李遠(yuǎn)斌 屠欣

中國建筑設(shè)計院有限公司

0 引言

降低冷熱水系統(tǒng)輸配能耗對建筑節(jié)能有著重要意義。在傳統(tǒng)水系統(tǒng)的設(shè)計中，輸配動力由一臺或一組集中設(shè)置的水泵提供，稱為動力集中系統(tǒng)[1]，泵的揚程根據(jù)最不利環(huán)路阻力確定，造成其它支路的資用壓力富余，對于這些富余的壓差，一般依靠增大阻力（閥門節(jié)流）的方法消耗，造成大量能源浪費，并且這種損失是不可避免的，輸配系統(tǒng)的規(guī)模越大，能耗浪費越嚴(yán)重?！耙员么y[2-3]”這一新的設(shè)計理念推動了水系統(tǒng)動力的配置方式由集中轉(zhuǎn)向分散。對于這種新型水系統(tǒng)的動力配置方式，現(xiàn)有資料提出的名稱主要有動力分散式水系統(tǒng)[1]、分布式泵系統(tǒng)[4]及分布式變頻系統(tǒng)[5]。本文將其稱為動力分散式水系統(tǒng)，系統(tǒng)從根上轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的設(shè)計理念，在各用戶支路加裝變頻水泵代替閥門調(diào)節(jié)，減小甚至消除傳統(tǒng)設(shè)計中的閥門能耗，大大降低總輸配能耗。許多學(xué)者[5-8]對其在集中供熱中的應(yīng)用作了研究。實際上，輸配能耗在供冷系統(tǒng)總能耗中占的比例大于其在供熱系統(tǒng)總能耗中所占的比例[9]，有些區(qū)域供冷系統(tǒng)由于輸配能耗太大而導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性太差，而動力分散設(shè)計中的末端混水系統(tǒng)能實現(xiàn)輸配側(cè)“小流量、大溫差”運行和末端用戶側(cè)“大流量、小溫差”運行，大幅度降低輸配能耗并改善用戶熱舒適性，提高供冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性?？梢姡趨^(qū)域供冷系統(tǒng)中，動力分散式水系統(tǒng)能顯示出更大的節(jié)能優(yōu)勢和應(yīng)用前景。本文針對動力分散式冷凍水系統(tǒng)，采用實驗測試的方法著重研究該類系統(tǒng)能耗特性和水力穩(wěn)定性。

1 動力分散式系統(tǒng)介紹

1.1 分布加壓式系統(tǒng)

分布加壓式系統(tǒng)的特點是除了在冷源處設(shè)泵，在所有的分支也設(shè)水泵，各級水泵按動力接力的方式提供整個管網(wǎng)系統(tǒng)的輸配動力，基本實現(xiàn)動力按需供給，見圖1。

圖1 分布加壓式系統(tǒng)

1.2 末端混水系統(tǒng)

在供熱、供冷系統(tǒng)設(shè)計中，冷熱源所提供的冷熱水溫度不一定是末端設(shè)備所合適的溫度。當(dāng)冷熱源供水溫度與末端設(shè)備需求不匹配時，傳統(tǒng)的做法有兩種：1）冷熱源與末端設(shè)備通過中間熱器換熱間接連接（方案一）；2）設(shè)置兩套管網(wǎng)系統(tǒng)，分別滿足不同末端對供水溫度的需求（方案二）。由于傳熱溫差的存在，方案一必然存在著一定的傳熱損失，而且中間換熱器也大大增加了系統(tǒng)初投資。方案二也存在系統(tǒng)初投資大的缺點。還可以采用將冷熱源供水與末端設(shè)備回水直接混合、無傳熱損失的直接連接方案，即末端混水系統(tǒng)，通過一套管網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)不同末端設(shè)備對供水溫度的不同需求及一次側(cè)“大溫差”輸送，大大降低了初投資并節(jié)省運行費用。在混水系統(tǒng)中，混水泵可裝設(shè)在供水管、回水管及平衡管上（圖2）?；焖萿是一個非常重要的參數(shù)，是指進(jìn)入混水裝置(混水泵)的二次網(wǎng)回水流量和一次網(wǎng)供水流量之比。

式中：Gh為二次網(wǎng)回水流量，m3/h；G1g為一次網(wǎng)供水流量，m3/h。

圖2 末端混水系統(tǒng)

2 實驗臺簡介

本文搭建如圖3所示的動力分散式水系統(tǒng)實驗臺（各設(shè)備參數(shù)設(shè)置接近實際工程），各輸配管段和設(shè)備的阻力由安裝在各管段上平衡閥的局部阻力替代，各管段和水泵參數(shù)見表1和表2。

圖3 實驗臺示意圖

表1 實驗臺各管段設(shè)計參數(shù)列表

表2 水泵參數(shù)列表

3 分析方法

3.1 能耗特性分析方法

為了消除水泵和電機效率等客觀因素對實驗結(jié)果的影響，本實驗以水泵的有效輸出功率作為能耗的評價指標(biāo)。水泵的有效輸出功率計算公式為：

式中：ρ為水的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；G 為流量，m3/h；H為水泵的揚程，m；N為水泵的輸出功率，kW。

3.2 水力穩(wěn)定性分析方法

采用依次關(guān)閉各用戶支路，計算未關(guān)閉支路的流量及流量偏離系數(shù)的方法來進(jìn)行水力穩(wěn)定性的對比和分析。對于第i個支路，當(dāng)其它支路分別關(guān)閉時，流量偏離系數(shù)的平均值表示i支路的相對穩(wěn)定性。用各個支路的均值來表示輸配系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。

式中：K為系統(tǒng)的用戶支路數(shù)。

4 能耗測試結(jié)果與分析

4.1 兩種系統(tǒng)設(shè)計工況下能耗對比

水泵P2運行，P1、P3、P4及P5停機時，即為動力集中式系統(tǒng)。水泵P1、P3～P5運行，P2停機時，即為動力分布式系統(tǒng)。分別測試計算其設(shè)計工況下的能耗，見表3和表4。

表3 動力集中系統(tǒng)設(shè)計工況能耗

表4 動力分布系統(tǒng)（非混水）設(shè)計工況能耗

從表3、4的數(shù)據(jù)可以看出，為了滿足最遠(yuǎn)端支路3的資用壓頭，造成用戶支路1和2的資用壓頭大量富余，富余壓頭的比例分別48.72%和31.03%，輸配系統(tǒng)損失在調(diào)節(jié)閥上的無效能耗比例占14.2%，總運行能耗高達(dá)3.25 kW。動力分散式水系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥無效能耗的比例很低，僅占總運行能耗的4.21%。各級水泵提供的能量被充分有效利用，省去了大部分調(diào)節(jié)閥的能耗，總運行能耗為2.86 kW，和動力集中系統(tǒng)相比節(jié)能12%。

動力分布式水系統(tǒng)基本消除了各支路調(diào)節(jié)閥的無效能耗，實現(xiàn)循環(huán)動力的按需供給。在理論上，主泵和各加壓泵的揚程選擇無需任何余量，則可以完全消除系統(tǒng)中所有無效能耗；但在水泵的實際選型中，為確?？煽窟\行，均會留有一定的安全余量，故動力分式水系統(tǒng)仍需要依靠調(diào)節(jié)閥微調(diào)，水泵并不能完全代替調(diào)節(jié)閥的作用，因而系統(tǒng)也會存在一定的無效能耗，但比例很低。

4.2 兩種系統(tǒng)調(diào)節(jié)工況下能耗對比

流量的調(diào)節(jié)方式通常有閥門節(jié)流調(diào)節(jié)和水泵變頻調(diào)節(jié)兩種。本文分別測試動力集中系統(tǒng)在兩種調(diào)節(jié)方式下的運行能耗。對于動力分散式系統(tǒng)（非混水），測試其在以下三種運行模式下的運行能耗：1）主泵定速、用戶泵變頻調(diào)節(jié)；2）主泵和用戶泵變頻調(diào)節(jié)；3）主泵和用戶泵定速運行，支路節(jié)流調(diào)節(jié)。

圖4 兩種系統(tǒng)調(diào)節(jié)工況下的能耗對比

由圖4可以看出，對于動力集中式系統(tǒng)，變頻調(diào)節(jié)時能耗特性完全符合相似定律規(guī)律，部分負(fù)荷下水泵功率與設(shè)計工況下水泵功率之比與流量比呈三次方關(guān)系；而閥門節(jié)流調(diào)節(jié)在部分負(fù)荷時使無效能耗的比例急劇上升，水泵總功率遠(yuǎn)大于變頻調(diào)節(jié)下的功率。對于動力分散式系統(tǒng)，模式三由于節(jié)流損失而抵消了其在設(shè)計工況下的節(jié)能優(yōu)勢，違背了“以泵代閥”的設(shè)計初衷。因此，動力分散系統(tǒng)中各級水泵適宜采用變速控制策略，避免閥門節(jié)流調(diào)節(jié)。相比于節(jié)流調(diào)節(jié)的動力集中系統(tǒng)，動力分散式水系統(tǒng)在模式一和二下均有較大的節(jié)能優(yōu)勢。對于模式一而言，實際應(yīng)用中為了保證冷機的流量穩(wěn)定，主泵一般采用定速泵，但也會根據(jù)負(fù)荷的變化進(jìn)行簡單的臺數(shù)控制，故實際節(jié)能效果會好于圖4中的節(jié)能效果。

若兩種系統(tǒng)均采用變頻調(diào)節(jié)方式，由于變頻調(diào)節(jié)不會改變無效能耗的比例，故動力分散式系統(tǒng)在調(diào)節(jié)工況下仍節(jié)能12%。在實際應(yīng)用中考慮到需保證通過制冷機組的流量穩(wěn)定以及電機在低轉(zhuǎn)速下的效率較低等客觀因數(shù)，變頻調(diào)節(jié)的范圍有限，低負(fù)荷下仍需要采用閥門節(jié)流調(diào)節(jié)。目前，動力集中式系統(tǒng)多采用閥門節(jié)流調(diào)節(jié)，動力分散式系統(tǒng)采用模式一所述的調(diào)節(jié)方式更可行。

4.3 末端混水系統(tǒng)能耗測試

水泵P2、P3～P5運行，P1停機，用戶支路旁通蝶閥開啟，即為末端混水運行方式，調(diào)節(jié)各水泵轉(zhuǎn)速及平衡閥開度使系統(tǒng)平衡，選取混水比u為1。測試結(jié)果見表5。

表5 末端混水系統(tǒng)設(shè)計工況能耗

采用末端混水技術(shù)以后，實現(xiàn)輸配側(cè)小流量運行，使主泵的功率大幅度降低，且三個用戶回路幾乎沒有調(diào)節(jié)閥的無效能耗，因此系統(tǒng)總運行能耗由動力集中系統(tǒng)的3.25 kW下降到1.98 kW，節(jié)能39.08%。隨著混水比的增大，輸配側(cè)的流量還可以進(jìn)一步減小，節(jié)能效果更顯著。

5 水力穩(wěn)定性測試結(jié)果與分析

5.1 兩種系統(tǒng)水力穩(wěn)定性對比

對于動力集中式系統(tǒng)，越靠近冷源的分支水力穩(wěn)定性越好，各用戶之間的水力干擾很強，水力穩(wěn)定性整體較差。

圖5 兩種系統(tǒng)水力穩(wěn)定性對比

從圖5可以看出，采用動力分散設(shè)計后，各個支路的水力穩(wěn)定性均有不同程度的提高，尤其對管網(wǎng)末端支路的水力穩(wěn)定性有明顯改善?？梢?，動力分散設(shè)計能有效提高系統(tǒng)的水力穩(wěn)定性。

5.2 零壓差點位置對水力穩(wěn)定性影響

對于動力分散式系統(tǒng)，由于主循環(huán)泵只提供管網(wǎng)系統(tǒng)部分的輸配動力，其它所需動力由各分布式水泵補充，使得輸配干管上必然存在一個供回水壓差為零的點——零壓差點。各級水泵揚程的匹配方案與零壓差點是一一對應(yīng)的。改變零壓差點位置后測試系統(tǒng)水力穩(wěn)定性，見圖6。

圖6 零壓差點位置對水力穩(wěn)定性影響

從圖6可以看出，隨著零壓差點與冷熱源距離增大，系統(tǒng)的水力穩(wěn)定性先逐漸變好，而后又慢慢惡化，當(dāng)零壓差點在干管中部位置附近時，流量偏離系數(shù)有極小值，水力穩(wěn)定性最優(yōu)。因此從水力穩(wěn)定性角度出發(fā)，零壓差點應(yīng)選擇在管網(wǎng)干管中部位置。

5.3 平衡管設(shè)置對水力穩(wěn)定性影響

由上述計算結(jié)果可以看出，對于主泵和用戶泵直接串聯(lián)的系統(tǒng)，水泵之間的相互干擾嚴(yán)重，各支路的流量偏離程度在15%以上。為了減小各級泵間的水力干擾，在各級水泵間增加平衡管2-9。水力穩(wěn)定性分析結(jié)果見圖7。

圖7 平衡管對水力穩(wěn)定性影響

從圖7可看出，設(shè)置平衡管2-9后，由于平衡管兩端的壓降幾乎趨近于零，主泵和用戶泵之間沒有壓力的傳遞，可以說在水力上被分開了，相互間的干擾大大減弱。三個用戶支路的流量偏離系數(shù)均有很大程度的減小，大大提高了水力穩(wěn)定性。而當(dāng)在每個用戶支路分別設(shè)置平衡管 (本實驗臺通過開啟用戶支路旁通蝶閥實現(xiàn))，用戶支路的流量偏離系數(shù)幾乎等于1，此時的水力穩(wěn)定性最優(yōu)。

5.4 阻抗分布對水力穩(wěn)定性影響

針對用戶支路2和3的水力穩(wěn)定性相對較差，將管段3-4和7-8上的調(diào)節(jié)閥全開，兩管段上的壓降由設(shè)計參數(shù)下的2 m降低為0.5 m。測試計算系統(tǒng)水力穩(wěn)定性，見圖8。

圖8 阻抗分布對水力穩(wěn)定性影響

從圖8可以看出，減小用戶支路1之后的干管阻抗，支路1的穩(wěn)定性基本不變；支路2和支路3的水力穩(wěn)定性均有一定程度的提高?？梢姡瑴p小干管阻力、增加末端阻力能有效提高水力穩(wěn)定性。

5.5 流量調(diào)節(jié)方式對水力穩(wěn)定性影響

供暖空調(diào)水系統(tǒng)主要有節(jié)流調(diào)節(jié)和變頻調(diào)節(jié)兩種流量調(diào)節(jié)方式；節(jié)流調(diào)節(jié)又可分為干管節(jié)流和支管節(jié)流調(diào)節(jié)。本實驗分別采用三種調(diào)節(jié)方式將用戶支路流量調(diào)節(jié)到設(shè)計流量的75%，測試計算各支路水力穩(wěn)定性，見圖9。

圖9 流量調(diào)節(jié)方式對水力穩(wěn)定性影響

從圖9可以看出，變頻調(diào)節(jié)對系統(tǒng)水力定性影響不大，干管節(jié)流調(diào)節(jié)嚴(yán)重惡化系統(tǒng)水力穩(wěn)定性，支路節(jié)流調(diào)節(jié)能有效提高系統(tǒng)水力穩(wěn)定性；因此，在工程應(yīng)用中，應(yīng)盡量將調(diào)節(jié)閥安裝在用戶分支上，如果有必要進(jìn)行一定的節(jié)流調(diào)節(jié)，應(yīng)該優(yōu)先采用支管節(jié)流。

6 結(jié)語

和動力集中式系統(tǒng)相比，動力分散式水系統(tǒng)在設(shè)計工況下節(jié)能12%，在調(diào)節(jié)工況下也有相當(dāng)大的節(jié)能優(yōu)勢，節(jié)約的部分就是動力集中系統(tǒng)中所有調(diào)節(jié)閥的能耗。末端混水系統(tǒng)能實現(xiàn)高能耗的輸配側(cè)“小流量、大溫差”運行和相對較低能耗且穩(wěn)定的末端用戶側(cè)“大流量、小溫差”運行，設(shè)計工況下相對動力集中式系統(tǒng)的節(jié)能率為39.08%。

動力分散設(shè)計能有效提高系統(tǒng)水力穩(wěn)定性；在主和加壓泵泵之間增加平衡管、減小輸配干管阻力、將壓差點選取在干管中部位置均能有效改善動力分式系統(tǒng)水力穩(wěn)定性；變頻調(diào)節(jié)對動力分散式系統(tǒng)水穩(wěn)定性影響不大，支路節(jié)流調(diào)節(jié)能在一定程度上提系統(tǒng)的水力穩(wěn)定性。干管節(jié)流調(diào)節(jié)將嚴(yán)重惡化系統(tǒng)水力穩(wěn)定性。因此，在工程應(yīng)用中應(yīng)優(yōu)采用變速控制策略，若不得以需要節(jié)流調(diào)節(jié)，則應(yīng)避免干管節(jié)流。