西安市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 呂硯昭
供冷供熱系統(tǒng)由冷熱源、輸配管網(wǎng)和用戶三部分組成。集中供冷供熱輸配系統(tǒng)的循環(huán)水泵通常設(shè)在冷熱源側(cè),提供從輸配管網(wǎng)到末端用戶的水循環(huán)動力。目前集中空調(diào)系統(tǒng)和集中供熱系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)、項(xiàng)目運(yùn)行大都采用這一方式[1]。
集中供冷供熱輸配系統(tǒng)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行和調(diào)試等方面存在以下問題:系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的循環(huán)泵揚(yáng)程高、配電功率大;管網(wǎng)用戶設(shè)置調(diào)節(jié)閥門節(jié)流,系統(tǒng)運(yùn)行能耗高;管網(wǎng)運(yùn)行水力失調(diào)嚴(yán)重,用戶熱力穩(wěn)定性差;系統(tǒng)調(diào)節(jié)不能滿足實(shí)時(shí)變流量的用戶側(cè)運(yùn)行方式[2]。
分布式輸配技術(shù)在國外應(yīng)用了30多年,在國內(nèi)也應(yīng)用了20多年,但至今還沒有建立完善的技術(shù)體系。國內(nèi)實(shí)際工程大多是由工程公司和自控公司設(shè)計(jì)實(shí)施,出自于設(shè)計(jì)院之手的寥寥無幾,在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)很多偏離設(shè)計(jì)值和運(yùn)行不完善的情況。本文嘗試建立分布式輸配技術(shù)體系。
隨著供冷供熱技術(shù)的發(fā)展和國家節(jié)能減排要求的提高,集中供冷供熱輸配方式因運(yùn)行能耗高、熱力穩(wěn)定性差、供冷和供熱效果差,已經(jīng)不能滿足目前建筑節(jié)能的要求。為了提高輸配管網(wǎng)的輸送效率,減少輸配系統(tǒng)的無功電耗,滿足用戶的舒適性,大力推廣分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)勢在必行[3]。
在供冷供熱系統(tǒng)中,冷熱源處設(shè)置冷熱源泵,用戶處分別設(shè)置與冷熱源串聯(lián)連接的用戶泵和用戶泵組,冷熱源泵提供冷熱源內(nèi)的循環(huán)和零壓差點(diǎn)前的管網(wǎng)循環(huán)動力,用戶泵或用戶泵組提供零壓差點(diǎn)后的管網(wǎng)和用戶內(nèi)循環(huán)動力,這樣的系統(tǒng)稱為分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)。冷熱源泵、沿程泵、用戶泵組均采用變頻控制[4]。
分布式輸配系統(tǒng)適用于區(qū)域內(nèi)單體建筑物比較密集、供冷供熱輸配作用半徑合理、冷熱負(fù)荷密度大、年負(fù)載率或運(yùn)行時(shí)間長、用戶有多種工況需求的供冷供熱輸配工程,具體適用的工程類別有:城市供冷供熱一次網(wǎng),城市綜合體、CBD、校園、工廠、住宅等小區(qū)二次網(wǎng),單體建筑內(nèi)輸配系統(tǒng)等。
分布式輸配系統(tǒng)是以泵代閥的輸配系統(tǒng),系統(tǒng)中沒有任何兩通閥、三通閥、靜態(tài)平衡閥、動態(tài)平衡閥、壓差動態(tài)平衡閥等調(diào)節(jié)阻力的閥門。
圖1 分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)示意圖
表1 分布式輸配系統(tǒng)基本術(shù)語
分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)分為直連式系統(tǒng)和混連式系統(tǒng)。
1.4.1分布式輸配直連式系統(tǒng)
分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)中,用戶的供回水溫度與管網(wǎng)的供回水溫度相等,冷熱源泵提供零壓差點(diǎn)前管網(wǎng)和設(shè)備的循環(huán)動力,用戶泵提供零壓差點(diǎn)后管網(wǎng)的管路循環(huán)和用戶內(nèi)循環(huán)動力的輸配系統(tǒng)稱為分布式輸配直連式系統(tǒng),如圖2所示。
圖2 分布式輸配直連式系統(tǒng)
分布式輸配直連式系統(tǒng)包括2種方式:1) 供水管安裝用戶泵的直連式系統(tǒng);2) 回水管安裝用戶泵的直連式系統(tǒng)。
1.4.2分布式輸配混連式系統(tǒng)
分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)中,用戶供水溫度和管網(wǎng)供水溫度不同,用戶回水溫度和管網(wǎng)回水溫度相同,冷熱源泵提供零壓差點(diǎn)前管網(wǎng)和設(shè)備的循環(huán)動力,沿程泵提供用戶零壓差點(diǎn)后管網(wǎng)的管路循環(huán)動力,用戶混水泵提供用戶內(nèi)的循環(huán)動力的輸配系統(tǒng)稱為分布式輸配混連式系統(tǒng),如圖3所示。
圖3 分布式輸配混連式系統(tǒng)
分布式輸配混連式系統(tǒng)包括4種方式:1) 供水管安裝用戶混水泵和沿程泵的分級混水泵系統(tǒng);2) 回水管安裝用戶混水泵和沿程泵的分級混水泵系統(tǒng);3) 供水管安裝用戶混水泵和回水管安裝沿程泵的分級混水泵系統(tǒng);4) 供水管安裝沿程泵和回水管安裝用戶混水泵的分級混水泵系統(tǒng)。
分布式供冷系統(tǒng)中,用戶的供水溫度高于管網(wǎng)的供水溫度,分布式供熱系統(tǒng)中,用戶的供水溫度低于管網(wǎng)的供水溫度,2種系統(tǒng)中用戶回水溫度與管網(wǎng)回水溫度相等。
分布式輸配直連式系統(tǒng)用戶工況與輸配管網(wǎng)工況相同;分布式輸配混連式系統(tǒng)用戶工況與輸配管網(wǎng)工況不同,即不同用戶經(jīng)過混水連接可以在同工況的管網(wǎng)中運(yùn)行,根據(jù)不同的用戶工況確定相同的管網(wǎng)回水溫度,用戶供水溫度不同。分布式輸配供冷工況示意圖見圖4,分布式輸配供熱工況示意圖見圖5。
圖4 分布式輸配供冷工況示意圖
圖5 分布式輸配供熱工況示意圖
1.6.1零壓差點(diǎn)設(shè)于機(jī)房內(nèi)的水壓圖
分布式輸配系統(tǒng)零壓差點(diǎn)設(shè)于機(jī)房內(nèi)的水壓圖見圖6、7。從圖6、7可以看出:冷熱源泵只承擔(dān)源側(cè)的阻力損失,遠(yuǎn)比承擔(dān)全系統(tǒng)阻力損失要小得多;平衡管的位置就是零壓差點(diǎn),也就是全輸配系統(tǒng)分成2個(gè)環(huán)路的解耦點(diǎn);零壓差點(diǎn)前冷熱源環(huán)路的供水壓線在上,回水壓線在下,零壓差點(diǎn)后管網(wǎng)環(huán)路的供水壓線在下,管網(wǎng)回水壓線在上,也就是管網(wǎng)的水從零壓差點(diǎn)后靠用戶泵或用戶泵組的抽力流動[4]。
圖6 分布式輸配直連式水壓圖
從分布式輸配系統(tǒng)直連式水壓圖(見圖6)可以看出,冷熱源泵只承擔(dān)源側(cè)的阻力損失,用戶泵承擔(dān)零壓差點(diǎn)后管網(wǎng)和用戶內(nèi)的阻力損失,其中管網(wǎng)供回水之間的高度(圖6中的h1+h2)為管網(wǎng)阻力損失,用戶段的高度(圖6中的H1)為用戶阻力損失[4]。
從分布式輸配系統(tǒng)混連式水壓圖(見圖7)可以看出,冷熱源泵只承擔(dān)源側(cè)的阻力損失,沿程泵承擔(dān)零壓差點(diǎn)后管網(wǎng)的阻力損失,用戶泵承擔(dān)用戶內(nèi)的阻力損失,其中管網(wǎng)供回水之間的高度(圖7中的h1+h2)為沿程泵承擔(dān)的阻力損失,用戶段的高度(圖7中的H)為用戶泵承擔(dān)的阻力損失。
圖7 分布式輸配混連式水壓圖
1.6.2零壓差點(diǎn)設(shè)于系統(tǒng)功耗最小處的水壓圖
圖8、9為分布式輸配系統(tǒng)零壓差點(diǎn)設(shè)于系統(tǒng)功耗最小處的水壓圖。從圖8、9可以看出,冷熱源泵除承擔(dān)源側(cè)的阻力損失外,還承擔(dān)系統(tǒng)前端用戶的阻力損失,但總阻力依然比承擔(dān)全系統(tǒng)阻力損失要??;平衡管的位置仍然是全輸配系統(tǒng)分成2個(gè)環(huán)路的解耦點(diǎn);零壓差點(diǎn)前冷熱源環(huán)路的供水壓線在上,回水壓線在下,零壓差點(diǎn)后管網(wǎng)環(huán)路的供水壓線在下,管網(wǎng)回水壓線在上,也就是管網(wǎng)的水在零壓差點(diǎn)前由冷熱源泵“推”著流動,而零壓差點(diǎn)后靠用戶泵或用戶泵組的抽力流動[5]。
圖8 分布式輸配直連式最小功耗水壓圖
圖9 分布式輸配混連式最小功耗水壓圖
1.6.3最佳零壓差點(diǎn)的確定
經(jīng)過全系統(tǒng)功耗計(jì)算分析可知,分布式輸配系統(tǒng)功耗最小時(shí)零壓差點(diǎn)的位置大概在全系統(tǒng)靠近冷熱源側(cè)的黃金分割點(diǎn)上,也就是在輸配系統(tǒng)靠近冷熱源1/3處附近,此點(diǎn)就是系統(tǒng)的最佳零壓差點(diǎn)。當(dāng)全系統(tǒng)功耗最小時(shí),零壓差點(diǎn)前是集中式輸配系統(tǒng),零壓差點(diǎn)后是分布式輸配系統(tǒng);當(dāng)零壓差點(diǎn)設(shè)于輸配系統(tǒng)靠近冷熱源的黃金分割點(diǎn)上時(shí),集中式輸配系統(tǒng)和分布式輸配系統(tǒng)完美結(jié)合[4-6]。
分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)的水力平衡是有源式水力平衡,也就是通過分布式輸配管網(wǎng)的所有變頻水泵的變速改變管網(wǎng)的流通率,從而改變管網(wǎng)阻力來完成的[7-8]。
分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)中管網(wǎng)水由用戶泵或用戶泵組的抽力運(yùn)輸,也就是管網(wǎng)的阻力由用戶泵或用戶泵組根據(jù)管網(wǎng)阻力的變化實(shí)時(shí)克服。
分布式輸配系統(tǒng)的自動控制是指根據(jù)末端用戶的負(fù)荷變化,同步調(diào)整冷熱源泵、沿程泵、用戶泵的頻率,滿足全系統(tǒng)全過程的變流量調(diào)節(jié)要求。實(shí)現(xiàn)源、網(wǎng)、用戶可監(jiān)、可視、可控。
分布式輸配系統(tǒng)運(yùn)行基于全相似理論,在保證零壓差點(diǎn)的位置不變的同時(shí),用戶流量與資用壓頭成比例變化。當(dāng)某一用戶負(fù)荷發(fā)生變化時(shí),調(diào)節(jié)冷熱源泵的轉(zhuǎn)速,改變其流量,用戶泵或用戶泵組的轉(zhuǎn)速也同時(shí)改變,系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài),各個(gè)用戶重新獲得所需的流量。分布式輸配系統(tǒng)的運(yùn)行就是用最短的時(shí)間從一個(gè)流量、資用壓力的比例平衡狀態(tài)調(diào)整到另一個(gè)流量、資用壓頭的比例平衡狀態(tài)。分布式輸配系統(tǒng)變頻調(diào)速運(yùn)行,同時(shí)達(dá)到質(zhì)量雙調(diào)。系統(tǒng)的初調(diào)節(jié)簡單,運(yùn)行維護(hù)工作量極少。分布式輸配系統(tǒng)是實(shí)時(shí)動態(tài)平衡的變流量輸配系統(tǒng)[5,8]。
分布式輸配系統(tǒng)節(jié)能的主要原因:第一是系統(tǒng)采用以泵代閥的輸配方式,沒有調(diào)節(jié)閥阻力,減少了管網(wǎng)輸送的無效功耗,節(jié)省了水泵的運(yùn)行耗電量;第二是系統(tǒng)采用大溫差、小流量的設(shè)計(jì)和運(yùn)行,減少了輸配管網(wǎng)的管徑,節(jié)省了管材、閥門等的一次投資;第三是系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)沒有過度供冷供熱、欠供冷供熱的現(xiàn)象,系統(tǒng)始終保持水力平衡、熱力平衡,節(jié)省了可觀的冷熱量;第四是部分系統(tǒng)直接采用混水連接,減少了系統(tǒng)的換熱設(shè)備,提高了效率;第五是系統(tǒng)采用不同用戶工況同管網(wǎng)運(yùn)行,例如散熱器工況70 ℃/40 ℃和地板輻射工況50 ℃/40 ℃均可以在輸配管網(wǎng)工況80 ℃/40 ℃中運(yùn)行,相當(dāng)于二合一系統(tǒng),減少了輸配系統(tǒng)。
根據(jù)國內(nèi)外30多年工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn),分布式輸配系統(tǒng)裝機(jī)節(jié)電率為20%~60%;節(jié)材率為23%~53%;運(yùn)行節(jié)電率為25%~50%;新建建筑節(jié)熱率為10%,改造建筑節(jié)熱率為20%。
分布式輸配系統(tǒng)冷熱負(fù)荷計(jì)算按GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定執(zhí)行,熱負(fù)荷按房間熱負(fù)荷計(jì)算,空調(diào)冷負(fù)荷按逐時(shí)冷負(fù)荷計(jì)算,不用考慮負(fù)荷放大系數(shù)。
合理確定冷熱源機(jī)組的運(yùn)行臺數(shù),使冷熱源在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可調(diào)范圍較大;合理確定冷熱源的供回水溫差,盡量采用大溫差、小流量的設(shè)計(jì)和運(yùn)行方式;根據(jù)末端用戶工況相同或不同確定采用直連式系統(tǒng)還是混連式系統(tǒng);確定零壓差點(diǎn)的位置,使輸配系統(tǒng)功耗最??;確定自控方式,選擇合理的控制策略。
一次網(wǎng)供回水溫度盡量采用合理的大溫差;根據(jù)一次網(wǎng)供水溫度確定二次網(wǎng)的供水溫度,根據(jù)用戶網(wǎng)的最低回水溫度確定二次網(wǎng)的回水溫度,包含用戶的所有工況。
零壓差點(diǎn)的位置不同,系統(tǒng)的設(shè)備初投資和管網(wǎng)的運(yùn)行費(fèi)用也不同,應(yīng)該經(jīng)過初投資和管網(wǎng)運(yùn)行費(fèi)用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析確定零壓差點(diǎn)的位置。一次網(wǎng)要根據(jù)系統(tǒng)功耗最小來計(jì)算確定零壓差點(diǎn)位置;二次網(wǎng)可以根據(jù)系統(tǒng)功耗最小來計(jì)算確定零壓差點(diǎn)位置,也可以將零壓差點(diǎn)設(shè)于主機(jī)房內(nèi)。
可供選擇的定壓方式有3種:旁通管定壓、高位水箱定壓、落地膨脹水箱定壓。首選旁通管定壓方式[4]。
水泵流量是指全部管網(wǎng)用戶的總流量,水泵揚(yáng)程用于克服冷熱源系統(tǒng)內(nèi)部到零壓差點(diǎn)之前的管段阻力之和。
分布式輸配直連式系統(tǒng):水泵流量為該用戶的流量;水泵揚(yáng)程為克服零壓差點(diǎn)之后管網(wǎng)供回水管到用戶前和用戶內(nèi)的管段阻力之和。
分布式輸配混連式系統(tǒng):水泵流量為該用戶的流量;沿程泵揚(yáng)程為克服零壓差點(diǎn)之后管網(wǎng)供回水管到用戶前的管段阻力之和;用戶泵揚(yáng)程為克服用戶內(nèi)的管段阻力之和。
可根據(jù)工程實(shí)際情況選擇現(xiàn)場自動控制、遠(yuǎn)傳自動控制??刂颇J桨ǘ▔翰?、變壓差、定溫差、變溫差。
2.9.1分布式輸配直連式系統(tǒng)計(jì)算圖(見圖10)
注:G為用戶流量,m3/h;t1g為管網(wǎng)供水溫度,℃,同冷熱源供水溫度;t1h為回水溫度,℃,同冷熱源回水溫度。圖10 計(jì)算用分布式輸配直連式系統(tǒng)圖
2.9.2分布式輸配直連式系統(tǒng)水壓圖(見圖11)
圖11 分布式輸配直連式系統(tǒng)局部水壓圖
2.9.3分布式輸配直連式系統(tǒng)的計(jì)算
用戶流量:
(1)
式中G為用戶流量,m3/h;Q為用戶冷熱量,kW。
用戶泵揚(yáng)程:
H=a(H1+h1+h2)
(2)
式中H為用戶泵揚(yáng)程,m;a為管段阻力附加系數(shù);H1為用戶資用壓頭,m;h1為克服用戶沿管網(wǎng)供水管的阻力所需壓頭,m;h2為克服用戶沿管網(wǎng)回水管的阻力所需壓頭,m。
2.10.1分布式輸配混連式系統(tǒng)計(jì)算圖(見圖12)
注:G1g為混連式系統(tǒng)管網(wǎng)供水流量,m3/h;G1h為混連式系統(tǒng)管網(wǎng)回水流量,m3/h;t2g為混連式系統(tǒng)用戶供水溫度,℃;t2h為混連式系統(tǒng)用戶回水溫度,℃;G2g為混連式系統(tǒng)用戶供水流量,m3/h;G2h為混連式系統(tǒng)用戶回水流量,m3/h;Gp為旁通管流量,m3/h。圖12 計(jì)算用分布式輸配混連式系統(tǒng)圖
2.10.2分布式輸配混連式系統(tǒng)水壓圖(見圖13)
圖13 分布式輸配混連式系統(tǒng)局部水壓圖
2.10.3分布式輸配混連式系統(tǒng)的計(jì)算
用戶管網(wǎng)流量:
(3)
用戶流量:
(4)
旁通管流量:
Gp=G-G1g
(5)
混水系數(shù)u:
(6)
用戶泵揚(yáng)程:
H=aH1
(7)
混連式系統(tǒng)沿程泵揚(yáng)程Hy:
Hy=a(h1+h2)
(8)
1) 分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)以泵代閥,系統(tǒng)中沒有平衡閥、兩通閥、三通閥等調(diào)節(jié)閥門,理論上系統(tǒng)沒有無功電耗。實(shí)際上水泵選型時(shí)存在工作點(diǎn)偏離,會導(dǎo)致極小的無功電耗。
2) 分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)可以合理大溫差、小流量運(yùn)行,減少輸配功耗。
3) 分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)管網(wǎng)平衡是主動式管網(wǎng)平衡,不同于集中輸配系統(tǒng)的被動式管網(wǎng)平衡。
4) 分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)中設(shè)置的水泵均變頻調(diào)速運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)用戶流量的自動分配,滿足全系統(tǒng)全過程的變流量調(diào)節(jié)要求。
5) 分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)中用戶可采用與管網(wǎng)供回水相同或不同的溫差,實(shí)現(xiàn)用戶同管網(wǎng)不同供回水溫差的運(yùn)行方式。
6) 分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)調(diào)試簡單,運(yùn)行平穩(wěn),維護(hù)工作量極少。
7) 分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)采用精細(xì)化設(shè)計(jì),通過對用戶冷熱負(fù)荷計(jì)算、能耗分析、管網(wǎng)水力計(jì)算、設(shè)備選型等進(jìn)行全面、細(xì)致、準(zhǔn)確地設(shè)計(jì),達(dá)到系統(tǒng)的最優(yōu)化。
8) 分布式供冷供熱輸配系統(tǒng)的節(jié)電率高,相應(yīng)節(jié)熱率、節(jié)材率也很可觀。
9) 分布式供熱輸配系統(tǒng)節(jié)能率遠(yuǎn)高于供冷系統(tǒng),分布式供冷輸配系統(tǒng)應(yīng)盡量采用大溫差主機(jī),經(jīng)計(jì)算合理確定運(yùn)行工況,在提高輸配效率的同時(shí),最終保證全系統(tǒng)節(jié)能率。
10) 分布式輸配系統(tǒng)采用智能化動態(tài)控制方式。一般采用能源站群控和用戶泵房分散控制的聯(lián)控管理方式,通過對源泵、沿程泵、用戶泵的不同控制策略,調(diào)整水泵運(yùn)行頻率,實(shí)現(xiàn)節(jié)能、智慧、高效的控制。
分布式輸配系統(tǒng)以泵代閥,不僅減少輸配功耗,最重要的是系統(tǒng)始終保持水力平衡、熱力平衡,實(shí)時(shí)響應(yīng)用戶負(fù)荷變化,使冷熱源能夠直接快速且有效地輸送冷熱量到用戶,隨著暖通空調(diào)技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步,室內(nèi)系統(tǒng)形式更加趨于多樣化,分布式輸配系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)用戶同管網(wǎng)不同供回水溫差的運(yùn)行方式可以滿足不同用戶工況的需求。
目前在暖通空調(diào)領(lǐng)域中,建筑節(jié)能在冷熱源和用戶2個(gè)方面已經(jīng)取得了豐碩的成果,而管網(wǎng)輸配的節(jié)能在我國還一直是一個(gè)弱項(xiàng),分布式輸配技術(shù)突破原有的管網(wǎng)輸配系統(tǒng)的理念,豐富和完善了管網(wǎng)輸配系統(tǒng)的形式和手段,是暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能減排的重要舉措。