葛 青 張巨興 劉其偉

(1:中元國(guó)際(長(zhǎng)春)高新建筑設(shè)計(jì)院有限公司,長(zhǎng)春 130000; 2:吉林省吉規(guī)城市建筑設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司,長(zhǎng)春 130061;3:吉林建筑大學(xué)，長(zhǎng)春 130118)

0 引言

動(dòng)力分散式系統(tǒng)是指在用戶側(cè)設(shè)置加壓泵,利用變速泵代替調(diào)節(jié)閥門實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)用戶的流量調(diào)節(jié),利用冷熱源側(cè)的主循環(huán)泵與用戶側(cè)的分支加壓泵共同作用完成系統(tǒng)的循環(huán).對(duì)于傳統(tǒng)的循環(huán)水系統(tǒng),泵的揚(yáng)程是根據(jù)最不利環(huán)路確定的,其他支路的資用壓力就會(huì)有富余,愈靠近動(dòng)力源,富余量愈大.對(duì)于這些富余的壓差,只能靠增大阻力的方法消耗,造成了很大的能量浪費(fèi).為此,很多研究人員提出“以泵代閥”的系統(tǒng)型式,文獻(xiàn)[1-2]提出了動(dòng)力分布式供熱系統(tǒng)“零壓差點(diǎn)”的確定,并進(jìn)行水泵功耗分析,指出該系統(tǒng)有較大的節(jié)能特性;文獻(xiàn)[3]將動(dòng)力分散式系統(tǒng)與混水連接相結(jié)合,分析了兩者結(jié)合的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì);文獻(xiàn)[4-5]指出動(dòng)力分布式系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)水泵節(jié)能40%～50%.而在實(shí)際工程應(yīng)用中,有時(shí)反映節(jié)電并不明顯,甚至出現(xiàn)系統(tǒng)水泵功耗增加的情況.本文針對(duì)常規(guī)管網(wǎng)(單熱源、枝狀管網(wǎng))的動(dòng)力分散式系統(tǒng)進(jìn)行能耗與運(yùn)行調(diào)節(jié)分析,從管網(wǎng)特性與水泵運(yùn)行特性分析影響水泵功耗的因素.

1 動(dòng)力集中式系統(tǒng)能耗

以集中供熱系統(tǒng)為例進(jìn)行分析,圖1為單熱源枝狀熱網(wǎng)結(jié)構(gòu),熱源測(cè)設(shè)總循環(huán)水泵,設(shè)n為最不利用戶, 從熱源到最不利用戶的主干線之間有n-1個(gè)支干線連接點(diǎn),每個(gè)用戶供水入口處設(shè)調(diào)節(jié)閥門.

1.1 循環(huán)水泵能耗

該系統(tǒng)中,循環(huán)水泵能耗為克服最不利環(huán)路的循環(huán)阻力所消耗的功,可用下式表示：

式中,N0為水泵的總功耗,kW;γ為水的比重,kN/m3;η為水泵的全效率;Guj為各分支用戶j的設(shè)計(jì)流量,m3/s;HS為熱源阻力,mH2O;Hun為末端用戶n的設(shè)計(jì)工況阻力,mH2O;Hpj為j-1與j用戶之間供回水干管阻力,mH2O.

圖1 動(dòng)力集中式供暖系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of power centralized heating system

圖2 動(dòng)力集中式供暖系統(tǒng)水壓圖Fig.2 Hydraulic diagram of power centralized heating system

1.2 閥門節(jié)流損失

圖2為圖1示意圖的水壓圖，A，B粗實(shí)線代表供回水干管測(cè)壓管水頭線;E細(xì)實(shí)線代表各用戶節(jié)流后的水頭線,這3條線實(shí)際上應(yīng)為折線,供回水干管在各管段上的比壓降不一定相等;H1，H2，Hn-1為各用戶節(jié)流損失;HS為熱源阻力損失;Huj為各用戶阻力損失(不一定相同).把末端用戶n的調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失定為0,則調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失為1用戶至n-1用戶之間的節(jié)流損失之和:

式中,EV為閥門節(jié)流的總損失,kW;Guj為各分支用戶j的設(shè)計(jì)流量,m3/s;Hp,j+1為j與j+1用戶之間供回水干管阻力,mH2O.

2 動(dòng)力分散式系統(tǒng)能耗

2.1 水泵的軸功

將圖1改成動(dòng)力分散式系統(tǒng),集中式循環(huán)水泵負(fù)擔(dān)總循環(huán)水量和熱源的阻力損失,以熱源總供回水干管為零壓差點(diǎn),各用戶設(shè)加壓泵承擔(dān)用戶的流量和用戶與干管的阻力損失(見(jiàn)圖3),圖3中不設(shè)調(diào)節(jié)閥,沒(méi)有節(jié)流損失,各用戶的加壓泵采用變頻泵,根據(jù)用戶的流量及所需壓力選取.

圖3 動(dòng)力分散式供暖系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of power distributed heating system

圖4 動(dòng)力分散式供暖系統(tǒng)水壓圖Fig.4 Hydraulic diagram of power distributed heating system

圖4為其對(duì)應(yīng)的水壓圖,其中C，B粗實(shí)線為其供回水干管測(cè)壓管水頭線,供水干管的測(cè)壓管水頭線低于回水干管的測(cè)壓管水頭線;D細(xì)實(shí)線為各增壓水泵吸口處的測(cè)壓管水頭連線,其與對(duì)應(yīng)位置回水干管的測(cè)壓管水頭差值為增壓水泵的揚(yáng)程,用HE表示.假設(shè)所有水泵的效率均相同,系統(tǒng)總能耗為熱源測(cè)總循環(huán)泵與各用戶增壓泵的功耗之和:

式中,N為所有水泵的功耗之和,kW;HEj表示第j分支管路所需增壓泵的揚(yáng)程,mH2O;等號(hào)右側(cè)第一項(xiàng)表示熱源側(cè)集中循環(huán)泵的功耗;等號(hào)右側(cè)第二項(xiàng)表示各用戶加壓泵功耗之和,可表示為:

為了計(jì)算與分析方便,需對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)化,進(jìn)行如下假設(shè):n個(gè)用戶的流量與阻力損失均相等,用Gu和Hu來(lái)表示;兩個(gè)用戶(包括熱源與用戶1之間)間距相等,如管道比壓降取值相同,則各段供回水干管的水阻相同,用Hp來(lái)表示;則公式(1)～(3)可分別表示為:

EV=γn(n-1)GuHp/2

(5)

2.2 按能量守恒計(jì)算

每個(gè)管段都有流量和阻力損失,則管網(wǎng)輸送系統(tǒng)所消耗的功為所有管段的流體克服阻力消耗的能量之和,即:

3 討論

對(duì)比式(6)和式(7)發(fā)現(xiàn)兩者的一致性,因此表明該動(dòng)力分散式系統(tǒng)的水泵輸入的有效功率為最小.將傳統(tǒng)的動(dòng)力集中式系統(tǒng)與動(dòng)力分散式對(duì)比,可計(jì)算動(dòng)力分散式系統(tǒng)水泵輸送的節(jié)能率:

從式(8)可看出:水泵的節(jié)能率不可能超過(guò)50%,系統(tǒng)越大、用戶越多,水泵的節(jié)能率越大;另外，用戶與熱源阻力在總阻力上的占比越小,節(jié)能率越大.上述分析基于以下兩點(diǎn)假設(shè):一是前述的管網(wǎng)簡(jiǎn)化做法,該簡(jiǎn)化對(duì)分析結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響;二是假設(shè)所有水泵的效率相同,該假設(shè)與實(shí)際情況有較大出入.

3.1 水泵效率的影響

通常情況下,在某一規(guī)格范圍內(nèi),水泵的規(guī)格越大,其效率越高.圖5為DFG型離心泵在不同規(guī)格下,其軸功與效率的關(guān)系,選泵時(shí),以20m揚(yáng)程為主,根據(jù)不同流量選擇不同規(guī)格的水泵.

圖5 某型號(hào)水泵不同規(guī)格的效率變化Fig.5 The efficiency change of different specifications of a certain type of pump

從圖5可以看出,對(duì)于小于10kW的泵,隨著水泵軸功的降低,其效率急劇下降.有時(shí)大規(guī)格泵的效率比小規(guī)格泵的效率高出2倍以上.對(duì)于二次管網(wǎng),有時(shí)每棟建筑為一個(gè)末端用戶,其加壓泵的功率均不大,因此效率低,電耗增加.

3.2 管網(wǎng)特性的影響

供熱管網(wǎng)運(yùn)行調(diào)節(jié)時(shí),采用量調(diào)節(jié)以及質(zhì)—量調(diào)節(jié)方式,可顯著地減少水泵的輸送電耗.對(duì)于傳統(tǒng)的循環(huán)系統(tǒng),其管網(wǎng)為狹義的管網(wǎng)(閉式管網(wǎng)),其運(yùn)行工況應(yīng)為最高效率點(diǎn),通過(guò)變速調(diào)節(jié)改變水泵的流量,根據(jù)相似理論,調(diào)節(jié)前后,水泵運(yùn)行工況點(diǎn)的效率不變,變速前后的軸功與流量的關(guān)系滿足:

N/N′=(G/G′)3

其節(jié)電效果非常明顯;當(dāng)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)時(shí),廣義的管網(wǎng)的節(jié)能效果小于狹義的管網(wǎng)[6].

對(duì)于動(dòng)力分散式系統(tǒng),每個(gè)用戶加壓水泵所在的管網(wǎng)為廣義的管網(wǎng)(開(kāi)式管網(wǎng)),流量的調(diào)節(jié)使新的運(yùn)行工況與原有的工況不滿足相似律,其效率也會(huì)降低,所以水泵節(jié)能效果降低.

另外,水泵是根據(jù)設(shè)計(jì)工況選擇的,水泵的規(guī)格有限,每個(gè)用戶的特點(diǎn)都可能有稍許不同.選擇水泵的流量和揚(yáng)程很難準(zhǔn)確地與用戶所需要的相匹配,造成額外的電能消耗.

4 結(jié)論

在動(dòng)力分散式系統(tǒng)中,因避免了節(jié)流損失,水泵輸送電耗具有一定的節(jié)能潛力.該系統(tǒng)的節(jié)電率最大通常不會(huì)超過(guò)50%,供熱系統(tǒng)規(guī)模越大,供熱距離越遠(yuǎn),節(jié)電潛力越大.對(duì)于供熱規(guī)模小的系統(tǒng),小型加壓泵效率低,流量調(diào)節(jié)時(shí)的水泵性能下降,分散式水泵在廣義管網(wǎng)運(yùn)行流量調(diào)節(jié)的節(jié)電減少及水泵流量、揚(yáng)程與管網(wǎng)的不匹配等因素,均影響水泵輸送電耗.故動(dòng)力分散式系統(tǒng)是否節(jié)電,需根據(jù)供熱規(guī)模及管網(wǎng)系統(tǒng)特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算確定.