邵宗義 吳金星

北京建筑工程學(xué)院供熱、供燃?xì)狻⑼L(fēng)及空調(diào)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

隨著我國建筑業(yè)的飛速發(fā)展，建筑能耗占總能耗的比重越來越大，據(jù)統(tǒng)計(jì)目前已經(jīng)達(dá)到38%[1]。其中約有55%為采暖能耗，是建筑能耗的最主要部分，也是節(jié)能潛力最大的部分。我國建筑能耗浪費(fèi)嚴(yán)重也體現(xiàn)在主要耗能設(shè)備能源效率低，水泵平均設(shè)計(jì)效率75%，比國際先進(jìn)水平低5個(gè)百分點(diǎn)，系統(tǒng)運(yùn)行效率低近20個(gè)百分點(diǎn)。與發(fā)達(dá)國家相比，我國即使在達(dá)到了節(jié)能50%的目標(biāo)后仍有約50%的節(jié)能潛力，供熱系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)模式優(yōu)化的研究對(duì)建筑節(jié)能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)至為關(guān)鍵。

1 供熱系統(tǒng)的運(yùn)行與調(diào)節(jié)模式

在城市集中供熱系統(tǒng)中，根據(jù)調(diào)節(jié)地點(diǎn)的不同，供熱系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)可分為集中調(diào)節(jié)、局部調(diào)節(jié)和個(gè)體調(diào)節(jié)三種。集中調(diào)節(jié)在熱源處進(jìn)行，其調(diào)節(jié)方法主要有：質(zhì)調(diào)節(jié)、分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)、間歇調(diào)節(jié)[2]。其中分階段改變流量質(zhì)調(diào)節(jié)需要在供暖期中按室外溫度高低分成幾個(gè)階段，在室外溫度較低的階段中保持較大的流量，而在室外溫度較高的階段中保持較小的流量，在每一階段內(nèi)管網(wǎng)的循環(huán)水量總保持不變，供熱調(diào)節(jié)采用改變管網(wǎng)供水溫度的質(zhì)調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)方法，綜合了質(zhì)調(diào)節(jié)和量調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，既較好地避免了垂直失調(diào)，又顯著地節(jié)省了電能，是一種公認(rèn)的比較經(jīng)濟(jì)合理的調(diào)節(jié)方法，在區(qū)域鍋爐房熱水供暖系統(tǒng)中得到了較多的應(yīng)用。近年來，人們從節(jié)能的角度出發(fā)，開始研究和使用變頻調(diào)速水泵，調(diào)速水泵的出現(xiàn)，使供熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無級(jí)的變流量運(yùn)行成為可能，“變頻”幾乎成為節(jié)能的代名詞，廣泛用于供熱系統(tǒng)節(jié)能改造工程中。

2 對(duì)現(xiàn)行供熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)模式及其研究思考

很多資料都認(rèn)為，在整個(gè)供暖期內(nèi)，采用兩階段變流量質(zhì)調(diào)節(jié)時(shí)，熱網(wǎng)系統(tǒng)循環(huán)流量比應(yīng)被分為100%和75%兩檔；當(dāng)熱網(wǎng)規(guī)模較大時(shí)，應(yīng)采用三階段變流量質(zhì)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)中的循環(huán)流量比應(yīng)被分為100%，80%和60%三檔。于是在眾多對(duì)供熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)的分析研究中，不乏單純地將上述這兩種分階段變流量調(diào)節(jié)能耗與采用變頻調(diào)節(jié)的能耗相比較，故而得出變頻調(diào)節(jié)模式更為節(jié)能的結(jié)論。

那么，對(duì)于分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)，盡管這些分檔運(yùn)行的方式早已被人們所接受，但從運(yùn)行能耗的角度考慮，對(duì)同一熱網(wǎng)而言，如此分檔是否最為經(jīng)濟(jì)？值得一提的是，有學(xué)者已經(jīng)從循環(huán)水泵經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的角度出發(fā)，給出了采用分階段變流量質(zhì)調(diào)節(jié)的熱網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)流量比的確定方法[3]。以下將結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)供熱系統(tǒng)兩階段變流量質(zhì)調(diào)節(jié)模式下采用傳統(tǒng)分檔方式和經(jīng)濟(jì)流量比分檔方式進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行分析。

3 工程實(shí)例

3.1 供熱調(diào)節(jié)的基本公式

令在運(yùn)行調(diào)節(jié)時(shí)，相應(yīng)tw下的熱負(fù)荷與設(shè)計(jì)熱負(fù)荷之比成為相對(duì)供熱系統(tǒng)熱負(fù)荷比，而稱其流量之比為相對(duì)流量比，則[2]

為避免整個(gè)熱網(wǎng)產(chǎn)生明顯的水力失調(diào)，對(duì)于分階段變流量質(zhì)調(diào)節(jié)分階段處的供、回水溫差一般應(yīng)設(shè)定為tg-th=t'g-t'h。在某一室外溫度tw的運(yùn)行工況下，采用分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)，即令φ==const，代入供熱調(diào)節(jié)的基本公式，可得分階段處的供、回水溫度為：

式中：b為散熱器的特性參數(shù)。

根據(jù)供熱負(fù)荷延續(xù)時(shí)間的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

式中：β0為與地區(qū)有關(guān)的常數(shù)；Nzh、N為供暖期的總天數(shù)和低于某一室外溫度tw的累積天數(shù)。

故可求得室外溫度為tw時(shí)的積累天數(shù)：

3.2 工程概況

北京市某集中供熱區(qū)域，總建筑面積約40000m2，管網(wǎng)設(shè)計(jì)供回水溫度為80℃/60℃，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為990kW，管網(wǎng)設(shè)計(jì)循環(huán)水量為43000kg/h，循環(huán)水泵揚(yáng)程為33mH2O，室外采暖計(jì)算溫度為-9℃，采暖期天數(shù)為129d。

按采暖季不同負(fù)荷率進(jìn)行分段統(tǒng)計(jì)，累計(jì)小時(shí)數(shù)如圖1所示。

圖1 采暖季不同負(fù)荷率的累計(jì)小時(shí)數(shù)

可以看出，采暖季負(fù)荷率能達(dá)到90%以上的小時(shí)數(shù)非常少，而負(fù)荷率在70%以下的積累小時(shí)頻率則高達(dá)98.68%。負(fù)荷率在50%以下的小時(shí)頻率仍高達(dá)93.65%。這點(diǎn)在設(shè)備選擇及系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)方面應(yīng)給予足夠重視。

3.2.1 方案一：傳統(tǒng)分檔方式

一般來說，供暖期內(nèi)采用兩階段變流量質(zhì)調(diào)節(jié)時(shí)，熱網(wǎng)系統(tǒng)循環(huán)流量比應(yīng)被分為100%和75%兩檔。

表1傳統(tǒng)分檔方式下水泵電耗計(jì)算結(jié)果

采用此分檔方式的兩階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)方案：室外采暖溫度為-9～-3℃，相對(duì)流量比為100%；室外采暖溫度為-3～5℃，相對(duì)流量比為75%。依據(jù)供熱調(diào)節(jié)基本公式得出循環(huán)水泵在不同室外環(huán)境溫度下的運(yùn)行參數(shù)及電耗量、在采暖期的總電耗量，計(jì)算結(jié)果見表1。

3.2.2 方案二：經(jīng)濟(jì)流量比分檔方式

1）經(jīng)濟(jì)流量比的確定

根據(jù)水泵耗電W的基本公式：

式中:W為水泵耗電量，kW·h；g為重力加速度，m/s2。

根據(jù)式（5）結(jié)合圖2可得在整個(gè)采暖期內(nèi)采用分階段變流量質(zhì)調(diào)節(jié)時(shí)熱網(wǎng)循環(huán)水泵耗電量：

圖2 兩階段變流量質(zhì)調(diào)節(jié)循環(huán)水泵能耗

可以看出，采暖期循環(huán)水泵總耗電量還與實(shí)際運(yùn)行工況有關(guān)，本文僅依據(jù)所選用水泵樣本參數(shù)進(jìn)行工況擬合，并且為使問題研究的簡(jiǎn)化，這里假定水泵的效率η在一定流量變化范圍內(nèi)為常數(shù)。

若要求在整個(gè)采暖期中使熱網(wǎng)循環(huán)水泵耗能最少，即以W為最小的目標(biāo)函數(shù)，可通過對(duì)上式求導(dǎo)并令dw/dφ=0，通過計(jì)算機(jī)可解得φ值。對(duì)于該工程，φ=0.71。

表2經(jīng)濟(jì)流量比分檔方式下水泵電耗計(jì)算結(jié)果

2）循環(huán)水泵能耗

采用兩階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)方案：室外采暖溫度為-9～-4℃，相對(duì)流量比為100%；室外采暖溫度為-3～5℃，相對(duì)流量比為70%。計(jì)算得出循環(huán)水泵在不同室外環(huán)境溫度下的運(yùn)行參數(shù)及電耗量、在采暖期的總電耗量，計(jì)算結(jié)果見表2。

可以看出，僅以北京地區(qū)設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為990kW熱網(wǎng)為例，采用經(jīng)濟(jì)流量比的兩階段變流量質(zhì)調(diào)節(jié)供熱系統(tǒng)循環(huán)水泵能耗比傳統(tǒng)分檔方式運(yùn)行調(diào)節(jié)能耗節(jié)約達(dá)1516kWh，節(jié)能百分比近10%。

圖3所示為兩種分檔方式不同熱負(fù)荷比下供熱系統(tǒng)循環(huán)水泵的積累電耗，則曲線下面積為循環(huán)水泵總電耗，供熱系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)流量比分檔方式下運(yùn)行調(diào)節(jié)的節(jié)能潛力顯而易見。

圖3 不同熱負(fù)荷比下循環(huán)水泵總電耗

研究表明，分階段變流量質(zhì)調(diào)節(jié)的經(jīng)濟(jì)流量比與地區(qū)有關(guān)，且越往北經(jīng)濟(jì)流量比趨于減小，甚至降為不足60%[3]。那么，對(duì)于更大規(guī)模以及其他地區(qū)的供熱系統(tǒng)，采用分階段變流量質(zhì)調(diào)節(jié)的經(jīng)濟(jì)流量比分檔調(diào)節(jié)是否具有更大節(jié)能潛力呢？另外，供熱系統(tǒng)能耗與循環(huán)水泵的合理選擇有著緊密關(guān)系，確保循環(huán)水泵處于高效率狀態(tài)下運(yùn)行也是系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵。

變頻調(diào)節(jié)方法在節(jié)能方面存在優(yōu)勢(shì)，但研究分析尤其是對(duì)比中應(yīng)選擇二者存在可比性情況下進(jìn)行，即系統(tǒng)在這兩種調(diào)節(jié)模式下的最佳運(yùn)行工況進(jìn)行研究分析。實(shí)際上，選擇性能良好的單體設(shè)備，同時(shí)也要保證各種設(shè)備的組合運(yùn)行，上述分析均基于供熱系統(tǒng)不同運(yùn)行調(diào)節(jié)模式下循環(huán)水泵能耗對(duì)比，實(shí)際運(yùn)行中更應(yīng)考慮整個(gè)系統(tǒng)中各設(shè)備的性能優(yōu)化組合，對(duì)供熱系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析后得出合理的運(yùn)行調(diào)節(jié)模式。

4 結(jié)語

變頻水泵因其變速節(jié)能受到更多學(xué)者的青睞，但在推陳納新的同時(shí)應(yīng)當(dāng)更加深入思考：

1）單純將分階段變流量調(diào)節(jié)傳統(tǒng)分檔模式與采用變頻調(diào)節(jié)模式的供熱系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)進(jìn)行比較是否過于片面；

2）供熱系統(tǒng)采用分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)與變頻調(diào)節(jié)的最佳工況點(diǎn)；

3）較于分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)，變頻調(diào)節(jié)存在的弊端。

另外，選擇性能良好的單體設(shè)備，同時(shí)也要保證各種設(shè)備的組合運(yùn)行，上述分析均基于供熱系統(tǒng)不同運(yùn)行調(diào)節(jié)模式下循環(huán)水泵能耗對(duì)比，實(shí)際運(yùn)行還要考慮整個(gè)系統(tǒng)中各設(shè)備的性能優(yōu)化組合，對(duì)供熱系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析后得出合理的運(yùn)行調(diào)節(jié)模式。

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[2] 賀平，孫剛.供熱工程(第4版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009

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