分布式供暖输配系统在二次网改造中的应用

吉林省金石置业有限责任公司供热分公司 孟庆俊 王 嵩

北京军区锅炉检验所 马玉岩

0 引言

水力失调现象普遍存在于供暖系统中，尤其是二次网中。因缺少一次网的自动化调控手段，为了保证室温偏低的建筑的房间室温不低于18 ℃，就需要提高供暖参数来提升偏低的室温，但会使其他大部分用户的室温偏高，造成能源的极大浪费。从某小区室温云平台上可以看到监测的15户的室内平均温度，2020年1月30日20：00为21.4 ℃，其中最高室温达到23.6 ℃，最低室温为18.7 ℃，室温偏差在4 ℃以上。

统计严寒地区某小区供暖季运行数据，假定耗热量最低的楼所需的热量能够满足要求，可推算出过度的供热量占到该区域总供热量的14%左右[1]，因此应关注二次网的水力平衡，进行二次网的节能改造。

分布式供暖输配系统在消除冷热不均、节电、节能方面有较大的技术优势，目前在一次网中研究和应用较多。分布式供暖输配系统于2007年在新疆库尔勒市新建一次网工程中被首次应用，2013年6月发布的13K511《分布式冷热输配系统用户装置设计与安装》大大促进了该技术的应用。至今，在全国范围内已应用近2亿～3亿m2供暖面积[2]，近几年在直供网改造中也有了应用[3]。本文介绍应用分布式供暖输配系统解决二次网水力失衡的案例，对比3种不同改造方式的节能效果。

1 项目概况

该项目位于严寒地区，供暖建筑面积11万m2，分别给1#小区、2#小区、技术学院及某办公楼(以下简称学校)供暖。采用分布式换热站供暖，在一次网回水管上安装11 kW变频泵，提供该换热站至锅炉房平衡管后的资用压力和用户的资用压力；换热站二次网回水管上安装1台功率45 kW、流量373 m3/h、扬程28 m的变频泵，提供换热站至用户的资用压力。该站二次网分为1#小区、2#小区、学校3条供暖分支，换热站工艺流程如图1所示。

图1 改造前换热站工艺流程

1#小区为民用住宅，2001年建成，管网老化较为严重，户型面积为100～130 m2，楼内大户型居多，用户供暖形式为散热器和地板辐射供暖，采用DN20入户管，管径较小。

2#小区为民用住宅，室内均为工程专用散热器，容水量很小，散热效果差，且该小区入住率偏低，影响供暖效果。

学校为公共建筑，散热器供暖，供暖用热时间与住宅不一致。

可以看出，供暖系统存在两方面不足：一是无法分区调控，公共建筑与住宅混在1个二次网中；二是供水温度需求不同，用户散热设备的散热能力差异较大，地板辐射和散热器混在1个供暖系统中，无法分区调控。

2 改造方案比选

1) 方案1：取消原循环水泵，根据二次网各分支的用户负荷、阻力情况选择各自的用户泵。各分支根据实际用热需求变频调节运行流量。由分支上的用户泵负责各支路和换热站内的水循环，实现各分支的流量调节。系统原理如图2所示，水泵参数见表1。

表1 方案1水泵参数

图2 方案1系统改造原理

方案1与改造前二次网变频泵相比，水泵总功率下降了4.5 kW。

2) 方案2：在方案1的基础上，在各分支供回水之间增加混水管，辅助调节分支供水温度。改造原理如图3所示，方案1与方案2水压图见图4。

图3 方案2系统改造原理

注：H为各用户泵的扬程；h为用户的资用压头；下标1、2、3分别代表1#小区、2#小区、学校。图4 方案1和方案2的水压图

方案2增加了混水功能，通过调节各分支上的阀门，改变混水比来实现各分支个性化供水温度。方案1和方案2用户泵的流量是相同的。但方案2中换热器与混水管之间形成并联环路，进入换热器的流量减少，换热器的阻力较小。因此，方案2中热源回水压力较低，用户泵所需提供的扬程也较低，如图4所示。但由于水泵选型限制，方案1和方案2的水泵选型参数一致。

3) 方案3：改造为分布式供暖输配系统，在换热器冷介质进口总管上增加二次网热源泵，分支上安装用户泵来负责用户侧的负荷调节与循环，不设置平衡管；同时各分支供回水管之间增加混水管，通过安装在混水管上的阀门来调节混水比，实现各环路分区调控的目的。这种方式相当于把用户改为分布式混水站。改造原理如图5所示。

图5 方案3系统改造原理

如图5所示，这种方式的用户泵可以安装在用户供水管上，也可以安装在回水管上，用户泵既完成二次网的水循环，又实现一、二次网的混水功能[4]。考虑该项目现场安装条件，将用户泵安装在回水管上。

混水系统的混合比越大，一次网输送电功率越小，节电效果越好。因此，该项目二次网热源侧流量参考一次侧供回水温差进行选型，各用户泵按二次网设计的供回水温差进行选型，并结合实际水力平衡调节情况优化各用户分支水泵流量及扬程。

方案3水压图见图6。从图6可知，从二次网热源泵到分支混水管之间存在零压差点，混水管两端的资用压头为负。

方案3的水泵参数见表2。

表2 方案3水泵参数

方案3与方案1、2相比，系统复杂，但二次网热源侧采用大温差运行方式，可以显著降低换热站内二次网热源管网循环流量，水泵配置功率是3种方案中最小的。方案3与改造前相比，水泵装机容量下降了8 kW，减少17.8%。因此，采用方案3分布式供暖输配系统进行改造，同时增加二次网热源泵泵前压力、二次网热源供水压力、用户泵泵后压力、用户侧供/回水压力等压力监测点，同步升级控制系统。项目改造后，该站监控系统并入监控中心，实现远程监管。改造后的监控界面见图7。

注：H0为二次网热源泵扬程，即负责克服换热器内部阻力及平衡点至换热器间的管网阻力。图6 方案3分布式输配系统水压图

图7 换热站监控界面

3 运行调节

3.1 运行方式

从图7可以看出，改造后通过混水来实现分区调控，换热站内有一次网回水管上的分布式水泵、二次网热源泵和各用户泵。

分布式水泵负责从一次网中提取热量，由监控中心统一控制各站一次网的热力平衡，同时具备本地气候补偿控制功能，实现该站供热量的自动调控。

零压差点的位置受二次网热源泵和各用户泵的共同影响。当二次网热源供回水压差和流量不变，而用户侧的流量减少时，零压差点向用户侧偏移。当用户侧的流量增加，而二次网热源供回水压差和流量不变时，零压差点向热源侧偏移。因此，运行期间，为了保持设计工况混水比，二次网热源泵和用户泵协调运行。

供暖季运行时，该站二次网采用定零压差[5]的运行方式。二次网热源泵依据设计流量变频运行；用户侧循环水依据设计流量运行，通过混水管与二次网热源供水混合后为用户供暖。通过现场的自控系统对室外天气进行跟踪、判断。在室外气温较高的初、末寒期，采用分时变流量控制模式：在晴天、室外气温较高的时段，同步降低二次网热源泵、用户泵频率，维持零压差点基本不变。这种控制方式利用了供暖系统的热惰性，在允许的用户室温波动区间内，降低输配系统耗电量。

当用户泵意外停泵时，采用变零压差的运行方式实施故障保护。当控制系统监测到用户泵意外停泵后，自动维持二次网热源泵频率不变，即二次网热源供回水压差和流量不变，此时零压差点偏移到用户混水管后，混水管处资用压力为正，二次网热源供水直接进入用户侧循环，防止用户侧供暖设施冻坏。

3.2 用户泵停运分析

2019年10月26日10：00左右，用户面积占总面积约60%的1#小区用户泵停泵，此时控制系统启动故障保护措施，二次网热源泵的频率保持不变，即二次网热源的供回水压差不变，2#小区用户泵和学校用户泵频率不变。

2#小区用户泵故障停运，该环路循环流量降低，零压差点偏移到1#小区用户混水管后。从图8可以看出，3个用户的供回水压差都不同程度降低，其中1#小区用户供回水压差下降最快，但还保留有2 m压差。

图8 1#小区用户泵停运对其他用户供回水压差的影响

管道阻力特性的基本计算式为

Δp=SG2

(1)

式中 Δp为管段压降，m；S为管道的阻力特性系数，m/(m3/h)2；G为管段的体积流量，m3/h。

1#小区用户端阻力特性系数S不变，用户泵停运，导致用户资用压力由原来的6 m下降至2 m，由式(1)可推导出流量下降到原来循环流量的57%。

1#小区用户泵停运，必然会导致二次网热源供水进入阻力相对偏小的其他2个环路，使其水温上升，如图9所示，学校和2#小区用户的供水温度开始上升，尤其是扬程相对较大的学校，20 min内供水温度上升了6 ℃。

图9 1#小区用户泵停运对其他用户供水温度的影响

3.3 耦合性分析

保持二次网热源泵、其他用户泵频率不变，学校用户泵运行频率从39 Hz降低到38 Hz，观测各用户供回水压差和供水温度的变化，结果见图10、11。08：00学校用户泵频率降低到38 Hz并保持，1#小区和2#小区用户环路的供回水压差和供水温度基本没有变化，而学校分支的供水温度呈下降趋势。说明某一用户泵频率下降1 Hz，对其他用户影响较小，这种方式各用户泵之间耦合度小，系统的可调性强。

图10 学校用户泵降频后其他用户供回水压差变化

图11 学校用户泵降频后其他用户供水温度变化

4 改造效果分析

4.1 各分支供暖情况

改造后通过混水管，各分支可实现个性化供暖，解决了学校分支与住宅小区分支用热时间不一致的矛盾，调节速度快。如图12所示，供暖季各分支能够实现个性化供暖，学校二次网供回水温度平均值始终低于住宅类用户的温度，能够把节省下的供热量提供给住宅分支。尤其是在室外气温较高时(不低于-5 ℃时)，能够明显看到学校的供热量低于其他2个环路。

图12 改造后用户分支供回水温度平均值分布

4.2 节电分析

该站为无人值守站，换热站安装电表，记录输配系统和补水系统的耗电量，由于补水量比较稳定，可认为补水泵所耗电量不变。改造前输配系统运行电量为0.849 kW·h/m2，改造后运行电量为0.699 kW·h/m2，耗电量降低0.15 kW·h/m2，节电17.7%。

表3选取供暖季不同时间段的耗电量进行分析，可以看出：节电量的分布不均衡，1月的节电量最大，这是由于1月为寒假时间，学校分支中的技术学院保持较低流量运行。

表3 改造前后每月耗电量对比

4.3 供暖效果

改造后2个小区平均室温提升1.24、1.54 ℃，室温最低的用户室内温度也达到要求，供暖效果显著提升，见表4。

表4 改造前后用户室内温度变化 ℃

5 结论

1) 该项目尝试采用分布式变频供暖输配系统调节二次网各环路之间的热力平衡，调控效果显著，供暖效果明显提升，可显著降低耗电输热比。该项目二次网循环系统配置功率下降17.8%，实际运行节电17.7%。

2) 分布式供暖输配系统在二次网应用时，可不设置平衡管；每个分支环路设置混水管，采用各自的回水与二次网热源供水混合后再供暖。

3) 供暖运行时存在定零压差和变零压差2种运行方式。正常运行工况下，采用定零压差运行方式，运行调节简单；用户泵发生故障时，转为变零压差运行方式，二次网热源泵频率不变、零压差点后移，用户侧压降会降低，但依然保持一定的供回水压差及部分循环流量。

4) 运行良好的分布式供暖输配系统离不开控制系统，建议控制系统内置分时变流量控制、故障保护等控制逻辑。