分布式供热系统循环水泵的节能分析

高光洋张林华*周守军赵宗峰

1山东建筑大学热能工程学院

2可再生能源利用技术省部共建教育部重点实验室

3山东省可再生能源建筑应用技术重点实验室

分布式供热系统循环水泵的节能分析

高光洋1张林华2，3*周守军1赵宗峰1

1山东建筑大学热能工程学院

2可再生能源利用技术省部共建教育部重点实验室

3山东省可再生能源建筑应用技术重点实验室

分布式循环水泵供热系统是一种新型的一次管网输配形式，与传统的供热管网相比具有系统压力低、能耗低、运行成本低的特点。本文以建立的模拟管网为基础，对3种不同形式的分布式循环水泵系统进行模拟分析，得出热源泵单独设置、热网泵和热用户泵合一的分布式供热系统在实际工程中是最值得推广和应用的系统形式。

分布式循环水泵 供热系统 节能分析

在传统的城市供热系统设计中，由最远、最不利用户的资用压差选择系统的循环水泵，通常仅在热源处设置循环水泵，并用来克服热源、热网和热用户系统的阻力。然而在供热系统的近端热用户处，往往会形成过多的资用压头，为了满足近端热用户的循环流量，近端的用户不得不通过各种流量阀门来调节消耗多余的资用压头。这样的节流调节会导致系统循环水泵产生过多的无效电耗和冷热不均的水力失调现象。而分布式供热系统通过在用户处设置循环泵，在降低热源循环泵扬程的同时，也不同程度地避免了传统设计中近端热用户由于资用压头过大导致节流损失[1]，使系统由原来在调节阀上消耗多余的资用压头改为用分布式变频泵提供必要的资用压头。分布式循环水泵的设计方案与传统设计方案相比，循环水泵的装机电容量可节约1/3～2/3[2]。所以，分布式循环水泵供热系统在工程中具有较大的推广和应用空间。

1 集中供热管网水力工况的建模

1.1 集中供热管网水力工况基本模型

集中供热管网是一种流体网络，与电网络类似，遵从基尔霍夫电流、电压定律，其中的支路流量、压降和管路阻力特性系数可以类比于电网络中的支路电流、电压和电阻。对于任意一个管网，可以得到集中供热管网水力工况基本模型[3]：

对于一个具有n+1个节点，m个管段的热网，则有：A为管网关联矩阵，n×m阶矩阵，它唯一代表管网的拓扑结构，其秩Rank(A)=n；Bf为管网的基本回路矩阵，(m-n)×m阶矩阵；G为管段流量向量，G=(G1,G2,……Gm)；△H为管段阻力压降，△H=(△H1…△Hm)；S为管段阻力特性系数矩阵（m阶对角矩阵），S=diag{S1, S2,…,Sm}；|G|为管段流量G的绝对值m阶对角矩阵，|G|=diag{|G1|,|G2|,…,|Gm|}；DH为管段的水泵向量，DH=(DH1,DH2,……DHm)T，当管段不含水泵时，该管段DH=0；含水泵时，DH为水泵扬程；Z—为管段支路中两节点的位能差向量，Z=(Z1,Z2,……Zm)。

1.2 集中供热管网水力工况计算模型

针对以上建立的非线性水力工况基本模型，经过变换可以得到：

式中：M称为马克斯威（Max Well）矩阵，是以Bf为基础的(m-n)×(m-n)阶的对称正定矩阵。M矩阵对应于一定的树，不同的树，相对应的M矩阵也不同；Δhk为基本回路管段压降代数和，当Gk为方程组的解时，其值为0。

式（4）即为供热管网水力工况计算模型，该方程组为线性方程组。

2 传统供热系统和分布式循环水泵供热系统

为叙述方便，采用以下供热系统[4]：模拟一次供热管网为1个单热源枝状管网，包含10个二级换热站，二级换热站采用板式换热器进行换热。模拟一次管网共分为31个管段，22个节点。管段及节点标号如图1所示。

模拟一次管网设计热负荷为67670kW，平均分配给10个换热站，每个换热站设计热负荷6767kW。一次网设计供回水温度为120/60℃，二次网设计供回水温度为80/55℃，即每个二级站用户一次侧设计流量为100m3/h，总流量为1000m3/h。二次侧设计流量为233m3/h。热用户资用压头为10m水柱，热源内部的总压力损失为10m水柱。循环水泵的效率按80%选取。

图1 传统供热系统

2.1 传统供热系统

传统供热系统仅在热源处设置循环水泵，此循环水泵流量为整个管网的总流量，扬程用于克服热源内部的阻力，管网的阻力和用户处的阻力，且扬程的确定是找最不利热用户（如图1所示）。根据此理论本供热模型的水泵流量是1000m3/h，扬程是0.93899MPa。

2.2 分布式循环水泵供热系统

分布式循环水泵供热系统是指可以在热源处、供回水干管处及热用户处设置循环水泵的供热系统，故其循环泵的形式有热源泵、热网泵、热用户泵。组合形式有许多种，如热源泵单独设置，热网泵与热用户泵合一；热源泵和热用户泵合一，承担热源内部的水循环和各热用户资用压头的建立，热网泵由设在各热用户供回水干管上的加压泵承担；热源泵、热网泵和热用户泵各司其职，即热源泵只承担热源内部的水循环，热网泵由供回水干管上的加压泵承担，热用户泵由热用户各自的加压泵承担资用压头的建立；热源泵单独设置，只在供水干管上设置热网加压泵[2]等。本文将讨论具有代表性的三种方案并计算其节能率。

方案一：热源泵单独设置，热网泵与热用户泵合一，即在链支22～31上均设置水泵（如图2）。

图2 热源泵单独设置，热网泵与热用户泵合一

方案二：热源泵和热用户泵合一，单独设置有限个热网泵，即在干管1、4、7、11、14、17上设置水泵（如图3）。

图3 热源泵和热用户泵合一，单独设置有限个热网泵

方案三：热源泵和热用户泵合一，每个干管上设置热网泵，即在干管1～20上均设置水泵（如图4）。

图4 热源泵和热用户泵合一，每个干管上设置热网泵

3 节能分析

传统方案是将热媒在管道中“推着走”，方案一则是在管道中让热媒“抽着走”，反映在水压图上，就是传统方案供水压线大于回水压线，如图5所示，方案一是回水压线大于供水压线，如图6所示。图7、图8则是方案二与方案三的供回水压力图。

图5 传统方案中管网的供回水压力

图6 方案一中管网的供回水压力

图7 方案二中管网的供回水压力

图8 方案三中管网的供回水压力

三种方案的水力特性数据如表1。

表1 不同方案水泵的流量和压力

根据特兰根定律[3]，按下式计算以上三种方案的循环水泵的总功率。

式中：Gi为供热系统各管段的流量，t/h；△Hi为供热系统各管段的压降损失，m水柱；η为水泵效率；N0为由特兰根定律计算的循环水泵总功率，kW；N为循环水泵总功率，kW。

利用式（5）与（6）分别对三种方案进行循环水泵功率的计算，其结果如表2。

表2 三种方案的节能率

从表2中可以得出以下结论：

1）方案一、二、三比较可以看出，三种分布式循环水泵供热系统较传统供热系统均具有节能效果，且方案一与方案三的节能效果更明显。

2）方案二和方案三比较可以看出，不在每个干管上都加装水泵，而是设置有限数量水泵的情况会使系统的节能率降低。

4 结论

通过上述分析可知，分布式循环水泵供热系统作为一种新型的供热系统运行方式，整个系统的压力明显比传统供热系统的压力降低，能耗也降低，具有明显的节能效果。不在每个干管上加装水泵的形式会使系统节能率降低，但从初投资及管理方面考虑，在每个干管上加装水泵是不经济的。所以，综合考虑能耗、初投资及管理运行方面，热源泵单独设置，热网泵和热用户泵合一的分布式供热系统在实际工程中值得推广和应用。

[1]王芃,邹平华,方修睦.分布式循环泵供热系统节能分析[J].煤气与热力,2009,29(2):23-26

[2]石兆玉.供热系统分布式变频循环水泵的设计[A].见:2006年全国供热技术研讨会论文集[C].2006:27-38

[3]石兆玉.流体网络分析与综合[M].北京:清华大学,1993

[4]周守军.基于管网动态模型的城市集中供热系统参数预测及运行优化研究[D].济南:山东大学,2012

Ana lys is on Ene rgy Sa ving of Circ ula ting Pum ps in Dis tribute d He a ting Sys te m

GAO Guang-yang1,ZHANG Lin-hua2,3*,ZHOU Shou-jun1,ZHAO Zong-feng1
1School of Thermal Energy Engineering,Shandong Jianzhu University
2 Key Laboratory of Renewable Energy Utilization Technology in Building of National Education Ministry
3 Shandong Provincial Key Laboratory of Renewable Energy Construction Application Technology

Distributed circulating pump heat-supply system is a new form of a network distribution,compared with traditional heating network,it has the characteristics of low system pressure,saving energy,low operation cost.In this paper,based on the established simulation network,to the three different forms of distributed circulating pump system simulation analysis,concluded that heat pump set separately,the unity of pump and pump and heat users distributed heating system is the most worthy of popularization and application in practical engineering systems.

distributed circulating;pump heating system,energy saving analysis

1003-0344（2015）03-059-4

2013-11-18

张林华（1965～），男，博士，教授；山东建筑大学热能工程学院（250101）；E-mail:zhth0015@sdjzu.edu.cn

住建部科技计划项目（2011-K1-34）；山东省住建厅科技计划项目（2011YK020）