采用水力分压器供热系统的节能性分析

采用水力分压器供热系统的节能性分析

陈华敏

济南市人防建筑设计研究院有限责任公司 ，山东济南 250000

摘要：本文介绍了采用水力分压器的供热系统形式和特点，并将该系统和传统供暖系统进行水力工况的模拟分析和能耗比较。

关键词：水力分压器 分布式系统 水力工况 节能

0 引言

在我国，传统的集中供暖系统是在热源处设有一级主循环泵，在设计工况下，此水泵的扬程和流量根据最不利环路所需的压头和管网总流量来确定。这种系统存在着先天性的水力失调问题，而且通常是定流量系统，不能随着负荷的变化自行调节，供热计量将会降低该系统的稳定性，进一步加大了供热能耗。近年来，分布式变频调节系统和混水供热系统成为业内关注的热点，这两种系统与传统系统相比均能节约一定的水泵装机容量^[1]，本文提出的采用水力分压器的供热系统便能将混水系统和分布式系统结合起来，节能效果更加明显。

采用水力分压器的供热系统

1.1.1采用水力分压器的供热系统形式

水力分压器主体由一个封闭的短管构成，两端分别留有两个接口，内部设有导流叶片。上部设有排气阀，下部设有排污阀。其两端接口分别于热网和热用户系统的供回水管道相连，当热网的设计流量大于热用户系统的设计流量时，热网的一部分供水在水力分压器内直接流向热网回水管。当热网的设计流量小于热用户系统的设计流量时，热网的供水与热用户系统的一部分回水在水力分压器内混合。

采用水力分压器的供暖系统形式，热网和热用户系统通过水力分压器连接。该种连接方式与采用水喷射器或者混水泵的混水连接方式不同，在安装了水力分压器的供热系统中，当二级管网中的某用户的流量发生变化时，由于水力分压器的流量调节作用，其他用户的流量、压力都不会改变，系统不会出现水力失调。因此，水力分压器在供热系统中可以起到平衡流量、稳定压力的作用,使用水力分压器初调节流量压力既简单又方便^[2]。

1.2 水力分压器供热系统的特点

1）热用户侧的供水温度可调，能够适应散热器、地板辐射采暖等不同供暖方式对供水温度的要求；

2）整个热网被分成三个系统，热源循环系统、热网循环系统和热用户循环系统，有热源循环泵，热网循环泵和热用户循环泵，从水泵布置情况来看，这属于分布式系统形式；

3）热用户的流量改变时，流过水力分压器的流量也跟着改变，但是内部压力分布没有显著变化，对于热网而言就是阻力不变，热网稳定性大大提高；

4）在这种系统中，可以不设置分水器和集水器，如果热力站的空间足够大，不同环路热用户的供水管和回水管均与从与水力分压器相连的母管引出，如图4所示。当然，根据实际情况也可以设置必要的集水器和分水器。

分户热计量是我国供热系统的发展方向^[3]，水力分压器结构简单，加工方便，价格比自力式平衡阀或其他调节装置便宜，它可以使得整个供热系统分为热源循环系统、热网循环系统和热用户循环系统，热用户系统中某个热用户流量的改变不会影响热网循环系统的水力工况，也就不会影响其他热用户，很适合应用在供热系统分户热计量系统中。

采用水力分压器的供热系统节能性分析

为了方便叙述，以10个支路的异程供热系统为例进行分析计算。假定热用户供回水设计温度为75/50℃,每个支路的流量均为30t/h，10个用户等距离分配，各支路之间间隔为400m，供回水干管管道总长8000m，比摩阻60pa/m，热源和用户要求资用压头100kpa，局部阻力为沿程阻力的30%，循环泵的效率为70%。

对该系统分别采用以下三种方案。

循环水泵的功率根据下面的公式计算：

式中：G_i——供热系统各管段的流量，t/h；

H_i——供热系统各管段的压降损失，mH₂O；

η——水泵效率，取 70%；

No——由特兰根定律计算的循环水泵总功率；

—单位为 kW 的循环水泵总功率。

2.1模拟计算

（1）方案1，传统供热系统设计方法。根据设定的参数，可以计算出主循环泵的扬程为82.4m、流量为300t/h。具体计算结果见表1。

表1设计工况下传统供热系统各项能耗

从表1中可以看出：

a) 在传统供热系统中，由于主循环泵要满足最远端热用户的资用压头，近端热用户的压头就过多，要用调节阀消耗掉。用户1调节阀消耗掉的压头为661.6 -100 =561.6 kPa，占外网提供压头的 87.53%。

b)有效能耗为热用户能耗和管道能耗，这两项总共耗能11.68+51.75=63.44kW，占65.93%，其他能耗被调节阀消耗，占34.07 %，这部分能耗为无效能耗，是可以通过改变系统方式而节省下来的。

（2）方案2，主循环泵与用户加压泵结合。主循环泵只负责热源处的阻力损失，热用户加压泵不仅为热用户提供所需的资用压头，还承担该热用户所需的热媒从热源到热用户处的阻力损失。对该方案进行水力模拟分析。能耗计算结果见表2，4。

表2 设计工况下方案2各项能耗

热 源 循 环 泵 的 扬 程 仅 能 够 满 足 热 源 侧 的 阻 力 损 失，各 分 级循 环 泵 的 扬 程 为 热 源 至 用 户 末 端 的 阻 力 损 失 以 及 热 用 户 所 需 的 资 用 压 头，流量为各用户所需的流量。热源循环泵与分级循环泵的总功率就为 63.44 kW，没有任何调节阀的能耗，与传统供热系统（耗能96.22 kW）相比，节能34.06%。

方案3，采用水力分压器的供热系统。一次网供、回水温度95/70℃，二次网供、回水温度75/50℃，混水比2/3。热源循环泵的扬程为10mH₂O，流量为180t/h，热 用 户 循 环 泵 的扬 程 均 为 10 mH₂O。

2.2 模拟结果分析

各方案节电比较见表3。

表3各方案节电比较

传统的供热系统中供水压线高于回水压线，而新的水泵布置方式则是回水压线高于供水压线。与传统方案1相比，方案2的循环泵总功率从96.22kw降到63.44kw，方案3降到39.28kw。文献^[4]只要按需提供热网所需的有效动力，而没有依靠调节阀能耗来实现流量调节。采用水力分压器的供热系统循环泵总能耗为39.28kw，与传统供热系统（耗能96.22 kW）相比，节能59.18%。在三种方案中，此方案的节电效果最好。

3 采用水力分压器供热系统的投资分析

热网控制可以分为两大部分，一是通讯网络和中央控制机，二是当地控制设备。采用水力分压器的供热系统与传统的供热系统都需要通讯网络和中央控制机，因此在这一点上两者的投资相同；对于当地控制，采用水力分压器的供热系统需要加压泵、变频器和控制器，传统的调节阀控制系统需要电动调节阀和控制器，两者的投资相差无几，而且分布式变频调节系统的主循环泵的扬程大大降低，从而减少了主循环泵的一次性投资。因此两种控制方法应该说总投资是相近的。综合以上技术经济分析不难看出，分布式变频调节系统在热网中应用是非常有益的。

4 结论

近年来，随着变频技术和计算机控制技术的发展，集中供热系统中出现了多种循环泵布置方案。经过分析比较 ，主循环泵加热用户循环加压泵是最优方案。传统的集中供热系统的热媒由热源循环泵“推”入到热用户，而采用水力分压器的供暖系统的热媒由热用户循环泵“抽”进，表现在水压图上就是回水压力线高于供水压力线。

通过定性分析比较采用水力分压器后可以降低供暖系统能耗，为以后的供暖系统设计提供一个设计参考，给供暖系统的节能提供多一种措施。

参考文献

[1]石兆玉.供热系统分布式变频循环水泵的设计[J]. 暖通空调标准与质检，2006 （3）.

[2]陈华敏,孔璐琳,李永安,等.基于环路拓展的集中供热系统的原理及应用[J].建筑节能，2012，40（1）：18-21.

[3]武云甫,夏鹏,高岩,等.关于分户热计量供热的建议[J].煤气与热力,2001 (6):542—543,558.

[4]许鹏.集中供热网建模及仿真研究[D].大连:大连理工大学硕士论文，2005.

[5]江亿. 管网可调性和稳定性的定量分析[J].暖通空调，1997,27（3）:1-7.