曹榮光

(中國中元國際工程有限公司,北京)

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化的推進(jìn),我國供熱規(guī)模和供熱半徑越來越大。區(qū)域供熱管網(wǎng)多為間接連接,即熱源與熱用戶間設(shè)置換熱站隔開,熱源與換熱站之間通過一次網(wǎng)連接,換熱站與熱用戶間通過二次網(wǎng)連接。由于熱網(wǎng)的熱惰性,區(qū)域供熱一次網(wǎng)采用質(zhì)調(diào)節(jié)會(huì)產(chǎn)生供熱過量或不足現(xiàn)象,影響供熱質(zhì)量或造成能源浪費(fèi)。一次網(wǎng)集中量調(diào)節(jié)比質(zhì)調(diào)節(jié)更優(yōu)越,供熱質(zhì)量更高,經(jīng)濟(jì)性更好[1]。

隨著區(qū)域供熱系統(tǒng)設(shè)備水平的提升,熱用戶末端裝置具備了自主調(diào)節(jié)能力,變流量運(yùn)行逐步在供熱系統(tǒng)中得到推廣應(yīng)用。區(qū)域供熱輸配變流量系統(tǒng)一般采用壓差控制,通過調(diào)節(jié)循環(huán)泵的運(yùn)行臺數(shù)和轉(zhuǎn)速控制熱網(wǎng)壓差保持恒定,以滿足末端用戶的熱量需求?，F(xiàn)有研究大多針對供熱一次網(wǎng)變流量調(diào)節(jié)的調(diào)控方法,缺少基于熱用戶逐時(shí)負(fù)荷分析的輸配系統(tǒng)工況變化和節(jié)能性研究[2-6]。本文以某建筑綜合體區(qū)域供熱輸配系統(tǒng)為例,基于供熱期各單體建筑的逐時(shí)熱負(fù)荷,通過建立管網(wǎng)動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型,定量分析間接供熱系統(tǒng)中一級泵在不同壓差控制方案下的全年逐時(shí)運(yùn)行工況變化和運(yùn)行能耗,以供工程設(shè)計(jì)參考。

1 工程概況

1.1 建筑概況

某建筑綜合體項(xiàng)目(如圖1所示)位于北京市,涵蓋辦公、商業(yè)、公寓等功能業(yè)態(tài),采用區(qū)域集中供熱,規(guī)劃用地面積為6.82萬m2。集中供熱區(qū)域內(nèi)有13棟建筑,包括9棟辦公樓(辦公樓1～9)、2棟公寓樓(公寓樓1、2)及2棟配套商業(yè)樓(配套商業(yè)樓1、2),總供熱建筑面積為16.89萬m2,各建筑供熱面積及最大熱負(fù)荷見表1。

注:J1～J16為供水側(cè)節(jié)點(diǎn)編號;E1～E15為供水側(cè)管段編號。圖1 某建筑綜合體熱水輸送管網(wǎng)平面示意圖

表1 各建筑供熱面積及最大熱負(fù)荷

1.2 逐時(shí)熱負(fù)荷

該項(xiàng)目建筑逐時(shí)熱負(fù)荷計(jì)算采用EnergyPlus軟件,該軟件主要用于建筑能量特性模擬與負(fù)荷計(jì)算,它吸收了DOE-2和BLAST 2個(gè)軟件的優(yōu)點(diǎn),并具備很多新的功能[7-9]。該項(xiàng)目供暖季為11月15日到次年3月15日,共121 d。模擬采用的北京地區(qū)室外氣象參數(shù)從EnergyPlus氣象數(shù)據(jù)庫中選取,來源為CSWD(中國典型氣象年數(shù)據(jù))[10]。負(fù)荷計(jì)算時(shí)考慮了各建筑的使用功能、平時(shí)及節(jié)假日運(yùn)行時(shí)間、房間同時(shí)使用率等參數(shù),由于篇幅所限,本文不再贅述。各建筑及總體的熱負(fù)荷最大值見表1,供暖季逐時(shí)熱負(fù)荷見圖2～8。

圖2 辦公樓1～5逐時(shí)熱負(fù)荷

圖3 辦公樓6、7逐時(shí)熱負(fù)荷

圖4 辦公樓8逐時(shí)熱負(fù)荷

圖5 辦公樓9逐時(shí)熱負(fù)荷

圖6 公寓樓1、2逐時(shí)熱負(fù)荷

圖7 配套商業(yè)樓1逐時(shí)熱負(fù)荷

圖8 配套商業(yè)樓2逐時(shí)熱負(fù)荷

根據(jù)表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,該項(xiàng)目綜合最大熱負(fù)荷為6 605.95 kW,折合單位建筑面積熱指標(biāo)為39.1 W/m2。供暖期總供熱量為504.71萬kW·h,折合單位面積供熱量為29.88 kW·h/m2。區(qū)域建筑逐時(shí)熱負(fù)荷見圖9,逐日耗熱量見圖10。

圖9 區(qū)域建筑逐時(shí)熱負(fù)荷

圖10 區(qū)域建筑逐日耗熱量

2 輸配系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)概況

熱源:該工程供熱熱源采用地埋管地源熱泵系統(tǒng),如圖1所示,熱泵機(jī)組設(shè)置于辦公樓8南側(cè)的地下冷熱機(jī)房內(nèi),地埋換熱管布置于相鄰地塊的城市公園綠地內(nèi)。熱水設(shè)計(jì)供/回水溫度為50 ℃/40 ℃,總設(shè)計(jì)熱水流量為568.0 m3/h。

輸配系統(tǒng):該工程采用間接供熱,供熱輸配系統(tǒng)原理圖見圖11。一級泵B1設(shè)置于冷熱機(jī)房內(nèi),承擔(dān)一次網(wǎng)阻力;各用戶二次網(wǎng)循環(huán)泵(B5、B6、B8、B9、B12、B13、B15、B16)分別設(shè)置于1#～4#站房內(nèi),承擔(dān)用戶側(cè)熱水系統(tǒng)阻力。熱源側(cè)熱泵機(jī)組設(shè)置熱水循環(huán)泵,承擔(dān)熱源阻力,熱源側(cè)與輸配側(cè)通過平衡管隔開。熱水一次網(wǎng)從冷熱機(jī)房到最遠(yuǎn)端的4#站房的管線長度約為388.6 m。

注:J17～J32為回水側(cè)節(jié)點(diǎn)編號;E16～E30為回水側(cè)管段編號;B1、B5、B6、B8、B9、B12、B13、B15、B16為泵組編號。圖11 供熱輸配系統(tǒng)原理圖

熱用戶:供熱區(qū)域內(nèi)共8個(gè)熱用戶,各用戶設(shè)計(jì)熱水流量見表1。

2.2 輸送管網(wǎng)

如圖11所示,供熱輸配系統(tǒng)供水側(cè)共有15個(gè)管段,編號分別為E1～E15;該項(xiàng)目熱水輸送管網(wǎng)采用枝狀布置,為簡化分析,設(shè)定回水側(cè)管網(wǎng)參數(shù)與供水側(cè)相同,則回水側(cè)共有15個(gè)管段,編號分別為E16～E30。根據(jù)各用戶節(jié)點(diǎn)的流量和經(jīng)濟(jì)比摩阻,經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算,各管段的內(nèi)徑、管長及局部阻力系數(shù)設(shè)計(jì)值見表2。管徑小于DN300的管道采用無縫鋼管,大于等于DN300的管道采用螺旋焊接鋼管。

表2 各管段設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3 循環(huán)泵選型

2.3.1一級泵B1

該項(xiàng)目換熱站內(nèi)換熱器一次側(cè)及站內(nèi)管線設(shè)計(jì)總壓頭為10 m,輸配系統(tǒng)補(bǔ)水定壓水頭為63 m,定壓點(diǎn)為一級泵B1吸入口,管壁粗糙度為0.5 mm。根據(jù)管網(wǎng)參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)流量下各節(jié)點(diǎn)的供回水壓力,結(jié)果如圖12所示,節(jié)點(diǎn)J1處供回水壓頭差為13.6 m,第一個(gè)用戶分支節(jié)點(diǎn)J3處供回水壓頭差為12.3 m,一次網(wǎng)末端最不利用戶節(jié)點(diǎn)J8處供回水壓頭差為10.0 m。

圖12 熱水輸配一級泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況下的管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水壓圖

2.3.2二次網(wǎng)循環(huán)泵

該項(xiàng)目各換熱站內(nèi)換熱器二次網(wǎng)及站內(nèi)管線設(shè)計(jì)總壓頭為10.0 m,各用戶側(cè)設(shè)計(jì)壓頭均為12.5 m,二次網(wǎng)循環(huán)泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程為上述2項(xiàng)壓頭之和,均為22.5 m。

根據(jù)上述一級泵及二次網(wǎng)循環(huán)泵的揚(yáng)程參數(shù)及表1中列出的各用戶節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)熱水流量選擇水泵參數(shù),結(jié)果見表3。

表3 一級泵及二次網(wǎng)循環(huán)泵選型

根據(jù)水泵樣本[11],采用拉格朗日插值法擬合得到一級泵及二次網(wǎng)循環(huán)泵變頻運(yùn)行的性能方程,見表4。

表4 一級泵及二次網(wǎng)循環(huán)泵性能方程

2.4 運(yùn)行策略

區(qū)域供熱輸配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)一方面是要保證各末端用戶隨時(shí)得到所需流量,另一方面要降低循環(huán)水泵能耗。由于用戶末端設(shè)備換熱具有顯著的非線性特征及水系統(tǒng)存在熱惰性,溫度控制方法在控制機(jī)理上存在不穩(wěn)定性,而壓差控制方法可以對用戶末端負(fù)荷的變化快速響應(yīng),控制參數(shù)簡單明確,在國內(nèi)眾多大型項(xiàng)目中得到了應(yīng)用,是現(xiàn)階段工程設(shè)計(jì)中水系統(tǒng)控制普遍采用的方法[12-22]。

2.4.1二次網(wǎng)循環(huán)泵運(yùn)行策略

熱用戶末端負(fù)荷調(diào)節(jié)采用量調(diào)節(jié),供熱系統(tǒng)二次網(wǎng)變流量運(yùn)行。通過調(diào)節(jié)各二次網(wǎng)循環(huán)泵(B5、B6、B8、B9、B12、B13、B15、B16)的運(yùn)行臺數(shù)和轉(zhuǎn)速,保持換熱站出口處供回水壓頭差恒定為設(shè)計(jì)值12.5 m,實(shí)時(shí)滿足末端設(shè)備的用熱需求。

2.4.2一級泵運(yùn)行策略

隨著換熱站供熱量的變化,實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)換熱器一次側(cè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥保持二次側(cè)供水溫度恒定,一次側(cè)變流量運(yùn)行,一級泵B1的運(yùn)行策略有如下3種:

1) 始端定壓差運(yùn)行。通過調(diào)節(jié)一級泵B1的運(yùn)行臺數(shù)和轉(zhuǎn)速,保持一次網(wǎng)第一個(gè)用戶分支節(jié)點(diǎn)J3處供回水壓頭差恒定為12.3 m。

2) 末端定壓差運(yùn)行。通過調(diào)節(jié)一級泵B1的運(yùn)行臺數(shù)和轉(zhuǎn)速,保持一次網(wǎng)末端最不利用戶節(jié)點(diǎn)J8處供回水壓頭差為10.0 m。

3) 變壓差運(yùn)行。監(jiān)測一次網(wǎng)供熱系統(tǒng)內(nèi)各換熱站一次側(cè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度和回水溫度,如所有用戶熱力入口閥門開度低于100%,則一級泵B1變頻降速(結(jié)合水泵臺數(shù)控制)降低一次網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行流量,如存在任何一個(gè)換熱站一次側(cè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度為100%,且回水溫度低于一次網(wǎng)總回水溫度,則一級泵變頻提速(結(jié)合水泵臺數(shù)控制)提高一次網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行流量。

3 輸配能耗量化分析

3.1 輸配能耗計(jì)算方法

輸配能耗計(jì)算按下列步驟進(jìn)行。

1) 計(jì)算供冷季各用戶的逐時(shí)冷負(fù)荷,根據(jù)逐時(shí)負(fù)荷值求解各用戶節(jié)點(diǎn)的逐時(shí)熱水流量;

2) 參照文獻(xiàn)[22-23],根據(jù)表2及圖11的管網(wǎng)信息,建立管網(wǎng)動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型;

3) 根據(jù)步驟1)、2)的結(jié)果及系統(tǒng)壓差控制方案,求解輸配管網(wǎng)各時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)水壓,得到一級泵B1及各二次網(wǎng)循環(huán)泵的運(yùn)行揚(yáng)程;

4) 將步驟1)、3)計(jì)算得到的流量和揚(yáng)程值代入循環(huán)泵性能方程求解各水泵的運(yùn)行頻率、效率,進(jìn)而求解一級泵B1及各二次網(wǎng)循環(huán)泵的逐時(shí)能耗;

5) 將一級泵B1及各二次網(wǎng)循環(huán)泵的逐時(shí)能耗累加求和,即得到輸配能耗值。

3.2 一級泵運(yùn)行能耗

一級泵在始端定壓差、末端定壓差、變壓差等3種運(yùn)行策略下的年運(yùn)行能耗見表5,各運(yùn)行策略下一級泵B1的逐時(shí)運(yùn)行頻率、效率、耗電量見圖13～15。

表5 一級泵年運(yùn)行能耗

注:圖中不同曲線代表供暖期不同天的數(shù)據(jù)。圖13 一級泵B1逐時(shí)運(yùn)行頻率

注:圖中不同曲線代表供暖期不同天的數(shù)據(jù)。圖14 一級泵B1逐時(shí)運(yùn)行效率

注:圖中不同曲線代表供暖期不同天的數(shù)據(jù)。圖15 一級泵B1逐時(shí)運(yùn)行耗電量

3.3 二次網(wǎng)循環(huán)泵運(yùn)行能耗

各二次網(wǎng)循環(huán)泵年運(yùn)行能耗見表6,逐時(shí)能耗見圖16。

表6 二次網(wǎng)循環(huán)泵運(yùn)行能耗

注:圖中不同曲線代表供暖期不同天的數(shù)據(jù)。圖16 二次網(wǎng)循環(huán)泵逐時(shí)運(yùn)行耗電量

4 分析與討論

4.1 輸配能耗

由表5可見,變壓差下一級泵系統(tǒng)的年耗電量最低,比始端定壓差下的年耗電量低64.3%,節(jié)能效果顯著。根據(jù)上一章的計(jì)算結(jié)果,統(tǒng)計(jì)各壓差控制方案的一級泵及二次網(wǎng)循環(huán)泵年運(yùn)行能耗之和,結(jié)果見表7。由表7可見,相比始端定壓差,一級泵變壓差運(yùn)行策略可以節(jié)約29.7%的輸配系統(tǒng)電耗,節(jié)能效果顯著。

表7 各方案年運(yùn)行總能耗

4.2 可調(diào)性

圖17顯示了管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)供回水壓頭差。如圖17所示:在部分負(fù)荷下,始端定壓差運(yùn)行時(shí),各換熱站一次側(cè)的資用壓頭增大,電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的閥權(quán)度降低,調(diào)節(jié)性能降低;末端定壓差及變壓差運(yùn)行時(shí),在保證供給的前提下各換熱站的資用壓頭減小,電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的閥權(quán)度提高,調(diào)節(jié)性能提高。其中,基于末端閥門開度檢測的變壓差控制方式可以實(shí)時(shí)追蹤一次網(wǎng)系統(tǒng)最不利用戶的位置,保證系統(tǒng)閥門阻力最小,能耗最低,是最優(yōu)的調(diào)節(jié)方式。

注:圖中不同曲線代表供暖期不同天的數(shù)據(jù)。圖17 管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)供回水壓頭差

4.3 經(jīng)濟(jì)性

基于末端閥門開度檢測的變壓差控制方式僅需集中采集各換熱站一次側(cè)閥門開度和回水溫度,相對始端定壓差和末端定壓差方案基本不增加系統(tǒng)初投資,經(jīng)濟(jì)性較好。

5 結(jié)束語

本文以北京某建筑綜合體集中供熱項(xiàng)目為例,定量分析了間接供熱系統(tǒng)中一級泵在不同壓差控制方案下的全年逐時(shí)運(yùn)行能耗。結(jié)果表明,相比常規(guī)的始端定壓差和末端定壓差,基于末端閥門開度檢測的一級泵變壓差運(yùn)行可以顯著降低供熱輸配能耗,提高換熱站一次側(cè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)精度,具有較好的經(jīng)濟(jì)性,建議大規(guī)模推廣應(yīng)用。