分布式供熱系統循環水泵的節能分析

高光洋張林華*周守軍趙宗峰

1山東建筑大學熱能工程學院

2可再生能源利用技術省部共建教育部重點實驗室

3山東省可再生能源建筑應用技術重點實驗室

分布式供熱系統循環水泵的節能分析

高光洋1張林華2，3*周守軍1趙宗峰1

1山東建筑大學熱能工程學院

2可再生能源利用技術省部共建教育部重點實驗室

3山東省可再生能源建筑應用技術重點實驗室

分布式循環水泵供熱系統是一種新型的一次管網輸配形式，與傳統的供熱管網相比具有系統壓力低、能耗低、運行成本低的特點。本文以建立的模擬管網為基礎，對3種不同形式的分布式循環水泵系統進行模擬分析，得出熱源泵單獨設置、熱網泵和熱用戶泵合一的分布式供熱系統在實際工程中是最值得推廣和應用的系統形式。

分布式循環水泵 供熱系統 節能分析

在傳統的城市供熱系統設計中，由最遠、最不利用戶的資用壓差選擇系統的循環水泵，通常僅在熱源處設置循環水泵，并用來克服熱源、熱網和熱用戶系統的阻力。然而在供熱系統的近端熱用戶處，往往會形成過多的資用壓頭，為了滿足近端熱用戶的循環流量，近端的用戶不得不通過各種流量閥門來調節消耗多余的資用壓頭。這樣的節流調節會導致系統循環水泵產生過多的無效電耗和冷熱不均的水力失調現象。而分布式供熱系統通過在用戶處設置循環泵，在降低熱源循環泵揚程的同時，也不同程度地避免了傳統設計中近端熱用戶由于資用壓頭過大導致節流損失[1]，使系統由原來在調節閥上消耗多余的資用壓頭改為用分布式變頻泵提供必要的資用壓頭。分布式循環水泵的設計方案與傳統設計方案相比，循環水泵的裝機電容量可節約1/3～2/3[2]。所以，分布式循環水泵供熱系統在工程中具有較大的推廣和應用空間。

1 集中供熱管網水力工況的建模

1.1 集中供熱管網水力工況基本模型

集中供熱管網是一種流體網絡，與電網絡類似，遵從基爾霍夫電流、電壓定律，其中的支路流量、壓降和管路阻力特性系數可以類比于電網絡中的支路電流、電壓和電阻。對于任意一個管網，可以得到集中供熱管網水力工況基本模型[3]：

對于一個具有n+1個節點，m個管段的熱網，則有：A為管網關聯矩陣，n×m階矩陣，它唯一代表管網的拓撲結構，其秩Rank(A)=n；Bf為管網的基本回路矩陣，(m-n)×m階矩陣；G為管段流量向量，G=(G1,G2,……Gm)；△H為管段阻力壓降，△H=(△H1…△Hm)；S為管段阻力特性系數矩陣（m階對角矩陣），S=diag{S1, S2,…,Sm}；|G|為管段流量G的絕對值m階對角矩陣，|G|=diag{|G1|,|G2|,…,|Gm|}；DH為管段的水泵向量，DH=(DH1,DH2,……DHm)T，當管段不含水泵時，該管段DH=0；含水泵時，DH為水泵揚程；Z—為管段支路中兩節點的位能差向量，Z=(Z1,Z2,……Zm)。

1.2 集中供熱管網水力工況計算模型

針對以上建立的非線性水力工況基本模型，經過變換可以得到：

式中：M稱為馬克斯威（Max Well）矩陣，是以Bf為基礎的(m-n)×(m-n)階的對稱正定矩陣。M矩陣對應于一定的樹，不同的樹，相對應的M矩陣也不同；Δhk為基本回路管段壓降代數和，當Gk為方程組的解時，其值為0。

式（4）即為供熱管網水力工況計算模型，該方程組為線性方程組。

2 傳統供熱系統和分布式循環水泵供熱系統

為敘述方便，采用以下供熱系統[4]：模擬一次供熱管網為1個單熱源枝狀管網，包含10個二級換熱站，二級換熱站采用板式換熱器進行換熱。模擬一次管網共分為31個管段，22個節點。管段及節點標號如圖1所示。

模擬一次管網設計熱負荷為67670kW，平均分配給10個換熱站，每個換熱站設計熱負荷6767kW。一次網設計供回水溫度為120/60℃，二次網設計供回水溫度為80/55℃，即每個二級站用戶一次側設計流量為100m3/h，總流量為1000m3/h。二次側設計流量為233m3/h。熱用戶資用壓頭為10m水柱，熱源內部的總壓力損失為10m水柱。循環水泵的效率按80%選取。

圖1 傳統供熱系統

2.1 傳統供熱系統

傳統供熱系統僅在熱源處設置循環水泵，此循環水泵流量為整個管網的總流量，揚程用于克服熱源內部的阻力，管網的阻力和用戶處的阻力，且揚程的確定是找最不利熱用戶（如圖1所示）。根據此理論本供熱模型的水泵流量是1000m3/h，揚程是0.93899MPa。

2.2 分布式循環水泵供熱系統

分布式循環水泵供熱系統是指可以在熱源處、供回水干管處及熱用戶處設置循環水泵的供熱系統，故其循環泵的形式有熱源泵、熱網泵、熱用戶泵。組合形式有許多種，如熱源泵單獨設置，熱網泵與熱用戶泵合一；熱源泵和熱用戶泵合一，承擔熱源內部的水循環和各熱用戶資用壓頭的建立，熱網泵由設在各熱用戶供回水干管上的加壓泵承擔；熱源泵、熱網泵和熱用戶泵各司其職，即熱源泵只承擔熱源內部的水循環，熱網泵由供回水干管上的加壓泵承擔，熱用戶泵由熱用戶各自的加壓泵承擔資用壓頭的建立；熱源泵單獨設置，只在供水干管上設置熱網加壓泵[2]等。本文將討論具有代表性的三種方案并計算其節能率。

方案一：熱源泵單獨設置，熱網泵與熱用戶泵合一，即在鏈支22～31上均設置水泵（如圖2）。

圖2 熱源泵單獨設置，熱網泵與熱用戶泵合一

方案二：熱源泵和熱用戶泵合一，單獨設置有限個熱網泵，即在干管1、4、7、11、14、17上設置水泵（如圖3）。

圖3 熱源泵和熱用戶泵合一，單獨設置有限個熱網泵

方案三：熱源泵和熱用戶泵合一，每個干管上設置熱網泵，即在干管1～20上均設置水泵（如圖4）。

圖4 熱源泵和熱用戶泵合一，每個干管上設置熱網泵

3 節能分析

傳統方案是將熱媒在管道中“推著走”，方案一則是在管道中讓熱媒“抽著走”，反映在水壓圖上，就是傳統方案供水壓線大于回水壓線，如圖5所示，方案一是回水壓線大于供水壓線，如圖6所示。圖7、圖8則是方案二與方案三的供回水壓力圖。

圖5 傳統方案中管網的供回水壓力

圖6 方案一中管網的供回水壓力

圖7 方案二中管網的供回水壓力

圖8 方案三中管網的供回水壓力

三種方案的水力特性數據如表1。

表1 不同方案水泵的流量和壓力

根據特蘭根定律[3]，按下式計算以上三種方案的循環水泵的總功率。

式中：Gi為供熱系統各管段的流量，t/h；△Hi為供熱系統各管段的壓降損失，m水柱；η為水泵效率；N0為由特蘭根定律計算的循環水泵總功率，kW；N為循環水泵總功率，kW。

利用式（5）與（6）分別對三種方案進行循環水泵功率的計算，其結果如表2。

表2 三種方案的節能率

從表2中可以得出以下結論：

1）方案一、二、三比較可以看出，三種分布式循環水泵供熱系統較傳統供熱系統均具有節能效果，且方案一與方案三的節能效果更明顯。

2）方案二和方案三比較可以看出，不在每個干管上都加裝水泵，而是設置有限數量水泵的情況會使系統的節能率降低。

4 結論

通過上述分析可知，分布式循環水泵供熱系統作為一種新型的供熱系統運行方式，整個系統的壓力明顯比傳統供熱系統的壓力降低，能耗也降低，具有明顯的節能效果。不在每個干管上加裝水泵的形式會使系統節能率降低，但從初投資及管理方面考慮，在每個干管上加裝水泵是不經濟的。所以，綜合考慮能耗、初投資及管理運行方面，熱源泵單獨設置，熱網泵和熱用戶泵合一的分布式供熱系統在實際工程中值得推廣和應用。

[1]王芃,鄒平華,方修睦.分布式循環泵供熱系統節能分析[J].煤氣與熱力,2009,29(2):23-26

[2]石兆玉.供熱系統分布式變頻循環水泵的設計[A].見:2006年全國供熱技術研討會論文集[C].2006:27-38

[3]石兆玉.流體網絡分析與綜合[M].北京:清華大學,1993

[4]周守軍.基于管網動態模型的城市集中供熱系統參數預測及運行優化研究[D].濟南:山東大學,2012

Ana lys is on Ene rgy Sa ving of Circ ula ting Pum ps in Dis tribute d He a ting Sys te m

GAO Guang-yang1,ZHANG Lin-hua2,3*,ZHOU Shou-jun1,ZHAO Zong-feng1
1School of Thermal Energy Engineering,Shandong Jianzhu University
2 Key Laboratory of Renewable Energy Utilization Technology in Building of National Education Ministry
3 Shandong Provincial Key Laboratory of Renewable Energy Construction Application Technology

Distributed circulating pump heat-supply system is a new form of a network distribution,compared with traditional heating network,it has the characteristics of low system pressure,saving energy,low operation cost.In this paper,based on the established simulation network,to the three different forms of distributed circulating pump system simulation analysis,concluded that heat pump set separately,the unity of pump and pump and heat users distributed heating system is the most worthy of popularization and application in practical engineering systems.

distributed circulating;pump heating system,energy saving analysis

1003-0344（2015）03-059-4

2013-11-18

張林華（1965～），男，博士，教授；山東建筑大學熱能工程學院（250101）；E-mail:zhth0015@sdjzu.edu.cn

住建部科技計劃項目（2011-K1-34）；山東省住建廳科技計劃項目（2011YK020）