基于環路拓展的三級集中供熱系統原理與分析

李永安，劉振棟，牛慧，劉學來

（山東建筑大學 熱能工程學院，山東 濟南250101）

0 引言

集中供熱已成為現代化城鎮的重要基礎設施，是城鎮公用事業的重要組成部分，是現代化的標志之一。根據目前初步統計，城鎮建筑供暖用能折合標準煤1.3億t／a，占我國總城鎮建筑用能的52%，因此是建筑用能的最主要部分［1］。集中供熱系統主要由三部分構成：熱源、熱用戶和輸配管網。在系統運行過程中，輸配管網通過循環泵將熱水輸送到用戶，由于系統設計原因或是系統的調節控制不當，導致系統的輸配能耗遠遠高于其實際所需能耗。據有關資料顯示，系統的輸配能耗大約占到整個運行能耗的40%［2－3］。因此，減少供熱輸配管網的能量損失對于降低供熱系統的能耗有著重要作用。

基于環路拓展的集中供熱系統作為一種新型的供熱系統，能夠很好解決現階段供熱中存在的水力不平衡和運行能耗高的問題，具有很高的推廣應用價值［4］。因此，對該系統的研究具有非常重要的意義。

1 基于環路拓展的集中供熱系統

1.1 傳統集中供熱形式

常用的集中供熱形式主要有傳統直連式供熱系統和間接連接式供熱系統。傳統直連式供熱系統的水泵一般設置在熱源處，需要承擔來自用戶、輸配管網和熱源的阻力損失［5］。間接連接式供熱系統則是在熱源和熱用戶之間加了一個表面式換熱器，使熱源側輸配管網和用戶側輸配管網互不影響，兩側管網分別裝有水泵［6］。分布式供熱系統是在間接連接式供熱系統上衍生出來的一種新型供熱形式。該系統將設在熱源側負責整個熱網的循環泵換成了只負責承擔熱源內部循環所需的小泵，并在換熱站內也加設了循環泵。雖然該系統中水泵的數量增多了，但是每個水泵的流量和揚程都小了，系統的無效功耗也隨之減少，大大降低了其總的輸配能耗［7］。

1.2 基于環路拓展的集中供熱系統

雖然分布式供熱系統便于調節，也在很大程度上降低了供熱管網的運行能耗，但是該系統的初期投資比較高。為了解決供熱系統中存在的水力失調問題，同時又要降低供熱系統的運行能耗，降低投資費用，基于環路拓展的集中供熱系統應運而生。

1.2.1 水力分壓器

基于環路拓展的集中供熱系統主要的部件是水力分壓器。水力分壓器是一個封閉的容器，兩側分別接有兩根水管，其中一側是連接熱網供回水，另一側連接的是用戶供回水。為控制水力分壓器內的水流方向，內部通常設有導流葉片。水力分壓器在使用時，熱源側的供水可以流向用戶供水管，也可以流向熱源回水管；用戶回水則可以與熱源供水混合流向用戶供水管，也可以流向熱源回水管［3］。

由于水力分壓器的雙向混水特性，使得供熱系統可以適應地暖、散熱器等不同水溫要求的供暖方式；當用戶調節流量時，水力分壓器內的混水情況和流量會發生變化，但對于水力分壓器內的壓力并不會產生影響，因此不會對熱網產生擾動，這大大提高了系統的穩定性。

1.2.2 基于環路拓展的集中供熱系統原理

基于環路拓展的兩級集中供熱系統主要由熱源側管網和熱用戶側管網組成。兩級管網之間通過水力分壓器連接，熱源側供回水管接在水力分壓器的一側，熱用戶側供回水管接在水力分壓器的另一側。熱源供水管的熱水在水力分壓器中與熱用戶的部分回水混合后進入熱用戶供水管。相對于輸配管網的管徑，水力分壓器是一個大空間容器，忽略水在容器內的重力作用，可認為其內部是恒壓的，所以在水力分壓器內同一級管網供回水之間的壓差為零［8］。

2 三級集中供熱系統原理及分析

基于環路拓展的集中供熱系統中，對于用戶側，由于某些原因（如地形條件、管網管徑限制等）使得供熱主管網無法延伸到新建用戶時，可以考慮在其近端用戶回水上串聯環路。

如果二次網用戶是地暖用戶，由于其回水溫度比較低，無法再直接用于供熱，因此僅對二次網是散熱器用戶的串聯模型進行介紹。為了便于對比分析，對模型做如下簡化：一次供水管網的供回水溫度按 95／70℃計算，忽略管網的熱損失［9－10］。

2.1 一個環路的供熱模型分析

串聯一個用戶環路（串聯級數為1）的系統原理，如圖1所示。

圖1 一個環路的供熱模型圖1熱源；2一次網輸配管網；3一次網循環水泵；4水力分壓器；5二次網循環水泵；6散熱器用戶；7二次網輸配管網

由系統特點知，同一側的供回水流量是相等的，t1＝95℃，＝70℃。為保證熱網供水能夠全部進入用戶，用戶側的水泵流量略大于熱網的水泵流量，則用戶回水G2一部分進入熱網回水管，另一部分則與熱網供水一并進入用戶供水管，并且。通常用戶側的流量與熱網側的流量比取1.1～1.2。此處的模型流量比取1.1，即 G2／G1＝1.1。

由熱力學第一定律得Q1＝Q2，即得式（1）為

式中：G1、G2分別為熱網側與用戶側的熱水的流量，kg／h；c為水的質量比熱，J／（kg·℃）；t1、分別為熱網側流入和流出水力分壓器的熱水的溫度，℃；t2、分別為用戶側流出和流入水力分壓器的熱水的溫度，℃。

假設水的比熱容恒定，將G2／G1＝1.1帶入式（1）中，得式（2）為

則一次網供回水溫差Δt1＝25℃，二次網供回水溫差Δt2＝22.7℃。

經上述分析，串聯一個環路時能夠滿足熱用戶的用能需求。

2.2 兩個環路的供熱模型分析

串聯兩個用戶環路（串聯級數為2）的情況，如圖2所示。

圖2 兩個環路的供熱模型圖1熱源；2一次網輸配管網；3循環水泵；4水力分壓器；5散熱器用戶；6二次網輸配管網；7三次網輸配管網

由于三次網的接入，必然導致二次網回水水溫和一次網的回水水溫降低，一次網和二次網的供回水溫差改變。由于水力分壓器的混水作用，二次網的供水溫度將會低于92.7℃，在不改變水泵特性的情況下，二次網通過散熱器用戶的供回水溫差Δt2將小于22.7℃，則二次網的熱用戶將會出現熱力失調。

圖1中為了提高熱網的熱效率，讓一次網的供水能夠完全進入二次網，需要使得二次網和一次網有一定的流量比G2／G1＝1.1。雖然兩側流量不同，但Q1＝Q2。而對于圖2中的環路串聯系統，要使二次網仍然得到原有的熱量，就必須保持二次網的工況與圖1類似，使回水溫度為70℃。解決這一問題最簡單可行的就是降低二次網和一次網的流量比，令G2／G1＝1，即G1＝G2，水力分壓器內無混水現象，一次網供水直接進入二次網供水，有t1＝t2＝95℃。雖然二次網的流量減少，但是供水溫度提高了，熱量Q2，與圖1中二次網散熱器熱用戶的熱力工況相同。

當G2／G1＝1時，二次網仍可以串聯下一個環路。則圖2中，一次網供水溫度t1＝95℃，二次網供水溫度t2＝t1＝95℃，離開散熱器用戶的水溫70℃。設三次網流量與二次網流量比G3／G2＝1.1，為保證三次網散熱器用戶的熱力工況滿足要求，就需要使二次網流經散熱器后，水力分壓器的供回水溫差為，則二次網回水溫度為＝45℃，三次網的供回水溫差Δt3＝22.7℃，則三次網的供水溫度為：

t3＝t′3+Δt3＝45+22.7＝67.7℃經上述分析，由于三次網中的供水溫度低了，散熱器與室內的溫差減小了，需加大散熱器的面積才能使室內達到設計溫度。

2.3 三個串聯環路的供熱模型分析

串聯三個用戶環路（串聯級數為3）的情況，如圖3所示。

圖3 三個環路的供熱模型圖1熱源；2一次網輸配管網；3循環水泵；4水力分壓器；5散熱器用戶；6地暖用戶；7二次網輸配管網；8三次網輸配管網；9四次網輸配管網

當串聯級數為3時，由圖2可知，當G3／G2＝1.1時，t3＝67.7℃和＝45℃。若在此基礎上串聯下一級環路，由于三次網供水中混合了部分回水，這勢必會導致三次網的供水溫度降低，造成熱力失調。

為避免這一問題的出現，需要對三次網進行類似對二次網調節的方式進行調節，即減小三次網水泵的流量，二次網的流量保持不變，使此時進三次網用戶的水溫t3＝70℃，出散熱器用戶的水溫＝45℃。

由于45℃水對于散熱器用戶已很難再繼續利用，但對于地暖用戶來說，還是比較合理的。因此，對于四次網的用戶應選擇地暖，供回水溫差數值取10℃［11］。

（3）為

式中：G3、G4分別為三次網和四次網中的流量，kg／h分別為三次網側流入與流出水力分壓器（右1）的熱水的溫度，℃；t4、分別為四次網側流出與流入水力分壓器（右1）的熱水的溫度，℃。

（4）為

從舒適及節能考慮，地面供暖供水溫度宜采用較低數值，國內外經驗表明，35～45℃是比較合適的范圍［12］。若再串聯第四級地暖用戶，由于水力分壓器的混水，第四級管網的供水溫度將低于34℃，不宜再繼續拓展。

3 結論

文章通過對基于環路拓展的集中供熱系統的原理和分析研究可知：

（1）基于環路拓展的集中供熱系統作為一種新型供熱形式，將水力分壓器應用到供熱管網中，實現了用戶側管網與室外主管網的水力工況的分離。既保證了用戶的熱力工況，又降低了系統的能耗。

（2）基于環路拓展的集中供熱系統采用定溫差調節的方式，能夠通過流量的波動精確判斷出熱量的波動，能夠迅速對用戶需求做出反映，該調節方式還充分發揮了水力分壓器的調節性能，降低了熱網的輸配能耗。

（3）建立了基于環路拓展的集中供熱系統三

級用戶串聯的模型，通過對模型的理論分析，發現如果既有散熱器用戶，也有地暖用戶，且散熱器用戶在前，則可以在散熱器用戶的回水管上串聯一級散熱器用戶和一級地暖用戶。

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