14暖M空调HV&AC2021年第51卷第5期
f分布式输配系统$ W In
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分布式供冷供热输配系统是应用于建筑行业暖通空调专业领域的一项新技术。
我国供冷供热的输配方式在过去几十年内采用的都是集中式输配系统。集中式供冷供热输 配系统在系统设计、运行和调试等方面的问题愈来愈突出,主要体现在:集中式输配系统主循环 泵设置在冷热源处,其扬程是按最不利环路的压力损失确定的,在运行中会出现管网近端用户资 用压力过大、流量过多,远端用户资用压力过小、流量过少的情况,从而使管网系统水力失调,并产生热力失调,导致用户冷热不均。对此,通常采用调节阀节流来消除近端用户的资用压力,导 致产生无功电耗,使供冷、供热管网输送效率降低。当系统管路较长、用户支路的阻力相差较悬 殊、负荷变化较大、使用时间及供回水温度不同时,不仅造成输送能耗增大,而且用户的舒适性无 法得到满足,直接影响供冷供热的效果。
随着输配技术的发展,许多集中空调系统和集中供热系统采用了二级泵、三级泵等输配系统 形式,虽然也是采用调节阀节流的方式,但也取得了一定的节能效果。
通过节流的方法平衡系统阻力,暖通空调行业内的专家们过去曾花费很大精力进行了研究,功不可没,
今后必要的节流调节会依然存在。
分布式输配系统以泵代阀,整个输配系统没有任何调节阀门,理论上不存在无功电耗,在实 际工程中无功电耗极小。系统的冷热源泵、沿程泵、用户泵均变频运行,从调节流量、消除系统冷 热不均来说是有效调节。可根据不同用户的使用要求,在冷热用户侧设置与冷热源循环泵串接 的直连式系统或混连式系统,每个用户按需要从管网提取冷热量。管网系统采用合理的大温差、小流量运行,用户侧供回水温度可与管网供回水温度相同或不同,实现了同一温度管网不同供回 水温度用户的运行方式,从而降低输配能耗,节电节能,获得更高的输送效率,提高了系统的水力 稳定性,实现了管网的变流量调节,满足了不同用户的输送温度及舒适性要求,达到了节能、高效、智慧的目的。
我国供冷供热输配系统的特点是所服务城市建筑物密度高、冷热负荷密度集中、供冷供热输 配系统作用半径相对较小、北方地区热负荷年负载率和运行时间长、南方地区冷负荷年负栽率和 运行时间长,且目前供冷供热室内系统形式呈现多样化趋势。针对用户多工况需求,一个输配系 统很难满足,不是采用换热器换热就是采用多个输配系统来解决.造成能量浪费,而分布式输配 系统可以采用不同用户工况同管网运行,这正是分布式供冷供热输配系统的应用特点。
分布式供冷供热输配系统从根本上消除了输配系统多余的功耗,系统达到水力平衡.避免了 过冷过热的现象,提高了输配效率,推广分布式供冷供热输配系统是暖通空调系统节能减排的重 要举措,势在必行,任重道远。
为系统介绍相关研究成果,《暖通空调》杂志推出的“分布式输配系统”专栏,刊出7篇文章,全面介绍分布式输配系统的理论研究、设计方法、应用案例及其技术的发展,以期和暖通空调专 业人员进行分享与交流。
(吕砚昭)[引用本文]李德英.分布式供热输配系统理论解析[J].暖通空调,2021,51(5):14-19
分布式供热输配系统理论解析
北京建筑火学李德英☆
摘要随着集中供热系统不断扩容,热源布局和管网系统水力工况变得更加复杂,所以管 网水力平衡调节技术要求也越来越高,从而使得分布式变频输配技术替代调节阀调节技术应
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运而生。分布式变频输配技术增强了系统的可调节性,且具有较大的节能潜力。针对供热输 配系统进行了理论分析,旨在使分布式变频输配系统在智能化为主导的现代供热系统中应用 更广泛、更有效。理论分析计算表明,与集中设计方法相比,分布式变频技术的应用会带来较 好的节能效果,逐步凸显其优势。当今热网水力计算软件智能化水平越来越高,对不同的分布 式变频系统进行模拟计算与可及性分析,可得到供热系统最优输配设计数据,进而可以提高系 统的输送能效。
关键词分布式输配系统集中供热系统以泵代阀能效提升动态调节
Theoretical analysis of distributed heating transmission
and distribution systems
By Li Deylng*
A bstract With the continuous expansion of centralized heating systems, the layout of heat sources
and the hydraulic condition of pipe network systems have become more complicated, so the requirements for the hydraulic balance adjustment technology of pipe networks are also higher, which makes the distributed frequency conversion transmission technology instead of the regulating valve technology come into being. The distributed frequency conversion transmission technology enhances the adjustability o f the system and has a greater potential for energy saving. Performs the theoretical analysis on the heating transmission system, aiming to make the distributed frequency conversion transmission system more widely and effectively in modern intelligent heating systems. Theoretical analysis and calculation results show that, compared with the centralized design method, the application of distributed frequency conversion technology will bring better energy saving effects
圣诞节简短句子and gradually highlight its advantages. With the increasing o f intelligence level of heating network hydraulic calculation software, the simulation and accessibility analysis of different distributed frequency conversion systems can obtain the optimal transmission design data and improve the transmission energy efficiency of the heating system.
Keywords distributed transmission and distribution system, centralized heating system, replace valve with pump, energy efficiency improvement,dynamic adjustment
★Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing,China
〇引言
所谓分布式变频输配系统就是分级泵变流量 输配系统,其主要特点是通过合理匹配分级泵,调 节水栗电动机频率改变其流量,以替代调节阀调节 流量,从而起到“以泵代阀”的作用。其一增强了供 热系统流量的可调性,可有效解决系统水力失调现 象,进而减少因热力失调导致过度供热的热损失;其二可以减少调节阀的节流电耗损失[1]。
从设计角度看,分布式变频输配系统和集中输 配系统相比较,无论多级循环水泵如何布置,二者 管网系统的流量分配是完全相同的。根据特勒根 定理进行理论分析,2种输配方式相比较,管网系 统(管
道)流量输配所消耗的能量也是完全相同的。但是集中输配系统采用调节阀对近端用户节流,必 然要消耗能量,所以会额外增加循环水栗的电耗。
从水力工况看,二者的区别只是分布式变频输配系统比集中输配系统减少了调节阀节流的能耗 损失。所以从理论上讲,前者循环水泵输配电耗可 减少20%〜30%[2_3]。然而在实际工程应用中,有 的分布式变频输配系统的节能效果并不明显,有时 其输配电耗比集中输配系统还要高,自然引起质 疑,问题何在?
通过实际调查发现,大多数工程设计和管理技 术人员忽略了一个重要问题,那就是在循环水栗设 计选配时没有校核水泵可能达到的运行效率,运行 管理使用者也没有进行水泵效率现场监测。所以 大多数供热系统普遍存在水泵匹配远大于实际需
☆李德英,男,1955年11月生•博士研究生,教授
100〇44北京市西城区展览路1号北京建筑大学环境与能源工程学院
E-mail:lideying2001@163. com
收稿日期:2020-08-10
修回日期:2020-10-28
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要的功率,甚至误以为“多多益善”,结果就造成了 系统大流量和循环水杲低效率运行。现就此问题 进行解读。
1特勒根定理在供热输配系统中的应用
1.1特勒根定理的物理意义
特勒根定理是研究分析电路网络的重要理论 之一,由荷兰电气工程师伯纳德•特勒根(Bernard D.H.Tellegen)在1952年提出。特勒根定理给 出了遵守基尔霍夫电路定理的电路之间的一个约 束关系,即任一给定参数的电路网络系统中,其各 支路的电功率之和为零[4]。即
JV0 = 2^ AV,(1)式中N。为电源提供的总功率.W;/,为供电系统 各支路的电流,A;AV,为供电系统各支路的电压 降,V。
特勒根定理适用于与电路相类似的复杂网络,如神经系统、管道网络与化工过程网络等。而在供 热系统中,管网系统作为流体网络,其拓朴结构和 电路网络的模式和基本规律是相同的,其流量输配 所消耗的功率是相似的。因此,特勒根定理完全可 以应用于供热管网流体输配能耗分析计算中。
1.2分布式输配系统在一次管网中的应用
如上所述,电路网络系统的特勒根定理适用于 流体网络系统,即在供热系统流体输配网络中,任 何管网所消耗的功率,必然等于各管段流量与压力 降的乘积。即
N( =a^G,A H,(2)式中为管网流量输配所消耗的总功率,W;a 为单位换算系数,取2. 73;G,为供热系统各管段的 流量,为供热系统各管段的阻力损失,〇1。
分布式输配系统在一次管网中应用比较多,且 容易实施。无论供热系统有多少循环水泵,也不管 该系统由多少管段组成,如果管网流量和阻力特性 一定,则管网系统所消耗的总功率必然与该系统各 管段所消耗功率之和相等。对于这一基本规律,不 论是集中输配系统,还是分布式输配系统都适用。所不同的是二者循环水泵消耗的功率不同,即使所 有水泵实际工作效率都一样,集中输配系统还要增 加调节阀调节时节流的能耗损失。该能耗损失取 决于管网系统的比摩阻及其主干线与支干线阻力 的相关关系,即主干线各管段的比摩阻、长度增大,该能耗损失增大。所以对于主干线比摩阻较大或
管线较长的集中供热系统,设计采用分布式变频输
配技术或对既有系统改造后节电效果更加明显[5]。
1.3分布式输配系统能效评价
供热管网采用分布式输配系统时,实际运行输
送能效应该通过耗电输热比进行评价,即在供热期
间,系统循环水泵的全部耗电量与总供热量的比例
关系,或称之为单位供热量的耗电量。据不完全统
计,大多数供热系统一次管网的耗电输热比为
0.010〜0.015,二次管网的耗电输热比为0. 015〜
0.020,长输管线的耗电输热比为0.020〜0.030。
2分布式输配系统在二次管网中的应用
2.1二次管网输配系统的特点
目前,分布式变频输配供热系统多在一次管网
系统应用。在二次管网系统中,大多数采用集中输
送方式,即各用户加装各类调节阀调节流量。这种
集中设计方法根据二次管网系统的最大流量和最
不利用户选择循环水泵,用于克服热源(换热站)、
热网和热用户的系统阻力。这种传统的设计思想,
客观上存在难以克服的问题:
1)在供热系统近端(靠近热源处)的热用户,自然会形成过多的资用压头。所以必须设置流量
调节阀,将多余的资用压头消耗掉。这种“无谓”的
节流所产生的能量损失是集中输配系统设计方法
不可避免的问题。
2)从水力工况的角度考虑,系统末端易出现 资用压头不足,造成系统热用户流量近大远小,出
现室温冷热不均的现象。为满足末端用户的供热
效果,必须增加末端热用户的资用压头,工程设计
或运行管理人员往往采用加大热源循环水泵的方
式来解决,结果管网系统就会形成大流量小温差的
运行状态。从而增加了二次管网系统的输配能耗,
同时也增大了近端热用户的过度供热,降低了供热母亲节发多少红包
系统的能效水平。
然而,考量一个供热系统能效的高低主要取决
于两方面因素:一是无效供热量的多少;二是管网
热媒输送中无效电耗的多少。其中冷热不均的无
效热量和热媒输送过程中的无效电耗与循环水泵
的设计方法选择、是否与系统合理匹配相关联。
玉雕工具2.2分布式输配技术在二次管网系统中的应用
在实际供热工程中,二次管网系统的输配调节
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次管网系统的水力平衡及流量是否合理分配成为 影响供热系统全网水力工况的关键环节。虽然分 布式输配系统在技术上有先进性,但是还没有在二 次管网和热用户系统中得到充分的应用。供热系 统循环水泵正确的设计思想是尽量减少热媒输送 过程中的无效电耗。为各热用户提供所需的资用 压头,克服管网输配的阻力是必须的有效电耗。而 集中输配设计方法必然产生无效电耗,即热用户多 余的资用压头被各种流量调节阀以节流的方式消 耗掉。就调节流量、消除冷热不均现象来说是有效 调节,似乎也不可能完全取消必要节流的无效电耗,这就是集中输配设计方法不可避免的问题所在。
而热用户多余资用压头的产生,是因为只在热 源处设计单一水泵系统造成的结果.通过管网系统 无效电耗的理论计算会一目了然。可以利用电路 网络中的特勒根定理计算流体管网输配所消耗的 功率,得出无效电耗。这样可为分布式变频输配系 统多级水泵的选择提供理论依据。
可见,供热系统实现全网分布式输配供热,还 需要不断完善二次管网系统的监控计量条件,利用 先进的通讯技术,推进二次管网分布式输配系统的 智能调节水力平衡技术的推广与应用,提高供热全 网系统的运行管理水平.逐步实现量化、精细化的 高效运行模式。
3分布式变频循环水泵的选择
3.1分布式变频循环水泵的耗功率计算
分布式变频系统循环水泵的设计选择首先要 考虑管网系统所消耗的功率(理论值),即根据管网 系统的水力计算,得到各管段流量(G,)与压力降 (,即阻力)的乘积之和;再根据计算得到的总 流量(G J和总阻力(H,),以及循环水泵可能达到 的效率,计算循环水泵的总功率。根据特勒根定 理,可按如下公式计算:
N=S^=1^1(3)
7'V
或
N=y N1==2.73G M,⑷
7'7
N, = 2.73 (5)
V'
式(3)〜(5)中N为供热系统循环水泵的总功 率,W;N,为供热系统各级循环水泵的功率.界;7?,为各级循环水杲的效率;7为各级循环水泵的平均效率;,为各级管网流量输配所消耗的功率,W。
集中输配设计方法只在热源处设置循环水泵*
而分布式变频输配设计方法(理想设计方案)除了
在热源处设置扬程较小的循环水泵外,还要在外网
沿途设置多个加压循环水栗。由多个沿途加压循
环水泵进行“接力”,各级水泵共同实现热媒的输
送。虽然系统管网各管段的压降与集中输配设计
方法的压降相等,但二者要求循环水泵提供的功率
却不尽相同。因为集中输配设计方法循环水泵设
置在热源处,所提供的动力(扬程)是在总循环流量
(即最大流量)下实现的。而理想设计方案,热源处
的循环水泵在总流量下,只提供部分动力(扬程),
其他动力(扬程)是在沿途接力循环水泵的分流量
下实现的,流体输配全过程没有调节阀节流损失。
因此,理想设计方案循环水泵的输送功率必然小于
集中输配设计方法循环水泵的输送功率,这就是分
布式变频输配设计方案的独特优势。
3.2分布式变频循环水泵的选择原则
在分布式变频设计选择循环水泵时,应符合下
列要求M:
1)因为热源循环水泵的特点是大流量小扬程,所以确定流量时应直接采用管网系统总流量,汽车保险怎么算
一般不必加富余量;扬程应根据系统水压图实际值
先进教育工作者选择。选定水泵后必须绘制水泵_管网特性曲线
(多台水泵并联运行必须绘制综合特性曲线),确定
其工作点在高效区(70%〜80%),否则应该更换其
他型号的水泵。
2)多级循环水泵(接力泵)的特点是小流量大 扬程(末端水泵扬程最大),选择水泵时必须绘制水
泵-管网特性曲线,确认每台水泵在高效区工作。
3)选择水泵流量-扬程特性曲线时,在水泵工 作点附近应比较平缓,以便在管网水力工况发生变
化时,循环水泵的扬程变化较小,可保持管网系统
压力波动范围小。
4)循环水泵的承压、耐温能力应与热网的设计 参数相适应。多级循环水泵一般应安装在热网回水
管上(起降压作用),水泵允许的工作温度一般不应
低于80°C。如有必要安装在热网供水管上(起加压
作用),则必须采用可耐供水温度的热水循环水泵。
ie 85)所有分布式循环水泵都应采用变频调速. 且在频率改变时,水泵的工作点也应在水泵高效工
作范围内。
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暖调HV&AC 2021年第51卷第5期
分布式输配系统
流量/(mVh )
水S S «®f tiT F 的效率曲线 —
图1 2台水泵并联运行时的效率分析
在供热系统运行过程中.大多数循环水泵的宴 际效率无从知晓。所以应该现场测试水泵的流量 扬程和轴功率,再进行计算分析才可以作出判定 但是现场测试水泵性能参数比较困难:1)水泵轴 功率在现场没法测试,只能通过测试电功率来替fi 水泵轴功率。2)测试水泵的扬程时要求测压表!e 度相等,测压点(即压力表导压孔)管道流体的流3 和流态相同(即等高、等速、等流态)。如果测压启 管径不同,流体流速不相等,则必须利用伯努利肯丨 量方程进行动压/静压能量转换计算。3)测量外 泵的流量时要求流量计前后有一定长度的直管g (流量计前直管段长度Lq >7D ,流量计后直管段长 度Lh >5D ,其中D 为管径),保证流态均匀稳定。
循环水泵的运行效率用下式计算:
2. 73G H
7-N ,
(6)
6)有条件时,应采用水泵设计选择软件。3.3循环水泵的效率计算
供热系统运行过程中,循环水泵的实际效率是 一个关键指标,对于供热系统节能运行非常重要, 特别是分级泵系统更是如此。然而循环水泵的运 行效率看不见也摸不着,管理者似乎也不太关心。 就离心水泵的铭牌效率看,一般在7 0 %〜8 0 %之 间。但在实际运行过程中.大部分供热系统水泵效 率普遍为50%〜60%,甚至更低(30%〜40% ),因 此造成输配电能的极大浪费。循环水泵运行效率 如此低的主要原因是设计选择的水泵与系统不匹 配,造成水泵实际运行工况点偏离了高效区。
一般来说,工程设计人员在设计选择水泵时, 应该根据水泵性能曲线和管网系统特性曲线进行 绘图验证,校核水泵的性能曲线工作点是否在高效 区。如果多台水泵并联运行时更应该核实水泵的 工作效率,如图1所示。
式中%为水泵测试期效率;G 为循环流M ,t /h ;
H 为循环水泵的扬程,m ;;V z 为循环水泵的轴功率
(现场测试只能用电功率替代),W 。
通过循环水栗现场效率测试情况来判定水杲 工作状态,如果效率太低(如7。<5〇%),就说明7J C 泵和系统不匹配,应该及时更换。有一点需要特别 注意,改变水泵电动机频率不会提高水泵的效率,
相反可能会降低其工作效率。所以分布式变频输 配系统一定要校核所有的变频水泵的实际效率,这 一点对提高系统能效、减少输送能耗至关重要。4
分布式变频输配系统运行调控方法
分布式变频输配系统运行控制是动态调控过 程,根据负荷变化各个循环水泵需要联动或同步调 节管网系统的流量,总流量随负荷改变时.各分级 泵流量至少是等比例变化方可满足用户随气候变 化的热力需求。而目前大多数分布式变频输配供 热系统运行调节依据不明确。针对上述问题作如 下解读,并提出相应调控方法。
4.1分布式供热系统应实行“变频变流量”运行
目前大多数供热系统采用分布式变频输配技 术,主要承担了最大流量分配的初调节问题。实际 上变频系统的可调节性主要解决了循环水泵与系
统的匹配和流量分配问题,在实际运行过程中基本 保持定频定流量运行。即使采用动态变频调节,调 控依据也不明确。有的系统甚至采用所谓的“压差 控制法即根据管网某一位置的压差变化来改变 频率。如此调控方法基本失去了分布式变频输配 技术的节能优势。
其实供热系统采用分布式变频输配技术最有 效的调控方法应该是根据系统供热负荷同步比例 调节各
分级水栗电动机的频率,或采用“等温差调 节法”调节各级水泵的流量,可大大减少管网输配 能耗,且满足热用户的热量需求。4.2合理匹配循环水泵,以提升其运行效率
供热系统所有循环水泵的运行效率应该进行 现场测试,如果实测效率太低就应该及时更换。而 大部分技术管理人员只是听水泵的声音,仅此而 已,结果造成大部分循环水杲低效率(30%〜50%) 运行,浪费严重。
4.3系统供热全过程动态调控策略
大多数供热系统的供热量根据热源的供水温 度进行调节,也就是说把供水温度当热量用,并非
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