英郡年华分布式供暖输配系统功耗分析

西安市建筑设计研究院有限公司 张 亮 马振周 姚 琳 丛 惠

1 概述

英郡年华国际社区位于西安市长安区西安国家民用航天产业基地，基地东临神舟六路，南为飞天路，西为规划路，北为航拓路。基地东西长约293 m、南北长约279.2 m，总建筑面积42万m2，地下1层为设备用房及汽车库，设有管道层，地上32层，主要建筑功能为住宅、幼儿园及商业街，高层住宅的1～3层为商业用房。

该工程二次网供暖系统采用分布式供暖输配系统，于2015年2月交付使用，一期于2018年11月15日开始供暖，二期正在出售，三期正在建设中，一期目前已经经历了2个完整的供暖季。

2 供暖热源、管网及建筑单体

2.1 供暖系统热负荷

供暖系统竖向分为低区、中区、高区，其中1～11层为低区供暖系统，12～23层为中区供暖系统，24～32层为高区供暖系统，计算得出供暖系统总热负荷，见表1。

表1 英郡年华国际社区热负荷 kW

2.2 建筑单体供暖需求

该工程特点：小区供暖面积大；建筑供暖范围集中；供暖形式多样，住宅为地面辐射供暖，商业用房、幼儿园为散热器供暖；小区为高档社区，室内供暖要求高。

根据GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》，散热器供暖系统供水温度不宜高于85 ℃，供回水温差不宜小于20 ℃；地面辐射供暖系统供水温度不应高于60 ℃；供回水温差不宜大于10 ℃，且不宜小于5 ℃。

分布式供暖输配系统中，散热器供暖系统和地面辐射供暖系统供回水温度的选择，直接影响到供热站及管网系统的设计方案，不同的供暖方案直接导致造价和系统复杂程度不同，在温度的确定上应该慎之又慎。

2.3 供暖系统管网

集中供暖输配系统，须设置2套供暖输配管网和2套热源换热机组，分别供给末端的散热器系统和地面辐射系统，2套不同的换热机组分别设置对应的循环泵及定压方式[1]，热源处的循环泵按最不利环路来考虑，各建筑单体因距离供热站的远近不同，调节阀要分别设置不同开度来消除多余的资用压力，况且地面辐射系统温度低，导致管网管径大、管路较长、用户支路的阻力相差较悬殊、负荷变化较大；使用时间不同，造成输送能耗增大，集中供暖系统先天不足的特点不可避免地产生用户舒适性差异，用户的舒适性无法从根本上得到保证[2-4]。

分布式供暖输配系统，供暖管网采用散热器供暖输配系统和分布式供暖输配系统合二为一，即管网输送温度涵盖上述两者的供回水温度。可以实现从热源到用户计量间散热器系统和地面辐射系统大温差同管网运行[5]，在热源处设置1套换热机组，在各个单体建筑的用户泵房设置混连式装置，就能满足散热器供暖系统和地面辐射供暖系统供回水温度要求，输配管网可采用大温差、小流量的运行方式[6-8]。

分布式供暖输配系统管网设计工况的确定：二次网采用合理的大温差运行[9]，二次输配管网供/回水温度为85 ℃/40 ℃；商业用房散热器供暖系统供/回水温度为70 ℃/40 ℃；住宅地面辐射供暖系统供/回水温度为50 ℃/40 ℃。散热器供暖系统和地面辐射供暖系统同管网运行，也就是以二次管网供/回水温度85 ℃/40 ℃的工况运行，在建筑单体的用户处由混连式转变为散热器工况(供/回水温度70 ℃/40 ℃)和地面辐射工况(供/回水温度50 ℃/40 ℃)。

3 分布式供暖输配系统设计

3.1 总体设计

该工程按三期分别施工，供暖管网按三期分别设置3个分支。

市政一次热源提供供/回水温度110 ℃/70 ℃的热水，经换热器交换后供给二次热水系统，供热站设于1号楼地下室内，在供热站内设置换热机组、热源泵、平衡管等；用户泵房设于单体建筑的热计量小间，在用户泵房内设置沿程泵、用户泵、混连装置等，具体设置见图1。

图1 英郡年华国际社区分布式混连式输配系统图

3.2 热源泵设置及计算

热源泵承担热源内的管路循环和零压差点以前的管网循环；管网供/回水温度为85 ℃/40 ℃，按此温差计算流量。

(1)

式中G为热源泵的流量，m3/h；Q为供热站的换热量，kW；Δt为供热管网的供回水温差，℃。

依据计算出的流量及压力损失，选择合适的热源泵，该项目低区、中区、高区热源泵参数见表2。

表2 英郡年华国际社区供热站热源泵参数

3.3 平衡管设置

平衡管的设置位置是关键，影响到热源泵、沿程泵的扬程和系统复杂程度，综合考虑各方面客观因素，确定平衡管设置在供热站内供回水总管之间，管径与输配管网总管管径相同，平衡管上不设置任何调节阀门。

3.4 输配管网计算

二次输配管网供/回水温度为85 ℃/40 ℃，按每段所承担的流量计算，计算方式和比摩阻与集中输配系统水力计算相同。经计算，低区集中输配管网总供回水管径为DN250，低区分布式输配管网总供回水管径为DN150。

3.5 混水系数计算

根据单体用户散热器系统和地面辐射系统供暖形式的不同，分别计算各用户的混水系数，确定每个单体的沿程泵、用户泵及热源泵的流量、扬程等选型参数。

混水系数定义为:多级混水泵系统中用户旁通回水流量与管网供水流量之比，根据热平衡原理，可得混水系数μ与管网供回水温度之间的关系：

(2)

式中Gp为用户旁通管流量，m3/h；G1g为用户管网流量，m3/h；t1g为管网的供水温度，℃；t2g、t2h分别为用户的供、回水温度，℃。

3.6 沿程泵、用户混水泵计算

沿程泵承担零压差点以后的管网循环,用户泵承担用户内的循环,依据式(1)、(2)及各自承担的负荷和不同的供回水温差，计算各自的流量，根据不同的流量及资用压力,结合工程地势的高低，选择合适的沿程泵和用户泵及各自的安装位置，确保沿程泵、用户混水泵在高效率区运行。

4 分布式输配系统与集中输配系统的比较

建立集中供暖输配和分布式供暖输配系统计算模型，保证2个输配系统长度、规模完全相同，确保2个计算模型在相同条件下进行对比，得出功耗等数值。

4.1 功耗对比

水泵的总功率(理论)，根据特勒根定理，按下式计算：

No=∑GiΔHi

(3)

(4)

式(3)、(4)中No为由特勒根定理计算的循环水泵总功率，kW；Gi为供热系统管段i的流量，t/h；ΔHi为供热系统管段i的压降损失，m；N为水泵总功率，kW；η为水泵效率，取70%。

根据特勒根定理，计算出水泵总功率，进行泵的功耗统计，得出集中供暖输配系统和分布式供暖输配系统功耗对比，见表3。

表3 英郡年华国际社区供暖低区、中区、高区功耗对比

从表3可以直观地看出，集中供暖输配系统循环泵提供的功率很大一部分消耗在调节阀门上。从本质上，调节阀门是阻力元件，这也是集中供暖输配系统不节能的根本原因，分布式供暖输配系统没有任何阀门功耗，有用功得到了最大的利用，系统真正达到了节能、高效的目的。

4.2 节能对比

节电率见表4。

表4 英郡年华国际社区项目节电率

从表4可直观得出：较集中供暖输配系统，分布式供暖输配系统装机节电率可观，低区49.06%、中区48.97%、高区48.02%，小区总电耗节省48.91%。

4.3 运行节电率及投资回收期对比

运行节电率及投资回收期见表5。

表5 运行节电率及投资回收期

集中供暖系统供热站和管网的初投资为1 107.6万元；分布式供暖系统供热站和管网初投资为1 163.8万元。分布式输配系统比集中输配系统初投资每m2高1.34元，经过2.2 a就可以收回其高出的初投资。

5 运行功耗分析

2019年12月对英郡年华国际社区进行了功耗实时监测，详细记录了9号楼热源泵、沿程泵及用户混水泵的运行功耗，具体分析结果见图2～7。

图2 英郡年华供热站温度历史曲线

图3 室外平均温度及负荷比日趋势

图4 9号楼低区沿程泵电耗

图6 高区循环泵电耗

图7 中区循环泵累积电耗

从图2可以看出，输配管网供水温度与供热站管网供水温度变化趋势一致，且幅度很小，推断供热站一次侧不主动寻求调节，有的变化只是热源供水温度发生变化。为最大程度体现节电空间，输配管网只进行量调节。

整理西安市2019年11月15日至2020年3月15日每日平均温度，最低日平均温度-2.7 ℃，最高日平均温度14 ℃，此时负荷比0%；西安地区室外供暖设计温度-3.4 ℃，此时负荷比100%。根据一次函数，找到每日平均温度对应的负荷比。

通过相似定律和负荷比分析，循环泵、沿程泵、用户泵日耗电量=额定功率乘以负荷比的三次幂，分析过程限制了泵频率下限，最低为20 Hz。

从9号楼实际数据可以得出，功耗的结果与供热负荷的变化相对应，能反映出负荷变化的规律。

6 结语

分布式供暖输配系统相比于集中供暖输配系统，装机节电和运行节电大幅降低，该项目装机节电率48.91%，系统运行节电率47%；分布式供暖输配系统管径小，普遍减小1～2号，节材率可观，该项目管材节材率62%、保温材料节材率32.6%、刷漆节省率43.2%；分布式供暖输配系统平衡管设置位置应该仔细考量，经过反复计算比对，选择最优的安装位置，以使全系统功耗最低。