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1、暖通空调I & A C 加1 2 年第4 2 卷第1 2 期 供热系统分阶段 质一量调节的节能分析 哈尔滨工业大学吴洁清姜永成赵春阳方修睦 中国科学院广州能源研究所郑瑞芸 摘要该调节方法在传统方法的基础上，依据供热负荷大小分为最小流量质调节和定供 水温度量调节两个阶段。介绍了调节曲线，分析了系统最小流量的影响因素，并给出了供热参 数的计算方法。实例计算分析表明该方法具有较好的节能效果。 关键词供热系统量调节质调节最小流量节能 E n e r g ye f f i C i e n ta n a I y S i SO fS t a g e dC o n S t a n t - V a r i a
2、b I e f l o wr e g u l a t i o nf O rh e a t j n gs y S t e m s B yW Uj | e q t n g ，j | O n gY 。n g C h e n g ，z h C h u n y o n g ，F o n g l L J m u0 n dZ h e n gR u l y u n A b s t r a c t B a S e do nc o n v e n t i o n a lr e g u l a t i o nr n e t h o d s ，d i 访m n gt h eh e a t i n gs e a s o
3、 ni n t ot w os t a g e s ， a c c o r d i n gt om a 鲥t u d eo ft h eh e a t i n g1 0 a d ，i nw h i c hr e s p e c t i v e l yr e g u l a t i n gt h es u p p l yw a t e rt e m p e r a t u r e u n d e rt h em i n i m u mf l o wr a t ec o n d i t i o na n da d j l l s t i I l gt h es u p p l yw a t e r
4、f l o wa ts e t t l e ds u p p l yt e m p e r a t u r e P r e s e n t st h er e g u 己a t i o nc u r v e ，a n a l y s e st h ei r t f l u e n c 主n gf a c t o r s0 ft h er n i n i r 删mf k ) wr a t e ，a n dr e p r e S e n t st h e c a l c u l a t i n gm e t h o do fh e a t i n gp a r 姗e t e r s Ac a s
5、ec a l c I l l a t i o ns h o 、st h a tt h em e t h o dh a sab e t t e re n e r g y e f f i c i e n te f f e c t K e y w o r d sh e a t i n gs y s t e m ，f l o wr e g u l a t i o n ，t e m p e r a t u r er 铭m a t i o n ，m i l l i I I l 哪f l o wr a t e ，e n e r g y e f f i c i e n t H a 矧nI n S l i l
6、u l e0 fT e c h n 0 I O g y ，H a r b i n ，C h i n a 0 引言 目前，传统的供热调节方法主要有：1 ) 质调 节 1 。供暖负荷较小时，在小温差大流量模式下运 行，循环水泵输送能耗高，不利于节能。2 ) 量调 节 2 。在运用此调节方法时，当网路流量减小到一 定值时，管路中水的流动状态将偏离阻力平方区， 使流量分配比例发生变化，热网出现水力失调，且 摩擦阻力系数增大，不利于节能。3 ) 分阶段改变 流量的质调节 1 。虽然，此调节方法相比于传统质 调节有所改进，但是水泵只能在分段的恒定频率下 运行，仍然有较大的节能空间。 近年来，国内外学者在这
7、三种传统调节手段的 基础上，综合管道保温、热力失调等其他因素，提出 了不同的优化方法，减少了供热运行能耗及费用。 张晓松通过计算对变流量供热系统板式换热器热 力站的量调节及等温差调节两种调节方式进行了 比较探讨 2 3 ；R o s a 等人通过对管道保温的研究提 出了基于减少管道散热损失的优化供热调节方 法 3 3 ；S k o r e k - 0 s i k o w s k a 等人基于不同的管道保 温形式以及不同的煤电价格比，优化了供热调节曲 线，减少了供热输送费用 4 。 1 分阶段质一量调节方法的实现 1 1 分阶段质一量调节曲线 吴洁清，男，1 9 8 8 年9 月生。在读硕士研究
8、生 1 5 0 0 9 0 哈尔滨工业大学市政环境工程学院 ( O )1 8 3 6 8 8 6 0 3 1 8 E _ m i l ：w u j i e q i n g _ f e l i x 1 2 6 c a m 收稿日期：z 0 1 2 一0 1 1 6 修回日期：2 0 1 2 一0 3 2 8 万方数据 1 3 8 暖通空调H V & A C 约1 2 年第4 2 卷第1 2 期运行管理 区别于传统供热模式在一个供暖期内采取单 一的调节方法，分阶段质一量调节将整个供暖期按 照供热负荷大小分为三个时期：初期、中期和末期。 其中初期和末期为一个运行阶段，中期为另一个运 行阶段。由于存在
9、管网平衡、换热效率等问题，实 际系统存在一个运行流量的下限，即图1 中的 G 血。在供暖初期和末期由于负荷较小，系统按照 驴1 相对负荷比歹 图1 分阶段质一量调节曲线 质调节运行，运行流量为既定的最小设计流量。 随着负荷的增加，系统的供水温度n 已达设计值 r ，此时最小流量下的质调节已无法满足要求，于 是增大系统的运行流量，同时保持供水温度r ，不 变，此时即为供热中期的定供水温度量调节工况 运行。 系统实际运行时，如采用理想曲线进行调节， 在过渡季节其运行模式的变化将会非常频繁，以至 于影响调节器及执行机构的工作寿命，因此在理想 调节曲线的基础上设置了 Q l 一，Q 1 + 呆滞区(
10、如图 2 所示) ，即本文介绍的分阶段质一量实际调节曲 线。热负荷比达到Q ，一时并不马上转变运行工况， 而在热负荷比达到Q 。+ 时才完成质调节模式到量 调节运行工况的转变，上行调节与下行调节及工况 转换如图2 中箭头所示。 衍一两磊+ 相对负荷比矿 图2 分阶段质一量实际调节曲线 1 2 系统关键参数的计算 1 2 1 系统最小流量 根据运行实践积累的资料，对于室外热水网 路，设计都采用较高的流速( 流速常大于o 5m s ) ，均大于过渡区流速上限，因此热水网路中的流 动状态大多处于阻力平方区。流体的压降与流量 关系满足二次幂规律；在已知水温参数下，网路各 管段的阻力数S 仅取决于管段本
11、身，不随流量变 化。因此当系统循环水泵的频率下调，管网总流量 减小时，各个支路满足等比变化，即流量分配比例 不变。当系统流量减小到一定值时，管路中水的流 动状态将偏离阻力平方区，使得各支路流量的分配 比例发生变化，而不再是等比变化，因此在采用量 调节运行时存在一个流量等比变化下限，该流量值 即可认为是保证系统正常运行的最小流量。 为了直观地表示系统的最小流量，计算了一 1 0 0 时对应的临界流速，并依据文献 5 附录9 一 l 热力网路水力计算表推荐的不同管径的设计流 速，得到了不同管径的临界流量比 6 ( 把即将偏离 阻力平方区的流速称为临界流速，临界流速与设计 流速的比值称为临界流量比)
12、 ，如图3 所示。该图 的绘制条件是o 5m m ，1 0 0 ，9 5 8 3 8k g m 3 ， 0 2 9 5 1 0 _ 6m 2 s 。 图3 临界流量比 从图3 中可以看出，临界流量比随着管径的增 加而逐渐减小，即管径越大，可采取的变流量范围 就越大，说明系统流量变化范围取决于该系统的最 小管径。若某个热网中最小管径为D N 7 0 ，查图3 得所对应的临界流量比为o 5 ，即该热网允许的流 量变化范围为5 0 1 0 0 。 1 2 2 供热参数的计算 考虑到当前大部分的间接连接系统二级网均 采用质调节运行，故本文中主要阐述这一情况下各 运行参数的确定。 当系统二级网与供暖用户
13、直接相连时，即二级 万方数据 加1 2 ( 住)吴洁清，等：供热系统分阶段J 贾- 量调节的节能分析 1 3 9 网的末端为散热器，其质调节的供、回水温度( ， 如) 计算公式如下 1 | ： 岛一“+ 出：Q 南+ o 5 出：Q ( 1 ) “一。+ 出：Q 南一O 5 位j Q ( 2 ) 式中珞，“分别为二级网路运行工况的供、回水 温度，；。为供暖室内计算温度，；出：为用户散 热器的设计平均计算温差，：一o 5 ( ：+ ：一 2 。) ，其中t ：，：分别为二级网路设计工况的供、回 水温度，；Q 为负荷比，Q 一等；& ：为用户的 设计供回水温差，：一：一：；6 为散热器传热 系数计
14、算公式中的指数，一般取o 3 。 根据网路供给热量的热平衡方程式可得： 萄一石。三F 粤一- 21 日 ( 3 ) r 1r 2 g 一 根据板式换热器换热的热平衡方程式及板式 水水换热器K 值的计算公式 7 ( 本文中以m o 8 5 ，e 一1 为例) ，计算可得： 萄一K 爱2 础酽爱 ( 4 ) 式( 3 ) ，( 4 ) 中G ，G 2 分别为一级网和二级网的流 量比；r ；，分别为一级网路设计工况的供、回水温 度，；。，r 。分别为一级网路运行工况的供、回水 温度，；& ，位分别为设计工况及运行工况下水 一水换热器的对数平均温差，。 在某一萄条件下，已知出7 ，r ：，、：，：，1
15、 2 ，则 缸，h 可根据式( 1 ) ，( 2 ) 确定，通过联立求解式( 3 ) ， ( 4 ) ，即可确定各种调节方案下一级网路的供热参 数G 1 ，r 1 ，r 2 。 1 2 2 1 一级网质调节阶段 此时G 1 为常数，G 2 1 ，代人式( 3 ) ，( 4 ) 得： 砭一石- 端一糍 ( 5 ) r 1 一r 2f z Z h 百一爱胡4 8 专岩 现一“ 通过联立式( 1 ) ，( 2 ) ，( 5 ) ，( 6 ) 求解，即可确定 在某一石，石，条件下，该调节方案相应的r 。及砚 值。 1 2 2 2 一级网量调节阶段 一级网定供水温度量调节、二级网质调节时， r ，一r
16、i = 常数，1 2 1 ，代人式( 3 ) ，( 4 ) ，通过联立求 解，即可确定在某一Q 条件下，该调节方案相应的 商及龟值。 1 2 2 3 质量调节转换点的确定 由式( 1 ) ，( 2 ) 知，k ，“都是关于Q 的函数，令 式( 5 ) ，( 6 ) 中G 。一常数，r ，一r ；一常数，联立以上公 式即可求出萄与r 。，再由公式石一可计算转 nW 换点所对应的室外温度。 2 实例分析及节能量计算 2 1 分阶段质一量调节适用范围 分阶段质一量调节方法最适用的调节对象为一 级管网，因为其流量可变范围较大，节能空间也较 大。若二级网采用该方法进行调节，则应该在建筑 物人口设具有水力
17、工况隔离能力的装置，如均压 罐、混水器 8 等，将室外与室内的供暖系统隔离开。 这样输配网路采用大温差小流量运行，保证用户处 能获得足够的热量，用具备水力工况隔离能力的装 置来解决输配网路与末端用户流量的匹配问题，再 用水泵保证用户一定的资用压头，使用户能够在需 求的热量范围内实现自主调节，且水泵可以沿着理 想变频曲线进行调节，经济性较好。 2 2 实例计算 假设某热水供热系统，供暖用户系统与热水网 路采用板式换热器进行间接连接。一、二级网的设 计参数分别为：r ：一1 2 0 ，r ；一7 0 ，f ；一8 5 ， 一6 0 ，一级网采用分阶段质一量调节计算方法， 二级网按质调节考虑，系统运
18、行参数计算结果见 表1 ，调节供热曲线见图4 。 表1 运行参数 负荷比 O 3O 40 5O 6O 6 7O 7O 8O 9 1 O 一级网G l O 5O 5O 5O 5o 5o 5 4 O 6 6 O 8 21 订6 7 58 2 29 6 5 1 1 0 71 2 01 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2 0 r 2 3 7 54 2 2 4 6 5 5 0 75 3 35 5 O5 9 96 4 97 0 二级网G 2 l1 1111111 k 4 3 34 9 9 5 6 2 6 2 36 6 46 8 27 3 97 9 58 5 “3 5 83 9 94 3 7 4 7 3
19、4 9 75 0 75 3 95 7 O6 0 2 3 节能量计算 2 3 1 质调节、量调节运行时间确定 由表1 可知，当Q 0 6 7 时系统采用最小流 量质调节运行，当o 6 _ 7 Q 1 时采用量调节运 行，根据Q 一等可求得临界点室外温度。，再 0nD W 查询有关气象数据即可得出质调节和量调节的运 万方数据 1 4 0 暖通空调柙艘A C 加1 2 年第4 2 卷第1 2 期运行管理 相对负荷比 + 一级同供水温度+ 一级网回水温度 + 二级同供水温度平二级同回水温度 圈4 分阶段质一量调节供热曲线 皓掣一卜嵩 、玩一一瓠7 8 7 2 o 4 5 十0 5 5 ( 羔吴型J 5
20、 ) 量调节阶段循环水泵节电率 ，0 7 Q h 、。 K i l 一1 一Q 生上= 1 一o 5 2 33 o 4 5 + o 5 5 f 骘警) 6 ) 分阶段质一量调节综合节电率 K i K i z P l + K i l P 2 ( 8 ) 式中P 。为采用质调节运行的时间占整个供暖期 时间的百分比；P z 为采用量调节运行的时间占整 个供暖期时间的百分比；且P ，+ P z 一1 。 在供热系统中热网循环水泵电耗的费用是非 常可观的。如东北某城市集中供热小区总供热面 积为10 0 0 万m 2 ，系统定流量运行，实际记录的总 运行流量为1 52 6 7m 3 h 。运行4 台水泵，
21、水泵的 扬程为6 5m 、流量为38 4 6m 3 h 、电动机额定功率 为8 0 0k w 。电动机选择1 0k V 电压供电，电价按 照普通工业电价o 7 4 7 元( k W h ) ，供热时间按 照1 8 0d 进行计算，定流量运行需要的年电费为 10 3 2 6 5 3 万元。 如果采用分阶段质一量调节运行，质调节阶段 按设计流量的5 0 计算，量调节阶段系统平均流 量按设计流量7 0 计算，设计供回水温度按1 2 0 7 0 考虑，计算得出质、量调节转换点室外温 度约为一1 1 5 ，查有关气象数据 1 可知，量调节 阶段约为8 9d ，则P 1 一o 5 0 6 ，P 2 一o
22、4 9 4 ，综合节 电率为o 6 5 68 ，节约的电费为6 7 7 8 万元。 同样，相对于分阶段改变流量的质调节，分阶 段质一量调节也有比较明显的节能效果，若以质调 节的电耗为基准，还以上述计算为例，则分阶段质 调节节电率为2 8 8 ，分阶段质一量调节节电率为 6 5 6 ，分阶段质一量调节有较大的优越性。 3 结论 3 1 在分阶段质一量调节中，系统的最小流量与实 际供热系统设计流速、供回水温度、管径、水泵等因 素密切相关，在实际应用时应具体分析。 3 2 二级网采用分阶段质一量调节时，需要在热力 人口设置水力工况隔离装置，再用水泵来满足用户 资用压头。 3 3 分阶段质一量调节属于
23、热源处集中调节的一 种方式，可能会与末端的自主调节需求存在一定出 入，需要进行进一步的研究。 ( 下转第1 1 7 页) 万方数据 加1 2 ( 1 2 ) 张海琳，等：地理管地源热泵地埋管管径的选取 1 1 7 增大的，随着管径的变化，热阻变化率近似为一定 值，如图4 所示。 ， 8 童一7 綦芝6 鬟薹s 篓。4 3 围4 对滚抉热热阻奠臂径的变化 因此可以得出结论：在定流量情况下，管径增 大不利于地埋管内循环水与管壁的对流换热。在 定流量情况下，对于不同的管径，其换热效率是不 同的，从图4 可以看出，2 5m m 和5 0m m 管径，管 径增加一倍，5 0m m 管径的管道对流换热热阻
24、是 2 5m m 管径管道的1 7 倍。显然应根据地质条件 和经济条件合理地选择地埋管管径，并结合管径变 化对地埋管换热器换热能力与水泵能耗产生的影 响找出最佳管径，这样可以显著降低运行成本。 4 结论与展望 由于管径的变化会影响水泵能耗与地埋管的 换热量，在定流量的情况下，随着管径的增大，管道 阻力减小，水泵能耗降低；与此同时对流换热热阻 增加，地埋管换热能力减小。二者结合起来，这种 变化就呈现出一种波动性，并非以单调递增或递减 的趋势出现。可以说，在工程规定的地埋管管径范 围2 0 5 0m m 内必存在一最佳管径。此最佳管径 必须从大量的实验或者模拟计算中取得，并结合经 济性分析才能得以
25、确定。 地埋管管径的选取不仅仅是简单的粗略选取。 应该综合考虑，使其能满足湍流流动，并且在水泵 能耗和地埋管换热性能之间权衡得出一个最佳管 径。本文仅分析了管径的改变对地埋管地源热泵 系统的影响，在分析管径的改变对传热的影响时没 有考虑其他地埋管的影响，应结合钻孔间距和热流 密度来合理确定管径。 参考文献： 1 马最良，吕锐地源热泵系统设计与应用 M 北京： 机械工业出版社，2 0 0 7 2 方肇洪，刁乃仁地热换热器的传热分析 J 工程热 物理学报，2 0 0 4 ( 4 ) ：6 8 5 6 8 7 3 中国建筑科学研究院G B5 0 3 6 6 2 0 0 5 地源热泵 系统工程技术规范
26、 s 北京：中国建筑工业出版社， 2 0 0 5 4 李云U 形管地埋换热器冬季传热性能的数值模拟 与分析 D 天津：天津大学，2 0 0 7 5 杨世铭，陶文铨传热学 M 4 版北京：高等教育 出版社，2 0 0 6 6 程小菲，夏智先，张娟娟，等换热介质的流速对地埋 管换热器换热性能的影响 J 工程与建设，2 0 1 1 ( 4 ) 1 5 】7 5 1 9 ( 上接第1 4 0 页) 5 北京市煤气热力工程设计院C J J3 4 2 0 0 2 城市热 参考文献： 力网设计规范 s 北京：中国建筑工业出版社，2 0 0 2 1 贺平，孙刚供热工程 M 3 版北京：中国建筑工业 6 郑瑞芸
27、间接连接系统和旁通加压混水系统的适量 出版社，1 9 9 3 供热调节技术 D 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2 0 0 9 2 张晓松板式换热器热力站变流量供热系统调节方式 7 郑瑞芸，姜永成，方修睦板式换热器在变流量工况 口 煤气与热力，2 0 0 9 ，2 9 ( 1 ) ：1 9 2 3 ， 下的相对传热系数分析 J 暖通空调，2 0 1 0 ，4 0 3 R o s aAD ，L iH ，S v e n d s e nSM e t h o df o ro p t i m a l f 1 ( ) 1 8 5 8 8 7 e S l g r I o t p 1 譬8 蛔! ! 。n e 。g
28、yd 1 8 t r l c ! 篡鼍n g ：w n n 8 燕勇鹏装有四通混水器供热系统的性能研究 D ! 黑。n h e a 1 0 s s e 8 J E n e r g y ，2 0 1 1 ，3 6 ( 5 ) ：2 4 0 7 一 。 哈尔滨：哈尔滨工业央学，2 0 1 1 r 4 ；二：e k - o s i k 。w s k aA ，s z l e kAo p t i m i s a t i 。n 。fa 9 伍悦滨，朱蒙生工程流体力学泵与风机 M 北京： h e a t i n gc u r v ei nad i s t r i c t h e a t i n e t 啪r kw i t h 化学工业出版社，2 0 0 6 r e s p e c tt oh e a tt r a n s p o r tc o s t J J o u m a lo ft h e 1 0 中国标准化研究院G B1 2 4 9 7 2 0 0 6；相异步电 E n e r g yI n s t i t u t e ，2 0 0 9 ，8 2 ：4 2 3 7动机经济运行 s 北京：中国标准出版社，2 0 0 6 万方数据