山東建筑大學熱能工程學院 曾德軍 劉學來 李永安
摘 要：給出分布式供熱系統單熱源枝狀各階段系統功率的計算公式，并總結給出分布式相對于傳統系統的節能率計算公式。結合實際工程案例，分析討論計算不同熱用戶負荷分布情況，不同管段平均經濟比摩阻對一級泵匹配方案的影響，對于分布式循環水泵供熱系統，負荷集中區域與零壓差點位置一致時，該區域一級泵功率增長幅度較大，降低管段經濟比摩阻可以起到提高系統穩定性和節能性的效果，但影響效果不佳。
關鍵詞：循環水泵；零壓差點；負荷分布；比摩阻；節能率
0 引言
傳統供熱系統與分布式供熱系統的循環水泵作用具有明顯的不同，循環水泵設置在熱源或供熱首站內，傳統供熱系統是以滿足最不利用戶的零用壓頭來確定循環水泵的揚程，導致近端用戶資用壓頭大于其設計值，不得不通過加閥門來消耗掉其多余的部分壓頭，從而造成能源浪費。研究表明，傳統供熱系統中由于閥門節流造成的能耗費用約占整個系統運行費用的30%，甚至更高[1]。而在分布式供熱系統中，其在熱源位置設置只用來克服熱源內部阻力的熱源循環泵。在用戶處設置克服熱力站以及熱力站之前阻力的分布式循環泵，以減少循環水泵壓力。在現有文獻研究表明：影響系統的穩定性和節能性的共同影響因素主要為零壓差點和泵的選取，而干管、支管平均經濟比摩阻的大小會影響零壓差點的位置和循環水泵的選型，進而對系統的節能性和穩定性產生影響，所以本文針對以上的關系結合實際工程案例進行探討。
1 分布式循環水泵系統物理模型
分布式循環水泵供熱系統在熱源處設置熱源泵，用來承擔熱源內部阻力，經過換熱站在系統官網干線上設置一級循環水泵，如果有二級循環泵系統，則在各熱力站設置二級循環泵，提供該熱力站流量及克服一級官網和熱力站內的阻力。[2]通過確定干管、支管平均比摩阻確定管段壓力損失，結合考慮各用戶泵，換熱站等水頭損失確定出系統零壓差點位置，計算出循環水泵的設計揚程和設計流量，確定出合適的循環水泵配置。一般情況下，換熱站內的一級網變頻循環泵設置在回水管上，這樣可以不需要采用高溫水泵，減少初投資[3]。為了方便討論計算系統的節能性，本文只考慮單熱源枝狀分布式供熱系統（如圖1所示）。
圖1 分布式水泵供熱系統示意圖
2 比摩阻、零壓差點與一級泵配型的關系
供回水壓力相等，壓差為零的點為零壓差點，是分布式水泵供熱系統水力工況的一個標志。影響供回水壓力的影響參數主要有管網比摩阻，用戶熱負荷，各水泵各閥門等部件等影響因子，一般情況下分布式供熱系統存在零壓差點，僅當系統最不利用戶存在資用壓頭而小于其需用壓頭時無零壓差點，此種情況下類似于傳統供熱系統。往往將其供回水壓線的延長交點稱為虛零壓差點。[4]在枝狀管網中，可以利用熱源出口到零壓差點管段的長度簡單度量零壓差點的位置，也即各零壓差點到熱源出口的供回水管段的總阻力損失相等。由于各管網情況（熱網本身結構或用戶負荷等）不同，零壓差點并不是唯一的，即從熱源到每一個熱用戶的通路上都可能出現零壓差點。雖然零壓差點不唯一，但是仍然可以根據零壓差點至熱源出口的管段阻力損失唯一度量，進而可以唯一確定出循環水泵的選型。
3 分布式供熱系統功率
傳統供熱系統熱網的實際消耗功率為各循環水泵的功率之和，而分布式水泵系統存在最小能耗功率。即用戶泵完全匹配用戶所需用功率。根據零壓差點的分布情況，分布式系統的功率主要分為2個階段——零壓差點之前階段系統功率和零壓差點之后階段系統功率。又由于零壓差點的位置會對分布式供熱系統產生不同的影響。無論系統形式如何，分布式供熱系統效率主要為熱源功率，水泵功率，熱用戶消耗功率以及供回水管網的功率。在定壓差點的分布式水泵供熱系統中，零壓差點的位置由熱源循環泵來決定，此時零壓差點的位置可以位于熱源部分，也可位于管網中的某一點。當零壓差點位于熱源處，此時熱源泵提供的揚程只用于克服熱源內部損失。以圖1系統為例，該分布式系統內熱媒輸送功率包括熱源到換熱首站內輸送功率，零壓差點到換熱首站功率和零壓差點之后管網系統功率。下面本文進行分段討論總結每段系統功率計算公式。
3.1 熱源到換熱首站功率
此段系統為換熱首站前面的管網部分，此段系統運行壓頭主要由熱源泵承擔，選擇抽效率主要考慮熱源，供回水管段壓頭損失及換熱首站所消耗的阻力損失，此段系統壓力由熱源泵承擔。作者總結出該段熱源泵的軸功率的計算公式為：
式中：Pml為熱源泵的抽功率（kW）；q為熱源循環泵的流量（t/h）；Δhs為換熱熱源內的壓力損失，取15m；Δhu為換熱首站內的壓力損失，取10m；Δhw為網絡主干線供回水管路的壓力損失（m）；η為循環水泵效率（%）。
3.2 零壓差點到換熱首站功率
3.2.1 零壓差點在換熱首站處
以往學者研究表明，在分布式水泵供熱系統，若使該管段管網運行能耗最低，則需要系統中熱用戶剩余壓頭均為零（資用壓頭等于需用壓頭）的水泵配置形式時熱媒的輸送功率恰好等于系統所需要功率。對于單熱源供熱系統，如果零壓差點在換熱站位置時，此段管網無功率產生，因此不考慮。
3.2.2 零壓差點在干管的任意位置
當零壓差點在第一個熱用戶后時，則定零壓差點前的用戶不需要設置分布式循環水泵，也即該段管網壓力由一級泵承擔，零壓差點后每個支管管網壓力均設置分布式循環水泵來承擔，據此建立的簡化系統模型與零壓差點在1處類似，不同之處在于系統中循環水泵的數量以及相關參數。由此，作者總結得到零壓差點在干管任意位置的循環水泵抽功率（換熱首站到零壓差點位置）的計算公式為：
式中：Pm2為循環水泵的抽功率（kW）；Gi為第i個熱用戶流體流量（t/h）；Hid為第i個熱用戶的設計壓頭（m）；hhi為各熱用戶前換熱站壓頭損失（m）。
3.3 零壓差點之后管網系統功率
該段管網為零壓差點之后的管網系統管段，主要包含熱用戶設計壓頭，循環水泵壓頭損失，管網供回水壓頭損失以及換熱站壓頭損失，作者總結得到該段計算公式如下：
式中：ΔhiJ為第i個熱用戶的供回水管網壓頭損失（m）；hix為第i個熱用戶循環水泵揚程（m）。
3.4 水泵的功率
水泵的功率通常指的都是電動機的輸入功率，即水泵電動機的實際耗電功率，在對水泵進行選型匹配時，主要考慮水泵所提供的揚程和水泵輸送液體的流量，水泵功率一般用 W 表示，其計算公式如下：
式中：W為水泵的功率（W）；ρ為水泵輸送液體的密度（kg/m3）；G為水泵的流量（m3/h）；H為水泵的揚程（mH2O）；η為水泵的總效率（%）。
4 節能率
能源是經濟社會發展的基礎，同時也是影響經濟社會發展的主要因素。近年來，我國的能源生產總量與能源消費總量呈現快速增長的趨勢，但是能源生產一直小于能源消耗，使我國的能源結構面臨嚴峻挑戰。而采暖能耗又在建筑能耗中占有很大的比例。[5]所以，我們有必要用節能率作為評定系統的一個重要指標。前人已經總結得到分布式供熱系統比傳統供熱系統節能，但在循環水泵選型對分布式供熱系統節能性上研究較少。系統節能率為分布式水泵系統熱媒輸送功率與同等工況下傳統供熱系統輸送功率的比值。我們在任何工程中主要通過檢驗系統的節能性來判斷其可行性。因此，作者用過上文對零壓差位置對系統一級泵選型匹配的基礎上，進一步計算每個零壓差點位置分布式供熱系統功率相對于傳統式供熱系統的節能性進行研究。對于傳統供熱系統影響系統循環泵功率的主要影響因素為循環泵流量，循環泵效率與傳統循環泵揚程，由以往經驗總結得知傳統供熱系統的循環泵功率的計算式：
式中： P為傳統供熱系統循環泵功率（W）；q為傳統傳熱系統循環泵流量（m3/h）；H為傳統供熱系統循環泵揚程（m）；η為傳統供熱系統循環泵效率（%）；Δhu為各用戶資用水頭（m）。
傳統集中供熱中水泵的選擇是根據最不利水路的壓頭需求進行選擇的，在設計中只考慮了最不利環路的揚程，其他支路中采用閥門來消耗支路富裕壓頭，為了體現分布式供熱系統的節能性，前人總結得知：分布式的利用效率與零壓差點的位置有關。理論上，零壓差點越接近熱源，越有利于節能。作者通過討論分布式供熱系統零壓差點在換熱站處以及在用戶后干管位置分別得到相應的系統節能率計算公式。
零壓差在換熱首站位置處的分布式系統循環泵總功率p的計算公式如下：
零壓差在熱源處的分布式系統循環泵總功率p的計算公式如下：
通過分析比較分布式供熱與傳統供熱方式的比較，得出分布式供熱系統相對于傳統供熱系統節能率 β的計算式為:
5 工程應用實例
工程概況：
某地以熱電廠作為熱源進行幾種供暖，現改造為分布式供熱系統供熱。綜合當地氣象條件，設計規劃等因素計算得到綜合熱指標為50W/m2。據統計該地共200個熱用戶，供熱面積為2萬平方米。用戶與管網都會安裝水水換熱站，忽略熱源與熱力站之間的位置高度差，一級管網設計供、回水溫度為110、70℃，二級管網設計供、回水溫度為85、60℃，該地供暖室外計算溫度為-7℃，室內計算溫度為18℃，采暖期總采暖小時數為2544h，現對其將原來的傳統供熱系統轉變為分布式水泵供熱系統。簡化為圖1的系統圖，假設該系統供、回水管線完全對稱，設該系統共有n個用戶，最遠端用戶為第n用戶，各用戶所需的資用壓頭相等。
該區域選用傳統供熱方式時，當取模型前20個用戶時，經計算可知q =400t/h，h=397m，P = 635.43kW。
為更好的比較分布式供熱系統零壓差點對系統內水泵選型，系統效率，節能率的影響，作者進行采取不同的零壓差點位置，選擇了4種方案進行數據計算比較：
第一種方案：零壓差點選擇在換熱首站處，此種情況下需要設置較多的循環水泵或加壓泵。
第二種方案：零壓差點位置選取在在第6個換熱站后。
第三種方案：零壓差點位置選取在在第12個換熱站后。
第四種方案：零壓差點選取在最不利用戶，此時需要更多的調節閥進行適當調節。
為方便計算，只采取前20個用戶進行計算分析，設每個用戶的流量相等且等距離分布，供回水管線共長16千米，比摩阻為50Pa/m，每個用戶的流量為20t/h。假設用戶資用壓頭為100KPa。循環泵的效率為70%。換熱首站15m，過濾裝置為2m。
第一種方案：循環泵共使用21個，一級泵揚程為24m。一級泵功率為36.54kW。系統總功率為370.14kW。較傳統式供熱系統節能265.29kW，節能率為41.75%。
第二種方案：循環泵共使用15個，一級泵揚程137m。一級泵功率為217.65kW。系統總功率為384.45kW。較傳統式供熱系統節能25.98kW，節能率為39.50%。
第三種方案：循環泵共使用9個，一級泵揚程251m。一級泵功率為398.76kW。系統總功率為455.95kW。較傳統式供熱系統節能179.48kW，節能率為28.25%。
第四種方案：循環泵共使用3個，一級泵揚程365m。一級泵功率為579.873kW。系統總功率為584.64kW。較傳統式供熱系統節能50.79kW，節能率為8.00%。
由以上四種方案，我們可以進行數據分析得到以下結論：
（1）當零壓差點越靠近熱源位置，所需要的循環水泵越多，增加了泵的初投資，但相對于傳統供熱系統的節能率最大，越遠離熱源位置節能率下降的越快，從長期運營考慮，適合調節管網損失將零壓差點位置靠近熱源。
（2）從上述計算來看，當零壓差點越靠近熱源，一級泵的揚程下降幅度明顯，這有助于提高系統的穩定性和安全性。
在實際工程中，我們不能盲目通過調節系統來使零壓差點靠近于熱源，應該綜合考慮實際工程具體的投資成本和運營成本找出我們所需要的最佳零壓差點，進而能夠對一級泵進行正確配置選型。
前面研究的都是在各用戶恒定的情況下進行的，在實際生活中各用戶熱負荷是不同的，為了研究負荷分布對一級泵選型影響，為方便計算，當負荷集中于近端時，假設前6個熱用戶占總負荷的1/2，6到12個熱用戶占1/3。當負荷集中于中部時，假設前6個熱用戶占總負荷的1/3，6到12個熱用戶占1/2。因此，下面按以上計算方式對負荷集中于近端、中部和遠端進行計算并統計畫圖得以下。
圖2 一級泵功率隨零壓差點的關系
由上圖我們可以看出，負荷分布不會改變方案一和四的一級泵功率，負荷集中區域，一級泵功率消耗幅度越大，當負荷集中熱網遠端時，零壓差點越靠近熱源，一級泵承擔壓力相對于其他負荷分布越明顯，但以往文獻已經得出負荷集中區越靠近熱源，分布式循環泵供熱系統的經濟性越好[6]。因此，在綜合考慮系統穩定性和節能性上，應根據負荷分布情況確定零壓差點位置，進而唯一確定出各負荷分布情況下的一級泵選型配置。
減小比摩阻能夠解決管道的運營成本，但以往文獻比摩阻對一級泵配型和系統節能率的研究較少。本文通過改變比摩阻的大小，研究其對系統一級泵與節能率的影響。具體計算數據見下表1。
表1 不同比摩阻下系統節能率
一級泵的揚程與功率與比摩阻的變化是一致的，系統節能率與比摩阻成反比例關系，比摩阻越小，一級泵揚程，功率系統總能耗都越小，節能效果越好。但比摩阻對系統影響并不大，不建議增大投資通過改變比摩阻的方式來改變系統的節能率。
6 結論
由以上綜述分析可知，影響一級泵選型因素很多。但主要因素為零壓差點位置和負荷分布情況。應該根據實際工程情況兼顧系統穩定性和節能性要求，選取最佳零壓差點，進而合理選擇一級泵配型。本文章從比摩阻、零壓差點位置和負荷分布對系統節能率和一級泵選型配置的影響進行研究得出以下結論：
（1）比摩阻和負荷分布都會影響零壓差點的位置，進而唯一決定各情況下一級泵選型，同時對系統的穩定性和節能性產生影響。
（2）比摩阻越低，一級泵功率和系統總能耗都有所降低，也有助于提高系統的節能效果。但比摩阻對系統影響并不大，不建議增大投資通過改變比摩阻的方式來改變系統的節能率。
（3）系統負荷分布不同，零壓差點位置不同，應兼顧系統整體成本與安全得出相應的一級泵配置方案。
從以上結論我們可以得知掌握好零壓差點位置，負荷分布，管段比摩阻，一級泵的選型配置與系統的節能率之間的關系，是系統設計水力工況必然考慮的因素。
參考文獻
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備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2017年3月刊總第3期。
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