石兆玉,供热系统混水连接方式的选优

1、供热系统混水连接方式的选优清华大学 石兆玉摘 要：为节能（电）的需要，我国采用混水连接方式的供热系统已成为行业关 注的新热点。为使设计方案更加科学合理， 本文就混水连接的管网特性、 方案的最优组成以及节能（电）计算进行了探讨。关键词： 供热系统 混水连接方式 管网特性 节能 优选一、分布式混水连接系统的优势 混水连接方式是供热系统直接连接的一种传统的有效的方式。 多采用喷射泵 和混水泵实现。近年来，由于节能、节电的需求以及变频调速水泵的广泛应用， 混水泵的连接方式，呈现出明显优势，因此，成为新近一个时期，业内人员普遍 关注的热点。作者在“供热系统分布式变频循环水泵的设计”一文中1 ，就分布式变

2、频混水泵的节电优势，做过详细的分析论证： 一般分布式变频循环水泵的供热系统， 其水泵装机容量与传统设计方案相比，节电 1/3；而分布式混水泵供热系统，其 装机节电量为 2/3。若在运行期间，采用变频变流量调节，则全系统节电85%左右，优势更为显著。分析分布式混水泵节电原因， 主要是能更多的消除管网在热媒输送过程中的 无效电耗， 进而提高了管网的输送效率。 采用分布式混水泵系统， 最大的特点是 减少了一次网的设计循环流量 （增大了供、回水温差，对于高温水供热更是如此） 。 众所周知： 当管网比摩阻相同时， 分布式循环水泵的设计方案与传统设计方案相 比，水泵扬程基本相等。水泵电机装机电量的节省，主

3、要体现在流量的选择上。 对于传统设计方法， 由于循环水泵设置在热源处， 其循环流量必然是系统的总设 计流量，这就造成系统循环水泵的电功率， 远大于实际需要的数值， 其结果是在 系统的近端热用户形成过量的资用压头，以至于不得不加装流量调节阀进行节 流，造成大量电能的无谓浪费。 采用分布式混水泵系统， 不但避免了上述电能的 浪费，而且大大降低系统一次网总的循环流量， 从而实现在最小的耗电功率下达 到最大供热量的输送，这是分布式混水泵节电的根本原因。分布式混水泵连接方式的另一优势， 是能灵活适应热用户的各种不同采暖方 式的需求。近年来，除散热器采暖方式外，空调热风采暖，地板辐射采暖等形式 大量涌现。

4、散热器采暖需要较高的二次网设计供水温度（一般应在85C以上，供、回水设计温差为 2025C）;空调热风采暖，二次网供、回水设计温度为60/50r ;地板辐射采暖，二次网供、回水温度以 4550/3540C为宜。对于分布 式混水泵系统，只要改变不同的混合比（二次网混水量与一次网供水量之比），就能很方便地实现上述各种不同采暖形式的参数要求。分布式混水泵系统的上述优点，对于分布式循环水泵的间接连接系统（通过 板换实现）也同样能够实现，但后者的初投资比前者大，这是分布式混水泵系统 的又一重要优势。二、几种混水连接方式的特性目前常采用的混水连接方式有以下几种，如图1所示：图1-a为喷射泵连接；图1-b，

5、混水泵置于旁通管上；图1-C，混水泵置于二 次网供水管上；图1-d，混水泵置于二次网回水管上；图1-e, 次网供水管上置热网循环泵，二次网供水管上置混水泵。在分布式混水连接中，为适应自动控 制的需要，常在上述喷射泵、混水泵前后的相关位置设置电动调节阀， 而且数量 不止一个。从近几年对实际工程的观察：上述所有连接方式的设计都比较随意， 有的工艺比较合理，有的并不合理；甚至由于工艺不合理，导致本想节能而实则 费能的结果。为了优化设计，深入分析上述几种连接方式的特性， 进而明确不同 工程应具有不同的优选方案，是十分必要的。0 Gh，则有A H Gg A H G, 即 N I Nmin但在实际工程中,

6、 混水旁通管可以设计的很短, 而且通过水力计算, 选取较 小的比摩阻，适当选用较大管径，使其压力降很小，即A H 趋近于0,此时，N I e Nmin o通过上述分析，可以认为：方案 1，是实际工程中，比较理想的优选方案。 突出的优点是省掉了混水旁通管上的混水泵，简化了系统结构；使混水旁通管， 实际上变成了均压管 2o（2）方案2，只在二次网上设置循环水泵。该循环水泵，即可以设置在二 次网的供水管上，也可以设置在二次网的回水管上。 其功能一兼三职：即是热用 户的循环泵，也是热用户的热网循环泵，还是一、二次网的混水泵。从系统结构 上考虑，是最简单的。现对其装机电功率进行考察：该泵的流量为热用户二

7、次网 的设计流量；扬程为该热用户与系统热源组成的环路的总压降，即A H1+A H2，714)则装机电功率 NII 有：Nii= ( A H + H ) Gg= H Gg +A H Gg =A H1(G1g+ Gh) +AH2G2g =AH1 G1g +AH1 G h + A H 2 G 2g比较(12)、(14),和一次网压降A H和混水旁通管压降A H ,可知A H ?A H，因此：A H Gh ? A H G 这样：Nii ? Nmin可见，方案 2 虽然系统结构简单，但装机电功率大，不是节能方案。公式（14）,还进一步指出：混水方案2,要实现设定的Glg、Gg，和Gh, 则混水旁通管的压

8、力降必须由 A H 提高到A Hi，否则由于混水旁通管阻力过 小，通过的实际流量 Gh将远远大于G，不能满足二次网对其供水温度和循环 流量的要求, 此时必须通过缩小混水旁通管口径或在该旁通管上加装调节阀, 依 靠过量节流，来提高A Hh。不论采用哪种方案，二次网循环水泵提供的过多电功 率，将被消耗在混水旁通管上。 这种以消耗过多电耗， 换取设定的系统工况的工 艺设计应尽量避免。（ 3）方案 3，在混水旁通管上设置混水泵。这种情况，通常是在一、二次 网供水管的连接点压力 （即混水旁通管的出口点） 高于一、 二次网回水管的连接 点压力（即混水旁通管的入口点）时采用。考察供热系统全网的水压图，上述情

9、 况出现在供水压力线高于回水压力线的工况。 对于传统循环水泵的设计方法 （即 在热源处设置一个循环水泵） ，则全网的水压图都处于这种工况；对于分布式变 频循环水泵的设计方法， 若将系统供回水压力的交汇点设计在系统中间部位 （此 方案并不节能 2），则系统热源至交汇点之间的水压图处于这种工况。在上述工况下， 从理论上讲， 混水泵可以设置在混水旁通管上， 也可以设置 在二次管网上。 择优的目标， 仍然是混水泵的装机电功率最小。 不管混水泵设置 在何处，它们的功能是一样的： 即能使混水旁通管中的热媒反向流动， 进而实现 混水。此时，混水泵提供的扬程应等于、 大于该热用户处一次网的供、 回水压差。（由

10、于此资用压头足够二次网的正常循环， 因此设置在二次网上的混水泵， 只起 混水作用，不再提供循环压头） 。由于二次网的循环流量任何时后都大于混水旁 通管的混水量，因此，在扬程相同时（提升的压头相等） ，设置在混水旁通管上 的混水泵比设置在二次网上的混水泵有较小的装机电功率， 前者比后者具有更多 的节能优势。在供热系统的热源近端热用户， 常常具有过量的资用压头 （超过二次网所需8的循环压头），这时，必须采用调节阀加以节流，以防发生冷热不均现象。那么 是在一次网上节流，还是混水后，在二次网上节流？选择的原则，仍然是节流耗 能最小。由于二次网循环流量、混水量通常都大于一次网循环流量（参见表1），因此，

11、在节流压头相同的情况下，循环流量愈小，节流能耗愈小。由此可知，多 余的资用压头，在一次网上节流，是最合理的；而且避免旁通混水泵提升多余资 用压头，又在二次网上重复节流。设计中解决。（4）方案4,喷射泵设置。 通过喷嘴射流，提高热媒的动能，至于，热用户资用压头不够的问题，应在全盘该方案是一种传统的混水方式。主要靠一次水 降低其静能，从而吸入二次网回水，达到混水目的。20世纪五、六十年代，我国学习前苏联，曾广泛应用过喷射泵混水连接 方式。但由于喷嘴直径固定不变，混合比不能随供热规模的变化而变化， 严重影 响供热效果。致使喷射泵混水连接几近淘汰。为克服固定喷嘴的上述缺陷，笔者 在上世纪八十年代，曾开

12、发、研制过可调式喷射泵（喷嘴直径可调），工程实践， 效果良好。但因种种原因，未能广泛推广应用。喷射泵混水连接方式，具有结构简单、投资运行费用低和操作简便等优点。 但在分布式变频水泵技术的广泛应用面前， 喷射泵的上述优势，已不再明显；反 而效率较低的缺点，愈来愈不被人们看好。喷射泵实现混水，必须通过节流完成。 因此，混水是以耗能作为代价的。根据电功率可由流量与压力降的乘积来表示， 则喷射泵的效率可由下式计算：n/心、P2- Ph.,ufTTpr叭 PiP2(15)式中，n喷射泵效率；分别为喷射泵前、后和混水入口的压力。P1、 P2、 Ph图4可调式水喷射泵基本性能实验曲线由图43可知，混合比u愈

13、大，喷射泵前后的压降比愈小，即喷射泵的节流损失12愈大，喷射泵的效率愈低。图3给出：当一次网供、回水温差为130/70C,二次 网供、回水温差为95/70r时，此时的混合比u=1.4, P2 Pi=0.16 （喷嘴按节 流损失最小设计，即喷嘴的速度系数 码=0.75选取），亦即P2为1m水柱的资用 压头时，一次网需提供6m水柱的资用压头。喷射泵节流损失为 5m水柱。这时 喷射泵的效率只有n =40%。由表1可知，当混合比u数值要求更大时，效率就 更低了。通过上述比较，从节能的意义上考察，在混合比较大的情况下，采用分 布式变频水泵混水要比喷射泵混水优越。四、几点结论通过特性分析，方案比较，可对供

14、热混水系统的设计、运行调节和节能效果 计算作如下结论：1.当供热系统采用分布式变频循环水泵的方案设计时，热力站（含热入口）最节能（电）的设计方案是同时在该热力站（含热入口）的一次供水网和二次网 上（供、回水管皆可）设置变频循环水泵。一次供水网上的变频循环泵的功能是 热网输送循环泵；二次网变频循环泵，既是二次网的输送循环泵又是二次网的混 水泵。一次网变频循环泵，设计流量为该热用户的一次网设计流量， 其扬程数值， 为该热用户与热源共同组成的管网回路中各管段的设计压降之和。二次网变频混水泵的设计流量为该热用户二次网的设计流量；其扬程数值为该热用户二次管 网、混水旁通管组成回路的各管段设计压降代数和。

15、 当二次网散热器设备的工作 压力较低时，二次网循环混水泵应设在供水管上； 当二次网散热设备工作压力较 高时，二次网循环混水泵应设在回水管上。 当一次网供水温度较高，循环水泵密 封材料的耐温性能不能满足要求时， 一次网循环水泵也可设置在回水管上， 此时 旁通混水管设计成均压管。2当供热系统的水压图，供水压力线大于回水压力线时，各热力站（含热 入口）的变频混水泵应置于混水旁通管上。 混水泵的设计流量为符合该热用户的 设计混合比下的设计混水量；扬程数值为该混水旁通管的设计压降和二次网设计 资用压头之和。这种设计方案，通常是在供热的改造工程中应用。 因为此时的系 统循环水泵往往是按照传统方法设计的。对

16、于采用分布式变频循环水泵设计的供 热系统，其供、回水压力线的交汇点，尽量不要设计在有热用户的区段内，因为 这种设计不是节能（电）的最优方案。3在混水系统中，一次网循环泵，二次网循环、混水泵，都应随室外气温 的变化，进行变频变流量调节。在整个运行期间，循环流量（含一、二次网）应 在设计循环流量的50100%之间调节，与定流量运行相比，可节电 50%左右。 从二次网混水泵的调节特性可知：混水泵进行变频调节，只能改变二次网的循环白白浪费掉了，这是一种思维方式很落后的工艺设回次 网供水压力线iPh电动阀电动阀节流值二次网资用压头二次网执八、 用 户流量大小，但不能改变系统的混合比数值。当系统的供热规模

17、发生变化，引起一 次网设计供水温度的变化，或热用户采暖方式的改变，都可能要求混合比做适当 调整，此时二次网上的变频混水泵将无能为力。 实现混合比的变化，必须调整管 网的阻力系数，为此，有二种处理方法：一是设置一定的电动调节阀；二是依靠 一次网上的循环泵进行变频调速。从节能（电）的角度考虑，电动调节阀应尽量 装在循环流量较小或节流压降较小的管段上， 以使节流损失最小。对于分布式变 频循环水泵的设计方案，当一次网循环泵设置在供水管上时， 电动调节阀应安装 在混水旁通管段上，当一次网循环泵设置在回水管上时（混水管旁通为均压管） 可不装电动调节阀，混合比可直接采用一次网循环泵变频调节；对于传统循环水

18、泵的设计方案，电动调节阀应安装在一次网供水管道上。图5给出了二种优选混 水系统电动调节阀的安装位置，以及运行中的水压图。从水压图上可以很清晰地 看出电动调节阀的节流作用。与图5系统相比较，目前不少现行的混水系统，常 常同时在一次网、二次网和混水旁通上都安装电动调节阀，把本来有用的电能， 通过电动调节阀的反复节流，4.节能（电）计算。上述优选混水设计方案与传统设计方案相比较，其节 能（电）效益，完全可以通过理论计算获得结果。根据年延续热负荷的无因次综 合公式法4，可有：tw =(16)tw tw + （5- tp.j） Rn式中，tw 任意时刻下的室外温度；tw、tp.j和5供暖室外设计温度，供

19、暖期室外日平均温度和供暖期开(17)始及终止供暖的室外日平均温度；Rn无因次延续天数或小时数，其值为:_ N -5n-120Rn =Nz-5 nz -120N、n式中，Nz、nz供暖期的总天数和总小时数； 供暖期的延续天数和延续小时数;(18)b Rn的指数值；% -tw式中，4修正系数,NznzNz -5 nz -120(19)13无因次综合公式法，最大的优点是在缺乏详细的室外气温分布统计资料的情 况下，只要知道tw Nz、tp.j （皆可在有关设计规范中查到），就可计算出某地 区任意延续时间的室外温度值。根据公式（5）的特兰根定律，可以计算出任何系统整个运行期间的水泵输 送电功率：(20)mnzE =Z (120GjiH j + Z GjHji)/36 kwhj#iT21式中，E 系统循环水泵总的输送电功率，kwh ；j、m分别为系统管段序号和总管段数； i分别为系统的延续小时数或延续天数； n循环水泵的平均效率。当供热系统采用定流量（质调节）调节