計量供熱系統節能潛力分析

劉錫三 楊衛肖

（1天津市供熱工程建設有限公司 天津 300050 2天津大學建筑設計研究院 天津 300061）

1 水泵變頻調速方式

為了充分發掘計量供熱系統的節能潛力，不僅應重視計量供熱系統帶來的熱源供熱量的減少，還應重視熱網輸送能耗的降低。這就要求輸配系統具備變流量的調控措施，水泵變頻調速成為不可或缺的控制手段。

水泵的變頻調速方式主要有以下三種：

（1）控制熱力站進出口壓差恒定（近端定壓差控制），該方式簡便可行，但流量調節幅度相對較小，節能潛力有限；

（2）控制管網最不利環路壓差恒定（遠端定壓差控制），該方式流量調節幅度相對較大，節能效果明顯，但隨著運行調節會出現最不利用戶的漂移，有可能造成某些用戶資用壓差不足的問題；

（3）控制回水溫度，這種方式響應較慢，滯后較長，節能效果相對較差。

鑒于控制回水溫度響應較慢，而遠端定壓差控制在運行調節中有可能出現某些用戶資用壓差不足的現象，目前計量供熱系統的水泵變頻調速普遍采用近端定壓差控制。在調研中發現，實際運行管理中很多操作人員習慣采用手動變頻的方式。因此計量供熱系統實際運行中，水泵的變頻方式主要采用如下兩種：一是通過控制熱力站進出口壓差恒定（近端定壓差）進行變頻調速；二是根據室外溫度的變化特點，采用分階段手動變頻的控制策略。

2 不同變頻調速方式的水泵實際電耗比較

為了對比分析近端定壓差控制和分階段手動變頻控制對水泵輸配能耗的影響，統計了天津市33個換熱站2012～2013年供暖季二次網水泵電耗，其中采用近端定壓差控制的換熱站18個，采用分階段手動變頻控制的換熱站15個，對比結果如表1。

表1 不同變頻調速方式比較

如以平均單位面積年耗電量作為評價指標，近端定壓差變頻調速控制與分階段手動變頻調節相比，可節電12.73%；為了消除建筑物耗熱量差異對水泵輸配能耗的影響，采用平均單位供熱量的耗電量作為評價指標，近端定壓差變頻調速控制與分階段手動變頻調節相比，可節電6.25%。

分析結果表明：目前普遍采用的近端定壓差控制，即控制熱源或熱力站進出口壓差恒定的方式進行水泵變頻調速，雖然簡便易行，但是節能潛力相對較小。

采用近端定壓差控制方式時，定壓差值為設計揚程值與熱源或熱力站內阻力的差值，如忽略熱源或熱力站內阻力隨流量的變化，則水泵揚程始終為設計揚程值，其控制曲線近似為一條水平直線，如圖1中L1所示，A為設計工況點。當用戶調節造成管網流量減小為G’時，管網特性曲線由S1變為S1’，采用近端定壓差控制時，按照控制曲線L1，水泵工作點將從A點移至D點，水泵的轉速降低，性能曲線變為n1，揚程等于設計揚程H0。系統循環流量減少，但是近端定壓差控制時水泵揚程基本維持不變，根據水泵能耗=流量×水泵壓頭/效率，再考慮到非額定工況下水泵運行效率有可能降低，則水泵能耗降低并不顯著。

對于遠端定壓差控制方式，定壓差控制點位于最不利環路用戶熱力入口處，水泵的揚程等于水泵與定壓差點之間干管管路壓降與遠端用戶定壓差值之和。干管的阻力數通常是不發生變化的，控制曲線如圖1中L2所示，h為遠端用戶定壓差值。對于遠端定壓差控制，按照控制曲線L2，當系統所需流量由G減小到G’后，水泵工作點將從A點移至C點，水泵的轉速降低，水泵性能曲線變為n2，揚程為H2，小于設計揚程值H。

從上述分析可以看出，遠端定壓差控制方式的節能性要優于近端定壓差控制方式。

圖1 不同控制方式下水泵節能性分析示意圖

3 不同變頻調速方式的理論水泵電耗分析

鑒于目前采用遠端定壓差控制進行水泵變頻調速的案例極少，缺少實際運行數據，因此，本文采用理論方法對不同供熱調節方案下遠端定壓差和近端定壓差控制的水泵電耗進行分析計算。

3.1 水泵能耗計算原理

水泵的輸入功率為：

式中：γ—被輸送液體的容重，N/m3；

G—系統循環流量，m3/h；

H—水泵的揚程，mH2O；

η—泵的全效率，%。

對于變頻水泵，水泵的揚程隨水泵流量比的變化而變化，且兩者之間的關系可以用函數關系式表示。當水泵變頻調速采用近端定壓差控制時，水泵的揚程等于定壓差值與換熱站內壓降之和，可用式（2）表示。

式中：H——水泵揚程，m3/h；

H0——近端定壓差值，mH2O；

h1——換熱站內壓降，mH2O；

G——二次網循環流量，m3/h；

G0——二次網設計流量，m3/h。

采用遠端定壓差方式控制水泵變頻調速時，水泵的揚程等于遠端定壓差值、管路壓降與換熱站內壓降之和,可用式（3）表示。

式中：h——遠端定壓差值，mH2O

h2——管路壓降，mH2O

根據公式（1），水泵的輸入功率除了受流量和揚程影響外，還受到水泵運行效率的影響，根據某品牌變頻水泵η-G曲線擬合出 η-的函數關系式，用公式（4）表示。

3.2 計算實例

以天津開發區某小區供熱系統的實際運行負荷作為依據，比較二次網循環水泵不同運行方式下的能耗情況。

該小區共有8棟樓，建筑面積約7萬平方米，小區設計熱負荷為4.58MW，二次側的設計供、回水溫度為85/60℃，供暖設計室外計算溫度為-8℃，設計室內溫度為20℃，供暖期為11月1日至次年的4月1日。換熱站配置的循環水泵設計流量為190m3/h。換熱站內設備的設計總阻力為7.14mH2O，供回水干管的設計阻力為7.65 mH2O，最不利用戶的設計阻力5 mH2O。

計量供熱系統普遍采用氣候補償和變流量相結合的運行調節方式。

本算例采用的氣候補償方式包括3種：

（1）根據室外溫度變化規律改變供水溫度的質調節；

（2）分階段改變水泵運行臺數的質調節；

（3）分階段改變供水溫度的調節方式，即，在供熱系統整個運行期間，隨著室外溫度的提高，分幾個階段改變供水溫度，在同一調節階段內，供水溫度保持不變。

在上述三種氣候補償方式下，分別針對近端定壓差和遠端定壓差控制水泵變頻調速的變流量方式，進行了水泵電耗的對比計算。具體計算數據見表2。

表2 二次網循環水泵單位面積能耗（kWh（/m·2a））

從表2可以看出，在同一定壓差方式下，分階段定供水溫度的調節方式下循環水泵的能耗最低，分階段改變水泵運行臺數的質調節次之，而質調節的能耗最高。分階段定供水溫度調節方式能夠使系統在較高的供水溫度下運行，減少了系統的循環流量，利用水泵的變頻調速能夠有效地降低系統輸配能耗。與目前普遍采用的“大流量、小溫差”運行模式相比，分階段定供水溫度調節方式以“小流量、大溫差”的運行模式有效地減小了循環水泵能耗，達到了節能降耗的目的。

在近端定壓差控制方式下，相比于質調節方式下循環水泵的能耗，分階段定供水溫度調節方式的節能率為30.62%，分階段改變水泵運行臺數的質調節方式節能率為14.34%。在遠端定壓差方式下，節能率分別為48.54%和19.88%。

相比于目前普遍采用的近端定壓差的水泵變頻調速控制方式，遠端定壓差的節能效果顯著，三種不同氣候補償方式下的節能率均在30%以上，尤以分階段定供水溫度調節方式下的節能率最大，達到50.84%。

根據上述分析，可以得出，在保證系統水力平衡的前提下，采用分階段定供水溫度的氣候補償方式與水泵的遠端定壓差變頻調速控制的變流量相結合，具有較大的節能潛力。