山東建筑大學碩士學位論文 摘要 目前 能源日益緊張 生活的各個方面都需要節能 斛供熱是現代化城市的主要 基礎設施之一 集中供熱不斷發展 規模越來越大 供熱能耗也越來越大 約占建筑 能耗的垅左右 傳統的單一布置循環泵系統形式越來越顯示其不節能的一面 因為調 節閥的使用至少要產生3 0 的無效能量 隨著變頻技術的廣泛應用和計算機控制技術 的發展 出現了多種循環泵布置方式 本文根據我國的供熱現狀和發展趨勢 分析了 國外的供熱現狀和供熱形式 提出了基于環路拓展的集中供熱系統形式 本文首先介紹了基于環路拓展的集中供熱系統的基本原理和基本形式 闡述了該系 統中的一個主要設備即水力分壓器的結構 運行方式 并應用f i j 刪t 軟件對其內部的 流動狀況進行了模擬 分析得出該設備在運行時內部壓力基本相等的結論 這對于提高 管網系統的穩定性有著重要的作用 結合該系統與直接連接形式 混水連接形式和間接 連接形式進行了對比分析 發現水力分壓器有時可以代替換熱器 然后 應用圖論知識 建立供熱管網的數學模型 得到基本關聯矩陣 基本回路矩 陣的數學表示 建立管網特征方程組并提出求解方法 為水力工況分析打下基礎 并研 究了多種循環泵的布置方式 指出最優方案是 熱源循環泵 熱用戶加壓循環泵 分別 將常規供熱系統 最優循環泵布置方案以及基于環路拓展的集中供熱系統進行水力工況 的模擬分析 研究表明 基于環路拓展的集中供熱系統的運行能耗最少 約節省5 9 是值得推廣的新型供熱系統 通過水力工況模擬分析發現 基于環路拓展的集中供熱系統中零壓差點的最佳位置 在熱源出口處 與熱網規模和負荷分布無關 在此基礎上本文提出了基于環路拓展的集 中供熱系統的設計方法和設計思路 最后 以山東招遠熱力工程為例 對基于環路拓展的集中供熱系統進行了研究 實 際運行參數表明 基于環路拓展的集中供熱系統能夠解決水力失調且節能效果明顯 節 能率為4 3 本文提出的設計方法技術上可行 經濟上合理 只要合理設計和應用 就 能在實際工程中取得巨大的經濟效益和社會效益 關鍵詞 集中供熱 供熱輸配系統 水力分壓器 節能 本課題為住房和城鄉建設部科技計劃項目 編號2 0 l l k l 7 6 的子課題 山東建筑大學碩士學位論文 r e s e a r ha n d a p p c t i o no fd i s t r i c th e a t i n gs y s t e m b a s e do nt h e l o o pe x p a n s i o n c h 舳h 岫m i n r c 銜g 盯a t i o n 鋤dc 驢g 礎ce n g i 礎g d 鼬e d b y l i y o n g 弛 a b s t r a c t n o w d a y s e r g y 塢 優sh a v et c n d e dt 0b ef e w a n df e w e i i e r g y 鞠訪n g 耐s t si i lo l l rl i f e e w r yw h e 塢 c e m r a lh e a t i n gi s 咄o f 也em a i ni n 丘弱仉l c t m 髑o fm 躍蛔r i lc i t i 懿 w i t l l 血e d e v e l o p m e mo fd i s t r i c th e a t i l l gs y s t e m t h e 餓舸 出b e c o m em o 托鋤dm 0 l a 唱e r m e e l e r g yc 0 珊哪n p t i h 嬲t 0b et 1 1 eh a l fo f 也eb l l i l d i i l g 既i e r g yc 0 幔咖n 砸o n t h e 缸a d i t i 伽i a l 砥血g 眥也a tp u m p 船血g l ys e tu pi nh 蒯 u r c e i sn o t 黜唧剛崦 t h e r c g u l a t i o nv 乏d 髑c o m 眥m 砒l e a s t3 0 e 玳哩積 j 1 7 h i c hi sv e 巧w a s t e 甜1 w j m t 1 1 ee x 鋤嚙i v eu o fi n v e 廊屯e c l l l l o l o g y 觚dd 吼 e l 哪嘲e n lo fc o m p l 嗽腫c o n t r o l l o dt h i l o l o g y a 謝e t ro f p 咖叩ss c h 咪a p p e a f e d a c c o r 血g t 0p r e n ts m l a l i o n 鋤d 也ed e 帆l o p i 呦t 刪o f h e a t i i l g a th o m ea n da b r o a d sp 印l c rp s 即 t san e ws y s t 唧 d i s t r i c th e a t i l l gs y s t 鋤b 舔e do n 也e l o o pe x p a l 塔i o n t 1 1 i sp a p e rf 搬i n 瞰 d l l c 鶴t h eb 嬲i cp 血c i p l 鶴趾dt l l eb 弱i cf 0 咖o ft l l es y s 蛔 i l 叩u n d s 蚰血cs t r u c t 哦鋤d 刪0 nm o d e0 f h 刪i cb l e e d e rw 蚯c hi so mo f m em a i ne q u i p m 咖 i n 恤s y s t e m 心峭崦f j 刪ts 0 脅勰t 0s i i 砌a 土ei t s 酬n o wc o n 拙i o 璐 齜糟毗 s h o w st l l a tt h ei n t e 砌p r e s 如他o ft 1 1 ed e i c ei sb 嬲i c a l l ym es 鋤e 砒m nt i i l 艙 t 1 1 i sp l a y s 趾 i n 驢m m tr o l ef o ri n l p r 0 v i n gt h cs t a b i l 時o fp i p em i t 0 r k c o m p a r e d 也en e ws y s t c mw h c m i e c tc o m l e 嘶o nf o r m m 政w a t e rc o 衄硎o nf 0 肌舳di n 商融c 加孫 c t i o nf 0 塒n 趾df 0 衄d 衄h 刪i c d i v i d e r c 觚印l e 她h e a t c x 岫r 礎曲m s t i 吼s e tu pt l l em a t h e m a t i c a l 礎lo f 也eh e a 血l gp 恥餓 t w o r k 吣i n g 鯽hm e 0 g e t t i i l g m a t h e m a t i c a lr e p r e s e n 枷o no f 也eb 嬲i cc o n l a t i o nm a 倒b 鋤dm eb 嬲i cl 伽i pm a t r i x e s 切l b l i s hp i p c 脯t w 叼i r kc h 蹦l c l 砸s t i ce q u a t i o 粥鋤d 哪 da l 塒o nm e t 量1 0 dw l l i c hl a ym e f o u n d a t i o nf 0 rt h c 觚a l y s i so fh y d i 孤d i cc o n m t i 0 i 峪 a n ds t u d ya 謝e 緲o fp l m l ps c h 鋤e p o i n t e d o u tt t l eb e s tm a t i o l l i n g h c a t l o 鉻p m n p l 蟛a lu s e 稻p r e s 鯽u r i z e dp l m l p t h e i 山東建筑大學碩士學位論文 s i 如瞄a t i o n 鋤a l y s i so fh y 幽砌i c0 nc o n v t i o n a lh e 撕i l gs y s t e m s o p t i m a lc i 砌a t i o np 岫秘 n l j 鼬g 嬲 糙l l 觴廿l e 珊 i s y e 屯鋤s h o w 廿l a l 恤鋤e q 醪c 0 璐u i n p t i 蚰o ft h ec e 珊瑚 h c a t i i 培s y s t e mb 嬲e do nm el o o pe x p 黜i o ni s 也el e a s t e r g ys a v i l l gr a t ei sa t i o m5 9 t h e 的ws y s t 鼬h a s9 0 0 de c o n o m y 鋤dw on h st op o 恥a r i z a l i o n 觚da p p l i c a t i o n t h o u g l l 瑚盯i n g0 u t 刪y s i so fb 刪i cr e g i m eo fh e a t i l l g 玳腳舊咄w ec a nh 的wn l a tm e b e s tp o s i t i o no f z e p r e s s u r ep o ni sh e a ts o u r c ee x p o r t i ti sn o l l l i n g t 0d 0 砌h 齜s 硫o f t h e k 咖n e t v 舊k 粕dl o a dd i s t r i b l i t i o n o n 也eb 商so ft l l a t 吐l i sp 乏l p e rp f 髑蜘臨d e s i 髓m e t h o d s 鋤dd e s i 酗i d i 淞o f 齜s y s t e m f i i l a l l y g i v e 趾甑鋤p l e l i t h 廿1 en e ws y s t e mo f 疝a o y u 觚 t l l e 刪0 p e 僦n gp a r a m e t e r s i n d i c a 飴也es y s t e mc a ns o l v et h eb y d r a u h c 遍出a l 觚 硼di t se i j 6 音髓o f 鞠 i n g e r g yi s r e m 橢l e s a v eb o u t4 3 也眥也 d i t i o n lm e t h o di i l 吐i a 0 啪 t h ed c s i l l gm e t h o d 也ep a p e rp 峭e n t si st e c h n i c a l l yf e 嬲i b l ea n de c o n o m i c a u yr e 私o m 出l e 眥di tc 孤0 b 吒a i l l h u g e 伽l 砌c 鋤d c 試b e n e f i t s i n 刪c a le n 西玳圮r i i l g 鶴l o n g 懿 k e yw b r d s d 硫諏h e a 土i i i gs y s t e m h e a t i n g 缸a 繼m i s s i 鋤dd 砷 b 嘶 咖 山東建筑大學碩士學位論文 第1 章緒論 1 1 課題背景 我國的城市供熱的發展起始于2 0 世紀5 0 年代 到1 9 8 5 年底 三分之一的北方城市 采用了集中供熱 供熱面積達5 5 0 d 萬矗 到二十世紀末 供熱面積達1 8 9 億m 2 0 0 4 年 北方城鎮建筑面積總量約為 億平方米 其中7 0 以上的建筑采用不同規模的集 中供熱進行采暖 剩余部分則采用各類不同的分散采暖方式 1 1 集中供熱已成為城市里 主要的基礎設施之一 發展城市集中供熱是節約能源 保護環境的重要途徑 集中供熱雖然取得了快速的發展 但是也帶來了一些問題 供暖質量不高 能耗嚴 重 眾所周知 中國是能源消耗大國 如此大的采暖能耗加劇了原本嚴峻的能源形勢 全社會總商品能耗的三分之一都是建筑行業消耗的 而在建筑能耗中5 6 一5 8 2 的能耗 是城鎮民用建筑采暖消耗的 發達國家的單位面積建筑采暖能耗比我國低的多 所以我 國在降低采暖能耗方面還是有潛力的 造成集中供熱能耗高的原因 總結起來可以歸納為兩點 1 無效熱量大 2 管網輸 送中無效電能多 從圖1 1 可以看出熱源 熱網和熱用戶均可以產生無效供熱量 其中 冷熱不均引起的無效熱量所占比例最大 大約為系統總供熱量的3 叫o 無效電耗主 要是由熱網熱損失產生的 約占3 晰o 3 熱源 輸配管網和熱用戶組成了集中供熱 系統 熱源主要是熱電廠和區域鍋爐房 近年來熱電廠的熱效率能夠達到8 0 左右 區 域鍋爐房的熱效率也能夠達到6 0 巧5 之間 但綜合效率仍較低僅為3 5 一5 5 與國 外發達國家 供熱系統能源利用率為8 0 左右 相比仍有很大的差距 輸配系統是連接 熱源和熱用戶的紐帶 輸配系統的調節運行效果直接影響著供熱質量的好壞 另外 集 中供熱系統投資的1 3 甚至一半都用在了輸配系統上 4 1 在運行過程中 輸配系統能耗 也是巨大的 改善圍護結構在一定程度上能夠降低建筑供暖能耗 可是要實現6 5 的節 能 還必須依靠輸配系統的節能 分戶熱計量的出現打破了傳統上按面積計量收費的方式 能夠促進行為節能 但是 在實行過程中遇到了不可避免的問題 5 其中 當按照熱量收費時 人們會根據自己的 生活規律來調節用熱量 現有的供熱輸配系統之間是緊密相連的 過度的調節勢必會影 響整個供暖系統的穩定性 輸配系統形式的研究有利于推動分戶熱計量 山東建筑大學碩士學位論文 熱 電 總 輸 入 熱 量 多余建筑熱耗 熱源 熱網熱損失 熱損失 圖1 1 供熟系統熱流圖 1 2 國內外供熱現狀 前蘇聯最早采用集中供熱 起始于2 0 世紀2 0 年代 現在俄羅斯8 6 的需熱量來自 于集中供熱 熱電聯產和大型鍋爐房所占比重相當 其熱網規模大 熱電廠功率大 供 熱綜合技術比較完善 在管網輸配系統方面 在2 0 世紀6 0 年代 還編制出了可以對多 環管網進行水利計算的軟件 6 l o 年后 前蘇聯認識到熱網參數的選擇對供熱管網有很 大的意義 并著手開始研究 在7 0 年代末編成了c o c h a 計算軟件 用于優化供熱規劃 北歐國家 由于所處的地理環境的影響 較早的實行了集中供熱 在世界上比較有 代表性的國家有丹麥 瑞典 芬蘭和挪威 目前這四個國家的集中供熱所占比重較大 且 供熱技術和質量處于世界領先水平 7 h 9 丹麥在熱電聯產方面做的比較好 1 9 0 3 年9 月 建成了第一家熱電聯產 據統計 現在丹麥的每座大城市都采用這種方式 且丹麥的能 源利用率也較高 雖然城市供熱規模不斷的增加 但其能源消耗總量仍維持在三十多年 之前的水平 在芬蘭 熱電聯產提供了個7 0 左右的采暖熱量 由于其燃料能源主要依賴進口 非常注重能源的利用率 所以其供熱系統特點是二次網較小 換熱站規模較小 自動化 程度高 設有熱計量裝置 瑞典的集中供熱提供的熱量占整個國家采暖熱量的3 4 集 中供熱的發展也較好 1 0 1 在亞洲 日本是第一個實行集中供熱的國家 從1 9 7 0 年建立第一個集中供熱系統到 2 山東建筑大學碩士學位論文 目前為止已經超過6 0 的居民采暖來自集中供熱系統 可見發展速度較快 節能和環保 是日本比較重視的問題 所以為了提高能源的利用率 城市廢熱成了日本集中供熱的能 量來源f 1 此外 日本的集中供熱規模較小 多用于商業建筑 住宅用所占比例僅為1 0 韓國的集中供熱開始于2 0 世紀7 0 年代 前期主要是參考芬蘭的技術并消化吸收日 本的技術 8 0 年代進入快速發展階段 到目前為止 韓國的集中供熱規模不斷增加 供 熱技術不斷完善 其發展速度極快 韓國的熱量費用包括固定部分和變動部分 收費方 式較為科學合理 供熱管網的經濟性良好 國外集中供熱技術 管理水平的成熟性主要表現在以下方面 1 較早重視到節能環保問題 因地制宜的選擇能源利用方式 供熱技術不斷創新 設備和材料不斷更新 基本不存在漏水 老化現象 計量裝置準確 能更好的反映供熱 問題 為實現自動化提供了良好的基礎條件 2 供熱系統多為動態的變流量系統 能夠隨著熱負荷的改變而改變 避免了能量 的浪費 3 自動化程度高 多采用中央檢測和控制 末端設備處都安裝溫控閥 用戶可以 根據需要自行調節 4 按熱量收費是集中供熱系統發展的趨勢 西方發達國家已采用 東歐及原蘇聯 地區正逐步推廣 計量的技術也在不斷的完善 計量裝置逐漸向計算機化和小型化發展 1 2 o 我國的集中供熱始于 一五一計劃 當時主要是學習前蘇聯的技術 十一屆三中全 會后 供熱事業才得到重視并有了一定的發展 1 3 近年來 我國的集中供熱事業有了較 大的發展 十一五一期間的前四年內 北方采暖地區既有建筑總面積從6 2 9 億m 2 增加 到8 0 2 4 億m 集中供熱面積有2 6 6 億m 2 增加到3 5 6 億m 見圖1 2 我國集中供熱 的熱源主要是 熱電聯產 區域鍋爐房 2 0 世紀8 0 年代以前鍋爐房所占的比重較大 現階段7 0 的供暖面積采用熱電聯產 規模越來越大 熱網結構越來越復雜 有時單一 的熱源已不能滿足供熱需求 需要多熱源的聯合供熱 隨著集中供熱的不斷普及 現階段 我國集中供熱的主要問題 5 1 1 4 1 有以下幾點 1 非節能性建筑的保溫效果差 2 冷熱不均現象嚴重 3 靜態的運行模式 4 部分鍋爐運行效率低 外網 跑 冒 滴 現象嚴重造成熱量損失 3 山東建筑大學碩士學位論文 5 有些地區設備老化 能效水平低 6 自動化水平低 系統自動檢測和控制效果低 n e 攀 醛 瞎 年份 北方既有建筑北方集中供熱面積 圖1 2 十 五 期間北方采暖地區既有建筑面積和集中供熱面積 1 2 1 供熱輸配系統的研究與發展 集中供熟系統由 熟源 熱網 輸配系統 和熱用戶組成 熱源和熱用戶之間依靠 輸配系統連接起來 輸配系統的運行效果直接關系到供暖效果和采暖能耗 輸配系統是連接熱源和熱用戶的紐帶 其運行效果直接關系到供熱效果和供熱能 耗 國外對輸配系統的研究開始的比較早 技術比較完善 上世紀6 0 年代 前蘇聯就 編制了可用于多環管網水力計算的軟件 十年后 又編制了c o c h a 計算軟件用于優 化供熱參數 同時 歐洲國家開始對輸配系統進行系統的研究 7 8 9 其中一些比較發 達的國家已形成了比較成熟的軟件系統 如加拿大的d e s a 能源分析系統 芬蘭的 e l 能源規劃系統 和瑞典的e n o k 軟件 這些系統都是根據本國的資源情況和 供熱狀況編制的 隨著集中供熱逐漸有單熱源枝狀管網逐漸向多熱源環狀管網的轉變 許多學者開始研究系統的優化運行 研究的內容包括系統熱負荷的動態預測 供熱管網 的動態模擬和熱源的動態仿真與控制等 l i m d 1 5 h a 璐s o nt r 1 6 主要對管網進行了動 態模擬 芬蘭在以上研究的基礎上 研究開發了a p r o s 軟件包 用于對整個管網進行 動態模擬 近年來 變頻技術的發展迅速 理論和實際應用已相對成熟 變頻器開始在供熱管 網中得到越來越多的應用 變頻水泵是實現供熱系統變流量運行的前提 新的設計思想 和系統模式開始出現 美國的一些學者積極的研究如何將變頻泵應用在集中供熱系統中 例如m s h e l 1 7 提出由于在實際運行中設計工況很少出現 一般實際流量都小于設計流量 4 0 o 0 0 o 0 0 o 9 8 7 6 5 4 3 2 山東建筑大學碩士學位論文 如果在設計時考慮到實際運行工況 管徑可以相應的減小 l 硼提出可以用變頻泵 或三速泵代替用戶閥門調節 一些學者提出解耦的思想來提高系統的水力穩定性 比如 在熱網和熱用戶之間設置旁通管回路 然后在用戶側設置變頻水泵 這樣做的目的是試 圖解除熱網和熱用戶的有害耦合進而消除用戶間的相互影響 6 我國集中供熱輸配系統的研究主要參考前蘇聯的研究成果 但是每個國家有自己獨 特的特點 要采用適合本國供熱狀況的技術 我國的集中供熱輸配系統的研究方面起步 較晚 近十幾年來有了較大的進步 我國供熱研究人員在供熱優化 系統模擬分析方面 也有突出的研究成果 石兆玉教授f 9 側應用圖論知識對供熱輸配系統的水力工況和熱 力工況進行模擬仿真研究 還應用遺傳算法對供熱管網進行布局優化和設計優化 研究 成果已應用在實際工程中 蔡啟林教授 2 0 在供熱系統的優化方面做了大量的研究工作 研究成果在實際中得到了很好的應用 李定凱教授冽成功地將反向跟蹤分支定界應用在 供熱系統的優化規劃中 賀平教授 2 5 提出了供熱系統運行水平的評價指標 北方城鎮集中供熱能耗占我國建筑能耗5 6 哆缸5 8 近年來 我國暖通設計人員以節 能減排為目標主要對管網的系統形式以及熱網和熱用戶的連接方式進行研究 江億腳 提 出在供熱空調系統中盡量不使用風閥和水閥 改變成使用變速風機和變速泵 清華大學 的狄洪發 陳亞芹口7 勰 將傳統的調節形式和分布式變頻系統進行技術經濟對比分析 得 出后者在熱網中的應用是非常有益的 總結了分布式系統設計時幾個重要的問題 并利 用h a c l 愀軟件對其進行模擬分析得出最優的布置方案 定量的分析了該系統的水力穩 定性 指出該系統具有更優越的穩定性和可靠性 北京建筑工程學院的李德英 王紅霞 網阱 3 1 進一步研究了分布式變頻系統的節能性 設計思路和方法 提出最優的設計方案 并應用經濟學中的年費用法對其進行技術經濟分析 一直以來 無混合裝置的單純直接連接方式是主要的連接方式 隨著熱網規模的不 斷擴大 單純的直接連接已不能適應 間接連接的方式逐漸應用起來 近年來 供熱系 統的節能性要求逐漸提高 混水直供的經濟性優勢逐漸顯現出來 混水直供方式成為供 暖行業關注的熱點 對其的研究內容主要是從節能性 經濟性 水力穩定性和混水方案 這幾個方面來研究 石兆玉教授在文獻 3 2 1 中指出采用變頻泵代替調節閥的供熱系統 水 泵的裝機容量節省l 3 若和混水連接相結合 又節省l 3 總節省裝機電量為奶 本文提出的基于環路拓展的集中供熱系統形式是根據國內外的供熱現狀以及我國的 實際情況提出的 是一種新型的供熱系統 山東的招遠和肥城已采用這種形式并取得了 良好的效果 s 山東建筑大學碩士學位論文 1 3 課題的提出及研究意義 我國目前的集中供暖熱網普遍存在著供熱效果不理想 供熱能耗高的問題 能耗高 的原因主要有三個方面造成的 5 圍護結構保溫效果不良 冷熱不均現象嚴重 部分鍋 爐的運行效果低 冷熱不均現象和靜態的運行模式都與輸配系統有著密切的關系 要改 善這兩個方面就要改善熱網布置和運行方式 傳統的集中供暖系統只在熱源處設置一級主循環泵 在設計工況下 根據最不利環 路所需的壓頭和管網總流量選擇該水泵 通常在選擇時會有定的富余量 所以水泵在運 行時不是在最佳工況點 運行能耗增加 而且這種設計方法使得近端用戶必須依靠調節 閥消耗掉多余的資用壓頭 據測算 水泵的能耗約占供熱系統總能耗的4 0 而這些能 耗中的l 3 左右被各種調節閥門消耗 2 6 j 這種單級循環定流量的布置方式使得供暖管網存在著先天性的水力工況失調 表現 為冷熱不均現象 為了消除冷熱不均 又采用 大流量 小溫差一的運行方式 形成了 不良循環 在調節手段應用不合理的情況下 實際上 由于管網中各系統流量變化的互相 影響 無法實現真正的水力工況平衡 會出現系統末端供回水沒有壓差的現象 影響供 暖質量 這種傳統的設計方案 是人為地加大系統的熱媒輸送電量 又人為地用各種調節手 段把多余的電能損耗掉了 這是它的主要弊端 供暖系統設計負荷是按冬季最低室外溫度參數設計的 而實際上 在供暖期的大部 分時間里 系統的負荷率只有6 0 7 0 3 3 1 由于受室外溫度變化的影響 供暖負荷也 在不斷地變化 理想的供暖熱網應隨負荷的變化及時調節供暖參數 向用戶提供所需的 熱量 但是現有的熱網多為靜態的運行模式 供暖參數不能隨負荷及時調節 造成了熱 能的損失 同時 熱網中的各用戶采取的散熱方式可能不同 采暖時間也不同 供暖熱 網應采用變流量運行方式 提供各用戶不同的供暖需求 最大限度地提高能源 熱能 電能 的利用率 而傳統的一級泵定流量系統形式 無法實現隨負荷調節的變流量運行 方式 本課題研究的基于環路拓展的集中供熱系統能夠有效的解決現階段我國集中供熱系 統存在的問題 提高熱源系統的熱效率和輸配管網輸運效率 減少采暖的運行能耗 1 4 本課題的研究內容 由于基于環路拓展的集中供熱系統相對于傳統的供熱系統具有良好的節能效益 所 以對基于環路拓展的集中供熱系統研究具有重要的意義 本文的主要研究內容如下 6 山東建筑大學碩士學位論文 1 研究基于環路拓展的集中供熱系統的原理和系統形式 2 研究水力分壓器的運行特點 應用f i j 甩n t 軟件模擬其內部的流動狀況 3 理論分析和模擬研究基于環路拓展的集中供熱系統的穩定性 調節性和節能性 4 分析出基于環路拓展的集中供熱系統的設計思路和設計方法 初步確定該系統熱源 循環泵 熱網循環泵和熱用戶循環泵選擇設置原則 以及分析設計中應注意的問題 5 以實際工程為例 進行基于環路拓展的集中供熱系統的設計和應用效果分析 6 綜合以上研究 總結基于環路拓展的集中供熱系統的設計指導原則和設計方法 并 總結基于環路拓展的集中供熱系統的特性 1 5 本章小結 集中供熱現已成為我國主要的供暖形式 目前 采暖能耗逐年增加 但是供熱質量 確沒有提高 傳統的供暖形式是造成能耗過高 供熱質量不好的主要原因之一 總結歸納了國內外集中供熱和管網輸配系統的發展現狀 結合我國的實際情況提出 了基于環路拓展的集中供熱系統 并以山東省為例說明了采用該系統以后的節能潛力 提出了本課題主要的研究內容和研究思路 7 山東建筑大學碩士學位論文 第2 章基于環路拓展的集中供熱系統的原理 目前 我國的集中供暖系統大部分是單級泵定流量系統 這種形式存在著先天性的 水力失調和不能有效的進行負荷調節問題 這是供暖效果不好 能耗過高的主要原因 基于環路拓展的集中供熱系統把整個供暖熱網分為一級 二級 三級循環系統 一級 循環系統是熱源循環系統 二級循環系統是熱網循環系統 三級循環系統是熱用戶循環 系統 各級循環系統之間基本互不影響 能夠很好的解決水力失調問題 也能夠實現變 流量運行 本章主要討論基于環路拓展的集中供熱系統的原理和特點 2 1 一次 二次系統 2 1 1 一次 二次系統形式 基于環路拓展的集中供熱系統是以一次 二次系統為基礎的 2 0 世紀5 0 年代 美國 人b e u g o s s e t l 3 4 1 首先提出了一次 二次系統的概念 此項技術最早被應用在大型商業 建筑的供暖或制冷系統上 8 0 年代 人們住宅檔次開始提高 人們對供暖的方式不再局 限于傳統的單一的供暖形式 而且更注重舒適性和節能性 為了滿足人們的需要 暖通 行業研究人員開始重新認識一次 二次系統 并對其的應用進行了調整 使該系統運用更 加靈活 功能范圍更加廣泛 把這個系統應用在小型商用建筑和新型住宅的供暖系統上 加上必要的控制元件 就能夠形成一種多個負荷 多種溫度系統 大大的滿足了不同用戶 的需求 一次 二次系統示意圖如圖2 1 所示 刪 掣i 囝 基 一 襄恿 一 環三 一 繇 一 次 一 一 山東建銃大學碩士學位論文 圖2 1 一次 二次系統示意圖 圖2 1 中下半部分是一次環路系統 圖2 1 中上半部分的二次系統根據自己的熱需求 從一級環路中取得相應的能量 各個二次環路之間以及二次環路和一次環路之間都是獨 立運行的 任何二次系統的流量變化不會影響到其他二次系統的流量 以及一次系統的 流量 這樣不同的循環泵之間不會產生相互影響 各個環路都能夠穩定運行 可以看出 在一次 二次系統中雖然有很多泵并聯或者串聯 但是他們是獨立和諧運行的 這是傳統 的單管 雙管 異程和同程系統所不能完全實現的 如前所述 一次 二次系統使得各個環路能夠獨立的運行 消除了環路之間水動力的 連接 或稱去耦 那么這到底是什么原理呢 其實一次 二次系統在原理和操作上都是 很簡單的 它是基于一個簡單的事實 當連接兩個環路的共用管之間的壓降為零時 其 中一個環路的水力變化不會引起另一個環路水力的變化 為了更好的說明 以圖2 2 為 例進行介紹 圖2 2a 點到b 點的壓差導致水的流動圖2 3 在緊湊型三通壓損極小情況下二次環路不 會流動 如圖2 2 所示 a 和b 之間會產生一定的壓力損失 上部分環路由于壓力差產生了流 動 a 和b 之間的長度 管徑以及它們之間的流量確定了它們之間的壓力損失大小 如果 長度在1 米以內 兩點間的壓力損失就很小 但是如此小的壓差所引起的二次環路流動就 能夠導致該二次環路在停暖時或室外氣溫較高時被動過熱 這種現象稱為導流 要減少 導流現象的發生 兩個三通之間的距離要盡可能的小 如圖2 3 所示 兩個三通被緊湊的 安裝在一起 幾乎沒有壓差 二次系統不會被動產生流動 當二次系統有熱量需求時 二次泵 如圖2 4 所示 提供其所需的壓力損失 這就是一次 二次系統 緊湊型三通的應 用在一定的程度上能夠解決導流問題 9 山東建筑大學碩士學位論文 圖2 4 二次環路循環泵設置圖 兩個三通之間的管道稱為共用管 緊湊型三通之所以能夠減小導流現象 是因為它 們之聞共用管的壓降小 共用管的長度不應太長 否則共用管之間的壓降太大 一次環 路的水在遇到圖2 4 中第一個三通時會有兩種選擇 一種是流入二次環路 一種是直接流 過連接兩個環路的共用管 如果共用管的長度合理 兩端的壓降就會很小 水就會直接 流過共用管 因為那是阻力最小的路徑 如果共用管的長度太長 一次環路中的水會把 二次環路當作阻力最小的通道 即使二次環路不需要水流通過時 仍然有水流過二次環 路 當一次 二次系統應用在管網系統中時 每個環路需要循環泵提供循環動力 每個環 路的循環泵只需滿足該環路流量和動力需要 如圖2 4 所示 二次環路的循環泵是克服 a b b c c d d 巳 e f f g g h 之間的阻力 因為共用管 a i 之間的阻力極小 對于 二次環路循環泵基本沒有影響 而且可以隔絕二次環路與一次環路水動力的連接 無論 一次環路與二次環路的循環是大或小 它們之間沒有水動力的連接 相互之間是獨立的 各個環路根據各自所需的流量和壓降選擇設備 這就是為什么使用該系統通常會需要很 多小型的循環泵 總之 一次 二次系統由于水力上的隔絕引起了能量上的隔絕 進而引 起了控制上的隔絕 此系統與以往常規系統不同的是它把一個大的系統分成許多的小系統 一次環路循 環泵只提供一次環路的動力 每個二次環路都有各自的循環泵 2 1 2 一次 二次系統特點 一次 二次系統最主要的特點就是泵與泵之間互不影響 一次系統的水泵只提供一次 環路的循環動力 不會影響二次環路 反之亦然 一次環路的水只是被二次系統 抽 走而已 一次系統的流量也不完全等于二次系統的總流量 一次系統水泵流量計算公式 g o 8 6q t 2 1 l o 山東建筑大學碩士學位論文 其中 g 一次系統設計流量m g 1 1 q 熱源輸出熱量 w t 一次環路設計溫 差 范例 一次系統上的鍋爐設計輸出熱量為3 k w 設計溫差為1 5 計算一次環路的 設計流量 g 1 7 2 m 3 l l 水的密度取l k g m 3 一旦一次系統的流量計算出來 就可以選擇一次環路的管徑 將一次環路的控制元 件的阻力及管道的阻力相加就得出了一次系統的阻力總和 在已知流量和阻力的情況下 則可以根據流量曲線圖選擇適合的水泵 在一次 二次系統里 二次環路的流量可能等于或者大于一次系統的流量 當一次流 量等于二次流量時 在緊湊型三通之間沒有水流動 當二次流量大于一次流量時 緊湊 型三通之間的水反向流動 如圖2 5 所示 r 1 睦a 固 趔鼉 圖2 5 二次流量大于一次流量的反向水流示意圖 當三通之間的反向流動產生時 進入二次系統的水溫取決于三通前面熱水和二次系 統回水的比例 它的溫度可以通過公式2 2 計算 t 3 t l g l t 2 g 2 g 1 傷 2 2 其中 t 3 二次系統供水溫度 t l 一次系統供水溫度 t 2 二次系統 回水溫度 g l 一次系統流量 m 3 l l g 2 二次系統流量 m 3 i l 見圖2 6 計算二次系統的供水溫度 一次系統的輸出熱量及輻射采暖二次系統的熱 量 計算 t 3 t 1 g l t 2 g 2 一g 1 i g 2 8 0 1 0 0 4 0 4 0 0 一1 0 0 4 0 0 5 0 q l 4 6 4 4 w q 2 1 1 6 1w 山東建筑大學碩士學位論文 墨 瞄謄落 i l k lk 翌里豎墨量i 圖2 6 輻射地板采暖二次系統的計算圖 從以上計算可以看出 二次輻射地板采暖系統的熱量等于一次系統輸出的熱量 這 完全符合熱力學的第一定律 即能量在其轉換過程中不會被創造也不會消失 這個定 律同樣適合于進入第一個三通的流量等于流出第二個三通的流量 這些基本的概念對于 水暖系統溫度及流量的轉換至關重要 同樣值得注意的是 當二次流量大于一次流量時 二次系統的回水溫度等于一次系 統回水溫度 而范例中4 0 的回水溫度對傳統的鍋爐顯然會造成冷凝 在這種情況下需 要增加防冷凝管等相應措旋提高回水溫度 2 1 3 一次 二次系統分類 一次 二次系統具有串聯式和并聯式兩種系統 串聯式一次系統如圖2 7 所示 一次環路的前端安裝高溫水的二次環路 比如翼翅式散熱器系統 中間安裝中溫水 二次環路 比如板式散熱器系統 后端安裝低溫水二次環路 比如低溫輻射地板采暖系 統 需要混合裝置 所以串聯式一次環路是比較理想的 各個二次環路的水溫相差很 大 并聯式系統如圖2 8 所示 一次環路的供 回水管之間安裝跨越管 在跨越管上通過 緊湊型三通連接二次環路 這樣到達每個二次環路的水溫是相同的 每個跨越管上應該 安裝 個平衡閥用于平衡跨越管之間的流量 當各個二次系統的方式差別不大 需要的水溫也基本一致時 使用并聯式一次環路 是一個合理的選擇 由于制冷系統中空氣處理器的工作水溫基本一致 該系統最早用于 制冷系統 后來發現 該系統用在供熱系統中也能起到很好的作用 1 2 山東建筑大學碩士學位論文 專 奢l 中丑水 次環磚 o p 圖2 7 串聯式一次環路系統 扣 葉 一 h 竹 嘲 二次環路 垮總管 譬凄型三通 圖2 8 并聯式一次環路 2 2 水力分壓器 2 2 1 水力分壓器的產生 緊湊型三通在安裝時有一些原則 其一是兩個三通的中心距不能超過一次系統管徑 的4 倍 同時為了避免緊湊型三通的上下游形成湍流 還需要將緊湊型三通安裝在距上 一個緊湊型三通4 倍于管徑的直線距離以上的下游部分 下一個緊湊型三通8 倍于管徑 的直線距離以上的上游部分 在一次 二次系統中需要防止熱水被動遷移并流過沒有運行的二次系統 即二次系統 的循環泵沒有開啟時 有兩個導致熱水被動遷移并流過二次系統的因素 習甜 吾 一舊葡幽 一 山東建筑大學碩士學位論文 1 當二次系統在一次系統的上面時 密度更輕的熱水從供水端上升 密度更大的冷 水從回水端下降形成環路流動 2 盡管兩個緊湊安裝的三通之間幾乎沒有壓力損失 但事實上并非為零 緊湊型三 通設有流動緊湊型三通可垂直 水平 或反向安裝 因此 一次 二次系統里二次環路上的供水及回水部分必須采取措旄防止熱水在水泵 關閉時的遷移 一種方法是在二次系統的供回水部分均安裝止回閥 止回閥的開啟壓力 約為2 l p a 這就足以防止二次系統由于水的密度差異造成的流動 彈簧式閥芯的止回閥 很適合于這種情況 其它兩種方法只涉及到二次系統的回水部分 一是在回水端安裝至 少5 米長的下懸式熱力曲頸管 因為熱水 想 上升而不是下降 這種方式 打消 了 熱水向二次系統回水管遷移的 念頭 另外一個辦法是在回水管上安裝旋啟式止回閥 需要注意的是這兩種方法只能避免熱水進入二次系統的回水部分 而不能防止熱水上升 到二次系統的供水部分 在安裝一次 二次系統的設備間里 盡量將一次環路的位置安裝 高于二次環路 這是非常有意義的 盡管二次環路的管道從設備間出來后會高于一次環 路 但自然形成的u 型熱力曲頸管則能有效防止熱水被動的遷移 嗇酞 齜4 薹喜塞 主 i 由協力 圖2 9 防止熱水被動遷移到非工作狀態的二次系統的各種措施 由以上可知緊湊型三通實現一次 二次系統 但是在實際安裝中有諸多困難 既要考 慮到兩個三通之間的距離 又要兼顧到實際的安裝空間 9 0 年代末 意大利一些公司研 究開發出了與緊湊型三通原理相同的組裝完好的成熟產品 見圖2 1 0 2 1 1 它實際上是 1 4 山東建筑大學碩士學位論文 從緊湊型三通演變而來 將一次環路的供回水做9 0 旋轉 其水流方向從以前的一次 二次垂直方向變成了水平方向 這種產品被稱作水力分壓器 水力分壓器主體由一個封閉的短管構成 兩端分別留有兩個接口 內部設有導流葉 片 上部設有排氣閥 下部設有排污閥 圖2 1 0 水力分壓器剖面圖 水力分壓器 圖2 1 l 水力分壓器實物圖 1 5 山東建筑大學碩士學位論文 2 2 2 運行特點及適用場合 n t t 2 圖2 1 2 一次流量等于二次流量圖2 1 3 一次流量小于 卜 丹n n i剛 億廿扎 二次流量二次流量 以下是水力分壓器在一次 二次系統各種情況下流量及溫度的情況 第一種情況 圖2 1 2 一次流量等于二次流量 一次供水溫度等于二次供水溫度 一次回水溫度等于二次回水溫度 即時 水力分壓器中間部分的水沒有任何混合或流動 一次系統的流量完全經過二次系統回到一次系統中 水力分壓器不會改變供回水的溫度 這是傳統的典型的情況 第二種情況 圖2 1 3 一次流量小于二次流量 水力分壓器中間一部分一次供水 與二次回水相混合流到二次系統 這時 一次回水溫度等于二次回水溫度t 2 t 4 一次 供水溫度大于二次供水溫度t l t 3 如果計算二次環路最高供水溫度t 3 需要知道以下 參數 t l 一次環路供水溫度 g l 一次環路流量 m 3 l l g 2 二次環路流量 升 l l q 系統熱量 k w 先計算一次 二次系統的循環水溫差 t 一次 q g l 一次 2 3 t 二次 邶2 二次 2 4 然后計算一次系統回水溫度 t 2 t l 一 t 一次 2 5 由于t 2 t 4 所以 t 3 t 4 t 二次 t 2 t 次 2 6 這種情況通常用于一個或多個自帶水泵的鍋爐系統中 因為這些鍋爐自配的水泵經 常流量過低 還有就是用在集中供熱系統中 可以減小一次網的循環流量 減少水泵的 成本和能耗 第三種情況 圖2 1 4 一次流量大于二次流量 水力分壓器中間一部分一次供水與 1 6 奇 山東建筑大學碩士學位論文 二次回水相混合回到一次系統 這時 一次供水溫度等于二次供水溫度t l t 3 一次回水 溫度大于二次回水溫度t 2 t 4 如果計算一次環路回水溫度t 2 可根據下列公式計算 t 2 t l t 覆 2 7 如果熱源是鍋爐 為了防止鍋爐回水溫度過低造成鍋爐冷凝 可以按設定的回水溫 度 t 卜次 計算一次環路的流量 g f 次 q t 次 2 8 這種情況用在鍋爐和低溫供暖系統中 特別是地板輻射系統 可以提高鍋爐回水 溫度 避免鍋爐煙霧冷凝問題 2 3 基于環路拓展的集中供熱系統 2 3 1 基于環路拓展的集中供熱系統形式 圖2 1 5 基于環路拓展的集中供熱系統網路示意圖 基于環路拓展的集中供熱系統主要是水力分壓器在熱網中的使用 圖2 1 5 所示水力 分壓器設置在分配站中 熱網與熱用戶通過水力分壓器連接起來 水力分壓器的兩側分 別連接熱網和熱用戶 熱網和熱用戶的供水管均接在水力分壓器的上接口 熱網和熱用 戶的回水管接在水力分壓器的下接口 在歐洲 這種連接方式的使用率很高 3 5 當熱網的供水溫度可以向熱用戶直接供水時 水力分壓器的運行情況如圖2 1 2 所示 當熱網的供水溫度較高不能直接向熱用戶供水時 熱源產生的熱水經過熱網輸送到水力 分壓器并在其內部與來自熱用戶的低溫回水混合 混合降溫后的水經熱用戶系統輸送到 熱用戶 水力分壓器的運行情況如圖2 1 3 所示 無論哪種情況 熱網和熱用戶之間的水 力工況互不影響 基于環路拓展的集中供熱系統原理是一次 二次系統 熱源循環系統稱為一級管網 熱網循環系統稱為二級管網 熱用戶循環系統稱為三級管網 有的熱用戶系統比較大還 1 7 山東建筑大學碩士學位論文 可分為 一級 二級 管網 所以對于整個系統來說還可能有四級管網 但是各級管網的 水力工況幾乎互不影響 每個循環環路需要分別配置循環水泵 如圖2 1 5 所示 除了熱 源循環泵還有熱網循環泵和熱用戶循環泵 2 3 2 基于環路拓展的集中供熱系統特點 2 3 2 1 水力分壓器兩側流量和溫度關系 由于水力分壓器在熱網中應用時運行情況是2 2 2 節中的第二種情況 即熱網循環流 量小于熱用戶循環流量 如圖2 1 6 所示 當管路g l 中的流量小于管路9 2 中的流量時 水力分壓器內的水流 方向是至下而上 在水力分壓器內 來自熱網的供水與部分二級熱網的回水混合 成為 二級熱網循環的供水 這時二級熱網循環的供水溫度低于一級熱網循環的供水溫度 一 級熱網循環的回水溫度與二級熱網循環的回水溫度相同 在供熱系統中 熱網系統和熱用戶系統的關系主要表現在與水力分壓器相連的四根 管道內的流量和溫度的關系 6 8 1 一 t g l j r 7 一 啦j j 一 2 熬 啜 月 1 i 廠 一 l t h 2 一 閥門 圖2 1 6 水力分壓器兩側的溫度和流量美系 圖中 g g 一級熱網供水管內的水流量 蜒海 g 一級熱網回水管內的水流量 k g s g 暑 二級熱網供水管內的水流量 k g s q 二級熱網回水管內的水流量 k s g i 通過水力分壓器內的流量 k g 紐t 一級熱網供水管內的溫度 焉 一級熱 網回水管內的溫度 名 二級熱網供水管內的溫度 五 二級熱網回水管內 的溫度 由熱源處 熱用戶處的質量守恒定律得 g l 甌 g i 2 9 1 8 山東建筑大學碩士學位論文 9 2 q 2 g 2 2 1 0 由水力分壓器兩側能量守恒定律得 g l c 互 g 2 c 瓦 2 1 1 g 1 疋 茅5 君 2 1 2 g 2 五 j 糾 由上式可以看出 兩個系統的溫差與流量成反比 當熱網的水流量大于熱用戶系統 的水流量時 也同樣符合這種關系 2 3 2 2 模擬分析水力分壓器的流動工況 以招遠市金城熱力管網中一實際的水力分壓器為例應用f l u e n t 軟件 3 6 卜 3 9 1 模擬其內 部的流動狀況 該管網中熱網循環流量小于熱用戶循環流量 也就是水力分壓器按照圖 2 1 3 的方式運行 水力分壓器的尺寸如下圖所示 左側