基于混水原理的供热系统节能分析

宋跃文，曲学军

(沈阳航空航天大学 a.后勤服务中心;b.航空航天工程学部，沈阳 110136)

冬季供暖在我国北方是城市基本建设及居民生活的重要方面。而目前我国供暖仍然以煤为主要燃料，能源消耗量大，如何提高效率、减少能源消耗、降低成本，是供热运行管理的关键。对于供热系统来说，通过提高锅炉热效率、提高煤的燃烧充分度、减少供热管道的热损失、以及对各供热单元的热平衡调节等可以实现节约能耗，特别是随室外温度变化及时调整供回水温度是降低外网供热损失和过度热消耗的重要方面。随着自动控制技术发展，基于混水原理的供热运行调节方式，因其调节及时、准确、可以提高锅炉运行稳定性等优点而越来越多应用于锅炉运行自动控制系统。本文对某供热运行自控系统进行了分析，提出了混水方式的改进，并对改进后的系统进行了节能分析、定量计算以及水温控制方程推导等。

1 分流混水供热原理及分析

冬季室外温度是随时变化的，尤其是昼夜温差相差较大，同时不同热用户的供热需求也是不同的，如果不能够根据室外温度变化和实际热需求调整供热运行状态，会产生极大的无效供热和能源的浪费。为此一些供热公司特别是大的热源厂开始引入供热运行自动控制系统，如图1所示是某公司智能化供热运行自动控制系统原理图，该系统根据室外温度变化和热负荷情况动态调节热量供给，分时段、分区域供热，实现热量的供需平衡，最大限度提高系统的运行效率，有效降低系统的能源消耗。

该供热系统在锅炉出口即总供水管加装电动三通阀，并设置支管与总回水管相连，使少部分热水不经管网换热重新进入锅炉循环，达到调节进入热网水量的目的，进而实现随室外气温和热负荷变化调节进入管网的热量，最大限度减少不必要的能量消耗，达到节能目的。由于其原理是将少部分供水通过支管分流至回水管，因此我们将其定义为分流式混水供热系统(Backflow mix water heating system)。

在实际运行中分流混水供热存在以下不足，首先对外网的水力运行有影响，由于经过分流，进入管网的水量减少，导致外网的总压力降低，影响外网的水力平衡，如果分流过大很容易造成管网水力失调。其次由于分流前后供水温度没有变化，在室外环境变暖，需要减少热量供给时，供水温度却没有降低，因此仍然存在热量过度消耗现象，特别是对于距离热源较近的热用户，达不到供热调节目的，而对于末端用户，由于水量减少又会产生供热温度不足现象，导致热量分配不平衡。针对以上弊端，我们对此系统进行了改进，采用回流混水供热方式(Bypass mix water heating system)，可以有效解决上述问题。

图1 某分流混水供热自控系统原理图

2 回流混水供热原理及分析

常规供热系统设计中，在锅炉的进水口和出水口之间都要加装一个连通管，称为热源旁通管，其作用主要有降低锅炉阻力，提高供水压力;锅炉故障或检修时确保系统水循环正常等。回流混水供热的形式和旁通管相似，如图2所示，在循环泵与锅炉进水口之间加装一根支管(在此称为混水管)，直接与锅炉出口的供热主管线相连，使一小部分回水不用通过锅炉加热，直接进入系统循环，从而对供水温度起到调节作用。同时加装自动控制阀门，该阀门连接自动气候补偿器，并由预先设定的程序，根据室外气温计算出供水温度，自动调节混水量，该计算程序须根据实际测量数据和相应公式编制(见本文第4节)。

图2 回流混水供热原理图

采用回流混水方式可以有效解决分流供热带来的弊端。首先混水前后供水温度得以适当降低，保证了室外温度变暖后对热量供给进行了有效调节，减少了过度消耗和沿程热损失。其次由于混水管设置在循环泵之后，因此对进入外网的流量和水力平衡没有影响。采用回流混水供热同样可以通过气候补偿器等自动控制装置，实现供水温度随室外温度变化的即时调节，避免由于供水温度过高造成热量损失和过度消耗，达到节能降耗目的，并且响应快、准确度高。可以使锅炉长时间保持稳定运行，并始终处于最佳运行状态，便于锅炉实现自动化控制。另外可以提高锅炉出口水温，使锅炉在额定状态或接近额定工况下运行，提高锅炉热效率，大幅增加单台锅炉的供热能力，对于供热面积大，装机容量小的热源厂意义非常大。

3 回流混水供热节能定量计算

由于目前大部分锅炉自动控制系统都采用设定锅炉出口水温的方法，因此这里在锅炉出口水温保持不变前提下对回流混水供热进行节能分析。

如图3所示，未采用混水供热的系统供回水温度为tg0、th0，系统水流量为G，热容为C，热量输出为q0;在室外温度变暖后某时段，未采用混水控制的仍保持此温度，采用混水控制的系统(见图2)将供回水温度调整到tg1、th1后即可保证供热需求，其中 tg0=tg'、tg1＜ tg'，此时热量输出为 q1。根据等流量法有:

图3 未采用混水供热的系统

由上式得出，节能率是混水供热前后的供回水温差比值的函数。

下面讨论供回水温差同供水温度的关系，设某系统供回水温度为tg、th，系统水平均温度为(tg+th)/2，室外温度tw，整体供热系统与室外环境当量换热系数为K(在供热面积和外网情况不变时为常量)，则换热量为:

因此对于不同供回水温度 tg0、th0和 tg1、th1，tg0＞ tg1，则有:

将式(5)和式(6)代入式(2)得:

式(7)即为在某一室外温为tw时，降低供水温度后的节能效率计算公式，设室外温度为－10℃，锅炉出口水温为80℃，经混水后供水温度降为75℃即可保证住户室内温度，由上式得出节能效率为5.56%，因此可以看出节能效果还是非常明显的。

4 供水温度自动控制方程

在供热运行自动控制系统中，如何根据室外温度确定供水温度是实现自动控制的关键。目前的算法有几种，一种是根据建筑设计时的热负荷、建筑材料、外墙面积等参数以及管网设计情况进行计算，这种方法由于系统在实际运行中差异较大，因此有较大误差，在实际运行一定时间后需要进行修正;另外一种算法是经过一定时间运行后，对运行数据进行统计分析并进行拟合后确定，这种算法会更接近实际情况，但不能揭示系统水温与环境温度的内在联系。下面从理论分析的角度确定供水温度的计算方法，通过推倒出的公式揭示供水温度与热用户室内温度和室外温度变化之间的关系。

图4 供热系统热流量示意图

如图4供热系统热流量示意图，热用户室内平均温度为tn，系统水与热用户室内当量换热系数为Kn，用户与室外当量换热系数为Kw。根据供回水温度可计算出锅炉输出的热量为Q，该热量与系统水传递给热用户的热量和热用户与室外的换热量相等，因此有热平衡方程:

由以上3个等式可推导出供水温度的自动控制方程为:

由式(9)可以看出在保持用户温度一定情况下供水温度同室外温度成反比的变化关系，采用此公式即可根据室外温度计算出供水温度，并自动调节混水供热的混水量，实现供水温度随室外温度变化的即时调节。其中C和G可通过测量得出，当量换热系数可以根据实际测量数据统计得出，其实测数据随供热区域和系统热负荷等情况不同而不同。

5 单台锅炉供热能力及流量分配

混水供热的另外一个作用就是通过提高锅炉出口水温，增加单台锅炉的供热面积，并且在保持锅炉稳定运行状态下，在一定范围内调节供热面积。下面通过举例计算来说明。

将图3所示供热系统的锅炉出口水温提高至tg'(见图2)，采用回流混水供热，外网供水温度提高至tg1(可在 tg'与 tg0之间调节，即 tg'＞tg1＞tg0)，回水温度不变 th1=th0，此时 q1＞q0，由公式(1)计算出热负荷增加比例为:

设流经锅炉与混水管的流量分别为Gl、Gh，其流量分配计算如下:

设tg0=80℃、th1=th0=65℃，tg'=90℃，tg1=85℃，代入式(10)和式(12)，计算可增加供热面积(热负荷增加比例)为6.25%，此时流经锅炉和混水管的流量比为4，由此可见在该设定工况下，流经混水管的流量是流经锅炉流量的1/4，即总流量的1/5，因此混水管管径的设计不宜过小，根据以往经验，并且考虑到对系统压力的影响，一般应为主供暖管线的1/3～1/4左右为宜。

6 结束语

混水供热已经越来越多地应用于供热运行自动控制系统，对于热源混水来说，回流方式比分流方式有更多优势，而分流方式更多应用于各用热单元和用户，随着节能降耗要求的提高以及用户热计量收费的逐步推广，混水供热方式已成为供热自动运行控制和热平衡调节的重要方法，将有效的减少供热管网的能量损失和多余的热量消耗。

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