分布式輸配供熱系統運行優勢及應用難點研究

韓洪姍，狄育慧，呂硯昭

(1.西安工程大學 城市規劃與市政工程學院，陜西 西安 710048；2.西安市建筑設計研究院，陜西 西安 710000)

1 引言

據統計，截至2017年，北方城鎮建筑供暖面積增加了近2倍，而能耗的增加不到1倍，遠低于供暖面積的增長，可以看出供暖能耗的節能取得了明顯成效，目前供暖的節能手段大部分是通過高效節能的熱源方式[1]，多采用集中供暖系統，而分布式輸配系統能從供熱系統的另一個組成部分——管網入手，合理利用分布式輸配供熱系統能為供暖節能提供新的方向。

2 系統對比

2.1 傳統系統

傳統供熱系統的結構及水壓圖如圖1所示，可以看出傳統供熱系統的循環泵設置在熱源處，根據最不利用戶的資用壓頭選擇，循環泵需承擔熱源內部、整個管網及熱用戶3個部分的阻力。這樣必然造成近端用戶資用壓頭過大，產生資用壓頭過剩的情況，需設置調節閥將多余的資用壓頭消耗掉，因此產生無謂的節流損失。傳統供熱系統由于自身的設計不足，容易造成熱量的浪費、冷熱不均、大流量小溫差及供熱系統能效低下等一系列問題[2]。

近端用戶流量超標的同時，往往意味著遠端用戶的資用壓頭不足，末端用戶無法得到實際所需的熱量，容易形成近端用戶熱量過多，需調節閥將其消耗掉，而遠端用戶供回水壓差過小，室內溫度無法滿足人員需求，資用壓頭不足的問題，冷熱不均現象嚴重。

為了改善末端用戶的供熱效果，傳統設計中會采取直接的手段，加大循環水泵或在末端設置加壓泵，將流量加大，這樣的設計思路并不能徹底解決冷熱不均的問題，而是會形成 “大流量、小溫差”的運行方式。

“大流量、小溫差”的運行方式會造成40%-50%的能量浪費[3]，包括兩方面：熱量浪費和電量浪費。近端用戶室內過高的溫度必然會導致用戶開窗散熱，損失熱量；大流量運行必然需要增加水泵的運行臺數或調整水泵的功率，使水泵的運行電耗增加，造成系統電量的浪費，這兩方面的能量浪費導致供熱系統能效水平低下。

2.2 分布式輸配系統

分布式輸配供熱系統的結構及水壓圖如圖2所示，主循環泵只需承擔熱源內部，即從熱源到壓差控制點的阻力[4]，大幅度降低主循環泵的揚程，也降低了主循環泵的電機功率，用可調速的水泵代替管網中的調節閥，更有益于管網的調節，減少了浪費在調節閥上無效電耗的產生，雖然增加了循環泵的使用數量，但各循環泵的總功率減少，有利于提升供熱系統能效。

圖2 分布式輸配供熱系統結構及水壓圖

3 水力工況分析

水力工況是系統中流量、壓力等的變化情況，當系統實際運行流量等于系統最佳流量時，系統達到水力平衡。

3.1 水力失調分析

水力失調是供熱系統中常見的通病，導致系統低能效的重要原因之一，在系統中體現為各熱用戶的實際流量與設計流量不一致,可分為靜態水力失調和動態水力失調。

靜態水力失調是由最初的設計、材料設備的選用及連接安裝等環節的因素，不可避免地導致系統在實際使用過程中個終端的流量與設計要求流量值在一定程度上不一致，從而產生的水力失調；動態水力失調則是由于運行過程中用戶的使用狀態發生變化，引起管道流量及壓力的波動，影響到其他用戶流量的改變而產生水力失調，動態水力失調是在系統運行過程中產生的，失調狀態較為復雜，無規律可循。

水力失調程度用水力失調度來衡量，既可大于1也可小于1，同時水力失調又區分為是否一致失調，當管網中各熱用戶的水力失調度都大于1或小于1時，稱為一致失調，否則，稱為不一致失調；其中，一致失調根據各用戶失調度是否相等又分為等比失調和不等比失調[5]。

傳統供熱系統中，容易造成近端流量過多，而遠端流量不足的現象，產生水力失調，進而導致熱力失調，形成冷熱不均。為了解決這一問題，常常采用調節閥增加阻抗的方式，消耗掉近端用戶的資用壓力，來使各路阻力達到平衡，雖然這樣有利于管路的水力平衡，但也帶來了能量的浪費，而且當系統管路較長時，用戶支路阻力相差較大，通過閥門調節的方式很難達到系統的水力平衡。

分布式輸配系統選擇用戶泵代替調節閥，利用主循環泵與用戶泵接力的方式，給熱媒輸送增加一個向前的“抽力”，利用變頻系統能實現最佳流量運行，可為用戶提供恰好所需的流量，做到按需供熱，真正消除水力失調的現象，達到水力平衡[6]。

3.2 水力穩定性分析

水力穩定性指供暖系統調試后平衡的持久性，即網路中各個熱用戶在其他熱用戶流量改變時，保持自身流量不變的能力，提高熱網水力穩定性可使供熱系統正常運行，節約無效的熱能和電能消耗，便于系統的初調節和運行調節，需要充分重視提高系統水力穩定性問題。

提高供熱系統水力穩定性的方法主要有相對的減少網路干管的壓力損失或相對的增大熱用戶系統的壓降。為了減少干管壓降，可適當增大干管管徑，但這種方法增加了投資成本；或通過采用水噴射器、調節閥、安裝高阻力小管徑閥門等措施來相對增大熱用戶的壓力損失，與此同時，當調節閥調節時，消耗其所在支路的壓力，帶來無用電耗，也會因此改變管網阻力特性，使管網中的工作點偏移，在多數的情況下這也意味著系統效率下降，系統經濟性的降低[5]。

分布式輸配供熱系統利用變頻泵調節用戶流量時，根據相似定律，泵功率與流量的三次方成正比，可知流量減少，泵功率也相對下降，且泵的運行效率不變，系統穩定運行[7]，且在分布式輸配系統中，當干管流量發生變化時，各支路流量變化遠小于傳統供熱系統，水力耦合作用相對較小，因此具有更好的水力穩定性[8]。

4 工程應用實例

4.1 工程概況

西安市某小區建筑面積70776 m2，建筑高度96 m，熱源采用市政熱水，為達到節能效果，管網設計采用大溫差小流量的運行方式，一次網供回水溫度為110 ℃/70 ℃，二次側用戶供暖采用地面輻射系統，供回水溫度為85 ℃/40 ℃，混水系數為0.3，以該實例作為模型進行傳統供熱系統和分布式輸配供熱系統的對比分析。

4.2 能耗分析

針對以上設計條件，計算匯總該小區的功耗對比如表1和圖3、圖4。

表1 兩種系統功耗匯總 kW

圖3 傳統供熱系統各項功耗占比(%)

圖4 分布式輸配供熱系統各項功耗占比(%)

通過以上圖表，兩種系統各項功耗對比可以看出，相對于傳統系統的設計而言，傳統系統中調節閥的能耗占比10%，管道功耗占比也較大，分布式輸配系統的調節閥消耗降為0，管道功耗也明顯下降，計算得到分布式輸配系統的節能率為47%，節能效果顯著。

4.3 經濟性分析

基于以上兩種系統的功耗對比，做出經濟性分析，如表2所示。

由表2可知，雖然分布式輸配系統的初投資會高于傳統供暖系統，但電耗明顯降低，年運行費用節省接近5萬元，根據靜態評價指標計算，可通過大概三年時間回收初投資。且傳統供熱系統無法在運行中靈活改變流量，而分布式輸配系統可根據溫度等參數調節流量，根據西安市的氣象參數，分布式輸配供熱系統只在6%的時間滿負荷運行，大部分時間處于低流量運行中，實際運行能耗遠低于傳統供熱系統，總體經濟性明顯好于傳統系統。

表2 兩種系統經濟性分析

綜合以上分析，分布式輸配系統較傳統系統而言，節省了管材和閥門上的投資，也節省了浪費在上面的無供電耗，有很顯著的節能效果，能做到節能省電，有效減少供暖費用，提高了經濟效益，且管網變流量運行，水力熱力平衡，減少了管理費用，供暖溫度適宜，用戶滿意度高，有利于減少用戶糾紛。

5 分布式輸配系統的應用難點

分布式輸配系統在節能方面優勢明顯，但在實際應用中，水泵的選擇、零壓差點的選取和系統背壓需要根據不同工程情況進行選擇，否則分布式輸配系統很難取得理想的節能效果，甚至會變得不節能。

5.1 泵揚程選擇

對于主循環泵揚程的選擇，理論上只需提供熱源內部的水循環，但這樣的設計可能會造成加壓泵功耗過大，增加系統的初投資[9]，根據不同系統選擇熱源循環泵、加壓泵及用戶泵選擇時，應綜合考慮投資與經濟效益，對于系統中各類泵的揚程功耗做出合理選擇。

5.2 壓差控制點位置

一般來說,熱網存在一個使能耗最低的壓差控制點,也存在一個使熱網穩定性最好的壓差控制點,當壓差控制點選在熱源處，可以提高靠近熱源的用戶水力穩定性，當壓差控制點選在熱網末端時，只對壓差控制點處的用戶水力穩定有利，而當壓差控制點選在中部時，系統比較穩定[10],如何針對具體工程，選擇合適的壓差控制點仍需深入探討。

5.3 系統背壓分析

系統背壓也會明顯影響分布式輸配系統的節能效果，無背壓系統的分布式輸配系統節能效果最佳；在有背壓系統中,分布式輸配系統的節能率隨著背壓的增大而逐漸降低,當背壓增大到一定程度,分布式輸配系統變頻調節的能耗可能會大于傳統系統節流調節的能耗，變頻調節便不再具有意義[11]。因此，對于有背壓的系統，需要認真的分析計算，以確定其與傳統供熱系統對比之后，是否能夠達到節能條件。

5.4 規范及標準的普及

另外，由于發展時間還不夠，沒有得到普遍認可，分布式輸配系統在工程中的應用還沒有得到普及，在設計標準等方面缺乏相關的法律法規，設計人員沒有統一標準對照參考，對設計進行優化完善。

6 結語

本文通過對比傳統供熱系統與分布式輸配系統，結合工程實例，突出了分布式輸配系統在節省電耗的優勢。分布式輸配系統作為在水力調節、節能環保、節省投資等方面都有明顯優勢的管網供熱系統，應得到更多的推廣和應用，但由于工程情況的復雜性，不能達到理想的效果，其發展受到了一定的限制，不能得到更多人的認可，在設計標準、技術設備等方面還存在一定的問題，需要結合更多的工程實例，綜合分析經濟技術難點，進一步探討和完善分布式輸配系統的設計。