石兆玉,供热系统混水连接方式的选优

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。

散热器采暖需要较高的二次网设计供水温度（一般应在85℃以上，供、回水设计温差为20~25℃）；空调热风采暖，二次网供、回水设计温度为60/50℃；地板辐射采暖，二次网供、回水温度以45~50/35~40℃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，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，一次网供水管上1．工况计算的基本公式混水系统通用示意图如图2所示。

混水装置（含喷射泵、混水泵）可能分别或同时设置在一、二次网和混水旁通管上。

为深入研究混水装置和各种调节阀的优化配置，有必要对混水系统的工况进行基本分析。

G2g=G1g+G h （1）ΔH1+ΔH2=ΔP1+ΔP2（2）ΔH1-ΔH h=ΔP1（3）ΔH2+ΔH h=ΔP2+ΔP h（4）又根据电学的特兰根定律，可建立各种混水装置的水泵电功率与系统各管段的流量、压降的如下关系：G1gΔH1+ G2gΔH2+ G h·ΔH h =N1+N2+N h（5）式中，G1g、G2g、G h ——分别为一、二次网和混水旁通管的流量；ΔH1、ΔH2、ΔH h——分别为一、二次网和混水旁通管的管段压力降；u ’=G ’h /G ’1g =h g g g t t t t 2221'-''-' （7）式中带“，”者为设计参数。

只要给出一、二次网的设计供回水温度，就能很方便算出设计混合比。

表1给出了供热系统一、二次网常采用的几种设计供、回水温度下的混合比值，以供参考。

可以看出：对于热风采暖和地板辐射采暖，混合比是很大的，常在4~8之间，混合比愈大，一次网输送电功率愈小，节电愈明显。

3．变工况下的混合比对于图2的混水系统，当只有混水旁通管上安装有混水泵时，根据[1]中的（2.20）式可得：hz S S S 1112-=总 （8）式中，S 2、S h 、S hz —分别为二次网、混水旁通管和混水旁通有源管段的阻力系数；S 总—为二次网与混水旁通管组成回路的总阻力系数。

由于混水旁通管安装有混水泵，则为有源管段，此时混水旁通有源管的总阻力S hz 应为：S hz = S h - 2hh G P ∆ （9） 从公式（8）、（9）可以看出：当旁通混水泵为混水运行时，二次网与混水旁通组成的回路阻力系数S 总增加， 且混水泵转速愈高，混水量G h 愈大，hz S 值愈小，S 总增加的愈多。

4．混水特性根据上述分析，混水连接系统将有如下特性存在：（1）当旁通混水泵运行时，混水系统的混合比为变量，混水泵转速愈高，混合比u 值愈大。

这是因为当混水泵起混水作用时，二次网（含混水旁通管）回路S 总增加，导致一次网循环流量G 1g 减少；混水泵转速愈高，S 总增加愈多，G 1g 减少愈多，G h 增加愈多，亦即混合比u 增加愈多。

（2）当混水泵单独设置在二次网上（含二次网供水管或回水管）时，混合比u 值始终保持恒定（由公式（7）决定），与混水泵的转速快慢无关。

这是因为不论混水泵转速如何变化，此时一次网或混水旁通管的阻力系数始终不变（假定管段上的调节阀未加调节），进而导致一次网循环流量G 1g 与混水旁通管流量G h 始终成一致等比失调。

这一结论，对于喷射泵系统亦完全适用。

（3）根据u 值不变原理，公式（7）可扩展为h g g g h g g g t t t t t t t t u u 22212221'''''--=--==，式中不带角码，为任意工况数值。

对于任一供热系统，当初调节完成后，各热用户和管网的阻力不再发生改变时，则整个运行过程中，系统混合比保持恒定值。

当二次网的设计供回水温度确定后，根据不同的调节方式，按照熟知的温度调节公式，很方便计算出随室外温度变化的二次网供回水温度t 2g 、t 2h 值。

同样按照（7）式，即可求出不同混合比下一次网随外温变化的供回水温度值。

t 1g =t 2g +u （t 2g – t 2h ） （10）t 1h = t 2h （11）三、混水系统的优选1．最优目标根据设计的G ’1g 、G ’2g 、G ’h ，通过水力计算，又能确定一次网、二次网和混水旁通管的相应管径d 1、d 2和d h 以及相应的管段压降ΔH ’1、ΔH ’2和ΔH ’h 。

根据公式（5），可知实现上述设计参数的混水供热系统的循环水泵（含混水泵）的最小装机电功率为N min ，即：N min =ΔH ’1G ’1g +ΔH ’2 G ’2g +ΔH ’h G ’h （12）很显然，符合公式（12）中的N min 即为混水系统中分布式变频循环水泵（含混水泵）的最优方案。

因为此时，装机电功率最小，实现了无效电耗为零的工况；凡装机电功率大于N min的方案，都将有无效电耗存在（通过节流形式完成），都不是最优方案。

分布式变频混水泵系统的设计目的，就是根据不同的实际工程，寻找接近N min的设计方案。

2．几种混水方案的比较只在一次网上设置循环水泵，在二次网中形不成混水工况，因此，该方案在混水系统中不能成立，应给予排除。

能够实现混水工况的，主要有以下四种：方案1，一次网、二次网分别设置循环水泵；方案2，二次网设置循环水泵；方案3，混水旁通管上设置循环水泵；方案4，在一、二次网和混水旁通管的交汇处设置喷射泵。

下面分别就这些方案，进行比较，寻求节能的最佳方案。

（1）方案1，一、二次网上分别设置循环水泵。

该方案的基本理念是就供热系统的大网而言，完全按照分布式变频循环水泵的设计方法设计：一次网循环水泵担当该热用户（可能是热力站，也可能为楼栋热入口）一次网热媒的输送功能，即循环水泵的流量为该热用户一次网的设计流量；扬程为该热用户与热源组成的环路管网的总压降。

二次网循环水泵，即完成二次网的水循环，又实现一、二次网的混水功能。

其水泵的流量为该热用户二次网的设计流量；扬程为热用户二次网与混水旁通管组成的环路网络总压降。

该方案的总装机电功率NΙ由公式（13）表示，即：NΙ=ΔH’1 G’1g+（ΔH’2+ΔH’h）G’2g（13）=ΔH’1 G’1g+ΔH’2 G’2g +ΔH’h G’2g比较公式（12）和公式（13），因G’2g > G’h，则有ΔH’h G’2g >ΔH’h G’h，即NΙ> N min但在实际工程中，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ΔH’h趋近于0，此时，NΙ≈N min。

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[2]。

（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ΔH’1+ΔH’2，则装机电功率N II有：N II=（ΔH’1+ΔH’2）G’2g（14）=ΔH’1 G’2g +ΔH’2 G’2g=ΔH’1（G’1g+ G’h）+ΔH’2 G’2g=ΔH’1 G’1g +ΔH’1 G’h +ΔH’2 G’2g比较（12）、（14），和一次网压降ΔH’1和混水旁通管压降ΔH’h，可知ΔH’1»ΔH’h，因此：ΔH’1 G’h»ΔH’h G’h这样：N II » N min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G’1g、G’2g，和G’h，则混水旁通管的压力降必须由ΔH’h提高到ΔH’1，否则由于混水旁通管阻力过小，通过的实际流量G h将远远大于G’h，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ΔH h。

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。