吉林省金石置業(yè)有限責(zé)任公司供熱分公司 孟慶俊 王 嵩

北京軍區(qū)鍋爐檢驗(yàn)所 馬玉巖

0 引言

水力失調(diào)現(xiàn)象普遍存在于供暖系統(tǒng)中，尤其是二次網(wǎng)中。因缺少一次網(wǎng)的自動(dòng)化調(diào)控手段，為了保證室溫偏低的建筑的房間室溫不低于18 ℃，就需要提高供暖參數(shù)來提升偏低的室溫，但會(huì)使其他大部分用戶的室溫偏高，造成能源的極大浪費(fèi)。從某小區(qū)室溫云平臺上可以看到監(jiān)測的15戶的室內(nèi)平均溫度，2020年1月30日20：00為21.4 ℃，其中最高室溫達(dá)到23.6 ℃，最低室溫為18.7 ℃，室溫偏差在4 ℃以上。

統(tǒng)計(jì)嚴(yán)寒地區(qū)某小區(qū)供暖季運(yùn)行數(shù)據(jù)，假定耗熱量最低的樓所需的熱量能夠滿足要求，可推算出過度的供熱量占到該區(qū)域總供熱量的14%左右[1]，因此應(yīng)關(guān)注二次網(wǎng)的水力平衡，進(jìn)行二次網(wǎng)的節(jié)能改造。

分布式供暖輸配系統(tǒng)在消除冷熱不均、節(jié)電、節(jié)能方面有較大的技術(shù)優(yōu)勢，目前在一次網(wǎng)中研究和應(yīng)用較多。分布式供暖輸配系統(tǒng)于2007年在新疆庫爾勒市新建一次網(wǎng)工程中被首次應(yīng)用，2013年6月發(fā)布的13K511《分布式冷熱輸配系統(tǒng)用戶裝置設(shè)計(jì)與安裝》大大促進(jìn)了該技術(shù)的應(yīng)用。至今，在全國范圍內(nèi)已應(yīng)用近2億～3億m2供暖面積[2]，近幾年在直供網(wǎng)改造中也有了應(yīng)用[3]。本文介紹應(yīng)用分布式供暖輸配系統(tǒng)解決二次網(wǎng)水力失衡的案例，對比3種不同改造方式的節(jié)能效果。

1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目位于嚴(yán)寒地區(qū)，供暖建筑面積11萬m2，分別給1#小區(qū)、2#小區(qū)、技術(shù)學(xué)院及某辦公樓(以下簡稱學(xué)校)供暖。采用分布式換熱站供暖，在一次網(wǎng)回水管上安裝11 kW變頻泵，提供該換熱站至鍋爐房平衡管后的資用壓力和用戶的資用壓力；換熱站二次網(wǎng)回水管上安裝1臺功率45 kW、流量373 m3/h、揚(yáng)程28 m的變頻泵，提供換熱站至用戶的資用壓力。該站二次網(wǎng)分為1#小區(qū)、2#小區(qū)、學(xué)校3條供暖分支，換熱站工藝流程如圖1所示。

圖1 改造前換熱站工藝流程

1#小區(qū)為民用住宅，2001年建成，管網(wǎng)老化較為嚴(yán)重，戶型面積為100～130 m2，樓內(nèi)大戶型居多，用戶供暖形式為散熱器和地板輻射供暖，采用DN20入戶管，管徑較小。

2#小區(qū)為民用住宅，室內(nèi)均為工程專用散熱器，容水量很小，散熱效果差，且該小區(qū)入住率偏低，影響供暖效果。

學(xué)校為公共建筑，散熱器供暖，供暖用熱時(shí)間與住宅不一致。

可以看出，供暖系統(tǒng)存在兩方面不足：一是無法分區(qū)調(diào)控，公共建筑與住宅混在1個(gè)二次網(wǎng)中；二是供水溫度需求不同，用戶散熱設(shè)備的散熱能力差異較大，地板輻射和散熱器混在1個(gè)供暖系統(tǒng)中，無法分區(qū)調(diào)控。

2 改造方案比選

1) 方案1：取消原循環(huán)水泵，根據(jù)二次網(wǎng)各分支的用戶負(fù)荷、阻力情況選擇各自的用戶泵。各分支根據(jù)實(shí)際用熱需求變頻調(diào)節(jié)運(yùn)行流量。由分支上的用戶泵負(fù)責(zé)各支路和換熱站內(nèi)的水循環(huán)，實(shí)現(xiàn)各分支的流量調(diào)節(jié)。系統(tǒng)原理如圖2所示，水泵參數(shù)見表1。

表1 方案1水泵參數(shù)

圖2 方案1系統(tǒng)改造原理

方案1與改造前二次網(wǎng)變頻泵相比，水泵總功率下降了4.5 kW。

2) 方案2：在方案1的基礎(chǔ)上，在各分支供回水之間增加混水管，輔助調(diào)節(jié)分支供水溫度。改造原理如圖3所示，方案1與方案2水壓圖見圖4。

圖3 方案2系統(tǒng)改造原理

注：H為各用戶泵的揚(yáng)程；h為用戶的資用壓頭；下標(biāo)1、2、3分別代表1#小區(qū)、2#小區(qū)、學(xué)校。圖4 方案1和方案2的水壓圖

方案2增加了混水功能，通過調(diào)節(jié)各分支上的閥門，改變混水比來實(shí)現(xiàn)各分支個(gè)性化供水溫度。方案1和方案2用戶泵的流量是相同的。但方案2中換熱器與混水管之間形成并聯(lián)環(huán)路，進(jìn)入換熱器的流量減少，換熱器的阻力較小。因此，方案2中熱源回水壓力較低，用戶泵所需提供的揚(yáng)程也較低，如圖4所示。但由于水泵選型限制，方案1和方案2的水泵選型參數(shù)一致。

3) 方案3：改造為分布式供暖輸配系統(tǒng)，在換熱器冷介質(zhì)進(jìn)口總管上增加二次網(wǎng)熱源泵，分支上安裝用戶泵來負(fù)責(zé)用戶側(cè)的負(fù)荷調(diào)節(jié)與循環(huán)，不設(shè)置平衡管；同時(shí)各分支供回水管之間增加混水管，通過安裝在混水管上的閥門來調(diào)節(jié)混水比，實(shí)現(xiàn)各環(huán)路分區(qū)調(diào)控的目的。這種方式相當(dāng)于把用戶改為分布式混水站。改造原理如圖5所示。

圖5 方案3系統(tǒng)改造原理

如圖5所示，這種方式的用戶泵可以安裝在用戶供水管上，也可以安裝在回水管上，用戶泵既完成二次網(wǎng)的水循環(huán)，又實(shí)現(xiàn)一、二次網(wǎng)的混水功能[4]。考慮該項(xiàng)目現(xiàn)場安裝條件，將用戶泵安裝在回水管上。

混水系統(tǒng)的混合比越大，一次網(wǎng)輸送電功率越小，節(jié)電效果越好。因此，該項(xiàng)目二次網(wǎng)熱源側(cè)流量參考一次側(cè)供回水溫差進(jìn)行選型，各用戶泵按二次網(wǎng)設(shè)計(jì)的供回水溫差進(jìn)行選型，并結(jié)合實(shí)際水力平衡調(diào)節(jié)情況優(yōu)化各用戶分支水泵流量及揚(yáng)程。

方案3水壓圖見圖6。從圖6可知，從二次網(wǎng)熱源泵到分支混水管之間存在零壓差點(diǎn)，混水管兩端的資用壓頭為負(fù)。

方案3的水泵參數(shù)見表2。

表2 方案3水泵參數(shù)

方案3與方案1、2相比，系統(tǒng)復(fù)雜，但二次網(wǎng)熱源側(cè)采用大溫差運(yùn)行方式，可以顯著降低換熱站內(nèi)二次網(wǎng)熱源管網(wǎng)循環(huán)流量，水泵配置功率是3種方案中最小的。方案3與改造前相比，水泵裝機(jī)容量下降了8 kW，減少17.8%。因此，采用方案3分布式供暖輸配系統(tǒng)進(jìn)行改造，同時(shí)增加二次網(wǎng)熱源泵泵前壓力、二次網(wǎng)熱源供水壓力、用戶泵泵后壓力、用戶側(cè)供/回水壓力等壓力監(jiān)測點(diǎn)，同步升級控制系統(tǒng)。項(xiàng)目改造后，該站監(jiān)控系統(tǒng)并入監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)管。改造后的監(jiān)控界面見圖7。

注：H0為二次網(wǎng)熱源泵揚(yáng)程，即負(fù)責(zé)克服換熱器內(nèi)部阻力及平衡點(diǎn)至換熱器間的管網(wǎng)阻力。圖6 方案3分布式輸配系統(tǒng)水壓圖

圖7 換熱站監(jiān)控界面

3 運(yùn)行調(diào)節(jié)

3.1 運(yùn)行方式

從圖7可以看出，改造后通過混水來實(shí)現(xiàn)分區(qū)調(diào)控，換熱站內(nèi)有一次網(wǎng)回水管上的分布式水泵、二次網(wǎng)熱源泵和各用戶泵。

分布式水泵負(fù)責(zé)從一次網(wǎng)中提取熱量，由監(jiān)控中心統(tǒng)一控制各站一次網(wǎng)的熱力平衡，同時(shí)具備本地氣候補(bǔ)償控制功能，實(shí)現(xiàn)該站供熱量的自動(dòng)調(diào)控。

零壓差點(diǎn)的位置受二次網(wǎng)熱源泵和各用戶泵的共同影響。當(dāng)二次網(wǎng)熱源供回水壓差和流量不變，而用戶側(cè)的流量減少時(shí)，零壓差點(diǎn)向用戶側(cè)偏移。當(dāng)用戶側(cè)的流量增加，而二次網(wǎng)熱源供回水壓差和流量不變時(shí)，零壓差點(diǎn)向熱源側(cè)偏移。因此，運(yùn)行期間，為了保持設(shè)計(jì)工況混水比，二次網(wǎng)熱源泵和用戶泵協(xié)調(diào)運(yùn)行。

供暖季運(yùn)行時(shí)，該站二次網(wǎng)采用定零壓差[5]的運(yùn)行方式。二次網(wǎng)熱源泵依據(jù)設(shè)計(jì)流量變頻運(yùn)行；用戶側(cè)循環(huán)水依據(jù)設(shè)計(jì)流量運(yùn)行，通過混水管與二次網(wǎng)熱源供水混合后為用戶供暖。通過現(xiàn)場的自控系統(tǒng)對室外天氣進(jìn)行跟蹤、判斷。在室外氣溫較高的初、末寒期，采用分時(shí)變流量控制模式：在晴天、室外氣溫較高的時(shí)段，同步降低二次網(wǎng)熱源泵、用戶泵頻率，維持零壓差點(diǎn)基本不變。這種控制方式利用了供暖系統(tǒng)的熱惰性，在允許的用戶室溫波動(dòng)區(qū)間內(nèi)，降低輸配系統(tǒng)耗電量。

當(dāng)用戶泵意外停泵時(shí)，采用變零壓差的運(yùn)行方式實(shí)施故障保護(hù)。當(dāng)控制系統(tǒng)監(jiān)測到用戶泵意外停泵后，自動(dòng)維持二次網(wǎng)熱源泵頻率不變，即二次網(wǎng)熱源供回水壓差和流量不變，此時(shí)零壓差點(diǎn)偏移到用戶混水管后，混水管處資用壓力為正，二次網(wǎng)熱源供水直接進(jìn)入用戶側(cè)循環(huán)，防止用戶側(cè)供暖設(shè)施凍壞。

3.2 用戶泵停運(yùn)分析

2019年10月26日10：00左右，用戶面積占總面積約60%的1#小區(qū)用戶泵停泵，此時(shí)控制系統(tǒng)啟動(dòng)故障保護(hù)措施，二次網(wǎng)熱源泵的頻率保持不變，即二次網(wǎng)熱源的供回水壓差不變，2#小區(qū)用戶泵和學(xué)校用戶泵頻率不變。

2#小區(qū)用戶泵故障停運(yùn)，該環(huán)路循環(huán)流量降低，零壓差點(diǎn)偏移到1#小區(qū)用戶混水管后。從圖8可以看出，3個(gè)用戶的供回水壓差都不同程度降低，其中1#小區(qū)用戶供回水壓差下降最快，但還保留有2 m壓差。

圖8 1#小區(qū)用戶泵停運(yùn)對其他用戶供回水壓差的影響

管道阻力特性的基本計(jì)算式為

Δp=SG2

(1)

式中 Δp為管段壓降，m；S為管道的阻力特性系數(shù)，m/(m3/h)2；G為管段的體積流量，m3/h。

1#小區(qū)用戶端阻力特性系數(shù)S不變，用戶泵停運(yùn)，導(dǎo)致用戶資用壓力由原來的6 m下降至2 m，由式(1)可推導(dǎo)出流量下降到原來循環(huán)流量的57%。

1#小區(qū)用戶泵停運(yùn)，必然會(huì)導(dǎo)致二次網(wǎng)熱源供水進(jìn)入阻力相對偏小的其他2個(gè)環(huán)路，使其水溫上升，如圖9所示，學(xué)校和2#小區(qū)用戶的供水溫度開始上升，尤其是揚(yáng)程相對較大的學(xué)校，20 min內(nèi)供水溫度上升了6 ℃。

圖9 1#小區(qū)用戶泵停運(yùn)對其他用戶供水溫度的影響

3.3 耦合性分析

保持二次網(wǎng)熱源泵、其他用戶泵頻率不變，學(xué)校用戶泵運(yùn)行頻率從39 Hz降低到38 Hz，觀測各用戶供回水壓差和供水溫度的變化，結(jié)果見圖10、11。08：00學(xué)校用戶泵頻率降低到38 Hz并保持，1#小區(qū)和2#小區(qū)用戶環(huán)路的供回水壓差和供水溫度基本沒有變化，而學(xué)校分支的供水溫度呈下降趨勢。說明某一用戶泵頻率下降1 Hz，對其他用戶影響較小，這種方式各用戶泵之間耦合度小，系統(tǒng)的可調(diào)性強(qiáng)。

圖10 學(xué)校用戶泵降頻后其他用戶供回水壓差變化

圖11 學(xué)校用戶泵降頻后其他用戶供水溫度變化

4 改造效果分析

4.1 各分支供暖情況

改造后通過混水管，各分支可實(shí)現(xiàn)個(gè)性化供暖，解決了學(xué)校分支與住宅小區(qū)分支用熱時(shí)間不一致的矛盾，調(diào)節(jié)速度快。如圖12所示，供暖季各分支能夠?qū)崿F(xiàn)個(gè)性化供暖，學(xué)校二次網(wǎng)供回水溫度平均值始終低于住宅類用戶的溫度，能夠把節(jié)省下的供熱量提供給住宅分支。尤其是在室外氣溫較高時(shí)(不低于-5 ℃時(shí))，能夠明顯看到學(xué)校的供熱量低于其他2個(gè)環(huán)路。

圖12 改造后用戶分支供回水溫度平均值分布

4.2 節(jié)電分析

該站為無人值守站，換熱站安裝電表，記錄輸配系統(tǒng)和補(bǔ)水系統(tǒng)的耗電量，由于補(bǔ)水量比較穩(wěn)定，可認(rèn)為補(bǔ)水泵所耗電量不變。改造前輸配系統(tǒng)運(yùn)行電量為0.849 kW·h/m2，改造后運(yùn)行電量為0.699 kW·h/m2，耗電量降低0.15 kW·h/m2，節(jié)電17.7%。

表3選取供暖季不同時(shí)間段的耗電量進(jìn)行分析，可以看出：節(jié)電量的分布不均衡，1月的節(jié)電量最大，這是由于1月為寒假時(shí)間，學(xué)校分支中的技術(shù)學(xué)院保持較低流量運(yùn)行。

表3 改造前后每月耗電量對比

4.3 供暖效果

改造后2個(gè)小區(qū)平均室溫提升1.24、1.54 ℃，室溫最低的用戶室內(nèi)溫度也達(dá)到要求，供暖效果顯著提升，見表4。

表4 改造前后用戶室內(nèi)溫度變化 ℃

5 結(jié)論

1) 該項(xiàng)目嘗試采用分布式變頻供暖輸配系統(tǒng)調(diào)節(jié)二次網(wǎng)各環(huán)路之間的熱力平衡，調(diào)控效果顯著，供暖效果明顯提升，可顯著降低耗電輸熱比。該項(xiàng)目二次網(wǎng)循環(huán)系統(tǒng)配置功率下降17.8%，實(shí)際運(yùn)行節(jié)電17.7%。

2) 分布式供暖輸配系統(tǒng)在二次網(wǎng)應(yīng)用時(shí)，可不設(shè)置平衡管；每個(gè)分支環(huán)路設(shè)置混水管，采用各自的回水與二次網(wǎng)熱源供水混合后再供暖。

3) 供暖運(yùn)行時(shí)存在定零壓差和變零壓差2種運(yùn)行方式。正常運(yùn)行工況下，采用定零壓差運(yùn)行方式，運(yùn)行調(diào)節(jié)簡單；用戶泵發(fā)生故障時(shí)，轉(zhuǎn)為變零壓差運(yùn)行方式，二次網(wǎng)熱源泵頻率不變、零壓差點(diǎn)后移，用戶側(cè)壓降會(huì)降低，但依然保持一定的供回水壓差及部分循環(huán)流量。

4) 運(yùn)行良好的分布式供暖輸配系統(tǒng)離不開控制系統(tǒng)，建議控制系統(tǒng)內(nèi)置分時(shí)變流量控制、故障保護(hù)等控制邏輯。