自力式水力平衡供热系统在严寒地区的技术应用

2018-08-07胡繁昌李德英北京建筑大学环境与能源工程学院北京100044

建筑 2018年14期

胡繁昌李德英尹鹏北京建筑大学环境与能源工程学院，北京 100044

杜彤曾喜平孙海霞北京合利能科技有限公司，北京 100032

1 系统概述

由于热用户楼内系统存在水平失调和垂直失调问题，目前又无有效的技术手段予以解决，而热用户楼内系统宜采用“低温、大流量、小温差”运行模式；分布式变频技术又为管网输配提供了“小流量、大温差”运行模式。故将这两项运行模式有机地结合起来，发挥各自的优势，实现最大限度的节能，故提出自力式水力平衡供热系统，即在所供区域入户楼前管道井内或者地下室中加装喷射器、锁闭闸阀、球阀及过滤器等装置，组成一个混水系统。

1.1 喷射器的工作原理

喷射器是利用流体紊动扩散作用来进行传递动能与热能的机械设备。高压工作流体进入喷射器接受室的喷管中，经过喷嘴后高速喷出，由于高速流体与周围流体质点间的卷吸及扩散作用，在接受室内形成低压区，同时在外界大气压力的作用下，使喷嘴周围的引射流体吸入，两股流体在混合管内混合，在扩散管中增压成压缩流体喷射出来。在这一过程中，喷射器通过消耗一定工作流体能量及动静压转换来提高引射流体的压力。结构如图1所示。

图1 喷射器结构

参见图1，以喷管截面1、混合管截面3及扩散管出口截面c为参照面，喷射器工作的分析方程可表示为

式（1）和（2）中，Zi（i=1，3，c）表示该截面参照基准面的高度，m；Pi表示该截面液体压力，MPa；ρ为液体密度，kg/m3；g为重力加速度，m2/s；Vi为该截面处液体流速，m/s；∑hfi（i=1，2）表示两截面之间阻力损失，m。

结合喷射器结构，当混合管处流速V3大于喷管截面处流速V1时，其压力P3将小于P1，引射流体将会被吸入到接受室中。同理，扩散管出口截面流速Vc小于混合管处流速V3，从而扩散管出口压力Pc大于P3，使得混合流体喷射而出。其中，P1＞Pc＞P3。

在研究喷射器性能时，经常以其流体流量来作为研究对象。其中喷射系数（流量比）为

式（3）中，Gh表示引射流体质量流量，kg/h；Gp表示喷射流体质量流量，kg/h。

1.2 系统运行原理

自力式水力平衡供热系统可减少热网主干管的阻力、增大热用户楼内系统的阻力，调试简单。其原理为利用喷射器本身动、静压的转化特性，将部分楼内供热回水吸入供水管中实现混水供热，达到系统二次网主干管“小流量、大温差”、楼内热用户系统“低温、大流量、小温差”的运行模式，增大用户侧的压降，减小热网干管的压降，大大提高供热系统的稳定性，有利于缓解水力失调、冷热不均的现象。

自力式水力平衡供热系统在安装完喷射器等装置后，使每个热用户拥有独立的混水换热站。图2给出系统运行原理。

图2 系统运行原理

在自力式水力平衡供热系统中，可以通过改变流量比q，为不同形式的散热设备、不同围护结构的建筑提供不同的供水温度，可根据要求实现按需供热，达到供需平衡，使热用户室温趋于均匀，从而降低系统能耗。

2 工程案例

2.1 项目概况

改造项目位于吉林省通化市。该换热站建于2004～2005年，为间供二次系统，根据室外温度设定二次供水温度，来控制一次电动调节阀的开度，楼内系统为双管上供下回式，采用分户计量，供热面积约为195984m2。其中低区供热面积100569m2，所供区域民用住宅较少，其中办公楼、商户等公建约占30%，供暖质量差；高区供热面积95415m2，绝大多数为民用住宅，供暖质量相对较好。

一次热源为热电联产高温水，二次外网管线为直埋铺设。站内高、低区板式换热器均为2台，换热面积分别为90.95m2、113.05m2。表1给出了站内循环泵额定参数。循环泵运行频率控制在45～49Hz。

在该换热站所供区域中，由于系统设计不合理，热用户形式多样化，造成水力失调问题严重、能耗较大，部分热用户供热效果不佳，室温大都在14～17℃，低区尤为严重。以室内平均温度为18℃计算时其不平衡耗热量损失约为26.2%。

表1 高、低区循环泵参数

2.2 改造方案

在原供热系统热力入口加装喷射器等装置。在改造的同时，保留原系统，即在热用户供水干管上加装一个锁闭闸阀，喷射器跨接在锁闭闸阀两端，并在喷射管上加装Y型过滤器。自力式水力平衡供热系统运行时，将与喷射器相连的三个铸钢球阀打开，将供水干管上的锁闭闸阀关闭；当原供热系统运行时，将与喷射器相连的三个球阀关闭，供水干管上的锁闭闸阀打开。图3表示热力入口改造方式。