分布式输配技术发展概述

北京交通大学 杨 松

0 引言

19世纪初期，欧洲出现了以蒸汽或热水作为热媒的集中式供热系统。1877年，在美国纽约建成了世界上第一个区域锅炉房[1]。20世纪初，纽约建成了世界上第一个人工制冷空调系统。之后，城镇集中供热和空调制热制冷事业迅速发展。我国的供冷供热事业在20世纪80年代初期改革开放以后，随着经济的飞速发展，得到快速兴起并发展，对改善人民群众的生活质量作出了巨大的贡献。但就其技术、设备、管理和服务质量来说，与国外的先进水平相比，还存在较大的差距。在这种情况下，众多专家学者对集中供冷供热系统的优化运行进行了系统研究。经过长期的努力，我国学者从国情出发，在冷热能输配理论和技术方面进行了深入研究，提出并发展了分布式变频输配技术，并且运用到工程实践当中，取得了极好的经济效益和社会效益，为推动我国集中供热事业的发展作出了卓越贡献。

分布式变频输配的核心思想是在冷热媒输配管网的节点上安装泵，主动从管网抽取冷热媒，变频调节流量，以多个小动力源替代集中输配方式的单个大动力源，实现精细化调节和节能运行。分布式输配涵盖集中供冷供热所有环节的工艺、自控和监控，是分布式思想在能源输配系统的应用，是安全、稳定、节能、高效的方案。分布式输配概念的提出开始于变频泵技术的发展和应用——变频既能大幅度节约输配电能，又能灵活地进行流量自动调节。最初是国外学者为解决空调水输配系统存在的弊端，在系统运行效率方面进行有效的探索，研究水泵的设置方式、运行调节和流量热量分配调度对运行能耗的影响。从20世纪50年代中期开始，欧洲国家对多动力源输配、多环路分设水泵均有研究和应用。到20世纪90年代，空调冷水系统用户末端采用变频泵或三速泵代替流量调节阀，小型变速水泵得到应用，并提出了相应的控制策略。在国内，江亿提出了冷热联供热网的用户回水加压泵方案及用变频泵和变频风机代替调节阀方案；在用户回水加压泵这一新型热网设计方案中,结合工程应用案例，首次给出了零压差点的调节方式[2-3]。分布式输配的形成和发展得益于水力、热力工况计算方法的研究和计算机供热系统分析软件的研发——便于实现对输配管网的建模和仿真。20世纪60年代，苏联利用计算机技术，提出了多种计算分析管网水力工况的方法。从20世纪70年代开始，先后出现了苏联的COCHA计算软件、瑞典的ENOK软件、芬兰EKOND能源规划系统软件、芬兰APROS软件包、德国的STANET和我国的HACNet软件等。到21世纪初，一、二级泵系统进入理论化总结阶段，提出了多种形式，侧重于数值模拟和节能分析。这类软件工具的研发，在分布式输配的理论研究及在供热系统的整体规划、可靠性、经济运筹、多热源环网、动态预测、优化运行、模型模拟等理论的系统化、体系化方面发挥了重要作用。

1 分布式输配技术的发展

三十多年来，关注此理论和应用的学者众多，从空调系统延伸到集中供热系统，研究结果丰富。各高校、设计院和研究机构培养了大量研究生和专业技术人才。经过几十年的努力，我国学者在供冷供热输配系统理论论证、水力工况和热力工况的模拟仿真、供冷供热方式的优化规划、系统设计选型及参数优选、输配系统的可靠性及系统运行的稳定性、节能效果、控制策略等方面作了深入研究，成果已在工程中得到了应用，大量案例实施，取得了迅速和长足进展。

图1、2和表1、2显示了有关分布式输配和分布式变频的文献搜索结果。从图1、2和表1、2可以看出：2000年后研究成果层出不穷，研究机构以清华大学、西安工程大学、中国市政工程华北设计研究总院为代表。与国外侧重空调水系统不同，国内的研究主要在集中供热领域。清华大学石兆玉全面、系统地提出和完善了供冷供热、空调水系统的分布式输配系统的原理、设计方法和运行方案，攻克了多项核心理论与技术难点，并通过工程应用实践，对工艺设计、控制策略、运行调节等技术细节，作了全面、系统的研究和总结，著书立说、发表系列研究成果，促进了行业的技术革新，作出了突出贡献。

图1 关键词“分布式变频”(共251篇)发表年度分布(中国知网)

图2 关键词“分布式输配”(共168篇)发表年度分布(中国知网)

表1 关键词“分布式输配”“分布式变频”作者分布(维普)

1.1 变频技术的研究

表2 关键词“分布式输配”“分布式变频”研究单位分布(维普)

(1)

式中nf、n50分别为变频、工频时的转速，也视为频率。

式(1)表明，水泵在变频调速时，频率(转速)愈低，节能效益愈明显。

变频技术是分布式变频能够成功应用的前提和推动技术。石兆玉是最早把变频技术引入到供热系统热媒输配和运行调节的学者之一。20世纪90年代，石兆玉指出：在热网运行调节方面，集中质调节不能完全满足各种运行工况的要求，间接连接系统中若二次网采用集中质调节，则一次网必须进行变流量调节；在多种热负荷、多个热源的热网中，为进行系统流量平衡，也必须实行变流量运行；质调节耗电多，不利于节能，特别是大的供热系统，尤为突出；水泵的变频调速使得变流量运行成为可能。同时，他研究了变频调速方法的优势，并分析了在供热系统中应用变频调速进行变流量调节的节能效益[5]。21世纪初，石兆玉总结了变频调速技术在供热空调系统循环水泵热媒输配调节变流量控制(散热器供暖系统、空调供暖供冷系统、地板辐射供暖系统)、空调变频变风量控制、制冷机的变频调速控制和供热空调水系统的旁通补水变频定压等方面应用的典型方法，并分析了节能效益[6]。在各热力公司逐步采用分布式变频输配技术实施多个案例以后，石兆玉详细分析了水泵在变频减速工况下对电动机及其自身效率的影响，并着重指出：由于功率下降幅度远大于效率降低导致的能耗增加幅度，因此，变频减速节能效益明显。同时，分析了变频水泵组合运行的合理方案，对分布式变频工程中变频调速的技术问题作了总结[4]。

1.2 分布式输配理论论证和应用探索

这一阶段的理论研究是利用网络图论，对热网建立水力工况数学模型，抽象成节点和网络管段，并通过基尔霍夫电流定律(任一节点电流为零)和电压定律(任一环路电压降为零)，列出网络矩阵线性方程，求解网络上任一个节点和管段的流量和压降。特勒根定理是指功率守恒，即任一给定网络的提供功率等于消耗功率。根据特勒根定理，并利用最优化理论，通过解微分方程，可以得出完成某个管网系统流量传输的最小功率。以下研究基于数学模型，通过计算机编程计算，在理论上设计出流体网络分布式输配方式，证明其可行性，并给出设计和运行方法理论结论。石兆玉所作报告《流体网络分析与综合》根据数学网络图论理论，建立了水力工况数学模型，利用节点分析法和回路分析法进行目标综合，给出了网络的计算机算法，重点研究了供热输配管网的建模、理论计算，为管网输配研究和分布式输配奠定了理论基础[7]。基于此理论和算法，石兆玉课题组开发了我国最早的水力计算与分析工具软件HFSNET[8]。蔡启林等人在供热方式优化规划、供热管网平面布置的优化规划、热电联产系统设计参数的优选、供热系统的可靠性及多热源并网系统的优化设计等方面作了深入的研究[9-10]。狄洪发等人提出了使用分布式变频调节系统替换传统电动调节阀，在初投资不增加的前提下，大大减少了水泵能耗[11]。付林等人提出了冷热联供系统水力工况模拟计算方法，并针对实际工程，给出了不同输配和调节方案，指出了回水加压泵系统的优势[12]。秦绪忠研究了供热输配系统的物理模型，以及基于网络图论的数学表达方法，并将分析方法应用于分布式变频系统模拟计算；定量分析了分布式变频形式的输配系统的水力稳定性，得出了该系统形式可大大改善系统稳定性和可调性的结论[13]。王红霞确定了最优的分布式变频泵工艺方案，首次给出了分布式输配系统科学、合理、可行的设计方法。研究中应用HFSNET软件，分别对沿途加压变频泵、用户加压变频泵、用户混水变频泵等几种不同的分布式变频泵进行了模拟计算和可行性分析，通过理论分析和经济分析，得出了最优的供热输配系统设计方法——用户混水变频泵与沿途加压变频泵和主循环变频泵相结合的方法，与传统设计方法相比，既能满足各用户的资用压头，又能实现流量的合理分配，综合节能率可达75%。最优输配方式见图3[8]。陈亚芹通过研究HACNet软件算法和应用，进行了分布式变频系统水力工况模拟计算、优化设计，提出了分布式变频系统的优化设计方法，定义目标函数并建立热网模型，研究了支路的选择、零压差点位置的变化对系统经济性及泵的选型的影响。模拟分析表明，该种设计方法简单易行，具有广泛的适用性和实用价值[14]。

注：图中数字为管段编号。图3 分布式输配系统示意图

分布式输配相比集中式输配，节电原理见式(2)、(3)[15-16]。就任一输配系统而言，集中式的总功率总是要大于分布式，因为集中式输配前端用户必然有多余的资用压头,而且还不得不安装调节阀门将其消耗掉。

(2)

(3)

式(2)、(3)中Nj、Nf分别为集中式和分布式输配的水泵总功率；Gz为总流量；G1、G2、…、Gn为各用户流量；Hmax为最远端用户最大双程压降；H1、H2、…、Hn为各用户所需压降；η为水泵效率。

因为，H1、H2、…、Hn≤Hmax，所以，Nf

理论基础建立后，需要探索实践应用。2000年以后，石兆玉通过多个具体案例，深入研究和指明了输配系统分布式设计思想和具体方法，以及运行调节方案，并通过理论和实际节能的对比，指出工程设计的方向及需注意的问题。石兆玉等人分析了供热系统循环水泵传统设计方法——热源单泵系统存在的缺点，指出应采用分布式变频泵系统代替。对6种新的设计方案与传统的循环水泵设计方案进行了比较，并指出新的设计方案比传统设计方案的循环水泵的装机电容量可减小1/3～2/3；详细阐述了供热系统分布式变频循环水泵最优方案及其确定过程，并对其设计、运行基本方法进行了介绍[17-18]。

1.3 分布式输配应用实践和技术总结

这一阶段主要是分布式输配技术工程应用的推广，研究在具体的工程中，供热系统如何设计，设备如何选型，系统如何运行调节，针对安全、稳定、节能、智能运行的具体技术问题，提出解决策略和方法，比如分布式定压技术、分布式混水设计、分布式水力仿真、分布式控制策略等技术应用。同时，将分布式输配技术与其他技术结合，应用到更为复杂的热网系统中，比如多热源环网、远距离长输管网等。

“十一五”(2006—2010年)期间，分布式输配技术开始应用于多热源供热管网和公共建筑的空调系统中，针对实践过程中遇到的各种工程技术问题，更多的专家学者和系统运行人员进行了更广泛的研究。在国家科技支撑课题“供热系统节能关键技术研究与示范”中，更是设立了分布式输配系统专题，对系统水力热力工况(失调和平衡)、定压、节能(节电、节热)、运行调节、可靠性、自动控制及经济性等进行了系统研究。石兆玉把分布式输配理论应用到混水直接连接，进一步发展了分布式输配的应用技术，混水连接具有明显的节电效益和技术优势。为使设计方案更加科学合理，对混水连接的管网特性、方案的最优组成及节能(电)计算进行了探讨，为分布式变频混水的设计和应用提供了理论上的系统指导[15]。21世纪10年代初，石兆玉团队完成了山东莱州全网分布式输配变频混水改造项目，总结了各地工程案例的运行情况和发现的问题，针对当时分布式循环供热系统在设计、运行中的实际情况，就循环流量、变频调速、节能效益、热负荷需求适应性、连接方式、均压管设置及调节控制方式，各站自控和全网监控，协调运行、智能供热等问题，进行了分析、探讨，给出了问题的原理分析和解决方案，使得这项新技术的推广更加完善[19]。李德英等人[20]、孙海霞等人[21]指出分布式变频供热系统的应用对于解决管网的水力失调、输送能耗高等问题有极大的帮助，并通过分析实际工程的改造效果，提出了分布式变频泵供热系统按热量控制的方法，并选取加压泵的流量、温差，主循环泵的压差，热源的总热量作为控制对象。李鹏等人针对枝状管网,以热网最小年折算费用作为目标函数,干管、支管平均经济比摩阻作为约束,对分布式循环泵供热系统最佳零压差点的位置进行了模拟求解[22]。Zhang等人对区域供冷分布式变频泵系统运行能效作了分析，指出该系统适用于末端冷负荷波动大的用户。通过以泵代阀，效率明显提升，系统输配能耗明显下降。与集中循环大泵相比，分布式变频泵和储水系统夏天每天节电57%，全系统节能10%[23]。

针对中大型供热系统多热源、环状管网、长输系统等特点，分布式输配是否适用等疑问，学者们均有研究。石兆玉重点阐述了多热源供热系统中分布式输配动力装置的设计方法，介绍了环状与枝状管网的设计特点，探究了调峰热源的设置方法，最后明确得出结论：分布式输配供热系统完全适用于多热源联网运行，而且优势更加明显[24]。王芃等人给出了传统单热源枝状热网及多热源热网、环状热网改造成分布式循环泵供热系统后的节能率计算式[25]。王莹等人以某城市的大高差长输供热项目为例,对分布式系统与中继泵站系统在大高差长输供热管线的应用优势与劣势进行了详细的对比[26]。利用电厂余热，通过大温差远距离长输供热是城镇供热的发展趋势，这是分布式输配在供热长输管线中又一个重要应用。

近年来，分布式输配理论更丰富、技术更全面，利用软件仿真模拟，运行调节和节能理论化、模型化，并扩展到分布式输配混水系统的水力稳定性分析和运行调节方法研究。

1.4 全网分布式输配的提出和研究

针对分布式输配的应用多数只在一次网实施的情况，石兆玉指出，分布式输配不仅可以在供热系统一次网中实施，也可以在二次网(庭院管网)、三次网用户热入口(室内供热系统)全方位实施，称为全网分布式输配供热系统。如图4所示，热源到热力站称为一次网，热力站到楼栋热入口称为二次网，室内系统称为三次网，都设计为分布式输配，每级输配系统有自己的零压差点，通过自动控制解决平衡问题，实现全网高效输配、最少投资、最优化运行。

1.循环泵；2.均压管；3.锅炉；4.换热器；5.散热器；O1、O2为零压差点。图4 全网分布式输配系统图

从理论方面，石兆玉等人对分布式所依据的基本原理特勒根定理及其应用作了说明，并系统地提出和介绍了全网分布式输配供热系统方案及其优越性、必要性及系统结构的基本形式与循环水泵的选型等具体技术问题[27]。基于全网分布式输配系统的理论基础和分户热计量的技术应用问题，经过多年的研究，石兆玉团队开发了“供暖分户计量调控装置”。该装置集平衡调节、室温控制、热量分摊与计量收费为一体，既满足了热量计量，又能直接调控用户室温，为解决目前供热计量技术中的难题作出了前瞻性探索。石兆玉等人[28]、杨同球等人[29-30]、夏三华等人[31]在廊坊通奥深入研究，创新试点，取得了成功，并集中发表了多项研究成果，深入阐述了总体方案的构建、节能优势、系统的末端装置、分户供暖电器的计量功能、微型齿轮泵的工艺创新、系统的控制决策，以及技术创新评价、社会和经济效益分析。

2 分布式输配技术应用推广和工程案例

分布式输配供热系统有源式管网输配、调节水力平衡、消除冷热不均及节电节热方面的优势被越来越多的业内人士所认识。目前已在相当数量的实际工程中推广、应用，取得了理想效果。据不完全统计，目前全国有将近3亿m2供热面积使用分布式输配技术。采用该技术的供热系统，最大的供热规模已经超过上千万m2供热面积，最小的为二次庭院管网。分布式间接和分布式混水连接方式都有大型工程案例，比如太原热力、威海热电、吉林热力总公司；二次管网楼栋分布式也获得了大量应用，包括北京热力、承德热力都有区域案例。在推广过程中，众多专家学者、多家专业公司在分布式输配推广上做了大量的工作，取得了不错的成绩。

石兆玉团队作了全国性技术推广，主持完成了很多应用项目，包括位于山东莱州、河北临西、山西临汾等地方的多个规模和形式不同的分布式输配及混水工程案例，不仅实现了系统自动调节，而且节电率最高达到了69%，节热率普遍在10%左右。特别是供热分户计量调控微型齿轮泵在廊坊生产基地大楼试点成功，第一次把分布式做到了热用户入口。

北京某公司2007年在新疆库尔勒新隆热力公司完成了全国首个分布式输配案例，之后在新疆、东北三省、河北、山西都建设了许多分布式输配工程。这些工程项目不但系统运行压力低，而且还改善了水力热力平衡，节电节热量大，达到了预期效果。

2013年7月，吕砚昭团队编制了国家建筑标准设计图集13K511《分布式冷热输配系统用户装置设计与安装》[32]，完善了分布式输配系统的工作原理，归纳了分布式输配的主要系统形式及其应用条件，确定了分布式输配系统设计的计算方法，提供了分布式输配系统的自控策略等，建立了国内分布式输配系统的体系，推动了分布式输配技术在供冷供热系统一次网及二次网中的应用与发展。自2010年以来，吕砚昭团队先后设计了十几个分布式输配供热供冷项目，建筑面积从5万m2到85万m2，系统装机节电率在30%～60%之间，系统运行稳定高效[33-34]，特别是设计的二次网分布式供冷输配系统，运用了合理的大温差，取得了明显的社会效益和经济效益，实现了设计单位对分布式输配技术的应用先例。

从分布式输配工程应用综合来看，技术问题上，设计偏重理论计算而忽视系统静态和运行特性；针对不同特性的供热系统在寻找最佳自控和全网调度策略上也没有找到最优方法；分布式做到楼栋到户，且与热计量结合并没有得到实质性进展。就推广而言，目前速度并不快，究其原因：一方面专业人员缺乏，推广力度不够；另一方面还是做得不够好，节能并没达到最佳水平。总之，理论还需深化，技术有待提升，与工程结合还需更紧密。

3 结语与展望

供冷供热是民生工程、能源工程、环保工程，涉及到国计民生，国家出台了节能减排、清洁取暖、治理雾霾等基本政策。随着分布式输配技术的推广，工程应用实例越来越多。技术变革带来诸多优势：实现精准调节，能源高效利用，节能效果显著，政府、热力公司和热用户多方受益。分布式输配技术已经在多个国家级技术规范中被列为重要的节能技术，国家政策层面非常重视，并大力扶持。伴随国家经济的高速发展和人民生活需求的提高，今后肯定会在更多的供热企业和公共建筑供冷供热系统中应用，技术本身也将得到不断的发展、改进和完善。我国北方冬季供暖的城乡建筑面积达206亿m2(城镇140亿m2，每年消耗2亿t标准煤)，且以8%～10%的速度增长[35]。供冷供热行业的热媒分布式输配技术，至今在全国范围内才推广约3亿m2，推广供热面积目前仅占总面积的2%～3%[28]，绝大多数还只是一次网，应用前景十分广阔。未来输配方式应普及分布式输配，使供冷供热系统做到“无人驾驶”、无人化运营，实现供冷供热技术智能化、现代化。