開式分布式動力系統的節能性分析

尚有海 杜芳會 張子平

摘 要：分析介紹了分布式開式水系統和閉式水系統的動力系統的不同，以某再生水熱泵系統為例，對該熱泵區域供熱系統的源水輸配系統進行了分析，經過水力計算得到采用分布式動力系統的輸送能耗比傳統的動力集中式系統的能耗低8.7%，節能效果顯著，經過計算可知開式分布式系統相比于動力集中式系統仍然具有節能性。

關鍵詞：開式源水輸配系統；分布式動力系統；節能

引言

隨著熱泵技術的發展提高以及逐漸增加的環境壓力，利用熱泵實現對江、河、湖水以及再生水等低品質的能源進行回收利用的區域供熱（供冷）有了較大規模的發展。低位熱能的提取方式主要有兩種，一種是閉式間接利用系統，在源水處設板式換熱機組，就近將低位熱能提取；另一種是開式直接利用式，將源水輸送到熱用戶處水源熱泵機組中進行換熱。相比傳統的集中供熱系統，再生水等低位熱源的可利用溫差較小，常規的水源熱泵機組的蒸發器進出水溫差為8℃[1]，為了實現區域供熱，源水的流量通常比較大。取水點至熱用戶的高差一般只有幾米，由高差引起的兩種系統形式的能耗差別不大，而閉式系統既增加了初投資又增加了換熱的熱損失，因此對于水質相對清潔的水體宜采用開式系統。供熱系統主要由熱源、輸配管網、末端熱用戶三大部分組成，其中管網輸配系統是決定系統節能與否的關鍵，是整個系統的重要組成部分，因此，管網輸配系統的設計和運行將決定著整個供熱系統的能耗水平，對于區域規模的水源熱泵系統來說源水輸配系統的優化設計具有重要意義。

1 開式分布式水系統

源水輸送采用分布式動力系統，即在水源點設源水提升泵站，克服源水去程到最不利點的阻力損失，在各用戶處的熱泵站內設一次側加壓泵，克服水泵站內及回程的阻力。首站源水提升泵和各用戶側加壓泵均宜采用變頻控制，前者是為了適應每年系統總用水量的變化，后者是為了適應每個采暖期內末端負荷的變化而引起的再生水量的小幅變化。

開式分布式動力系統，與閉式循環的分布式變頻系統不同，前者必須保證再生水能被輸送到最遠端，保證管道內充滿水，因此開式系統的“零壓差點”必須取在系統的最不利點。在末端負荷較低的前幾年，首站的再生水提升泵可以滿足最不利用戶的資用壓頭，各個用戶側變頻加壓泵不需要開啟，屬于集中式動力系統。隨著用水量的增加，個別較遠端的熱用戶需要開啟一次側提升泵，來滿足熱泵機組的需求。圖1是幾種不同形式的動力配置示意圖。

比較常用的是圖d所示的結構形式，王紅霞[2]等人將主循環泵、沿途加壓泵、用戶側變頻加壓泵三種功能的動力系統靈活組合，給出六種不同的方案，六種方案相對于傳統方案的節電率均為33.75%，六種方案的設計均是按照熱源、熱網、用戶的阻力和資用壓頭的情況提供動力，沒有剩余壓頭，因而能達到相同的節能效果。然而理想的模型系統付諸實踐必須滿足工程應用的可及性、可靠性、經濟性等方面的要求。分布式動力系統由多泵組合實現，需要精確的計算流量、揚程以及控制。

2 開式系統水泵揚程的確定

動力分散系統中通常不設調節閥，節省了由于節流閥造成的能量損失，文獻[3，4]通過實例計算說明了分散式動力系統的節能性，且系統越大節能性越明顯。然而在應用推廣方面并不樂觀，主要的一個原因是對系統設計方面的技術問題，動力分散系統中的水泵，包括主循環泵、支線泵等都是相互協同并且水力關聯的，要使得管路中的流量分布達到設計工況，必須正確確定系統中各個泵的揚程。

開式動力分散供熱輸配系統的設計思路與閉式系統的設計類似，一般來說有以下幾點[5]：（1）對源水系統進行水力計算，得出管網的特性曲線；（2）確定最不利用戶，將最遠端選為零壓差點，主循環泵和分布式泵的配置就唯一確定了，零壓差點的位置決定了系統的造價和運行費，當系統中所有的熱用戶均沒有剩余壓頭時，系統沒有節流損失，也就是最優的配置；（3）確定主循環泵，主循環泵的選取要能夠滿足全部的流量需求，負責克服水源點到零壓差點的阻力，還需結合管網的特性，盡量選擇Q-H曲線比較平坦的水泵，在流量變化范圍內還能夠保證穩定的揚程；（4）各個分布式泵的選擇主要考慮滿足所對應的用戶流量和該用戶機房內的損失和源水回程的揚程要求。

開式系統主循環水泵的揚程H包括源水去程的流動阻力和進出口高差形成的靜水壓力，如公式（1）式所示：

而各個熱泵站內的分布式水泵克服站內的阻力損失和源水回程的阻力損失。

3 工程案例分析

某再生水源熱泵工程的管網輸配系統如下圖所示，共5個熱用戶，設計流量為5219t/h，通過水力計算可知各個管段的阻力損失，標于各個節點之間，流量標于字母下方，系統簡圖如圖2所示。

主循環泵的揚程為H0，各支路水泵揚程為H1，H2，H3，H4，H5，分布式變頻動力系統是否設計合理，是否能達到比傳統集中式輸配系統節能的目的，主要由兩個方面的參數來決定，一是壓差控制點的選取，二是系統的背壓的作用，即循環泵的壓頭中用來提升流體勢能的那部分，用于提升流體勢能的這部分越大水泵的效率越低[6]。由于系統的首站主循環泵的吸入口和各個熱用戶機房內機組進水口的高差最大為2.1m，本系統不考慮背壓對動力系統的影響。

設循環泵效率均為70%，其軸功率的計算公式為：

其中：E-系統總的輸送功率，kW；Q-循環泵的流量，t/h；H-水泵揚程，m；η-循環泵效率，定為70%。

系統的動力設計方案有2種，方案1為傳統的動力集中式系統，首站的主循環泵克服最不利用戶的阻力損失，各個熱用戶站內不設分布式泵；方案2以5-5'為壓差控制點，主循環泵克服源水到最不利用戶⑤的阻力損失共26m，熱用戶機房內的分布式泵克服站內源水的回程阻力損失，得到相應的動力配置。分別將各個方案的數據代入公式（2）可得兩個方案的能耗及配置情況：

從表1可以看出，當各個熱用戶均沒有剩余壓頭時，一次系統不存在節流損失，源水輸送的總功率等于系統的需用功率，開式分布式系統與動力集中式系統相比，節省了8.7%的水泵裝機功率。開式系統采用分布式的動力系統，一個采暖季連續運行120天，節約的電能是290880kWh，由此帶來的經濟效益較為可觀，在分布式動力系統中可以不設電動調節閥，取而代之的是分布式變頻泵，系統的初投資及后期的運行檢修費用都會降低。

對于區域規模的供熱系統，末端的熱用戶通常是10萬以上的一個小區，對于水源地附近的熱用戶通常建設進度不一，各個熱用戶的同時使用系數較小，與傳統動力集中的系統形式相比較，采用動力分布式系統更靈活，首站泵站的規模可以根據末端的需求逐漸投入建設，住循環泵和分布式泵均采用變頻控制，在投入使用的前幾年負荷較低時采用變頻可以降低啟動及運行電流，降低運行費用，隨著負荷的增加最終首站達到滿負荷。

4 結束語

為了適應區域規模的再生能源熱泵供熱系統，源水的輸配采用開式分布式動力系統不僅降低了主管網內的壓力，而且減少不必要的能源浪費，與傳統的系統相比輸配能耗減少了8.7%，而且滿足了末端負荷不同時存在的特點，降低了首站的初投資。根據末端熱用戶的工程進度情況，再生能源系統采用開式分布式動力系統較為合理。

參考文獻

[1]GB/T 19409-2013.水（地）源熱泵機組[M].北京：中國建筑工業出版社，2013.

[2]王紅霞，石兆玉，李德英.分布式變頻供熱輸配系統的應用研究[J].區域供熱，2005（1）：31-38.

[3]狄洪發，袁濤.分布式變頻調節系統在供熱中的節能分析[J].暖通空調，2003（2）：90-93.

[4]符永正，吳克啟，蔡亞橋.常規水系統的閥門能耗及動力分散系統的結構和應用[J].暖通空調，2005（9）：6-10.

[5]姚東文，邱林.分布式變頻泵供熱系統節能影響因素[J].煤氣與熱力，2010（4）：14-17.

[6]符永正，吳克啟.背壓對泵與風機變速調節節能效益的影響[J].暖通空調，2004（3）：70-72+16.

作者簡介：尚有海（1986，11-），男，河北石家莊，本科學歷，研究方向：供暖、通風與空調工程的設計與應用研究。