开式分布式动力系统的节能性分析

尚有海 杜芳会 张子平

摘 要：分析介绍了分布式开式水系统和闭式水系统的动力系统的不同，以某再生水热泵系统为例，对该热泵区域供热系统的源水输配系统进行了分析，经过水力计算得到采用分布式动力系统的输送能耗比传统的动力集中式系统的能耗低8.7%，节能效果显著，经过计算可知开式分布式系统相比于动力集中式系统仍然具有节能性。

关键词：开式源水输配系统；分布式动力系统；节能

引言

随着热泵技术的发展提高以及逐渐增加的环境压力，利用热泵实现对江、河、湖水以及再生水等低品质的能源进行回收利用的区域供热（供冷）有了较大规模的发展。低位热能的提取方式主要有两种，一种是闭式间接利用系统，在源水处设板式换热机组，就近将低位热能提取；另一种是开式直接利用式，将源水输送到热用户处水源热泵机组中进行换热。相比传统的集中供热系统，再生水等低位热源的可利用温差较小，常规的水源热泵机组的蒸发器进出水温差为8℃[1]，为了实现区域供热，源水的流量通常比较大。取水点至热用户的高差一般只有几米，由高差引起的两种系统形式的能耗差别不大，而闭式系统既增加了初投资又增加了换热的热损失，因此对于水质相对清洁的水体宜采用开式系统。供热系统主要由热源、输配管网、末端热用户三大部分组成，其中管网输配系统是决定系统节能与否的关键，是整个系统的重要组成部分，因此，管网输配系统的设计和运行将决定着整个供热系统的能耗水平，对于区域规模的水源热泵系统来说源水输配系统的优化设计具有重要意义。

1 开式分布式水系统

源水输送采用分布式动力系统，即在水源点设源水提升泵站，克服源水去程到最不利点的阻力损失，在各用户处的热泵站内设一次侧加压泵，克服水泵站内及回程的阻力。首站源水提升泵和各用户侧加压泵均宜采用变频控制，前者是为了适应每年系统总用水量的变化，后者是为了适应每个采暖期内末端负荷的变化而引起的再生水量的小幅变化。

开式分布式动力系统，与闭式循环的分布式变频系统不同，前者必须保证再生水能被输送到最远端，保证管道内充满水，因此开式系统的“零压差点”必须取在系统的最不利点。在末端负荷较低的前几年，首站的再生水提升泵可以满足最不利用户的资用压头，各个用户侧变频加压泵不需要开启，属于集中式动力系统。随着用水量的增加，个别较远端的热用户需要开启一次侧提升泵，来满足热泵机组的需求。图1是几种不同形式的动力配置示意图。

比较常用的是图d所示的结构形式，王红霞[2]等人将主循环泵、沿途加压泵、用户侧变频加压泵三种功能的动力系统灵活组合，给出六种不同的方案，六种方案相对于传统方案的节电率均为33.75%，六种方案的设计均是按照热源、热网、用户的阻力和资用压头的情况提供动力，没有剩余压头，因而能达到相同的节能效果。然而理想的模型系统付诸实践必须满足工程应用的可及性、可靠性、经济性等方面的要求。分布式动力系统由多泵组合实现，需要精确的计算流量、扬程以及控制。

2 开式系统水泵扬程的确定

动力分散系统中通常不设调节阀，节省了由于节流阀造成的能量损失，文献[3，4]通过实例计算说明了分散式动力系统的节能性，且系统越大节能性越明显。然而在应用推广方面并不乐观，主要的一个原因是对系统设计方面的技术问题，动力分散系统中的水泵，包括主循环泵、支线泵等都是相互协同并且水力关联的，要使得管路中的流量分布达到设计工况，必须正确确定系统中各个泵的扬程。

开式动力分散供热输配系统的设计思路与闭式系统的设计类似，一般来说有以下几点[5]：（1）对源水系统进行水力计算，得出管网的特性曲线；（2）确定最不利用户，将最远端选为零压差点，主循环泵和分布式泵的配置就唯一确定了，零压差点的位置决定了系统的造价和运行费，当系统中所有的热用户均没有剩余压头时，系统没有节流损失，也就是最优的配置；（3）确定主循环泵，主循环泵的选取要能够满足全部的流量需求，负责克服水源点到零压差点的阻力，还需结合管网的特性，尽量选择Q-H曲线比较平坦的水泵，在流量变化范围内还能够保证稳定的扬程；（4）各个分布式泵的选择主要考虑满足所对应的用户流量和该用户机房内的损失和源水回程的扬程要求。

开式系统主循环水泵的扬程H包括源水去程的流动阻力和进出口高差形成的静水压力，如公式（1）式所示：

而各个热泵站内的分布式水泵克服站内的阻力损失和源水回程的阻力损失。

3 工程案例分析

某再生水源热泵工程的管网输配系统如下图所示，共5个热用户，设计流量为5219t/h，通过水力计算可知各个管段的阻力损失，标于各个节点之间，流量标于字母下方，系统简图如图2所示。

主循环泵的扬程为H0，各支路水泵扬程为H1，H2，H3，H4，H5，分布式变频动力系统是否设计合理，是否能达到比传统集中式输配系统节能的目的，主要由两个方面的参数来决定，一是压差控制点的选取，二是系统的背压的作用，即循环泵的压头中用来提升流体势能的那部分，用于提升流体势能的这部分越大水泵的效率越低[6]。由于系统的首站主循环泵的吸入口和各个热用户机房内机组进水口的高差最大为2.1m，本系统不考虑背压对动力系统的影响。

设循环泵效率均为70%，其轴功率的计算公式为：

其中：E-系统总的输送功率，kW；Q-循环泵的流量，t/h；H-水泵扬程，m；η-循环泵效率，定为70%。

系统的动力设计方案有2种，方案1为传统的动力集中式系统，首站的主循环泵克服最不利用户的阻力损失，各个热用户站内不设分布式泵；方案2以5-5'为压差控制点，主循环泵克服源水到最不利用户⑤的阻力损失共26m，热用户机房内的分布式泵克服站内源水的回程阻力损失，得到相应的动力配置。分别将各个方案的数据代入公式（2）可得两个方案的能耗及配置情况：

从表1可以看出，当各个热用户均没有剩余压头时，一次系统不存在节流损失，源水输送的总功率等于系统的需用功率，开式分布式系统与动力集中式系统相比，节省了8.7%的水泵装机功率。开式系统采用分布式的动力系统，一个采暖季连续运行120天，节约的电能是290880kWh，由此带来的经济效益较为可观，在分布式动力系统中可以不设电动调节阀，取而代之的是分布式变频泵，系统的初投资及后期的运行检修费用都会降低。

对于区域规模的供热系统，末端的热用户通常是10万以上的一个小区，对于水源地附近的热用户通常建设进度不一，各个热用户的同时使用系数较小，与传统动力集中的系统形式相比较，采用动力分布式系统更灵活，首站泵站的规模可以根据末端的需求逐渐投入建设，住循环泵和分布式泵均采用变频控制，在投入使用的前几年负荷较低时采用变频可以降低启动及运行电流，降低运行费用，随着负荷的增加最终首站达到满负荷。

4 结束语

为了适应区域规模的再生能源热泵供热系统，源水的输配采用开式分布式动力系统不仅降低了主管网内的压力，而且减少不必要的能源浪费，与传统的系统相比输配能耗减少了8.7%，而且满足了末端负荷不同时存在的特点，降低了首站的初投资。根据末端热用户的工程进度情况，再生能源系统采用开式分布式动力系统较为合理。

参考文献

[1]GB/T 19409-2013.水（地）源热泵机组[M].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[2]王红霞，石兆玉，李德英.分布式变频供热输配系统的应用研究[J].区域供热，2005（1）：31-38.

[3]狄洪发，袁涛.分布式变频调节系统在供热中的节能分析[J].暖通空调，2003（2）：90-93.

[4]符永正，吴克启，蔡亚桥.常规水系统的阀门能耗及动力分散系统的结构和应用[J].暖通空调，2005（9）：6-10.

[5]姚东文，邱林.分布式变频泵供热系统节能影响因素[J].煤气与热力，2010（4）：14-17.

[6]符永正，吴克启.背压对泵与风机变速调节节能效益的影响[J].暖通空调，2004（3）：70-72+16.

作者简介：尚有海（1986，11-），男，河北石家庄，本科学历，研究方向：供暖、通风与空调工程的设计与应用研究。