对现行供热系统的调节模式及其研究的看法

邵宗义 吴金星

北京建筑工程学院供热、供燃气、通风及空调工程北京市重点实验室

随着我国建筑业的飞速发展，建筑能耗占总能耗的比重越来越大，据统计目前已经达到38%[1]。其中约有55%为采暖能耗，是建筑能耗的最主要部分，也是节能潜力最大的部分。我国建筑能耗浪费严重也体现在主要耗能设备能源效率低，水泵平均设计效率75%，比国际先进水平低5个百分点，系统运行效率低近20个百分点。与发达国家相比，我国即使在达到了节能50%的目标后仍有约50%的节能潜力，供热系统的运行调节模式优化的研究对建筑节能目标的实现至为关键。

1 供热系统的运行与调节模式

在城市集中供热系统中，根据调节地点的不同，供热系统运行调节可分为集中调节、局部调节和个体调节三种。集中调节在热源处进行，其调节方法主要有：质调节、分阶段改变流量的质调节、间歇调节[2]。其中分阶段改变流量质调节需要在供暖期中按室外温度高低分成几个阶段，在室外温度较低的阶段中保持较大的流量，而在室外温度较高的阶段中保持较小的流量，在每一阶段内管网的循环水量总保持不变，供热调节采用改变管网供水温度的质调节。这种调节方法，综合了质调节和量调节的优点，既较好地避免了垂直失调，又显著地节省了电能，是一种公认的比较经济合理的调节方法，在区域锅炉房热水供暖系统中得到了较多的应用。近年来，人们从节能的角度出发，开始研究和使用变频调速水泵，调速水泵的出现，使供热系统实现无级的变流量运行成为可能，“变频”几乎成为节能的代名词，广泛用于供热系统节能改造工程中。

2 对现行供热系统调节模式及其研究思考

很多资料都认为，在整个供暖期内，采用两阶段变流量质调节时，热网系统循环流量比应被分为100%和75%两档；当热网规模较大时，应采用三阶段变流量质调节，系统中的循环流量比应被分为100%，80%和60%三档。于是在众多对供热系统调节的分析研究中，不乏单纯地将上述这两种分阶段变流量调节能耗与采用变频调节的能耗相比较，故而得出变频调节模式更为节能的结论。

那么，对于分阶段改变流量的质调节，尽管这些分档运行的方式早已被人们所接受，但从运行能耗的角度考虑，对同一热网而言，如此分档是否最为经济？值得一提的是，有学者已经从循环水泵经济运行的角度出发，给出了采用分阶段变流量质调节的热网的经济流量比的确定方法[3]。以下将结合工程实例，对供热系统两阶段变流量质调节模式下采用传统分档方式和经济流量比分档方式进行系统运行分析。

3 工程实例

3.1 供热调节的基本公式

令在运行调节时，相应tw下的热负荷与设计热负荷之比成为相对供热系统热负荷比，而称其流量之比为相对流量比，则[2]

为避免整个热网产生明显的水力失调，对于分阶段变流量质调节分阶段处的供、回水温差一般应设定为tg-th=t'g-t'h。在某一室外温度tw的运行工况下，采用分阶段改变流量的质调节，即令φ==const，代入供热调节的基本公式，可得分阶段处的供、回水温度为：

式中：b为散热器的特性参数。

根据供热负荷延续时间的数学表达式：

式中：β0为与地区有关的常数；Nzh、N为供暖期的总天数和低于某一室外温度tw的累积天数。

故可求得室外温度为tw时的积累天数：

3.2 工程概况

北京市某集中供热区域，总建筑面积约40000m2，管网设计供回水温度为80℃/60℃，设计热负荷为990kW，管网设计循环水量为43000kg/h，循环水泵扬程为33mH2O，室外采暖计算温度为-9℃，采暖期天数为129d。

按采暖季不同负荷率进行分段统计，累计小时数如图1所示。

图1 采暖季不同负荷率的累计小时数

可以看出，采暖季负荷率能达到90%以上的小时数非常少，而负荷率在70%以下的积累小时频率则高达98.68%。负荷率在50%以下的小时频率仍高达93.65%。这点在设备选择及系统运行调节方面应给予足够重视。

3.2.1 方案一：传统分档方式

一般来说，供暖期内采用两阶段变流量质调节时，热网系统循环流量比应被分为100%和75%两档。

表1传统分档方式下水泵电耗计算结果

采用此分档方式的两阶段改变流量的质调节方案：室外采暖温度为-9～-3℃，相对流量比为100%；室外采暖温度为-3～5℃，相对流量比为75%。依据供热调节基本公式得出循环水泵在不同室外环境温度下的运行参数及电耗量、在采暖期的总电耗量，计算结果见表1。

3.2.2 方案二：经济流量比分档方式

1）经济流量比的确定

根据水泵耗电W的基本公式：

式中:W为水泵耗电量，kW·h；g为重力加速度，m/s2。

根据式（5）结合图2可得在整个采暖期内采用分阶段变流量质调节时热网循环水泵耗电量：

图2 两阶段变流量质调节循环水泵能耗

可以看出，采暖期循环水泵总耗电量还与实际运行工况有关，本文仅依据所选用水泵样本参数进行工况拟合，并且为使问题研究的简化，这里假定水泵的效率η在一定流量变化范围内为常数。

若要求在整个采暖期中使热网循环水泵耗能最少，即以W为最小的目标函数，可通过对上式求导并令dw/dφ=0，通过计算机可解得φ值。对于该工程，φ=0.71。

表2经济流量比分档方式下水泵电耗计算结果

2）循环水泵能耗

采用两阶段改变流量的质调节方案：室外采暖温度为-9～-4℃，相对流量比为100%；室外采暖温度为-3～5℃，相对流量比为70%。计算得出循环水泵在不同室外环境温度下的运行参数及电耗量、在采暖期的总电耗量，计算结果见表2。

可以看出，仅以北京地区设计热负荷为990kW热网为例，采用经济流量比的两阶段变流量质调节供热系统循环水泵能耗比传统分档方式运行调节能耗节约达1516kWh，节能百分比近10%。

图3所示为两种分档方式不同热负荷比下供热系统循环水泵的积累电耗，则曲线下面积为循环水泵总电耗，供热系统在经济流量比分档方式下运行调节的节能潜力显而易见。

图3 不同热负荷比下循环水泵总电耗

研究表明，分阶段变流量质调节的经济流量比与地区有关，且越往北经济流量比趋于减小，甚至降为不足60%[3]。那么，对于更大规模以及其他地区的供热系统，采用分阶段变流量质调节的经济流量比分档调节是否具有更大节能潜力呢？另外，供热系统能耗与循环水泵的合理选择有着紧密关系，确保循环水泵处于高效率状态下运行也是系统节能的关键。

变频调节方法在节能方面存在优势，但研究分析尤其是对比中应选择二者存在可比性情况下进行，即系统在这两种调节模式下的最佳运行工况进行研究分析。实际上，选择性能良好的单体设备，同时也要保证各种设备的组合运行，上述分析均基于供热系统不同运行调节模式下循环水泵能耗对比，实际运行中更应考虑整个系统中各设备的性能优化组合，对供热系统进行综合分析后得出合理的运行调节模式。

4 结语

变频水泵因其变速节能受到更多学者的青睐，但在推陈纳新的同时应当更加深入思考：

1）单纯将分阶段变流量调节传统分档模式与采用变频调节模式的供热系统运行调节进行比较是否过于片面；

2）供热系统采用分阶段改变流量的质调节与变频调节的最佳工况点；

3）较于分阶段改变流量的质调节，变频调节存在的弊端。

另外，选择性能良好的单体设备，同时也要保证各种设备的组合运行，上述分析均基于供热系统不同运行调节模式下循环水泵能耗对比，实际运行还要考虑整个系统中各设备的性能优化组合，对供热系统进行综合分析后得出合理的运行调节模式。

[1] 李联友.建筑设备运行节能技术[M].北京:中国电力出版社,2008

[2] 贺平，孙刚.供热工程(第4版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2009

[3] 胡思科.分阶段变流量质调节方式下热网运行经济流量比的确定[J].暖通空调,2007,37(2):119-122

[4] 林雪松.MATLAB7.0应用集锦[M].北京:机械工业出版社,2006