摘要：系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)對(duì)供熱系統(tǒng)運(yùn)行的能耗有重大影響，本文針對(duì)集中供熱系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)問題，通過理論分析，重點(diǎn)研究和分析了直接連接供熱系統(tǒng)的三種分階段調(diào)節(jié)方式：分階段改變流量質(zhì)調(diào)節(jié)、分階段量調(diào)節(jié)和質(zhì)調(diào)節(jié)以及分階段綜合調(diào)節(jié)和質(zhì)調(diào)節(jié)方式。給出了不同調(diào)節(jié)方式下的水溫計(jì)算公式；并將三種分階段供熱調(diào)節(jié)的能耗情況與質(zhì)調(diào)節(jié)進(jìn)行對(duì)比，利用一個(gè)算例進(jìn)行量化比較，得出各種調(diào)節(jié)方式在選取不同分階段點(diǎn)時(shí)的節(jié)能率。 關(guān)鍵詞：供熱系統(tǒng)  調(diào)節(jié) 節(jié)能 1 引言 供熱系統(tǒng)將熱能供應(yīng)給熱用戶，一方面應(yīng)最大限度的滿足用戶需求，提高人民的生活質(zhì)量和水平；另一方面還應(yīng)采取技術(shù)可行的系統(tǒng)優(yōu)化措施，降低供熱成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。由于在系統(tǒng)投入使用之后，系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)對(duì)供熱系統(tǒng)運(yùn)行的能耗有重大影響，所以搞好運(yùn)行調(diào)節(jié)是實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵。 目前，我國(guó)的供熱系統(tǒng)中，常見的集中調(diào)節(jié)的方式可分為質(zhì)調(diào)節(jié)、分階段改變流量質(zhì)調(diào)節(jié)和間歇調(diào)節(jié)。質(zhì)調(diào)節(jié)方式只需在供熱系統(tǒng)的熱源處調(diào)節(jié)供水溫度，運(yùn)行管理簡(jiǎn)便，系統(tǒng)水力工況穩(wěn)定。但由于在整個(gè)供暖期中，循環(huán)水泵流量不變，消耗電能較多。間歇調(diào)節(jié)方式因?yàn)殄仩t燃燒工況頻繁變動(dòng)，熱效率降低；室內(nèi)溫度波動(dòng)，降低了供熱質(zhì)量。分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)是根據(jù)室外溫度的變化，階段性地改變流量，與純質(zhì)調(diào)節(jié)相比,能節(jié)約循環(huán)水泵電能消耗，因而近年來在設(shè)計(jì)和運(yùn)行中得到較多應(yīng)用。隨著調(diào)速水泵在國(guó)內(nèi)的推廣應(yīng)用，使供熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無級(jí)的變流量運(yùn)行成為可能，而且節(jié)電效果顯著^[1]。所以本文主要在已有調(diào)節(jié)方式的基礎(chǔ)上，研究和分析直接連接系統(tǒng)中的分階段運(yùn)行調(diào)節(jié)。 2  直接連接供熱系統(tǒng)的分階段運(yùn)行調(diào)節(jié)方式 2.1 分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié) 2.1.1 分階段改變流量質(zhì)調(diào)節(jié)方式下的供、回水溫度計(jì)算公式 分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)，是將整個(gè)供暖期按照室外溫度的高低分成幾個(gè)階段，在室外溫度較低的階段中，系統(tǒng)循環(huán)流量保持為設(shè)計(jì)流量；在室外溫度較高的階段中，系統(tǒng)流量保持為較小的流量。在每一個(gè)階段內(nèi)，系統(tǒng)的循環(huán)流量保持不變，按照質(zhì)調(diào)節(jié)方式進(jìn)行供熱調(diào)節(jié)。對(duì)無混合裝置的直接連接的熱水供熱系統(tǒng)，其供、回水計(jì)算公式如下^[2]：                 (1) 式中   ——供熱系統(tǒng)的運(yùn)行供水溫度，℃； ——供熱系統(tǒng)的運(yùn)行回水溫度，℃； ——供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)供水溫度，℃； ——供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)回水溫度，℃； ——供暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，℃； ——相對(duì)供暖熱負(fù)荷比； ——相對(duì)流量比；    ——由實(shí)驗(yàn)確定的系數(shù)，按用戶選擇的散熱器型式確定； ——分階段點(diǎn)相對(duì)流量比的數(shù)值。 2.1.2 調(diào)節(jié)階段的劃分 在這種調(diào)節(jié)方式中，可根據(jù)需要將采暖期分為若干個(gè)階段，通過改變循環(huán)水泵的運(yùn)行及組合方式來達(dá)到改變循環(huán)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(tái))不同規(guī)格的循環(huán)水泵，其中一組(臺(tái))循環(huán)水泵的循環(huán)流量按設(shè)計(jì)值的100%考慮，另外一組(臺(tái))或幾組(臺(tái))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(tái)相同規(guī)格的水泵，通過改變并聯(lián)運(yùn)行泵的臺(tái)數(shù)來改變流量。由于水泵揚(yáng)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(diào)節(jié)方式較質(zhì)調(diào)節(jié)方式來說，節(jié)約電能效果較為顯著。 2.2 分階段量調(diào)節(jié)和質(zhì)調(diào)節(jié) 量調(diào)節(jié)節(jié)能率大，但在相對(duì)流量較小時(shí)，會(huì)引起系統(tǒng)的水力失調(diào)；為了避免上述現(xiàn)象，分階段量調(diào)節(jié)和質(zhì)調(diào)節(jié)就是將整個(gè)供暖期按室外溫度的高低分成兩個(gè)階段，在室外溫度較低的階段，系統(tǒng)采用量調(diào)節(jié)；在室外溫度較高階段，系統(tǒng)采用質(zhì)調(diào)節(jié)。 2.2.1 分階段量調(diào)節(jié)和質(zhì)調(diào)節(jié)方式下的供、回水溫度計(jì)算公式 1) 第一階段——量調(diào)節(jié)階段 當(dāng)室外溫度較低時(shí)，按量調(diào)節(jié)方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，在該階段，保證系統(tǒng)的供水溫度 等于設(shè)計(jì)供水溫度 ，供、回水溫度及流量計(jì)算公式如下：                       (2) 2) 第二階段——質(zhì)調(diào)節(jié)階段 當(dāng)室外溫度較高時(shí)，按質(zhì)調(diào)節(jié)方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，該階段系統(tǒng)相對(duì)流量比 ，供、回水溫度及流量計(jì)算公式如下：                  (3) 式中 ——分階段點(diǎn)相對(duì)流量比的數(shù)值； 其余各項(xiàng)同式(1)。 2.2.2 調(diào)節(jié)階段的劃分 合理地確定 的數(shù)值，可充分發(fā)揮量調(diào)節(jié)和質(zhì)調(diào)節(jié)的長(zhǎng)處。當(dāng) 取較大的值時(shí)，節(jié)能率小； 取值太小，又容易引起水力失調(diào)，通常 可以取0.5～0.8之間的值。 2.3 分階段綜合調(diào)節(jié)和質(zhì)調(diào)節(jié) 分階段綜合調(diào)節(jié)和質(zhì)調(diào)節(jié)也是將整個(gè)供暖期按室外溫度的高低分成兩個(gè)階段。在室外溫度較低的階段，系統(tǒng)采用質(zhì)量流量綜合調(diào)節(jié)；在室外溫度較高階段，系統(tǒng)采用質(zhì)調(diào)節(jié)。 2.3.1 分階段綜合調(diào)節(jié)和質(zhì)調(diào)節(jié)方式下的供、回水溫度計(jì)算公式 1) 第一階段——綜合調(diào)節(jié)階段 在綜合調(diào)節(jié)階段，熱水網(wǎng)路的相對(duì)流量比 等于供熱的相對(duì)熱負(fù)荷比 ，其供、回水溫度及流量計(jì)算公式如下：                   (4) 式中各量同(1)。 在該階段可利用調(diào)速方法改變網(wǎng)路循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速，從而改變循環(huán)水泵提供給網(wǎng)路的壓差，計(jì)算式如下：                           (5) 式中 ——調(diào)節(jié)過程中，循環(huán)水泵提供的運(yùn)行工況壓差，pa； ——網(wǎng)路的設(shè)計(jì)工況壓差，pa。 2) 第二階段——質(zhì)調(diào)節(jié)階段 供、回水溫度及流量計(jì)算公式如下：                  (6) 式中 —— 分階段點(diǎn)相對(duì)流量比的數(shù)值； 其余各量同式(1)。 該階段循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速恒定不變，提供給網(wǎng)路壓差不變，計(jì)算式如下：                        (7) 式中各量同式(5)。 2.3.2 調(diào)節(jié)階段的劃分 當(dāng) 取較大的值時(shí)，節(jié)能率小； 取值太小，又容易引起水力失調(diào)，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(wǎng)為例，其設(shè)計(jì)供/回水溫度分別為85/60℃，室內(nèi)計(jì)算溫度 ℃，室外計(jì)算溫度 ℃，選用M-132型散熱器，取 。 利用上述三種調(diào)節(jié)方式分別進(jìn)行計(jì)算。將供熱系統(tǒng)按照 、 兩個(gè)階段進(jìn)行調(diào)節(jié)，可得到不同室外溫度下供、回水溫度及相對(duì)流量比的數(shù)值，如表1~ 3所示。 分析水溫調(diào)節(jié)公式、水溫曲線及表格數(shù)據(jù)，網(wǎng)路的供、回水溫度隨室外溫度的變化有如下規(guī)律： (1)在大流量階段，采用分階段改變流量質(zhì)調(diào)節(jié)方式，網(wǎng)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(wǎng)內(nèi)循環(huán)水量保持不變；采用分階段量調(diào)節(jié)和質(zhì)調(diào)節(jié)，網(wǎng)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(wǎng)內(nèi)循環(huán)水量減小；采用分階段綜合調(diào)節(jié)和質(zhì)調(diào)節(jié)，網(wǎng)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(wǎng)內(nèi)循環(huán)水量減少。 (2)在小流量階段，采用以上三種調(diào)節(jié)方式時(shí)，隨著室外溫度的升高，網(wǎng)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(diào)節(jié)和質(zhì)調(diào)節(jié)方式的分階段點(diǎn)對(duì)應(yīng)的室外溫度低于其它兩種方法。     表1分階段改變流量質(zhì)調(diào)節(jié)時(shí)在不同室外溫度下供、回水溫度及相對(duì)流量比的數(shù)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(diǎn)的室外溫度、相對(duì)流量比、供水溫度及回水溫度。     表2 分階段量調(diào)節(jié)和質(zhì)調(diào)節(jié)時(shí)在不同室外溫度下供、回水溫度及相對(duì)流量比的數(shù)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(diǎn)的室外溫度、相對(duì)流量比、供水溫度及回水溫度。     表3分階段綜合調(diào)節(jié)和質(zhì)調(diào)節(jié)時(shí)不同室外溫度下供、回水溫度及相對(duì)流量比的數(shù)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(diǎn)的室外溫度、相對(duì)流量比、供水溫度及回水溫度。   4 直連系統(tǒng)分階段調(diào)節(jié)的能耗分析 4.1 供暖熱負(fù)荷變化規(guī)律 供暖熱負(fù)荷的變化規(guī)律與室外溫度的變化相適應(yīng)。根據(jù)許多城市歷年室外日平均氣溫的資料，通過數(shù)學(xué)分析和回歸計(jì)算，得出供暖熱負(fù)荷延續(xù)時(shí)間圖的無因次數(shù)學(xué)表達(dá)式如下^[2]：                        (8) 式中  ——無因次群，代表無因次延續(xù)天數(shù)； ——與采暖地區(qū)有關(guān)的常數(shù)，可由參考文獻(xiàn)[2]查得  ——供暖期內(nèi)室外日平均溫度等于或低于某 的歷年平均天數(shù)或平均小時(shí)數(shù)；  ——供暖期總天數(shù)或總小時(shí)數(shù)；  4.2 不同運(yùn)行方式的循環(huán)水泵能耗計(jì)算 在進(jìn)行水泵的能耗計(jì)算時(shí)，除了需要知道泵的流量 和揚(yáng)程 外，還應(yīng)確定該工況點(diǎn)的泵效率值 。其設(shè)計(jì)工況下和非設(shè)計(jì)工況下的水泵軸功率的計(jì)算式分別為^[3]：  ，                           (9) 式中  ——水泵設(shè)計(jì)工況和非設(shè)計(jì)工況下的功率， ； ——水泵設(shè)計(jì)工況和非設(shè)計(jì)工況下的揚(yáng)程，m水柱；  ——水泵設(shè)計(jì)工況和非設(shè)計(jì)工況下的流量， ；  ——水泵設(shè)計(jì)工況和非設(shè)計(jì)工況下的效率；     ——網(wǎng)路中水的密度， ；     ——重力常數(shù)， 。 根據(jù)水泵的相似定律有：                            (10) 式中各項(xiàng)同式(1)和式(9)。 不同調(diào)節(jié)方式的循環(huán)水泵能耗不同，三種分階段供熱調(diào)節(jié)方式都不同程度地降低了循環(huán)水泵的能耗，為了便于比較，下面首先介紹質(zhì)調(diào)節(jié)方式的能耗計(jì)算式，然后將三種分階段供熱調(diào)節(jié)的節(jié)能情況與質(zhì)調(diào)節(jié)進(jìn)行對(duì)比。 4.2.1 集中質(zhì)調(diào)節(jié)時(shí)循環(huán)水泵能耗 質(zhì)調(diào)節(jié)時(shí)，循環(huán)水泵的流量不變，水泵能耗計(jì)算式為：                                       (11) 式中 ——質(zhì)調(diào)節(jié)方式下循環(huán)水泵的能耗，W； 其余各項(xiàng)同式(8)和式(9)。 4.2.2 分階段改變流量質(zhì)調(diào)節(jié)方式下循環(huán)水泵能耗 假設(shè)分階段點(diǎn)的流量比為 ，在臨界點(diǎn)流量比下采暖期的延續(xù)天數(shù)為 ，將其代入式(8)，得到 的計(jì)算公式：                           (12) 式中 ——臨界點(diǎn)流量比； ——在臨界點(diǎn)流量比 下采暖期的延續(xù)天數(shù)； 其余各項(xiàng)同式(8)。 則分階段改變流量質(zhì)調(diào)節(jié)方式下循環(huán)水泵能耗為：                  (13) 式中 ——分階段改變流量質(zhì)調(diào)節(jié)方式下循環(huán)水泵的能耗，W； ——分階段點(diǎn)的總個(gè)數(shù)。 其余各項(xiàng)同式(8)、(9)和(12)。 4.2.3 分階段量調(diào)節(jié)和質(zhì)調(diào)節(jié)方式下循環(huán)水泵能耗 采用分階段量調(diào)節(jié)和質(zhì)調(diào)節(jié)方式時(shí)，假設(shè)分階段點(diǎn)的流量比為 。當(dāng) 時(shí)，循環(huán)水泵在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行；當(dāng) 時(shí)，水泵在量調(diào)節(jié)工況下運(yùn)行；當(dāng) 時(shí)，水泵在臨界流量比 下做恒流量運(yùn)行。結(jié)合式(12)可得到分階段量調(diào)節(jié)和質(zhì)調(diào)節(jié)下循環(huán)水泵能耗為：                     (14) 由于上式第二項(xiàng)中 不可積，所以對(duì)于分階段量調(diào)節(jié)和質(zhì)調(diào)節(jié)方式，循環(huán)水泵能耗可根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]附錄6-6的數(shù)據(jù)，采用數(shù)值積分進(jìn)行計(jì)算。 4.2.4 分階段綜合調(diào)節(jié)和質(zhì)調(diào)節(jié)方式下循環(huán)水泵能耗 采用分階段綜合調(diào)節(jié)和質(zhì)調(diào)節(jié)方式時(shí)，假設(shè)分階段點(diǎn)的流量比為 ，臨界點(diǎn)流量比所對(duì)應(yīng)的天數(shù)為 ， 的計(jì)算式為：                            (15) 式中 ——分階段點(diǎn)的流量比； ——分階段點(diǎn)流量比所對(duì)應(yīng)的天數(shù)； 其余各項(xiàng)同式(8)。 當(dāng) 時(shí)，循環(huán)水泵在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行；當(dāng) 時(shí)，水泵在質(zhì)量流量綜合調(diào)節(jié)工況下運(yùn)行；當(dāng) 時(shí)，水泵在臨界點(diǎn)流量比 下恒流量運(yùn)行。結(jié)合式(12)可得到分階段綜合調(diào)節(jié)和質(zhì)調(diào)節(jié)下循環(huán)水泵能耗為： (16) 式中 ——分階段綜合調(diào)節(jié)和質(zhì)調(diào)節(jié)方式循環(huán)水泵的能耗，W； 其它各項(xiàng)同式(8)、(9)和(15)。 4.3 算例分析 進(jìn)行分階段調(diào)節(jié)時(shí)，選取不同的階段點(diǎn)，其節(jié)能效果也不同。以下算例中選擇了不同的階段點(diǎn)，對(duì)循環(huán)水泵能耗進(jìn)行比較和分析。 哈爾濱某供熱系統(tǒng)，網(wǎng)路的設(shè)計(jì)供、回水溫度分別為85/60℃。網(wǎng)路循環(huán)水泵設(shè)計(jì)工況下參數(shù)分別為 、 、 室內(nèi)計(jì)算溫度 ℃。 查閱文獻(xiàn)[2]，得到哈爾濱地區(qū) ℃、 天、 、 ，不同調(diào)節(jié)方式下循環(huán)水泵能耗的計(jì)算結(jié)果如表4所示。       表4 分階段調(diào)節(jié)時(shí)選取不同的分階段點(diǎn)循環(huán)水泵能耗比較 調(diào)節(jié)方式 室外臨界溫度(℃) 相對(duì)流量比 能耗比 節(jié)能率 分階段改變流量質(zhì)調(diào)節(jié) -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(diào)節(jié)和質(zhì)調(diào)節(jié) -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(diào)節(jié)和質(zhì)調(diào)節(jié) -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(zhì)調(diào)節(jié)方式下，當(dāng)分階段點(diǎn)的流量比取0.7時(shí)，節(jié)能率最大；在分階段量調(diào)節(jié)和質(zhì)調(diào)節(jié)和分階段綜合調(diào)節(jié)和質(zhì)調(diào)節(jié)方式下，分階段點(diǎn)的相對(duì)流量比越小，節(jié)能率越高。 三種分階段調(diào)節(jié)方式下，分階段點(diǎn)相對(duì)流量比取相同的數(shù)值時(shí)，分階段量調(diào)節(jié)和質(zhì)調(diào)節(jié)最節(jié)能，分階段綜合調(diào)節(jié)和質(zhì)調(diào)節(jié)次之，分階段改變流量質(zhì)調(diào)節(jié)節(jié)能率相對(duì)較低。 5 結(jié)論 (1) 分階段改變流量質(zhì)調(diào)節(jié)將整個(gè)供暖期按室外溫度的高低分成若干個(gè)階段，在室外溫度較高的階段，系統(tǒng)循環(huán)流量小于設(shè)計(jì)流量，與純質(zhì)調(diào)節(jié)相比，在一定程度上減少了循環(huán)水泵的能耗。 (2) 分階段量調(diào)節(jié)和質(zhì)調(diào)節(jié)方式充分發(fā)揮了量調(diào)節(jié)和質(zhì)調(diào)節(jié)的長(zhǎng)處，避免了它們的弊端。在量調(diào)節(jié)階段，供水溫度等于設(shè)計(jì)供水溫度，系統(tǒng)在相應(yīng)室外溫度所需的最小流量下運(yùn)行，充分節(jié)約了循環(huán)水泵的電耗；在質(zhì)調(diào)節(jié)階段中，系統(tǒng)保持了相對(duì)的穩(wěn)定的水力工況，系統(tǒng)的循環(huán)水量不僅小于設(shè)計(jì)流量，而且可以在不引起系統(tǒng)水力失調(diào)的較低流量運(yùn)行，也在一定程度上減少了循環(huán)水泵的能耗，整個(gè)采暖期能耗大為減少。 (3) 分階段綜合調(diào)節(jié)和質(zhì)調(diào)節(jié)方式節(jié)能效果介于上述兩種調(diào)節(jié)方式之間。在綜合調(diào)節(jié)階段中，隨著室外溫度的升高，供水溫度不斷降低，系統(tǒng)的循環(huán)水量與采暖熱負(fù)荷同比減小，調(diào)節(jié)策略簡(jiǎn)便，從而節(jié)約了循環(huán)水泵能耗；在質(zhì)調(diào)節(jié)階段，與上述第二種調(diào)節(jié)方式相同，也節(jié)省了能耗。 參考文獻(xiàn) [1] 石兆玉. 調(diào)速水泵在變流量供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用. 區(qū)域供熱. 1995，2：6—12 [2] 賀平，孫剛. 供熱工程. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1993 [3] 周謨?nèi)? 流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī). 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社