摘要：系統的運行調節對供熱系統運行的能耗有重大影響，本文針對集中供熱系統的運行調節問題，通過理論分析，重點研究和分析了直接連接供熱系統的三種分階段調節方式：分階段改變流量質調節、分階段量調節和質調節以及分階段綜合調節和質調節方式。給出了不同調節方式下的水溫計算公式；并將三種分階段供熱調節的能耗情況與質調節進行對比，利用一個算例進行量化比較，得出各種調節方式在選取不同分階段點時的節能率。 關鍵詞：供熱系統  調節 節能 1 引言 供熱系統將熱能供應給熱用戶，一方面應最大限度的滿足用戶需求，提高人民的生活質量和水平；另一方面還應采取技術可行的系統優化措施，降低供熱成本，提高企業經濟效益。由于在系統投入使用之后，系統的運行調節對供熱系統運行的能耗有重大影響，所以搞好運行調節是實現供熱系統節能的關鍵。 目前，我國的供熱系統中，常見的集中調節的方式可分為質調節、分階段改變流量質調節和間歇調節。質調節方式只需在供熱系統的熱源處調節供水溫度，運行管理簡便，系統水力工況穩定。但由于在整個供暖期中，循環水泵流量不變，消耗電能較多。間歇調節方式因為鍋爐燃燒工況頻繁變動，熱效率降低；室內溫度波動，降低了供熱質量。分階段改變流量的質調節是根據室外溫度的變化，階段性地改變流量，與純質調節相比,能節約循環水泵電能消耗，因而近年來在設計和運行中得到較多應用。隨著調速水泵在國內的推廣應用，使供熱系統實現無級的變流量運行成為可能，而且節電效果顯著^[1]。所以本文主要在已有調節方式的基礎上，研究和分析直接連接系統中的分階段運行調節。 2  直接連接供熱系統的分階段運行調節方式 2.1 分階段改變流量的質調節 2.1.1 分階段改變流量質調節方式下的供、回水溫度計算公式 分階段改變流量的質調節，是將整個供暖期按照室外溫度的高低分成幾個階段，在室外溫度較低的階段中，系統循環流量保持為設計流量；在室外溫度較高的階段中，系統流量保持為較小的流量。在每一個階段內，系統的循環流量保持不變，按照質調節方式進行供熱調節。對無混合裝置的直接連接的熱水供熱系統，其供、回水計算公式如下^[2]：                 (1) 式中   ——供熱系統的運行供水溫度，℃； ——供熱系統的運行回水溫度，℃； ——供熱系統的設計供水溫度，℃； ——供熱系統的設計回水溫度，℃； ——供暖室內設計溫度，℃； ——相對供暖熱負荷比； ——相對流量比；    ——由實驗確定的系數，按用戶選擇的散熱器型式確定； ——分階段點相對流量比的數值。 2.1.2 調節階段的劃分 在這種調節方式中，可根據需要將采暖期分為若干個階段，通過改變循環水泵的運行及組合方式來達到改變循環流量的目的。可以采用兩種選泵方案：第一種選泵方案是選用幾組(臺)不同規格的循環水泵，其中一組(臺)循環水泵的循環流量按設計值的100%考慮，另外一組(臺)或幾組(臺)按分階段改變流量的小流量階段的要求來選擇；第二種選泵方案是選用多臺相同規格的水泵，通過改變并聯運行泵的臺數來改變流量。由于水泵揚程與流量的平方成正比，水泵的電功率與流量的立方成正比，這種調節方式較質調節方式來說，節約電能效果較為顯著。 2.2 分階段量調節和質調節 量調節節能率大，但在相對流量較小時，會引起系統的水力失調；為了避免上述現象，分階段量調節和質調節就是將整個供暖期按室外溫度的高低分成兩個階段，在室外溫度較低的階段，系統采用量調節；在室外溫度較高階段，系統采用質調節。 2.2.1 分階段量調節和質調節方式下的供、回水溫度計算公式 1) 第一階段——量調節階段 當室外溫度較低時，按量調節方式進行調節，在該階段，保證系統的供水溫度 等于設計供水溫度 ，供、回水溫度及流量計算公式如下：                       (2) 2) 第二階段——質調節階段 當室外溫度較高時，按質調節方式進行調節，該階段系統相對流量比 ，供、回水溫度及流量計算公式如下：                  (3) 式中 ——分階段點相對流量比的數值； 其余各項同式(1)。 2.2.2 調節階段的劃分 合理地確定 的數值，可充分發揮量調節和質調節的長處。當 取較大的值時，節能率小； 取值太小，又容易引起水力失調，通常 可以取0.5～0.8之間的值。 2.3 分階段綜合調節和質調節 分階段綜合調節和質調節也是將整個供暖期按室外溫度的高低分成兩個階段。在室外溫度較低的階段，系統采用質量流量綜合調節；在室外溫度較高階段，系統采用質調節。 2.3.1 分階段綜合調節和質調節方式下的供、回水溫度計算公式 1) 第一階段——綜合調節階段 在綜合調節階段，熱水網路的相對流量比 等于供熱的相對熱負荷比 ，其供、回水溫度及流量計算公式如下：                   (4) 式中各量同(1)。 在該階段可利用調速方法改變網路循環水泵的轉速，從而改變循環水泵提供給網路的壓差，計算式如下：                           (5) 式中 ——調節過程中，循環水泵提供的運行工況壓差，pa； ——網路的設計工況壓差，pa。 2) 第二階段——質調節階段 供、回水溫度及流量計算公式如下：                  (6) 式中 —— 分階段點相對流量比的數值； 其余各量同式(1)。 該階段循環水泵轉速恒定不變，提供給網路壓差不變，計算式如下：                        (7) 式中各量同式(5)。 2.3.2 調節階段的劃分 當 取較大的值時，節能率小； 取值太小，又容易引起水力失調，通常 可以取0.5～0.8之間的值。 3 算例分析 以哈爾濱某熱網為例，其設計供/回水溫度分別為85/60℃，室內計算溫度 ℃，室外計算溫度 ℃，選用M-132型散熱器，取 。 利用上述三種調節方式分別進行計算。將供熱系統按照 、 兩個階段進行調節，可得到不同室外溫度下供、回水溫度及相對流量比的數值，如表1~ 3所示。 分析水溫調節公式、水溫曲線及表格數據，網路的供、回水溫度隨室外溫度的變化有如下規律： (1)在大流量階段，采用分階段改變流量質調節方式，網路的供、回水溫度均隨著室外溫度的升高而降低，供回水溫差減小，網內循環水量保持不變；采用分階段量調節和質調節，網路的供水溫度不變，回水溫度隨著室外溫度的升高而降低，供回水溫差增大，網內循環水量減小；采用分階段綜合調節和質調節，網路的供、回水溫度均隨著室外溫度的升高而降低，供回水溫差不變，網內循環水量減少。 (2)在小流量階段，采用以上三種調節方式時，隨著室外溫度的升高，網路的供、回水溫度隨之降低，供回水溫差隨室外溫度減小。 (3)選取相同的分階段方式，分階段量調節和質調節方式的分階段點對應的室外溫度低于其它兩種方法。     表1分階段改變流量質調節時在不同室外溫度下供、回水溫度及相對流量比的數值 室外溫度(℃) -26 -23 -20 -17 -14 -11 -8.4 -6 -3 0 2 5 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00/0.60 0.60 0.60 0.60 0.60 0.60 (℃) 85.0 81.3 77.5 73.6 69.7 65.8 62.3/67.3 63.5 58.8 53.9 50.6 45.5 (℃) 60.0 58.0 55.9 53.8 51.6 49.3 47.3/42.3 40.8 38.9 36.9 35.4 33.2 注：表中黑體字分別代表分階段點的室外溫度、相對流量比、供水溫度及回水溫度。     表2 分階段量調節和質調節時在不同室外溫度下供、回水溫度及相對流量比的數值 室外溫度(℃) -26 -23 -20 -17 -14 -11 -8 -5 -3 0 2 5 1.00 0.76 0.60 0.60 0.60 0.60 0.60 0.60 0.60 0.60 0.60 0.60 (℃) 85.0 85.0 85.0 80.5 76.1 71.5 66.9 62.1 58.9 54.1 50.7 45.6 (℃) 60.0 54.2 48.4 46.8 45.2 43.6 41.8 40.0 38.7 36.7 35.3 33.1 注：表中黑體字分別代表分階段點的室外溫度、相對流量比、供水溫度及回水溫度。     表3分階段綜合調節和質調節時不同室外溫度下供、回水溫度及相對流量比的數值 室外溫度(℃) -26 -23 -20 -17 -14 -11 -8.4 -6 -3 0 2 5 1.00 0.93 0.86 0.80 0.73 0.66 0.60 0.60 0.60 0.60 0.60 0.60 (℃) 85.0 82.1 79.2 76.2 73.1 70.0 67.3 63.5 58.8 53.9 50.6 45.5 (℃) 60.0 57.1 54.2 51.2 48.1 45.0 42.3 40.8 38.9 36.9 35.4 33.2 注：表中黑體字分別代表分階段點的室外溫度、相對流量比、供水溫度及回水溫度。   4 直連系統分階段調節的能耗分析 4.1 供暖熱負荷變化規律 供暖熱負荷的變化規律與室外溫度的變化相適應。根據許多城市歷年室外日平均氣溫的資料，通過數學分析和回歸計算，得出供暖熱負荷延續時間圖的無因次數學表達式如下^[2]：                        (8) 式中  ——無因次群，代表無因次延續天數； ——與采暖地區有關的常數，可由參考文獻[2]查得  ——供暖期內室外日平均溫度等于或低于某 的歷年平均天數或平均小時數；  ——供暖期總天數或總小時數；  4.2 不同運行方式的循環水泵能耗計算 在進行水泵的能耗計算時，除了需要知道泵的流量 和揚程 外，還應確定該工況點的泵效率值 。其設計工況下和非設計工況下的水泵軸功率的計算式分別為^[3]：  ，                           (9) 式中  ——水泵設計工況和非設計工況下的功率， ； ——水泵設計工況和非設計工況下的揚程，m水柱；  ——水泵設計工況和非設計工況下的流量， ；  ——水泵設計工況和非設計工況下的效率；     ——網路中水的密度， ；     ——重力常數， 。 根據水泵的相似定律有：                            (10) 式中各項同式(1)和式(9)。 不同調節方式的循環水泵能耗不同，三種分階段供熱調節方式都不同程度地降低了循環水泵的能耗，為了便于比較，下面首先介紹質調節方式的能耗計算式，然后將三種分階段供熱調節的節能情況與質調節進行對比。 4.2.1 集中質調節時循環水泵能耗 質調節時，循環水泵的流量不變，水泵能耗計算式為：                                       (11) 式中 ——質調節方式下循環水泵的能耗，W； 其余各項同式(8)和式(9)。 4.2.2 分階段改變流量質調節方式下循環水泵能耗 假設分階段點的流量比為 ，在臨界點流量比下采暖期的延續天數為 ，將其代入式(8)，得到 的計算公式：                           (12) 式中 ——臨界點流量比； ——在臨界點流量比 下采暖期的延續天數； 其余各項同式(8)。 則分階段改變流量質調節方式下循環水泵能耗為：                  (13) 式中 ——分階段改變流量質調節方式下循環水泵的能耗，W； ——分階段點的總個數。 其余各項同式(8)、(9)和(12)。 4.2.3 分階段量調節和質調節方式下循環水泵能耗 采用分階段量調節和質調節方式時，假設分階段點的流量比為 。當 時，循環水泵在設計工況下運行；當 時，水泵在量調節工況下運行；當 時，水泵在臨界流量比 下做恒流量運行。結合式(12)可得到分階段量調節和質調節下循環水泵能耗為：                     (14) 由于上式第二項中 不可積，所以對于分階段量調節和質調節方式，循環水泵能耗可根據參考文獻[2]附錄6-6的數據，采用數值積分進行計算。 4.2.4 分階段綜合調節和質調節方式下循環水泵能耗 采用分階段綜合調節和質調節方式時，假設分階段點的流量比為 ，臨界點流量比所對應的天數為 ， 的計算式為：                            (15) 式中 ——分階段點的流量比； ——分階段點流量比所對應的天數； 其余各項同式(8)。 當 時，循環水泵在設計工況下運行；當 時，水泵在質量流量綜合調節工況下運行；當 時，水泵在臨界點流量比 下恒流量運行。結合式(12)可得到分階段綜合調節和質調節下循環水泵能耗為： (16) 式中 ——分階段綜合調節和質調節方式循環水泵的能耗，W； 其它各項同式(8)、(9)和(15)。 4.3 算例分析 進行分階段調節時，選取不同的階段點，其節能效果也不同。以下算例中選擇了不同的階段點，對循環水泵能耗進行比較和分析。 哈爾濱某供熱系統，網路的設計供、回水溫度分別為85/60℃。網路循環水泵設計工況下參數分別為 、 、 室內計算溫度 ℃。 查閱文獻[2]，得到哈爾濱地區 ℃、 天、 、 ，不同調節方式下循環水泵能耗的計算結果如表4所示。       表4 分階段調節時選取不同的分階段點循環水泵能耗比較 調節方式 室外臨界溫度(℃) 相對流量比 能耗比 節能率 分階段改變流量質調節 -4 0.5 0.73 0.27 -8.4 0.6 0.65 0.35 -12.8 0.7 0.61 0.39 -17.2 0.8 0.64 0.36 分階段量調節和質調節 -18 0.5 0.18 0.82 -20 0.6 0.26 0.74 -22 0.7 0.38 0.62 -23 0.8 0.55 0.45 分階段綜合調節和質調節 -4 0.5 0.36 0.64 -8.4 0.6 0.40 0.60 -12.8 0.7 0.47 0.53 -17.2 0.8 0.58 0.42 從上表可看出，在分階段改變流量質調節方式下，當分階段點的流量比取0.7時，節能率最大；在分階段量調節和質調節和分階段綜合調節和質調節方式下，分階段點的相對流量比越小，節能率越高。 三種分階段調節方式下，分階段點相對流量比取相同的數值時，分階段量調節和質調節最節能，分階段綜合調節和質調節次之，分階段改變流量質調節節能率相對較低。 5 結論 (1) 分階段改變流量質調節將整個供暖期按室外溫度的高低分成若干個階段，在室外溫度較高的階段，系統循環流量小于設計流量，與純質調節相比，在一定程度上減少了循環水泵的能耗。 (2) 分階段量調節和質調節方式充分發揮了量調節和質調節的長處，避免了它們的弊端。在量調節階段，供水溫度等于設計供水溫度，系統在相應室外溫度所需的最小流量下運行，充分節約了循環水泵的電耗；在質調節階段中，系統保持了相對的穩定的水力工況，系統的循環水量不僅小于設計流量，而且可以在不引起系統水力失調的較低流量運行，也在一定程度上減少了循環水泵的能耗，整個采暖期能耗大為減少。 (3) 分階段綜合調節和質調節方式節能效果介于上述兩種調節方式之間。在綜合調節階段中，隨著室外溫度的升高，供水溫度不斷降低，系統的循環水量與采暖熱負荷同比減小，調節策略簡便，從而節約了循環水泵能耗；在質調節階段，與上述第二種調節方式相同，也節省了能耗。 參考文獻 [1] 石兆玉. 調速水泵在變流量供熱系統中的應用. 區域供熱. 1995，2：6—12 [2] 賀平，孫剛. 供熱工程. 北京：中國建筑工業出版社，1993 [3] 周謨仁. 流體力學泵與風機. 北京：中國建筑工業出版社