李松秒， 王 芃， 王 瑩， 王 鎮(zhèn)

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院,黑龍江哈爾濱150090；2.寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江哈爾濱150001；3.河北曦昌工程建設(shè)有限公司，河北滄州061000)

1 概述

供熱系統(tǒng)的末端裝置多樣，如散熱器、輻射供暖裝置、暖風(fēng)機(jī)和風(fēng)機(jī)盤管等。各類末端裝置對(duì)供暖參數(shù)的要求也不盡相同。在城市建設(shè)的進(jìn)程中，不同供熱參數(shù)的用戶系統(tǒng)在同一換熱站內(nèi)共存的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。

在歐洲國(guó)家，供暖系統(tǒng)與熱水供應(yīng)系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)連接尤為常見。在級(jí)聯(lián)換熱系統(tǒng)中，熱水供應(yīng)系統(tǒng)的冷水首先利用供暖環(huán)路的回水初步加熱，再被較高溫度的熱水加熱，從而有效利用了不同溫度水平的熱水的能量[1]。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，歐洲的供暖和熱水供應(yīng)總消耗量占?xì)W盟總能耗的20%以上[2]，因此，國(guó)外學(xué)者針對(duì)系統(tǒng)節(jié)能進(jìn)行了多角度研究。Badescu[3]分析了太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)中供暖和熱水供應(yīng)系統(tǒng)級(jí)聯(lián)連接的運(yùn)行工況；Elmegaard等人[4]分析了8種供暖和熱水供應(yīng)系統(tǒng)連接方案的火用效率和年供熱成本，結(jié)果表明在一次側(cè)采用蓄熱裝置的級(jí)聯(lián)連接方案最優(yōu)。

然而國(guó)內(nèi)熱水供應(yīng)系統(tǒng)較少，供暖系統(tǒng)和熱水供應(yīng)系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)形式并不常見。但是在區(qū)域換熱站中，散熱器供暖環(huán)路與地面輻射供暖環(huán)路并存的情況不為少數(shù)。通常采用以下兩種連接形式，換熱站并聯(lián)系統(tǒng)見圖1。圖1a中，散熱器供暖環(huán)路與地面輻射供暖環(huán)路的換熱器并聯(lián)，兩個(gè)環(huán)路相互獨(dú)立。圖1b中，二級(jí)管網(wǎng)供水溫度是根據(jù)散熱器環(huán)路系統(tǒng)供水溫度設(shè)計(jì)的；地面輻射供暖環(huán)路采用混水連接，實(shí)現(xiàn)較低的供水溫度。這兩種方法各有特點(diǎn)，但回水溫度均沒有得到有效利用。

圖1 換熱站并聯(lián)系統(tǒng)E.換熱器 P1、P2.循環(huán)水泵 P3.混水泵

針對(duì)散熱器和地面輻射供暖系統(tǒng)共網(wǎng)運(yùn)行的情況，雷新義[5]總結(jié)了采用水噴射器、混水泵和供水加壓泵等的并聯(lián)形式，以及一類級(jí)聯(lián)形式，指出了各連接形式的設(shè)計(jì)條件和要點(diǎn)。?？≈镜热薣6]和周立彪等人[7]則針對(duì)既有換熱站增加其他類型供暖用戶(供暖參數(shù)不一致)的情況提出了相應(yīng)的改造方案，其中對(duì)既有散熱器供暖換熱站增加地面輻射供暖用戶的改造采用了級(jí)聯(lián)形式。級(jí)聯(lián)方案的應(yīng)用由來(lái)已久，本文在上述研究和應(yīng)用基礎(chǔ)上，總結(jié)歸納了級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的兩種形式，并嘗試采用火用效率和換熱效能作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)價(jià)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的性能。

2 級(jí)聯(lián)方案及其性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

① 級(jí)聯(lián)方案

換熱站級(jí)聯(lián)系統(tǒng)見圖2。散熱器供暖環(huán)路(環(huán)路1)與地面輻射供暖環(huán)路(環(huán)路2)的級(jí)聯(lián)可采用圖2所示的兩種形式。

圖2 換熱站級(jí)聯(lián)系統(tǒng)E.換熱器 P1、P2.循環(huán)水泵 P3.混水泵 F1、F1、F3.閥門

a.換熱站一次側(cè)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)

在換熱站一次側(cè)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)中，兩個(gè)用戶環(huán)路相互獨(dú)立，分別設(shè)置有換熱器和二次側(cè)循環(huán)水泵(P1、P2)。如圖2a所示，一級(jí)管網(wǎng)中環(huán)路1與環(huán)路2串聯(lián)為主、并聯(lián)為輔，優(yōu)先使用環(huán)路1的回水供給環(huán)路2。當(dāng)環(huán)路1的回水可滿足環(huán)路2的需求時(shí)，僅通過(guò)閥門F3引入環(huán)路1回水；當(dāng)環(huán)路1回水不能滿足環(huán)路2的需求時(shí)，可另通過(guò)閥門F2引入溫度更高的環(huán)路1供水參與混水。閥門F1用以平衡環(huán)路1和2的質(zhì)量流量。

b.換熱站二次側(cè)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)

在換熱站二次側(cè)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)中，兩個(gè)用戶環(huán)路的供熱由一組換熱器承擔(dān)，兩個(gè)用戶環(huán)路相互耦合。如圖2b所示，二級(jí)管網(wǎng)環(huán)路1與環(huán)路2串聯(lián)為主、并聯(lián)為輔，優(yōu)先使用環(huán)路1回水供給環(huán)路2。當(dāng)環(huán)路1回水溫度高于環(huán)路2供水溫度時(shí)，環(huán)路2的回水參與混水；當(dāng)環(huán)路1回水溫度低于環(huán)路2供水溫度時(shí)，由換熱器二次側(cè)供水補(bǔ)充熱量。兩個(gè)環(huán)路的循環(huán)動(dòng)力通過(guò)2組循環(huán)水泵P1和P2進(jìn)行匹配，由循環(huán)水泵P1克服換熱器和環(huán)路1阻力，P2克服環(huán)路2阻力。

② 級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的多工況計(jì)算

散熱器和地面輻射供暖環(huán)路的參數(shù)制約著級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的運(yùn)行方式。以換熱站二次側(cè)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)圖2b為例，根據(jù)兩個(gè)環(huán)路的質(zhì)量流量與熱水溫度的匹配情況確定了表1所示的11種工況，各工況二級(jí)管網(wǎng)的總質(zhì)量流量和回水溫度依據(jù)熱平衡計(jì)算可得。換熱站二次側(cè)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的多工況計(jì)算見表1。

表1 換熱站二次側(cè)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的多工況計(jì)算

表中qmh2——二級(jí)管網(wǎng)總質(zhì)量流量，t/h

Th2——二級(jí)管網(wǎng)回水溫度，K

qms、qmd——散熱器、地面輻射供暖環(huán)路的質(zhì)量流量，t/h

Tgs、Ths——散熱器供暖環(huán)路的供、回水溫度，K

Tgd、Thd——地面輻射供暖環(huán)路的供、回水溫度，K

③ 性能指標(biāo)

a.火用效率

火用效率是系統(tǒng)或過(guò)程中作為收益的火用與作為代價(jià)的火用的比值[8]?；鹩眯试礁撸砻飨到y(tǒng)的能量利用越合理。本文所涉及的熱量火用是指高于環(huán)境溫度的系統(tǒng)在給定的環(huán)境條件下，通過(guò)邊界傳遞的能量中所能做的最大有用功。火用效率的計(jì)算式[8]為：

(1)

式中η——火用效率

T0——環(huán)境溫度，文中指室外計(jì)算溫度，K

Tg2——二級(jí)管網(wǎng)供水溫度，K

Tg1、Th1——一級(jí)管網(wǎng)供、回水溫度，K

b.換熱效能

換熱效能是換熱器的實(shí)際傳熱量與最大可能傳熱量之比[9]。最大可能傳熱量表明了熱交換的全部潛力，所以換熱效能也就是在實(shí)際運(yùn)行中完成這種潛力的程度。從這種意義上說(shuō)，它也是表征熱力學(xué)第二定律的完善程度的一個(gè)物理量。換熱效能的表達(dá)式[9]如下：

(2)

式中ε——換熱效能

3 級(jí)聯(lián)系統(tǒng)性能分析

本節(jié)以換熱站二次側(cè)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)(圖2b)為例研究級(jí)聯(lián)系統(tǒng)性能及其影響因素。假設(shè)室外計(jì)算溫度為-20 ℃時(shí)，一級(jí)管網(wǎng)設(shè)計(jì)供、回水溫度為120 ℃、60 ℃，散熱器供暖環(huán)路設(shè)計(jì)供、回水溫度為70 ℃、50 ℃，地面輻射供暖環(huán)路設(shè)計(jì)供、回水溫度為50 ℃、40 ℃，地面輻射和散熱器供暖環(huán)路質(zhì)量流量比(以下簡(jiǎn)稱用戶環(huán)路質(zhì)量流量比)為1∶1，一、二級(jí)管網(wǎng)質(zhì)量流量比為1∶2。以上述參數(shù)為基準(zhǔn)參數(shù)，分析各設(shè)計(jì)因素對(duì)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響程度。

① 供水溫度和一、二級(jí)管網(wǎng)質(zhì)量流量比對(duì)系統(tǒng)性能的影響

假設(shè)室外計(jì)算溫度、用戶環(huán)路質(zhì)量流量比不變，分別在合理范圍內(nèi)改變一級(jí)管網(wǎng)設(shè)計(jì)供水溫度，二級(jí)管網(wǎng)設(shè)計(jì)供水溫度和一、二級(jí)管網(wǎng)質(zhì)量流量比，研究3個(gè)因素的變化對(duì)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況下性能指標(biāo)的影響。其中，一、二級(jí)管網(wǎng)質(zhì)量流量比的改變將影響一、二級(jí)管網(wǎng)回水溫度繼而影響系統(tǒng)性能指標(biāo)。在各因素分析中，依據(jù)換熱站一、二次側(cè)的熱平衡計(jì)算耦合變量的值，其中二級(jí)管網(wǎng)的參數(shù)計(jì)算見表1，系統(tǒng)性能指標(biāo)隨供熱參數(shù)的變化規(guī)律見圖3。

圖3 系統(tǒng)性能指標(biāo)隨供熱參數(shù)的變化規(guī)律

由圖3可見，二級(jí)管網(wǎng)供水溫度與級(jí)聯(lián)系統(tǒng)性能指標(biāo)呈正相關(guān)，一級(jí)管網(wǎng)供水溫度和一、二級(jí)管網(wǎng)質(zhì)量流量比與性能指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)。3個(gè)因素對(duì)換熱效能的影響程度均較顯著，其中一、二級(jí)管網(wǎng)質(zhì)量流量比的影響最大。二級(jí)管網(wǎng)供水溫度對(duì)火用效率的影響最大，而一、二級(jí)管網(wǎng)質(zhì)量流量比對(duì)其影響程度最小。在設(shè)計(jì)工況，具有較低的一級(jí)管網(wǎng)供水溫度、較高的二級(jí)管網(wǎng)供水溫度和較低的一、二級(jí)管網(wǎng)質(zhì)量流量比的級(jí)聯(lián)系統(tǒng)具有更高的性能指標(biāo)。

② 用戶環(huán)路質(zhì)量流量比對(duì)系統(tǒng)性能的影響

假設(shè)室外計(jì)算溫度、一級(jí)管網(wǎng)設(shè)計(jì)供水溫度、兩個(gè)供暖環(huán)路的設(shè)計(jì)供回水溫度以及一、二級(jí)管網(wǎng)的質(zhì)量流量比不變，分析用戶環(huán)路質(zhì)量流量比對(duì)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)性能的影響。以二次側(cè)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)和并聯(lián)系統(tǒng)為例，系統(tǒng)性能指標(biāo)隨用戶環(huán)路質(zhì)量流量比的變化規(guī)律見圖4。

圖4 系統(tǒng)性能指標(biāo)隨用戶環(huán)路質(zhì)量流量比的變化規(guī)律

由圖4可見，隨著地面輻射供暖環(huán)路的質(zhì)量流量占比逐漸增大，二級(jí)管網(wǎng)回水溫度的利用程度提高，系統(tǒng)火用效率和換熱效能都逐漸提升，其中并聯(lián)系統(tǒng)的性能指標(biāo)均低于級(jí)聯(lián)系統(tǒng)。當(dāng)?shù)孛孑椛涔┡h(huán)路質(zhì)量流量等于散熱器環(huán)路質(zhì)量流量(用戶環(huán)路質(zhì)量流量比等于1)時(shí)，在假設(shè)的散熱器回水溫度與地面輻射供暖溫度相等的前提下，散熱器供暖環(huán)路的回水溫度已被全部用于地面輻射供暖環(huán)路，溫度的梯級(jí)利用已最大化，系統(tǒng)火用效率和換熱效能也在此達(dá)到最大值。

從圖4亦可見，級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的火用效率并未見明顯提升，但是其換熱效能較并聯(lián)系統(tǒng)有顯著提高。結(jié)合圖3的數(shù)據(jù)表現(xiàn)，采用換熱效能評(píng)價(jià)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)具備較高的數(shù)據(jù)敏感性，且易于區(qū)別于并聯(lián)系統(tǒng)。但是根據(jù)式(2)，換熱效能的評(píng)價(jià)缺少對(duì)二級(jí)管網(wǎng)供水溫度的考量，而火用效率則全面考慮了換熱站一、二次側(cè)的溫度參數(shù)。

4 級(jí)聯(lián)系統(tǒng)應(yīng)用案例

換熱站級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的工程案例位于河北省滄州市，該地區(qū)供暖室外計(jì)算溫度為-7.1 ℃。在案例換熱站的供熱區(qū)域內(nèi)，采用散熱器供暖的A區(qū)域供熱面積為9.5×104m2，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為4 100 kW，設(shè)計(jì)供、回水溫度為65 ℃、50 ℃；采用地面輻射供暖的B區(qū)域供熱面積為1.5×104m2，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為600 kW，設(shè)計(jì)供、回水溫度為50 ℃、40 ℃。一級(jí)管網(wǎng)設(shè)計(jì)供、回水溫度為120 ℃、60 ℃，實(shí)際運(yùn)行時(shí)最不利工況的一級(jí)管網(wǎng)運(yùn)行供、回水溫度約為100 ℃、60 ℃。散熱器供暖環(huán)路的設(shè)計(jì)回水溫度與地面輻射供暖環(huán)路的設(shè)計(jì)供水溫度相等，且地面輻射供暖環(huán)路質(zhì)量流量較小，設(shè)計(jì)用戶環(huán)路質(zhì)量流量比僅為0.22。改造原并聯(lián)系統(tǒng)時(shí)采用了二次側(cè)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的形式(見圖2b)。

采集案例換熱站處于較穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的2018年12月29日至2019年1月22日的日平均數(shù)據(jù)，散熱器和地面輻射供暖環(huán)路的供回水溫度時(shí)序曲線見圖5。

圖5 散熱器和地面輻射供暖環(huán)路的供回水溫度時(shí)序曲線

根據(jù)圖5，地面輻射供暖環(huán)路供水溫度與散熱器供暖環(huán)路回水溫度接近，其差值絕對(duì)值的平均值僅為0.26 ℃，可認(rèn)為是測(cè)量誤差所致。根據(jù)采集數(shù)據(jù)推算一、二級(jí)管網(wǎng)質(zhì)量流量和熱負(fù)荷。由于供熱區(qū)域入住率低，熱負(fù)荷時(shí)有增減，熱負(fù)荷與室外溫度呈現(xiàn)較復(fù)雜的非線性關(guān)系。因此，按計(jì)算的運(yùn)行熱負(fù)荷與設(shè)計(jì)熱負(fù)荷的比值(以下簡(jiǎn)稱熱負(fù)荷比)整理一、二級(jí)管網(wǎng)的供回水溫度和質(zhì)量流量曲線，見圖6?？梢钥闯觯跀?shù)據(jù)采集期內(nèi)，一、二級(jí)管網(wǎng)的供回水溫度基本恒定，無(wú)明顯變化趨勢(shì)；一、二級(jí)管網(wǎng)的質(zhì)量流量隨著熱負(fù)荷比的減小(室外溫度的升高)均有小幅下降，其中二級(jí)管網(wǎng)的質(zhì)量流量降幅較明顯。

圖6 級(jí)聯(lián)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)隨熱負(fù)荷比的變化曲線

在運(yùn)行工況中，一、二級(jí)管網(wǎng)的供水溫度和質(zhì)量流量隨著室外溫度而調(diào)節(jié)。根據(jù)式(1)、(2)計(jì)算級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的火用效率和換熱效能，運(yùn)行工況系統(tǒng)性能指標(biāo)隨熱負(fù)荷比的變化見圖7。

圖7 運(yùn)行工況系統(tǒng)性能指標(biāo)隨熱負(fù)荷比的變化

在運(yùn)行工況下，該系統(tǒng)的換熱效能基本恒定，火用效率隨著熱負(fù)荷比的增加而略有升高。該案例中，換熱效能維持較高水平，其原因是一級(jí)管網(wǎng)質(zhì)量流量較小而二級(jí)管網(wǎng)質(zhì)量流量大，懸殊的一、二級(jí)管網(wǎng)質(zhì)量流量和較低的二級(jí)管網(wǎng)供水溫度導(dǎo)致一、二級(jí)管網(wǎng)的回水溫度接近，二級(jí)管網(wǎng)的回水溫度略低于一級(jí)管網(wǎng)。由于地面輻射供暖熱負(fù)荷在總熱負(fù)荷中的占比較小，回水溫度的熱量并未得到充分利用。但是得益于二級(jí)管網(wǎng)的大質(zhì)量流量、低溫度運(yùn)行，二級(jí)管網(wǎng)回水溫度與地面輻射供暖環(huán)路的回水溫度之間僅有4～5 ℃的溫差，火用損并不高。換句話說(shuō)，如果地面輻射供暖熱負(fù)荷占比增加，在本例的運(yùn)行方式下火用效率的提升空間并不大。

5 結(jié)論

針對(duì)換熱站內(nèi)多個(gè)熱用戶系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)不同的情況，以散熱器與地面輻射供暖用戶共存為例，歸納總結(jié)換熱站一次側(cè)、二次側(cè)級(jí)聯(lián)方案，以換熱站二次側(cè)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)為例，闡述多工況的參數(shù)計(jì)算方法。以火用效率和換熱效能為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究級(jí)聯(lián)系統(tǒng)性能及其影響因素。結(jié)合工程案例，分析級(jí)聯(lián)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行條件制約下的性能。結(jié)果表明：

① 級(jí)聯(lián)形式可根據(jù)需求在換熱站的一次側(cè)或二次側(cè)設(shè)置。當(dāng)在二次側(cè)設(shè)置級(jí)聯(lián)系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)散熱器和地面輻射供暖環(huán)路供回水溫度與質(zhì)量流量的匹配情況，共有11種不同的工況。

② 在設(shè)計(jì)工況下，二級(jí)管網(wǎng)供水溫度與級(jí)聯(lián)系統(tǒng)性能指標(biāo)呈正相關(guān)，一級(jí)管網(wǎng)供水溫度和一二級(jí)管網(wǎng)質(zhì)量流量比與性能指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)。隨著地面輻射供暖環(huán)路質(zhì)量流量占比的增加，級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的性能指標(biāo)可達(dá)到最大值。

③ 所歸納的級(jí)聯(lián)系統(tǒng)不局限于散熱器與地面輻射供暖系統(tǒng)的連接，適用于運(yùn)行參數(shù)不同的各類閉式熱用戶系統(tǒng)的連接。當(dāng)熱用戶系統(tǒng)特性迥異時(shí)，如熱水供應(yīng)系統(tǒng)與供暖系統(tǒng)，其級(jí)聯(lián)形式將更為豐富多樣。