戶的循環(huán)流量和壓降。將調(diào)研得到的各用戶循環(huán)流量和壓降輸入到管網(wǎng)模型中，之后進(jìn)行第一次模擬計(jì)算。輸入的流量稱為設(shè)計(jì)流量，軟件計(jì)算出的流量稱為實(shí)際流量。此時(shí)實(shí)際流量與設(shè)計(jì)流量的比值稱為水力失調(diào)度，當(dāng)水力失調(diào)度為0.9~1.1時(shí)，表示該模型是對實(shí)際運(yùn)行管網(wǎng)的模擬比較準(zhǔn)確，當(dāng)流量比不在此范圍內(nèi)時(shí)需要對模型進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整的方法有調(diào)節(jié)換熱站進(jìn)入支管上的閥門或者更改局部阻力系數(shù)，最后使得水力失調(diào)度控制在0.9~1.1之間。管網(wǎng)模型調(diào)整完成后，方可運(yùn)用此模型對管網(wǎng)的各種水力工況進(jìn)行計(jì)算。模擬計(jì)算后，在模擬分析中有“用戶流量表”(如圖2所示)、“剩余壓頭最小用戶”、“循環(huán)泵工況”等三個(gè)結(jié)果分析，“用戶流量表”可判斷用戶是否存在水力失調(diào)度，“剩余壓頭最小用戶”可以找出管網(wǎng)中的剩余壓頭最小位置，“循環(huán)泵工況”可為循環(huán)水泵的選型提供參考數(shù)據(jù)。

圖2　1#換熱站管網(wǎng)模擬計(jì)算結(jié)果截圖

3.5　水力模擬結(jié)果分析

供暖系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，為消除供熱管網(wǎng)水力失衡現(xiàn)象，在測試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過幾次調(diào)節(jié)熱力入口的閥門開度來控制流量，并對調(diào)試結(jié)果進(jìn)行模擬，使HACNET水力模擬計(jì)算后的水力平衡度符合規(guī)范要求，說明管網(wǎng)的實(shí)際流量比較正常，水力失調(diào)現(xiàn)象基本消除。在供暖末期，由于對供熱管網(wǎng)進(jìn)行節(jié)能調(diào)節(jié)(減少循環(huán)泵的開啟臺(tái)數(shù))，又對管網(wǎng)進(jìn)行了一次水力模擬計(jì)算。調(diào)試前、調(diào)試后(中期)和調(diào)試(后期)的水力失調(diào)對比如圖3所示。從圖3可以看出，調(diào)節(jié)后供暖管網(wǎng)中的水力失調(diào)度基本在0.9~1.2之間，符合規(guī)范要求。對溫度測試和現(xiàn)場走訪發(fā)現(xiàn)，近端熱、遠(yuǎn)端冷現(xiàn)象基本消除，供暖效果得到了很好的改善，說明管網(wǎng)水力失調(diào)現(xiàn)象基本解決，且循環(huán)泵的開啟臺(tái)數(shù)由原來的5臺(tái)減為4臺(tái)，電耗減少，起到了較好的節(jié)能作用。

圖3　調(diào)試前后水力失調(diào)度對比

4節(jié)能效益分析

根據(jù)1#換熱站2011-2015年4個(gè)供暖季的實(shí)際能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，繪制成能耗對比統(tǒng)計(jì)圖，如圖4所示。從圖中可以看出，供熱管網(wǎng)水力平衡調(diào)試前即2011-2014年之間三個(gè)供暖季能耗平均值為76 036 GJ，而調(diào)試后的2014-2015年供暖季能耗為64 095 GJ，僅為調(diào)試前的83.3%，比前三個(gè)供暖季能耗平均值下降15.7%，減少碳排放407.2 t。

圖4　2011-2015年1#換熱站能耗統(tǒng)計(jì)柱狀圖

當(dāng)?shù)厥姓崃蝺r(jià)為82.66元/GJ，則節(jié)約熱量能耗支出：(76036-64095)GJ×82.66元/GJ=98.7萬元；減少1臺(tái)循環(huán)泵，水泵功率為75 kW，采暖期按120天計(jì)算，當(dāng)?shù)仉妰r(jià)0.55元/kW·h，節(jié)約電費(fèi)：75 kW×120 d×24 h×0.55元/kW=11.88萬元；合計(jì)減少供暖支出：98.7+11.88=111.58萬元。

上述分析和計(jì)算說明，在不考慮室外天氣因素的情況下，水力平衡調(diào)試后的節(jié)能效果非常顯著。

5結(jié)語

集中供熱管網(wǎng)中普通存在的水力失調(diào)現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致采暖建筑冷熱不均，影響供暖效果且浪費(fèi)能耗。通過對中國石油大學(xué)(華東)青島校區(qū)1#換熱站供暖管網(wǎng)進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)存在水力失調(diào)現(xiàn)象。借助HACNET水力計(jì)算軟件，建立了模型，得到了供暖管網(wǎng)的流量比和剩余壓頭最小用戶等參數(shù)，為閥門調(diào)節(jié)提供了指導(dǎo)，使管網(wǎng)的水力平衡滿足相關(guān)要求，從而消除熱力不平衡問題。對水力平衡調(diào)試前后的能耗對比發(fā)現(xiàn)，管網(wǎng)水力平衡調(diào)節(jié)后比調(diào)節(jié)前的能耗平均下降了15.7%，節(jié)約供暖運(yùn)行經(jīng)費(fèi)111.58萬元，減少碳排放407.2 t，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益非常顯著。

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摘要：為解決供暖系統(tǒng)管網(wǎng)存在的水力失調(diào)問題,消除熱力不均現(xiàn)象，改善供暖效果，減少供暖能耗。借助HACNET水力計(jì)算軟件，建立了模型，得到了供暖管網(wǎng)的流量比和剩余壓頭最小用戶等參數(shù)，為閥門調(diào)節(jié)提供了指導(dǎo)，進(jìn)一步使管網(wǎng)的水力平衡達(dá)到規(guī)范要求，從而消除熱力不均現(xiàn)象。經(jīng)過對4個(gè)供暖季的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)水力平衡調(diào)節(jié)后比調(diào)節(jié)前的能耗平均下降了15.7%，減少碳排放407.2 t，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益非常顯著。

關(guān)鍵詞：供熱管網(wǎng)；水力平衡；HACNET軟件；模擬；調(diào)節(jié)；節(jié)能

Application of Hydraulic Balance Adjustment based on HACNET Software in the Heating Pipe NetworkPAN Jun-gang，WAN Li，ZHENG Ming-ming

(Department of Logistics，China University of Petroleum，Qingdao 266580,China)

Abstract：In order to solve the problem of hydraulic imbalance in heating network, eliminate the heat imbalance, improve the heating effect and reduce the heating energy consumption. With the help of HACNET calculation software, the heating pipe network model is established and some parameters are entered, such as the flow ratio and minimum residual pressure head users, which can provide guidance for the valve adjustment and then further meet the specification of hydraulic balance of pipe network, so as to eliminate the phenomenon of uneven heating. Four season heating energy consumption data shows that the energy consumption fell by 15.7% on average, reduce 407.2 tons of carbon emissions, economic benefit and environmental benefit are very significant.

Key words：heating pipe network; hydraulic balance; HACNET calculation software; simulation; adjustment; energy saving

作者簡介：潘軍剛(1979~)，男，碩士，工程師,研究方向建筑節(jié)能技術(shù)等。

收稿日期2015-04-18修訂稿日期2015-06-01

中圖分類號：TU832,TU833+.12

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-6339 (2015) 06-0550-04