基于环路拓展的三级集中供热系统原理与分析

李永安，刘振栋，牛慧，刘学来

（山东建筑大学 热能工程学院，山东 济南250101）

0 引言

集中供热已成为现代化城镇的重要基础设施，是城镇公用事业的重要组成部分，是现代化的标志之一。根据目前初步统计，城镇建筑供暖用能折合标准煤1.3亿t／a，占我国总城镇建筑用能的52%，因此是建筑用能的最主要部分［1］。集中供热系统主要由三部分构成：热源、热用户和输配管网。在系统运行过程中，输配管网通过循环泵将热水输送到用户，由于系统设计原因或是系统的调节控制不当，导致系统的输配能耗远远高于其实际所需能耗。据有关资料显示，系统的输配能耗大约占到整个运行能耗的40%［2－3］。因此，减少供热输配管网的能量损失对于降低供热系统的能耗有着重要作用。

基于环路拓展的集中供热系统作为一种新型的供热系统，能够很好解决现阶段供热中存在的水力不平衡和运行能耗高的问题，具有很高的推广应用价值［4］。因此，对该系统的研究具有非常重要的意义。

1 基于环路拓展的集中供热系统

1.1 传统集中供热形式

常用的集中供热形式主要有传统直连式供热系统和间接连接式供热系统。传统直连式供热系统的水泵一般设置在热源处，需要承担来自用户、输配管网和热源的阻力损失［5］。间接连接式供热系统则是在热源和热用户之间加了一个表面式换热器，使热源侧输配管网和用户侧输配管网互不影响，两侧管网分别装有水泵［6］。分布式供热系统是在间接连接式供热系统上衍生出来的一种新型供热形式。该系统将设在热源侧负责整个热网的循环泵换成了只负责承担热源内部循环所需的小泵，并在换热站内也加设了循环泵。虽然该系统中水泵的数量增多了，但是每个水泵的流量和扬程都小了，系统的无效功耗也随之减少，大大降低了其总的输配能耗［7］。

1.2 基于环路拓展的集中供热系统

虽然分布式供热系统便于调节，也在很大程度上降低了供热管网的运行能耗，但是该系统的初期投资比较高。为了解决供热系统中存在的水力失调问题，同时又要降低供热系统的运行能耗，降低投资费用，基于环路拓展的集中供热系统应运而生。

1.2.1 水力分压器

基于环路拓展的集中供热系统主要的部件是水力分压器。水力分压器是一个封闭的容器，两侧分别接有两根水管，其中一侧是连接热网供回水，另一侧连接的是用户供回水。为控制水力分压器内的水流方向，内部通常设有导流叶片。水力分压器在使用时，热源侧的供水可以流向用户供水管，也可以流向热源回水管；用户回水则可以与热源供水混合流向用户供水管，也可以流向热源回水管［3］。

由于水力分压器的双向混水特性，使得供热系统可以适应地暖、散热器等不同水温要求的供暖方式；当用户调节流量时，水力分压器内的混水情况和流量会发生变化，但对于水力分压器内的压力并不会产生影响，因此不会对热网产生扰动，这大大提高了系统的稳定性。

1.2.2 基于环路拓展的集中供热系统原理

基于环路拓展的两级集中供热系统主要由热源侧管网和热用户侧管网组成。两级管网之间通过水力分压器连接，热源侧供回水管接在水力分压器的一侧，热用户侧供回水管接在水力分压器的另一侧。热源供水管的热水在水力分压器中与热用户的部分回水混合后进入热用户供水管。相对于输配管网的管径，水力分压器是一个大空间容器，忽略水在容器内的重力作用，可认为其内部是恒压的，所以在水力分压器内同一级管网供回水之间的压差为零［8］。

2 三级集中供热系统原理及分析

基于环路拓展的集中供热系统中，对于用户侧，由于某些原因（如地形条件、管网管径限制等）使得供热主管网无法延伸到新建用户时，可以考虑在其近端用户回水上串联环路。

如果二次网用户是地暖用户，由于其回水温度比较低，无法再直接用于供热，因此仅对二次网是散热器用户的串联模型进行介绍。为了便于对比分析，对模型做如下简化：一次供水管网的供回水温度按 95／70℃计算，忽略管网的热损失［9－10］。

2.1 一个环路的供热模型分析

串联一个用户环路（串联级数为1）的系统原理，如图1所示。

图1 一个环路的供热模型图1热源；2一次网输配管网；3一次网循环水泵；4水力分压器；5二次网循环水泵；6散热器用户；7二次网输配管网

由系统特点知，同一侧的供回水流量是相等的，t1＝95℃，＝70℃。为保证热网供水能够全部进入用户，用户侧的水泵流量略大于热网的水泵流量，则用户回水G2一部分进入热网回水管，另一部分则与热网供水一并进入用户供水管，并且。通常用户侧的流量与热网侧的流量比取1.1～1.2。此处的模型流量比取1.1，即 G2／G1＝1.1。

由热力学第一定律得Q1＝Q2，即得式（1）为

式中：G1、G2分别为热网侧与用户侧的热水的流量，kg／h；c为水的质量比热，J／（kg·℃）；t1、分别为热网侧流入和流出水力分压器的热水的温度，℃；t2、分别为用户侧流出和流入水力分压器的热水的温度，℃。

假设水的比热容恒定，将G2／G1＝1.1带入式（1）中，得式（2）为

则一次网供回水温差Δt1＝25℃，二次网供回水温差Δt2＝22.7℃。

经上述分析，串联一个环路时能够满足热用户的用能需求。

2.2 两个环路的供热模型分析

串联两个用户环路（串联级数为2）的情况，如图2所示。

图2 两个环路的供热模型图1热源；2一次网输配管网；3循环水泵；4水力分压器；5散热器用户；6二次网输配管网；7三次网输配管网

由于三次网的接入，必然导致二次网回水水温和一次网的回水水温降低，一次网和二次网的供回水温差改变。由于水力分压器的混水作用，二次网的供水温度将会低于92.7℃，在不改变水泵特性的情况下，二次网通过散热器用户的供回水温差Δt2将小于22.7℃，则二次网的热用户将会出现热力失调。

图1中为了提高热网的热效率，让一次网的供水能够完全进入二次网，需要使得二次网和一次网有一定的流量比G2／G1＝1.1。虽然两侧流量不同，但Q1＝Q2。而对于图2中的环路串联系统，要使二次网仍然得到原有的热量，就必须保持二次网的工况与图1类似，使回水温度为70℃。解决这一问题最简单可行的就是降低二次网和一次网的流量比，令G2／G1＝1，即G1＝G2，水力分压器内无混水现象，一次网供水直接进入二次网供水，有t1＝t2＝95℃。虽然二次网的流量减少，但是供水温度提高了，热量Q2，与图1中二次网散热器热用户的热力工况相同。

当G2／G1＝1时，二次网仍可以串联下一个环路。则图2中，一次网供水温度t1＝95℃，二次网供水温度t2＝t1＝95℃，离开散热器用户的水温70℃。设三次网流量与二次网流量比G3／G2＝1.1，为保证三次网散热器用户的热力工况满足要求，就需要使二次网流经散热器后，水力分压器的供回水温差为，则二次网回水温度为＝45℃，三次网的供回水温差Δt3＝22.7℃，则三次网的供水温度为：

t3＝t′3+Δt3＝45+22.7＝67.7℃经上述分析，由于三次网中的供水温度低了，散热器与室内的温差减小了，需加大散热器的面积才能使室内达到设计温度。

2.3 三个串联环路的供热模型分析

串联三个用户环路（串联级数为3）的情况，如图3所示。

图3 三个环路的供热模型图1热源；2一次网输配管网；3循环水泵；4水力分压器；5散热器用户；6地暖用户；7二次网输配管网；8三次网输配管网；9四次网输配管网

当串联级数为3时，由图2可知，当G3／G2＝1.1时，t3＝67.7℃和＝45℃。若在此基础上串联下一级环路，由于三次网供水中混合了部分回水，这势必会导致三次网的供水温度降低，造成热力失调。

为避免这一问题的出现，需要对三次网进行类似对二次网调节的方式进行调节，即减小三次网水泵的流量，二次网的流量保持不变，使此时进三次网用户的水温t3＝70℃，出散热器用户的水温＝45℃。

由于45℃水对于散热器用户已很难再继续利用，但对于地暖用户来说，还是比较合理的。因此，对于四次网的用户应选择地暖，供回水温差数值取10℃［11］。

（3）为

式中：G3、G4分别为三次网和四次网中的流量，kg／h分别为三次网侧流入与流出水力分压器（右1）的热水的温度，℃；t4、分别为四次网侧流出与流入水力分压器（右1）的热水的温度，℃。

（4）为

从舒适及节能考虑，地面供暖供水温度宜采用较低数值，国内外经验表明，35～45℃是比较合适的范围［12］。若再串联第四级地暖用户，由于水力分压器的混水，第四级管网的供水温度将低于34℃，不宜再继续拓展。

3 结论

文章通过对基于环路拓展的集中供热系统的原理和分析研究可知：

（1）基于环路拓展的集中供热系统作为一种新型供热形式，将水力分压器应用到供热管网中，实现了用户侧管网与室外主管网的水力工况的分离。既保证了用户的热力工况，又降低了系统的能耗。

（2）基于环路拓展的集中供热系统采用定温差调节的方式，能够通过流量的波动精确判断出热量的波动，能够迅速对用户需求做出反映，该调节方式还充分发挥了水力分压器的调节性能，降低了热网的输配能耗。

（3）建立了基于环路拓展的集中供热系统三

级用户串联的模型，通过对模型的理论分析，发现如果既有散热器用户，也有地暖用户，且散热器用户在前，则可以在散热器用户的回水管上串联一级散热器用户和一级地暖用户。

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