分布式输配供热系统运行优势及应用难点研究

韩洪姗，狄育慧，吕砚昭

(1.西安工程大学 城市规划与市政工程学院，陕西 西安 710048；2.西安市建筑设计研究院，陕西 西安 710000)

1 引言

据统计，截至2017年，北方城镇建筑供暖面积增加了近2倍，而能耗的增加不到1倍，远低于供暖面积的增长，可以看出供暖能耗的节能取得了明显成效，目前供暖的节能手段大部分是通过高效节能的热源方式[1]，多采用集中供暖系统，而分布式输配系统能从供热系统的另一个组成部分——管网入手，合理利用分布式输配供热系统能为供暖节能提供新的方向。

2 系统对比

2.1 传统系统

传统供热系统的结构及水压图如图1所示，可以看出传统供热系统的循环泵设置在热源处，根据最不利用户的资用压头选择，循环泵需承担热源内部、整个管网及热用户3个部分的阻力。这样必然造成近端用户资用压头过大，产生资用压头过剩的情况，需设置调节阀将多余的资用压头消耗掉，因此产生无谓的节流损失。传统供热系统由于自身的设计不足，容易造成热量的浪费、冷热不均、大流量小温差及供热系统能效低下等一系列问题[2]。

近端用户流量超标的同时，往往意味着远端用户的资用压头不足，末端用户无法得到实际所需的热量，容易形成近端用户热量过多，需调节阀将其消耗掉，而远端用户供回水压差过小，室内温度无法满足人员需求，资用压头不足的问题，冷热不均现象严重。

为了改善末端用户的供热效果，传统设计中会采取直接的手段，加大循环水泵或在末端设置加压泵，将流量加大，这样的设计思路并不能彻底解决冷热不均的问题，而是会形成 “大流量、小温差”的运行方式。

“大流量、小温差”的运行方式会造成40%-50%的能量浪费[3]，包括两方面：热量浪费和电量浪费。近端用户室内过高的温度必然会导致用户开窗散热，损失热量；大流量运行必然需要增加水泵的运行台数或调整水泵的功率，使水泵的运行电耗增加，造成系统电量的浪费，这两方面的能量浪费导致供热系统能效水平低下。

2.2 分布式输配系统

分布式输配供热系统的结构及水压图如图2所示，主循环泵只需承担热源内部，即从热源到压差控制点的阻力[4]，大幅度降低主循环泵的扬程，也降低了主循环泵的电机功率，用可调速的水泵代替管网中的调节阀，更有益于管网的调节，减少了浪费在调节阀上无效电耗的产生，虽然增加了循环泵的使用数量，但各循环泵的总功率减少，有利于提升供热系统能效。

图2 分布式输配供热系统结构及水压图

3 水力工况分析

水力工况是系统中流量、压力等的变化情况，当系统实际运行流量等于系统最佳流量时，系统达到水力平衡。

3.1 水力失调分析

水力失调是供热系统中常见的通病，导致系统低能效的重要原因之一，在系统中体现为各热用户的实际流量与设计流量不一致,可分为静态水力失调和动态水力失调。

静态水力失调是由最初的设计、材料设备的选用及连接安装等环节的因素，不可避免地导致系统在实际使用过程中个终端的流量与设计要求流量值在一定程度上不一致，从而产生的水力失调；动态水力失调则是由于运行过程中用户的使用状态发生变化，引起管道流量及压力的波动，影响到其他用户流量的改变而产生水力失调，动态水力失调是在系统运行过程中产生的，失调状态较为复杂，无规律可循。

水力失调程度用水力失调度来衡量，既可大于1也可小于1，同时水力失调又区分为是否一致失调，当管网中各热用户的水力失调度都大于1或小于1时，称为一致失调，否则，称为不一致失调；其中，一致失调根据各用户失调度是否相等又分为等比失调和不等比失调[5]。

传统供热系统中，容易造成近端流量过多，而远端流量不足的现象，产生水力失调，进而导致热力失调，形成冷热不均。为了解决这一问题，常常采用调节阀增加阻抗的方式，消耗掉近端用户的资用压力，来使各路阻力达到平衡，虽然这样有利于管路的水力平衡，但也带来了能量的浪费，而且当系统管路较长时，用户支路阻力相差较大，通过阀门调节的方式很难达到系统的水力平衡。

分布式输配系统选择用户泵代替调节阀，利用主循环泵与用户泵接力的方式，给热媒输送增加一个向前的“抽力”，利用变频系统能实现最佳流量运行，可为用户提供恰好所需的流量，做到按需供热，真正消除水力失调的现象，达到水力平衡[6]。

3.2 水力稳定性分析

水力稳定性指供暖系统调试后平衡的持久性，即网路中各个热用户在其他热用户流量改变时，保持自身流量不变的能力，提高热网水力稳定性可使供热系统正常运行，节约无效的热能和电能消耗，便于系统的初调节和运行调节，需要充分重视提高系统水力稳定性问题。

提高供热系统水力稳定性的方法主要有相对的减少网路干管的压力损失或相对的增大热用户系统的压降。为了减少干管压降，可适当增大干管管径，但这种方法增加了投资成本；或通过采用水喷射器、调节阀、安装高阻力小管径阀门等措施来相对增大热用户的压力损失，与此同时，当调节阀调节时，消耗其所在支路的压力，带来无用电耗，也会因此改变管网阻力特性，使管网中的工作点偏移，在多数的情况下这也意味着系统效率下降，系统经济性的降低[5]。

分布式输配供热系统利用变频泵调节用户流量时，根据相似定律，泵功率与流量的三次方成正比，可知流量减少，泵功率也相对下降，且泵的运行效率不变，系统稳定运行[7]，且在分布式输配系统中，当干管流量发生变化时，各支路流量变化远小于传统供热系统，水力耦合作用相对较小，因此具有更好的水力稳定性[8]。

4 工程应用实例

4.1 工程概况

西安市某小区建筑面积70776 m2，建筑高度96 m，热源采用市政热水，为达到节能效果，管网设计采用大温差小流量的运行方式，一次网供回水温度为110 ℃/70 ℃，二次侧用户供暖采用地面辐射系统，供回水温度为85 ℃/40 ℃，混水系数为0.3，以该实例作为模型进行传统供热系统和分布式输配供热系统的对比分析。

4.2 能耗分析

针对以上设计条件，计算汇总该小区的功耗对比如表1和图3、图4。

表1 两种系统功耗汇总 kW

图3 传统供热系统各项功耗占比(%)

图4 分布式输配供热系统各项功耗占比(%)

通过以上图表，两种系统各项功耗对比可以看出，相对于传统系统的设计而言，传统系统中调节阀的能耗占比10%，管道功耗占比也较大，分布式输配系统的调节阀消耗降为0，管道功耗也明显下降，计算得到分布式输配系统的节能率为47%，节能效果显著。

4.3 经济性分析

基于以上两种系统的功耗对比，做出经济性分析，如表2所示。

由表2可知，虽然分布式输配系统的初投资会高于传统供暖系统，但电耗明显降低，年运行费用节省接近5万元，根据静态评价指标计算，可通过大概三年时间回收初投资。且传统供热系统无法在运行中灵活改变流量，而分布式输配系统可根据温度等参数调节流量，根据西安市的气象参数，分布式输配供热系统只在6%的时间满负荷运行，大部分时间处于低流量运行中，实际运行能耗远低于传统供热系统，总体经济性明显好于传统系统。

表2 两种系统经济性分析

综合以上分析，分布式输配系统较传统系统而言，节省了管材和阀门上的投资，也节省了浪费在上面的无供电耗，有很显著的节能效果，能做到节能省电，有效减少供暖费用，提高了经济效益，且管网变流量运行，水力热力平衡，减少了管理费用，供暖温度适宜，用户满意度高，有利于减少用户纠纷。

5 分布式输配系统的应用难点

分布式输配系统在节能方面优势明显，但在实际应用中，水泵的选择、零压差点的选取和系统背压需要根据不同工程情况进行选择，否则分布式输配系统很难取得理想的节能效果，甚至会变得不节能。

5.1 泵扬程选择

对于主循环泵扬程的选择，理论上只需提供热源内部的水循环，但这样的设计可能会造成加压泵功耗过大，增加系统的初投资[9]，根据不同系统选择热源循环泵、加压泵及用户泵选择时，应综合考虑投资与经济效益，对于系统中各类泵的扬程功耗做出合理选择。

5.2 压差控制点位置

一般来说,热网存在一个使能耗最低的压差控制点,也存在一个使热网稳定性最好的压差控制点,当压差控制点选在热源处，可以提高靠近热源的用户水力稳定性，当压差控制点选在热网末端时，只对压差控制点处的用户水力稳定有利，而当压差控制点选在中部时，系统比较稳定[10],如何针对具体工程，选择合适的压差控制点仍需深入探讨。

5.3 系统背压分析

系统背压也会明显影响分布式输配系统的节能效果，无背压系统的分布式输配系统节能效果最佳；在有背压系统中,分布式输配系统的节能率随着背压的增大而逐渐降低,当背压增大到一定程度,分布式输配系统变频调节的能耗可能会大于传统系统节流调节的能耗，变频调节便不再具有意义[11]。因此，对于有背压的系统，需要认真的分析计算，以确定其与传统供热系统对比之后，是否能够达到节能条件。

5.4 规范及标准的普及

另外，由于发展时间还不够，没有得到普遍认可，分布式输配系统在工程中的应用还没有得到普及，在设计标准等方面缺乏相关的法律法规，设计人员没有统一标准对照参考，对设计进行优化完善。

6 结语

本文通过对比传统供热系统与分布式输配系统，结合工程实例，突出了分布式输配系统在节省电耗的优势。分布式输配系统作为在水力调节、节能环保、节省投资等方面都有明显优势的管网供热系统，应得到更多的推广和应用，但由于工程情况的复杂性，不能达到理想的效果，其发展受到了一定的限制，不能得到更多人的认可，在设计标准、技术设备等方面还存在一定的问题，需要结合更多的工程实例，综合分析经济技术难点，进一步探讨和完善分布式输配系统的设计。