分布式供冷供热输配系统

西安市建筑设计研究院有限公司 吕砚昭

0 引言

供冷供热系统由冷热源、输配管网和用户三部分组成。集中供冷供热输配系统的循环水泵通常设在冷热源侧，提供从输配管网到末端用户的水循环动力。目前集中空调系统和集中供热系统的工程设计、项目运行大都采用这一方式[1]。

集中供冷供热输配系统在系统设计、运行和调试等方面存在以下问题：系统设计采用的循环泵扬程高、配电功率大；管网用户设置调节阀门节流，系统运行能耗高；管网运行水力失调严重，用户热力稳定性差；系统调节不能满足实时变流量的用户侧运行方式[2]。

分布式输配技术在国外应用了30多年，在国内也应用了20多年，但至今还没有建立完善的技术体系。国内实际工程大多是由工程公司和自控公司设计实施,出自于设计院之手的寥寥无几，在实际应用中出现很多偏离设计值和运行不完善的情况。本文尝试建立分布式输配技术体系。

随着供冷供热技术的发展和国家节能减排要求的提高，集中供冷供热输配方式因运行能耗高、热力稳定性差、供冷和供热效果差，已经不能满足目前建筑节能的要求。为了提高输配管网的输送效率，减少输配系统的无功电耗，满足用户的舒适性，大力推广分布式供冷供热输配系统势在必行[3]。

1 分布式供冷供热输配系统

1.1 分布式供冷供热输配系统概念

在供冷供热系统中，冷热源处设置冷热源泵，用户处分别设置与冷热源串联连接的用户泵和用户泵组，冷热源泵提供冷热源内的循环和零压差点前的管网循环动力，用户泵或用户泵组提供零压差点后的管网和用户内循环动力，这样的系统称为分布式供冷供热输配系统。冷热源泵、沿程泵、用户泵组均采用变频控制[4]。

分布式输配系统适用于区域内单体建筑物比较密集、供冷供热输配作用半径合理、冷热负荷密度大、年负载率或运行时间长、用户有多种工况需求的供冷供热输配工程，具体适用的工程类别有：城市供冷供热一次网，城市综合体、CBD、校园、工厂、住宅等小区二次网，单体建筑内输配系统等。

分布式输配系统是以泵代阀的输配系统，系统中没有任何两通阀、三通阀、静态平衡阀、动态平衡阀、压差动态平衡阀等调节阻力的阀门。

1.2 分布式供冷供热输配系统的典型图示(见图1)

图1 分布式供冷供热输配系统示意图

1.3 分布式输配系统基本术语(见表1)

表1 分布式输配系统基本术语

1.4 分布式供冷供热输配系统的分类

分布式供冷供热输配系统分为直连式系统和混连式系统。

1.4.1分布式输配直连式系统

分布式供冷供热输配系统中，用户的供回水温度与管网的供回水温度相等，冷热源泵提供零压差点前管网和设备的循环动力，用户泵提供零压差点后管网的管路循环和用户内循环动力的输配系统称为分布式输配直连式系统，如图2所示。

图2 分布式输配直连式系统

分布式输配直连式系统包括2种方式：1) 供水管安装用户泵的直连式系统；2) 回水管安装用户泵的直连式系统。

1.4.2分布式输配混连式系统

分布式供冷供热输配系统中，用户供水温度和管网供水温度不同，用户回水温度和管网回水温度相同，冷热源泵提供零压差点前管网和设备的循环动力，沿程泵提供用户零压差点后管网的管路循环动力，用户混水泵提供用户内的循环动力的输配系统称为分布式输配混连式系统，如图3所示。

图3 分布式输配混连式系统

分布式输配混连式系统包括4种方式：1) 供水管安装用户混水泵和沿程泵的分级混水泵系统；2) 回水管安装用户混水泵和沿程泵的分级混水泵系统；3) 供水管安装用户混水泵和回水管安装沿程泵的分级混水泵系统；4) 供水管安装沿程泵和回水管安装用户混水泵的分级混水泵系统。

分布式供冷系统中，用户的供水温度高于管网的供水温度，分布式供热系统中，用户的供水温度低于管网的供水温度，2种系统中用户回水温度与管网回水温度相等。

1.5 分布式供冷供热输配系统的工况

分布式输配直连式系统用户工况与输配管网工况相同；分布式输配混连式系统用户工况与输配管网工况不同，即不同用户经过混水连接可以在同工况的管网中运行，根据不同的用户工况确定相同的管网回水温度，用户供水温度不同。分布式输配供冷工况示意图见图4，分布式输配供热工况示意图见图5。

图4 分布式输配供冷工况示意图

图5 分布式输配供热工况示意图

1.6 分布式供冷供热输配系统的水压图

1.6.1零压差点设于机房内的水压图

分布式输配系统零压差点设于机房内的水压图见图6、7。从图6、7可以看出：冷热源泵只承担源侧的阻力损失，远比承担全系统阻力损失要小得多；平衡管的位置就是零压差点，也就是全输配系统分成2个环路的解耦点；零压差点前冷热源环路的供水压线在上，回水压线在下，零压差点后管网环路的供水压线在下，管网回水压线在上，也就是管网的水从零压差点后靠用户泵或用户泵组的抽力流动[4]。

图6 分布式输配直连式水压图

从分布式输配系统直连式水压图(见图6)可以看出，冷热源泵只承担源侧的阻力损失，用户泵承担零压差点后管网和用户内的阻力损失，其中管网供回水之间的高度(图6中的h1+h2)为管网阻力损失，用户段的高度(图6中的H1)为用户阻力损失[4]。

从分布式输配系统混连式水压图(见图7)可以看出，冷热源泵只承担源侧的阻力损失，沿程泵承担零压差点后管网的阻力损失，用户泵承担用户内的阻力损失，其中管网供回水之间的高度(图7中的h1+h2)为沿程泵承担的阻力损失，用户段的高度(图7中的H)为用户泵承担的阻力损失。

图7 分布式输配混连式水压图

1.6.2零压差点设于系统功耗最小处的水压图

图8、9为分布式输配系统零压差点设于系统功耗最小处的水压图。从图8、9可以看出，冷热源泵除承担源侧的阻力损失外，还承担系统前端用户的阻力损失，但总阻力依然比承担全系统阻力损失要小；平衡管的位置仍然是全输配系统分成2个环路的解耦点；零压差点前冷热源环路的供水压线在上，回水压线在下，零压差点后管网环路的供水压线在下，管网回水压线在上，也就是管网的水在零压差点前由冷热源泵“推”着流动，而零压差点后靠用户泵或用户泵组的抽力流动[5]。

图8 分布式输配直连式最小功耗水压图

图9 分布式输配混连式最小功耗水压图

1.6.3最佳零压差点的确定

经过全系统功耗计算分析可知，分布式输配系统功耗最小时零压差点的位置大概在全系统靠近冷热源侧的黄金分割点上，也就是在输配系统靠近冷热源1/3处附近，此点就是系统的最佳零压差点。当全系统功耗最小时，零压差点前是集中式输配系统，零压差点后是分布式输配系统；当零压差点设于输配系统靠近冷热源的黄金分割点上时，集中式输配系统和分布式输配系统完美结合[4-6]。

1.7 分布式供冷供热输配系统的水力平衡

分布式供冷供热输配系统的水力平衡是有源式水力平衡，也就是通过分布式输配管网的所有变频水泵的变速改变管网的流通率，从而改变管网阻力来完成的[7-8]。

分布式供冷供热输配系统中管网水由用户泵或用户泵组的抽力运输，也就是管网的阻力由用户泵或用户泵组根据管网阻力的变化实时克服。

1.8 分布式供冷供热输配系统的自动控制

分布式输配系统的自动控制是指根据末端用户的负荷变化，同步调整冷热源泵、沿程泵、用户泵的频率，满足全系统全过程的变流量调节要求。实现源、网、用户可监、可视、可控。

1.9 分布式供冷供热输配系统的运行

分布式输配系统运行基于全相似理论，在保证零压差点的位置不变的同时，用户流量与资用压头成比例变化。当某一用户负荷发生变化时，调节冷热源泵的转速，改变其流量，用户泵或用户泵组的转速也同时改变，系统达到一个新的平衡状态，各个用户重新获得所需的流量。分布式输配系统的运行就是用最短的时间从一个流量、资用压力的比例平衡状态调整到另一个流量、资用压头的比例平衡状态。分布式输配系统变频调速运行，同时达到质量双调。系统的初调节简单，运行维护工作量极少。分布式输配系统是实时动态平衡的变流量输配系统[5,8]。

1.10 分布式供冷供热输配系统的节能率

分布式输配系统节能的主要原因：第一是系统采用以泵代阀的输配方式，没有调节阀阻力，减少了管网输送的无效功耗，节省了水泵的运行耗电量；第二是系统采用大温差、小流量的设计和运行，减少了输配管网的管径，节省了管材、阀门等的一次投资；第三是系统运行时没有过度供冷供热、欠供冷供热的现象，系统始终保持水力平衡、热力平衡，节省了可观的冷热量；第四是部分系统直接采用混水连接，减少了系统的换热设备，提高了效率；第五是系统采用不同用户工况同管网运行，例如散热器工况70 ℃/40 ℃和地板辐射工况50 ℃/40 ℃均可以在输配管网工况80 ℃/40 ℃中运行，相当于二合一系统，减少了输配系统。

根据国内外30多年工程实践的经验，分布式输配系统装机节电率为20%～60%；节材率为23%～53%；运行节电率为25%～50%；新建建筑节热率为10%，改造建筑节热率为20%。

2 分布式供冷供热输配系统设计

2.1 冷热负荷

分布式输配系统冷热负荷计算按GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》的规定执行，热负荷按房间热负荷计算，空调冷负荷按逐时冷负荷计算，不用考虑负荷放大系数。

2.2 管网系统设计

合理确定冷热源机组的运行台数，使冷热源在系统运行时可调范围较大；合理确定冷热源的供回水温差，尽量采用大温差、小流量的设计和运行方式；根据末端用户工况相同或不同确定采用直连式系统还是混连式系统；确定零压差点的位置，使输配系统功耗最小；确定自控方式，选择合理的控制策略。

2.3 系统工况的选择

一次网供回水温度尽量采用合理的大温差；根据一次网供水温度确定二次网的供水温度，根据用户网的最低回水温度确定二次网的回水温度，包含用户的所有工况。

2.4 管网零压差点的选择

零压差点的位置不同，系统的设备初投资和管网的运行费用也不同，应该经过初投资和管网运行费用的技术经济分析确定零压差点的位置。一次网要根据系统功耗最小来计算确定零压差点位置；二次网可以根据系统功耗最小来计算确定零压差点位置，也可以将零压差点设于主机房内。

2.5 系统定压方式的选择

可供选择的定压方式有3种：旁通管定压、高位水箱定压、落地膨胀水箱定压。首选旁通管定压方式[4]。

2.6 冷热源泵的选择

水泵流量是指全部管网用户的总流量，水泵扬程用于克服冷热源系统内部到零压差点之前的管段阻力之和。

2.7 用户泵的选择

分布式输配直连式系统：水泵流量为该用户的流量；水泵扬程为克服零压差点之后管网供回水管到用户前和用户内的管段阻力之和。

分布式输配混连式系统：水泵流量为该用户的流量；沿程泵扬程为克服零压差点之后管网供回水管到用户前的管段阻力之和；用户泵扬程为克服用户内的管段阻力之和。

2.8 自控方式的选择

可根据工程实际情况选择现场自动控制、远传自动控制。控制模式包括定压差、变压差、定温差、变温差。

2.9 分布式输配直连式系统设计

2.9.1分布式输配直连式系统计算图(见图10)

注：G为用户流量，m3/h；t1g为管网供水温度，℃，同冷热源供水温度；t1h为回水温度，℃，同冷热源回水温度。图10 计算用分布式输配直连式系统图

2.9.2分布式输配直连式系统水压图(见图11)

图11 分布式输配直连式系统局部水压图

2.9.3分布式输配直连式系统的计算

用户流量：

(1)

式中G为用户流量，m3/h；Q为用户冷热量，kW。

用户泵扬程：

H=a(H1+h1+h2)

(2)

式中H为用户泵扬程，m；a为管段阻力附加系数；H1为用户资用压头，m；h1为克服用户沿管网供水管的阻力所需压头，m；h2为克服用户沿管网回水管的阻力所需压头，m。

2.10 分布式输配混连式系统设计

2.10.1分布式输配混连式系统计算图(见图12)

注：G1g为混连式系统管网供水流量，m3/h；G1h为混连式系统管网回水流量，m3/h；t2g为混连式系统用户供水温度，℃；t2h为混连式系统用户回水温度，℃；G2g为混连式系统用户供水流量，m3/h；G2h为混连式系统用户回水流量，m3/h；Gp为旁通管流量，m3/h。图12 计算用分布式输配混连式系统图

2.10.2分布式输配混连式系统水压图(见图13)

图13 分布式输配混连式系统局部水压图

2.10.3分布式输配混连式系统的计算

用户管网流量：

(3)

用户流量：

(4)

旁通管流量：

Gp=G-G1g

(5)

混水系数u：

(6)

用户泵扬程：

H=aH1

(7)

混连式系统沿程泵扬程Hy：

Hy=a(h1+h2)

(8)

3 分布式供冷供热输配系统特性

1) 分布式供冷供热输配系统以泵代阀，系统中没有平衡阀、两通阀、三通阀等调节阀门，理论上系统没有无功电耗。实际上水泵选型时存在工作点偏离，会导致极小的无功电耗。

2) 分布式供冷供热输配系统可以合理大温差、小流量运行，减少输配功耗。

3) 分布式供冷供热输配系统管网平衡是主动式管网平衡，不同于集中输配系统的被动式管网平衡。

4) 分布式供冷供热输配系统中设置的水泵均变频调速运行，实现用户流量的自动分配，满足全系统全过程的变流量调节要求。

5) 分布式供冷供热输配系统中用户可采用与管网供回水相同或不同的温差，实现用户同管网不同供回水温差的运行方式。

6) 分布式供冷供热输配系统调试简单，运行平稳，维护工作量极少。

7) 分布式供冷供热输配系统采用精细化设计，通过对用户冷热负荷计算、能耗分析、管网水力计算、设备选型等进行全面、细致、准确地设计，达到系统的最优化。

8) 分布式供冷供热输配系统的节电率高，相应节热率、节材率也很可观。

9) 分布式供热输配系统节能率远高于供冷系统，分布式供冷输配系统应尽量采用大温差主机，经计算合理确定运行工况，在提高输配效率的同时，最终保证全系统节能率。

10) 分布式输配系统采用智能化动态控制方式。一般采用能源站群控和用户泵房分散控制的联控管理方式，通过对源泵、沿程泵、用户泵的不同控制策略，调整水泵运行频率，实现节能、智慧、高效的控制。

4 结语

分布式输配系统以泵代阀，不仅减少输配功耗，最重要的是系统始终保持水力平衡、热力平衡，实时响应用户负荷变化，使冷热源能够直接快速且有效地输送冷热量到用户，随着暖通空调技术不断发展进步，室内系统形式更加趋于多样化，分布式输配系统实现用户同管网不同供回水温差的运行方式可以满足不同用户工况的需求。

目前在暖通空调领域中，建筑节能在冷热源和用户2个方面已经取得了丰硕的成果，而管网输配的节能在我国还一直是一个弱项，分布式输配技术突破原有的管网输配系统的理念，丰富和完善了管网输配系统的形式和手段，是暖通空调系统节能减排的重要举措。