分布式循环水泵系统节能研究
山东建筑大学热能工程学院 曾德军 刘学来 李永安
摘 要：给出分布式供热系统单热源枝状各阶段系统功率的计算公式，并总结给出分布式相对于传统系统的节能率计算公式。结合实际工程案例，分析讨论计算不同热用户负荷分布情况，不同管段平均经济比摩阻对一级泵匹配方案的影响，对于分布式循环水泵供热系统，负荷集中区域与零压差点位置一致时，该区域一级泵功率增长幅度较大，降低管段经济比摩阻可以起到提高系统稳定性和节能性的效果，但影响效果不佳。
关键词：循环水泵；零压差点；负荷分布；比摩阻；节能率
0 引言
传统供热系统与分布式供热系统的循环水泵作用具有明显的不同，循环水泵设置在热源或供热首站内，传统供热系统是以满足最不利用户的零用压头来确定循环水泵的扬程，导致近端用户资用压头大于其设计值，不得不通过加阀门来消耗掉其多余的部分压头，从而造成能源浪费。研究表明，传统供热系统中由于阀门节流造成的能耗费用约占整个系统运行费用的30%，甚至更高[1]。而在分布式供热系统中，其在热源位置设置只用来克服热源内部阻力的热源循环泵。在用户处设置克服热力站以及热力站之前阻力的分布式循环泵，以减少循环水泵压力。在现有文献研究表明：影响系统的稳定性和节能性的共同影响因素主要为零压差点和泵的选取，而干管、支管平均经济比摩阻的大小会影响零压差点的位置和循环水泵的选型，进而对系统的节能性和稳定性产生影响，所以本文针对以上的关系结合实际工程案例进行探讨。
1 分布式循环水泵系统物理模型
分布式循环水泵供热系统在热源处设置热源泵，用来承担热源内部阻力，经过换热站在系统官网干线上设置一级循环水泵，如果有二级循环泵系统，则在各热力站设置二级循环泵，提供该热力站流量及克服一级官网和热力站内的阻力。[2]通过确定干管、支管平均比摩阻确定管段压力损失，结合考虑各用户泵，换热站等水头损失确定出系统零压差点位置，计算出循环水泵的设计扬程和设计流量，确定出合适的循环水泵配置。一般情况下，换热站内的一级网变频循环泵设置在回水管上，这样可以不需要采用高温水泵，减少初投资[3]。为了方便讨论计算系统的节能性，本文只考虑单热源枝状分布式供热系统（如图1所示）。
图1 分布式水泵供热系统示意图
2 比摩阻、零压差点与一级泵配型的关系
供回水压力相等，压差为零的点为零压差点，是分布式水泵供热系统水力工况的一个标志。影响供回水压力的影响参数主要有管网比摩阻，用户热负荷，各水泵各阀门等部件等影响因子，一般情况下分布式供热系统存在零压差点，仅当系统最不利用户存在资用压头而小于其需用压头时无零压差点，此种情况下类似于传统供热系统。往往将其供回水压线的延长交点称为虚零压差点。[4]在枝状管网中，可以利用热源出口到零压差点管段的长度简单度量零压差点的位置，也即各零压差点到热源出口的供回水管段的总阻力损失相等。由于各管网情况（热网本身结构或用户负荷等）不同，零压差点并不是唯一的，即从热源到每一个热用户的通路上都可能出现零压差点。虽然零压差点不唯一，但是仍然可以根据零压差点至热源出口的管段阻力损失唯一度量，进而可以唯一确定出循环水泵的选型。
3 分布式供热系统功率
传统供热系统热网的实际消耗功率为各循环水泵的功率之和，而分布式水泵系统存在最小能耗功率。即用户泵完全匹配用户所需用功率。根据零压差点的分布情况，分布式系统的功率主要分为2个阶段——零压差点之前阶段系统功率和零压差点之后阶段系统功率。又由于零压差点的位置会对分布式供热系统产生不同的影响。无论系统形式如何，分布式供热系统效率主要为热源功率，水泵功率，热用户消耗功率以及供回水管网的功率。在定压差点的分布式水泵供热系统中，零压差点的位置由热源循环泵来决定，此时零压差点的位置可以位于热源部分，也可位于管网中的某一点。当零压差点位于热源处，此时热源泵提供的扬程只用于克服热源内部损失。以图1系统为例，该分布式系统内热媒输送功率包括热源到换热首站内输送功率，零压差点到换热首站功率和零压差点之后管网系统功率。下面本文进行分段讨论总结每段系统功率计算公式。
3.1 热源到换热首站功率
此段系统为换热首站前面的管网部分，此段系统运行压头主要由热源泵承担，选择抽效率主要考虑热源，供回水管段压头损失及换热首站所消耗的阻力损失，此段系统压力由热源泵承担。作者总结出该段热源泵的轴功率的计算公式为：
式中：Pml为热源泵的抽功率（kW）；q为热源循环泵的流量（t/h）；Δhs为换热热源内的压力损失，取15m；Δhu为换热首站内的压力损失，取10m；Δhw为网络主干线供回水管路的压力损失（m）；η为循环水泵效率（%）。
3.2 零压差点到换热首站功率
3.2.1 零压差点在换热首站处
以往学者研究表明，在分布式水泵供热系统，若使该管段管网运行能耗最低，则需要系统中热用户剩余压头均为零（资用压头等于需用压头）的水泵配置形式时热媒的输送功率恰好等于系统所需要功率。对于单热源供热系统，如果零压差点在换热站位置时，此段管网无功率产生，因此不考虑。
3.2.2 零压差点在干管的任意位置
当零压差点在第一个热用户后时，则定零压差点前的用户不需要设置分布式循环水泵，也即该段管网压力由一级泵承担，零压差点后每个支管管网压力均设置分布式循环水泵来承担，据此建立的简化系统模型与零压差点在1处类似，不同之处在于系统中循环水泵的数量以及相关参数。由此，作者总结得到零压差点在干管任意位置的循环水泵抽功率（换热首站到零压差点位置）的计算公式为：
式中：Pm2为循环水泵的抽功率（kW）；Gi为第i个热用户流体流量（t/h）；Hid为第i个热用户的设计压头（m）；hhi为各热用户前换热站压头损失（m）。
3.3 零压差点之后管网系统功率
该段管网为零压差点之后的管网系统管段，主要包含热用户设计压头，循环水泵压头损失，管网供回水压头损失以及换热站压头损失，作者总结得到该段计算公式如下：
式中：ΔhiJ为第i个热用户的供回水管网压头损失（m）；hix为第i个热用户循环水泵扬程（m）。
3.4 水泵的功率
水泵的功率通常指的都是电动机的输入功率，即水泵电动机的实际耗电功率，在对水泵进行选型匹配时，主要考虑水泵所提供的扬程和水泵输送液体的流量，水泵功率一般用 W 表示，其计算公式如下：
式中：W为水泵的功率（W）；ρ为水泵输送液体的密度（kg/m3）；G为水泵的流量（m3/h）；H为水泵的扬程（mH2O）；η为水泵的总效率（%）。
4 节能率
能源是经济社会发展的基础，同时也是影响经济社会发展的主要因素。近年来，我国的能源生产总量与能源消费总量呈现快速增长的趋势，但是能源生产一直小于能源消耗，使我国的能源结构面临严峻挑战。而采暖能耗又在建筑能耗中占有很大的比例。[5]所以，我们有必要用节能率作为评定系统的一个重要指标。前人已经总结得到分布式供热系统比传统供热系统节能，但在循环水泵选型对分布式供热系统节能性上研究较少。系统节能率为分布式水泵系统热媒输送功率与同等工况下传统供热系统输送功率的比值。我们在任何工程中主要通过检验系统的节能性来判断其可行性。因此，作者用过上文对零压差位置对系统一级泵选型匹配的基础上，进一步计算每个零压差点位置分布式供热系统功率相对于传统式供热系统的节能性进行研究。对于传统供热系统影响系统循环泵功率的主要影响因素为循环泵流量，循环泵效率与传统循环泵扬程，由以往经验总结得知传统供热系统的循环泵功率的计算式：
式中： P为传统供热系统循环泵功率（W）；q为传统传热系统循环泵流量（m3/h）；H为传统供热系统循环泵扬程（m）；η为传统供热系统循环泵效率（%）；Δhu为各用户资用水头（m）。
传统集中供热中水泵的选择是根据最不利水路的压头需求进行选择的，在设计中只考虑了最不利环路的扬程，其他支路中采用阀门来消耗支路富裕压头，为了体现分布式供热系统的节能性，前人总结得知：分布式的利用效率与零压差点的位置有关。理论上，零压差点越接近热源，越有利于节能。作者通过讨论分布式供热系统零压差点在换热站处以及在用户后干管位置分别得到相应的系统节能率计算公式。
零压差在换热首站位置处的分布式系统循环泵总功率p的计算公式如下：
零压差在热源处的分布式系统循环泵总功率p的计算公式如下：
通过分析比较分布式供热与传统供热方式的比较，得出分布式供热系统相对于传统供热系统节能率 β的计算式为:
5 工程应用实例
工程概况：
某地以热电厂作为热源进行几种供暖，现改造为分布式供热系统供热。综合当地气象条件，设计规划等因素计算得到综合热指标为50W/m2。据统计该地共200个热用户，供热面积为2万平方米。用户与管网都会安装水水换热站，忽略热源与热力站之间的位置高度差，一级管网设计供、回水温度为110、70℃，二级管网设计供、回水温度为85、60℃，该地供暖室外计算温度为-7℃，室内计算温度为18℃，采暖期总采暖小时数为2544h，现对其将原来的传统供热系统转变为分布式水泵供热系统。简化为图1的系统图，假设该系统供、回水管线完全对称，设该系统共有n个用户，最远端用户为第n用户，各用户所需的资用压头相等。
该区域选用传统供热方式时，当取模型前20个用户时，经计算可知q =400t/h，h=397m，P = 635.43kW。
为更好的比较分布式供热系统零压差点对系统内水泵选型，系统效率，节能率的影响，作者进行采取不同的零压差点位置，选择了4种方案进行数据计算比较：
第一种方案：零压差点选择在换热首站处，此种情况下需要设置较多的循环水泵或加压泵。
第二种方案：零压差点位置选取在在第6个换热站后。
第三种方案：零压差点位置选取在在第12个换热站后。
第四种方案：零压差点选取在最不利用户，此时需要更多的调节阀进行适当调节。
为方便计算，只采取前20个用户进行计算分析，设每个用户的流量相等且等距离分布，供回水管线共长16千米，比摩阻为50Pa/m，每个用户的流量为20t/h。假设用户资用压头为100KPa。循环泵的效率为70%。换热首站15m，过滤装置为2m。
第一种方案：循环泵共使用21个，一级泵扬程为24m。一级泵功率为36.54kW。系统总功率为370.14kW。较传统式供热系统节能265.29kW，节能率为41.75%。
第二种方案：循环泵共使用15个，一级泵扬程137m。一级泵功率为217.65kW。系统总功率为384.45kW。较传统式供热系统节能25.98kW，节能率为39.50%。
第三种方案：循环泵共使用9个，一级泵扬程251m。一级泵功率为398.76kW。系统总功率为455.95kW。较传统式供热系统节能179.48kW，节能率为28.25%。
第四种方案：循环泵共使用3个，一级泵扬程365m。一级泵功率为579.873kW。系统总功率为584.64kW。较传统式供热系统节能50.79kW，节能率为8.00%。
由以上四种方案，我们可以进行数据分析得到以下结论：
（1）当零压差点越靠近热源位置，所需要的循环水泵越多，增加了泵的初投资，但相对于传统供热系统的节能率最大，越远离热源位置节能率下降的越快，从长期运营考虑，适合调节管网损失将零压差点位置靠近热源。
（2）从上述计算来看，当零压差点越靠近热源，一级泵的扬程下降幅度明显，这有助于提高系统的稳定性和安全性。
在实际工程中，我们不能盲目通过调节系统来使零压差点靠近于热源，应该综合考虑实际工程具体的投资成本和运营成本找出我们所需要的最佳零压差点，进而能够对一级泵进行正确配置选型。
前面研究的都是在各用户恒定的情况下进行的，在实际生活中各用户热负荷是不同的，为了研究负荷分布对一级泵选型影响，为方便计算，当负荷集中于近端时，假设前6个热用户占总负荷的1/2，6到12个热用户占1/3。当负荷集中于中部时，假设前6个热用户占总负荷的1/3，6到12个热用户占1/2。因此，下面按以上计算方式对负荷集中于近端、中部和远端进行计算并统计画图得以下。
图2 一级泵功率随零压差点的关系
由上图我们可以看出，负荷分布不会改变方案一和四的一级泵功率，负荷集中区域，一级泵功率消耗幅度越大，当负荷集中热网远端时，零压差点越靠近热源，一级泵承担压力相对于其他负荷分布越明显，但以往文献已经得出负荷集中区越靠近热源，分布式循环泵供热系统的经济性越好[6]。因此，在综合考虑系统稳定性和节能性上，应根据负荷分布情况确定零压差点位置，进而唯一确定出各负荷分布情况下的一级泵选型配置。
减小比摩阻能够解决管道的运营成本，但以往文献比摩阻对一级泵配型和系统节能率的研究较少。本文通过改变比摩阻的大小，研究其对系统一级泵与节能率的影响。具体计算数据见下表1。
表1 不同比摩阻下系统节能率
一级泵的扬程与功率与比摩阻的变化是一致的，系统节能率与比摩阻成反比例关系，比摩阻越小，一级泵扬程，功率系统总能耗都越小，节能效果越好。但比摩阻对系统影响并不大，不建议增大投资通过改变比摩阻的方式来改变系统的节能率。
6 结论
由以上综述分析可知，影响一级泵选型因素很多。但主要因素为零压差点位置和负荷分布情况。应该根据实际工程情况兼顾系统稳定性和节能性要求，选取最佳零压差点，进而合理选择一级泵配型。本文章从比摩阻、零压差点位置和负荷分布对系统节能率和一级泵选型配置的影响进行研究得出以下结论：
（1）比摩阻和负荷分布都会影响零压差点的位置，进而唯一决定各情况下一级泵选型，同时对系统的稳定性和节能性产生影响。
（2）比摩阻越低，一级泵功率和系统总能耗都有所降低，也有助于提高系统的节能效果。但比摩阻对系统影响并不大，不建议增大投资通过改变比摩阻的方式来改变系统的节能率。
（3）系统负荷分布不同，零压差点位置不同，应兼顾系统整体成本与安全得出相应的一级泵配置方案。
从以上结论我们可以得知掌握好零压差点位置，负荷分布，管段比摩阻，一级泵的选型配置与系统的节能率之间的关系，是系统设计水力工况必然考虑的因素。
参考文献
[1] 江亿. 用变速泵和变速风机代替调节用风阀水阀[J]. 暖通空调, 1997(2):66–71.
[2] 谷晓波, 韩风龙, 王建龙.在供热锅炉房中二级循环泵的应用[J]. 区域供热，2017(3):37–39.
[3] 贺平, 孙刚. 供热工程[M]. 北京：中国建筑工业出版社, 2009.
[4] 王芃. 分布式水泵供热系统零压差点与输送功率的关系[J]. 暖通空调，2011(10).
[5] 纪博渊, 吴志湘, 吕砚昭. 动力分布式系统的稳定性和节能性[J]. 绿色科技, 2015.
[6] 李鹏, 方修睦, 高立新等. 分布式循环泵供热系统最佳零压差点位置确定 [J]. 煤气与热力, 2015.
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2017年3月刊总第3期。
版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。