分布式變頻供熱的節(jié)能分析

達(dá)福云

摘要：傳統(tǒng)的供熱系統(tǒng)中，釆用的是電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，其對(duì)系統(tǒng)供熱而言有著極大的能量消耗。筆者認(rèn)為，如果可使用分布式變頻調(diào)節(jié)將其替代，在投資初始金額不變的情況下能夠減少大量水泵的消耗，尤其是在負(fù)荷部分運(yùn)行的工程條件下，有更加明顯的節(jié)能效果。由此本論述根據(jù)上述分析，探討分布式變頻供熱的節(jié)能措施，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)工程的節(jié)能供熱提供一些有效思路。

關(guān)鍵詞：分布式;變頻調(diào)節(jié);節(jié)能

中圖分類(lèi)號(hào)：TU9文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)運(yùn)行期間，為保障各個(gè)用戶(hù)所需的流量需求，在用戶(hù)端安裝調(diào)節(jié)閥是其主要方式。而安裝調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量時(shí)，所選擇的泵流量與揚(yáng)程需大于總用戶(hù)的流量總和，這樣才能夠滿(mǎn)足最遠(yuǎn)端用戶(hù)流量的需求⑴。但是此種方式的實(shí)現(xiàn)，需要用戶(hù)支路阻力增加的支持，而一點(diǎn)阻力增加勢(shì)必會(huì)增加能量的消耗。所以如何選擇既能保障熱網(wǎng)運(yùn)行水平又能減少資金投入的節(jié)能方法則成為供熱系統(tǒng)運(yùn)行重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

1傳統(tǒng)熱網(wǎng)的調(diào)節(jié)方法

傳統(tǒng)熱網(wǎng)中所使用的調(diào)節(jié)方法一般都是加大循環(huán)泵流量，利用加裝調(diào)節(jié)閥的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)⑵，其具體的水壓圖如圖1所示。

由圖1可知，供水管壓力分布用圖中實(shí)線部分表示，回水管壓力分布情況用圖中雙點(diǎn)劃線部分表示o 我們假設(shè)5個(gè)用戶(hù)用水，這5個(gè)用戶(hù)終端的資用壓頭相同，這樣用戶(hù)需要的壓頭則可以用單點(diǎn)與雙點(diǎn)劃線間距離來(lái)計(jì)算和表示;而在用戶(hù)安裝調(diào)節(jié)閥之后，其所消耗的壓頭則可用上方實(shí)線和單點(diǎn)劃線之間的距離表示，也就是圖中的虛線位置。雖然簡(jiǎn)單且易安裝，但是在實(shí)際運(yùn)行期間能耗較大。

由圖1可以看出，水壓線的斜率和被調(diào)節(jié)閥消耗的壓頭之間有著十分密切的關(guān)聯(lián)，斜率如果逐漸增加，其所被消耗的壓頭也會(huì)隨之增多，水泵耗能也會(huì)隨之增大。在此，假設(shè)這5戶(hù)用戶(hù)之間距離分布均勻相等，這也是理想狀態(tài)，供水管道和回水管道總長(zhǎng)度為4000 m，比摩阻為60Pa/m，每個(gè)用戶(hù)所使用的流量均為30，用戶(hù)要求的資用壓頭為100 kPa，局部阻力為沿程阻力的30%，循環(huán)泵的效率為70%，那么循環(huán)泵的揚(yáng)程可取值為412 kPa，這樣其泵的軸功耗則為：

其中p表示水的密度，單位為t/m ; g表示重力加速度，單位為m/s ; r）表示水泵的效率;Q表示水泵的流量，單位為m%; H則表示水泵的揚(yáng)程，單位為kPao其所計(jì)算的結(jié)果和調(diào)節(jié)期間的各項(xiàng)能耗見(jiàn)表1和表2所列。

從表1和表2的計(jì)算結(jié)果可以得出以下三點(diǎn)：

⑴近端用戶(hù)用水期間，用戶(hù)1由于接近外網(wǎng)供給位置，因此其所使用的資用壓頭最高，可達(dá)到349.6 kPa，那么最遠(yuǎn)的用戶(hù)5只需要100 kPa的資用壓頭即可。由此，外網(wǎng)提供壓頭消耗的能量，大部分都會(huì)在調(diào)節(jié)閥上分布，大約占據(jù)71%以上，導(dǎo)致水泵能量消耗較大;

（2）5個(gè)用戶(hù)的用水實(shí)際耗能為5.83 kW，占據(jù)總比例的24.27%;管道耗能為10.92 kW，占據(jù)總比例的45.44%;這兩者所消耗的能量是整個(gè)供熱系統(tǒng)中必須要消耗的能量形式。而調(diào)節(jié)閥耗能占比為30.29%，為7.28 kW，由此調(diào)節(jié)閥部分所消耗的能量可以通過(guò)對(duì)其調(diào)節(jié)方法的改變來(lái)達(dá)到節(jié)能的效果;

⑶當(dāng)比摩阻在其他條件不變化時(shí)下降到50 Pa/m之后，水泵的揚(yáng)程也開(kāi)始下降到360 kPa，此時(shí)，調(diào)節(jié)閥消耗的能量也由原有降低到現(xiàn)在的6.07 kW，耗能占比也下降到28.89%o這樣可以說(shuō)明，如果不將調(diào)節(jié)方法加以改變，管道比摩阻降低也是一種降低調(diào)節(jié)閥消耗的有效辦法，但是降低量是存在一定限度的，并且管道比摩阻降低，表示需要管道的直徑增加，初始投資會(huì)提升，所以?xún)H僅依靠降低管道比摩阻并不是一種有效的節(jié)能方法⑶。

2變速泵在未達(dá)到供熱面積期間所產(chǎn)生的能耗分析

如果泵所產(chǎn)生的流量達(dá)到一定量，那么為了減少調(diào)節(jié)閥的能耗，則可以利用變速循環(huán)泵來(lái)實(shí)現(xiàn)。如流量減少到80%，減少其能耗可以根據(jù)轉(zhuǎn)速三次方和泵功耗之間的正比關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是實(shí)際運(yùn)行與操作期間并非如此。

需要注意的是，所使用循環(huán)泵的速度在降低時(shí)，也會(huì)有一定的限制，且降低轉(zhuǎn)速也表示揚(yáng)程減小，還需要滿(mǎn)足程端用戶(hù)的流量需求，所以如果流量下降較多，為了達(dá)到流量滿(mǎn)足最遠(yuǎn)端用戶(hù)的需求，實(shí)際熱網(wǎng)運(yùn)行期間，泵轉(zhuǎn)速比并不等于流量比，而是要大于流量比氣

還是以上述5個(gè)用戶(hù)為例，如果將流量下降到80%，變速泵轉(zhuǎn)速比也為80%時(shí)，泵揚(yáng)程則變?yōu)?63.7 kPa，這時(shí)的用戶(hù)5可以用到的資用壓頭只有82.9 kPa，難以滿(mǎn)足原有的100 kPa需求。因此為了解決此問(wèn)題，必須要將泵轉(zhuǎn)速提高。由計(jì)算可以得出，當(dāng)泵轉(zhuǎn)速比為82.55%時(shí)，用戶(hù)5的壓頭剛好為100 kPa，此時(shí)泵揚(yáng)程為280.8 kPa、流量比為80%。這樣即使使用變速泵，也沒(méi)有良好的節(jié)能效果。

那么如何保障泵揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速比和流量比都可滿(mǎn)足最遠(yuǎn)端用戶(hù)的資用壓頭需求，則是供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要嚴(yán)格關(guān)注的重要問(wèn)題。由此設(shè)計(jì)出分布式變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)節(jié)能系統(tǒng)。

3分布式變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)的節(jié)能研究

3.1節(jié)能分析

在上文分析中可以看出，在保障管道直徑和用戶(hù)流量不變的情況下，只有依靠減少調(diào)節(jié)閥的耗能來(lái)降低泵耗。并且在水壓圖上分析，實(shí)際上就是要將圖中虛線的高度降低。如果可以調(diào)整水壓線則有可能實(shí)現(xiàn)這一目的，調(diào)速后的水壓圖如圖2所示。

在圖2中可以看出，外網(wǎng)提供給用戶(hù)1的壓頭剛好和用戶(hù)需要的資用壓頭相等，所以用戶(hù)1可不使用調(diào)節(jié)閥。而用戶(hù)2到用戶(hù)5之間，外網(wǎng)能夠提供的壓頭需要小于資用壓頭，所以為了保障系統(tǒng)正常運(yùn)行的狀態(tài)，必須要將變頻回水加壓泵安裝在這4戶(hù)用戶(hù)位置。其中圖2中豎直直線的高度則可表示本泵揚(yáng)程，虛線高度則可表示消耗的壓頭，此時(shí)揚(yáng)程約為162.4 kPa，功率為9.47 kW，其他的計(jì)算結(jié)果如表3和表4所列。

3.2未達(dá)到設(shè)計(jì)供熱面積時(shí)能耗分析

根據(jù)上述基礎(chǔ)條件，給予用戶(hù)1足夠的資用壓頭，這時(shí)當(dāng)流量被變化到80%期間，循環(huán)泵此時(shí)的揚(yáng)程為139.9 kPa，功耗為6.53 kW，用戶(hù)2/3和用戶(hù)5共計(jì)消耗了 2.79 kW的功耗，由此回水加壓泵和循環(huán)泵所消耗的總功耗則為9.32kW，和上述2標(biāo)題內(nèi)容中的13.1 kW 相比節(jié)能了28.88%。

因此可以明確的是：無(wú)論是設(shè)計(jì)的流量還是部分存在的流量，只要供熱系統(tǒng)在這兩種條件下運(yùn)行，那么回水加壓泵的揚(yáng)程就可以被分布式變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與調(diào)節(jié)，保障能夠使每一戶(hù)的資用壓頭要求得到充分滿(mǎn)足，也可減少循環(huán)泵的能耗，提升整個(gè)熱網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

3.3投資分析

對(duì)熱網(wǎng)進(jìn)行控制時(shí)，可被分為通訊網(wǎng)絡(luò)和中央控制機(jī)、當(dāng)?shù)乜刂圃O(shè)備兩項(xiàng)重要部分。與傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥控制都需要通訊網(wǎng)絡(luò)和中央控制機(jī)，所以二者調(diào)節(jié)方法在此方面有著相同的投資;而對(duì)于當(dāng)?shù)乜刂贫裕植际阶冾l調(diào)節(jié)系統(tǒng)需要回水加壓泵、變頻器與控制器，而傳統(tǒng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)方法則需要電動(dòng)調(diào)節(jié)閥與控制器，二者在此項(xiàng)投資中的金額相差不多，且分布式變頻調(diào)節(jié)中的主循環(huán)泵揚(yáng)程將會(huì)極大的降低，進(jìn)而可減少主循環(huán)泵的一次性投資金額成。因此二者在總投資上十分相近。從上述各項(xiàng)能耗和經(jīng)濟(jì)性計(jì)算中也可以看出，在現(xiàn)有的熱網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行中，分布式變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)的應(yīng)用十分有益，能夠在減少其供熱管網(wǎng)運(yùn)行能耗的基礎(chǔ)上，保障用戶(hù)的供熱需求。

4結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本論述以分布式變頻調(diào)節(jié)在供熱系統(tǒng)中的節(jié)能分析和傳統(tǒng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)方法的能耗分析做對(duì)比，可以看出在選擇分布式變頻調(diào)節(jié)方法時(shí)，二者投資金額相當(dāng)，且能夠更大程度的減少泵耗，這對(duì)于現(xiàn)有的供熱系統(tǒng)運(yùn)行有著十分重要的經(jīng)濟(jì)性意義和效益意義'句，在未來(lái)的供熱系統(tǒng)運(yùn)行中有著十分重要的使用價(jià)值，值得技術(shù)推廣與使用。

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