在傳統(tǒng)的供暖系統(tǒng)設(shè)計中，通常僅在熱源處設(shè)置循環(huán)水泵，其揚程根據(jù)最不利環(huán)路的阻力確定，各用戶通過調(diào)節(jié)閥門消耗多余的資用壓頭來進行流量分配，這樣會在運行時存在過多的無效電耗。為解決這一問題，我們采用了分布式循環(huán)水泵的設(shè)計，取消了獨立的熱網(wǎng)循環(huán)泵，熱源處設(shè)置的循環(huán)泵的功能是承擔(dān)熱源內(nèi)部的水循環(huán)，而換熱站內(nèi)的循環(huán)泵既有承擔(dān)熱網(wǎng)循環(huán)泵的熱媒輸送功能，又有在熱用戶建立必要的資用壓頭的功能，并能通過變頻裝置實現(xiàn)變流量調(diào)節(jié)。此設(shè)計基本上消除了無效電耗，不用安裝電動調(diào)節(jié)閥，減少了初投資。在實際運行中該系統(tǒng)不但降低了能耗，而且利于熱網(wǎng)水力平衡，取得了很好的效果。
1 、工程概況
該工程為泰安市東部區(qū)域集中供熱工程，規(guī)劃總供暖面積389.8萬m2，其中現(xiàn)有非節(jié)能建筑熱指標(biāo)為63W/m2，現(xiàn)有節(jié)能建筑和預(yù)發(fā)展節(jié)能建筑熱指標(biāo)為45W/m2，綜合熱指標(biāo)為51.3W/m2，采用分布式循環(huán)水泵供暖系統(tǒng)，共建設(shè)31座換熱站，供、回水設(shè)計溫度為110℃/70℃，設(shè)計壓力1.6MPa。熱源建設(shè)與熱負荷相對應(yīng)，最終規(guī)模為3臺70MW熱水鍋爐。
該工程為泰安市東部區(qū)域集中供熱工程，規(guī)劃總供暖面積389.8萬m2，其中現(xiàn)有非節(jié)能建筑熱指標(biāo)為63W/m2，現(xiàn)有節(jié)能建筑和預(yù)發(fā)展節(jié)能建筑熱指標(biāo)為45W/m2，綜合熱指標(biāo)為51.3W/m2，采用分布式循環(huán)水泵供暖系統(tǒng)，共建設(shè)31座換熱站，供、回水設(shè)計溫度為110℃/70℃，設(shè)計壓力1.6MPa。熱源建設(shè)與熱負荷相對應(yīng)，最終規(guī)模為3臺70MW熱水鍋爐。
2 、系統(tǒng)設(shè)計
本文只說明分布式循環(huán)水泵供暖系統(tǒng)中對熱源循環(huán)泵、換熱站內(nèi)一級網(wǎng)側(cè)循環(huán)泵及補水系統(tǒng)的設(shè)計，不涉及對其他部分的設(shè)計。
2.1 熱源循環(huán)泵設(shè)計
熱源循環(huán)泵的選擇，重點是確定設(shè)計揚程，即熱源內(nèi)部水循環(huán)系統(tǒng)的總壓力損失，一般取12～15m。而設(shè)計流量的確定與傳統(tǒng)設(shè)計方法相同，即為供暖系統(tǒng)的總設(shè)計流量，其值取決于供暖系統(tǒng)總熱負荷和供、回水的設(shè)計溫度。循環(huán)水泵揚程、流量一般不需要增加余量系數(shù)。
2.2 換熱站一級網(wǎng)循環(huán)泵設(shè)計
換熱站內(nèi)的一級網(wǎng)變頻循環(huán)泵設(shè)置在回水管上，這樣可以不需要采用高溫水泵，減少初投資。選擇2臺循環(huán)泵同時使用不設(shè)備用，均為變頻，單臺泵的流量按設(shè)計流量的60%，揚程按設(shè)計揚程100%選型，設(shè)計揚程為從熱源至該換熱站的供、回水沿程阻力損失與站內(nèi)損失之和，應(yīng)根據(jù)水力計算確定。運行初期和末期只啟動一臺泵，最冷月時同時啟動2臺并保證同頻運行，若此時一臺泵發(fā)生事故，根據(jù)水泵特性曲線，另一臺泵的流量和揚程仍可滿足事故狀態(tài)下的供熱量保證率。
現(xiàn)以最不利用戶22號換熱站為例，采暖面積20000m2，地?zé)岵膳揖鶠楣?jié)能建筑，采暖負荷為：
Q=■=900kW（1）
設(shè)置兩臺循環(huán)水泵，均為變頻，單臺泵流量為設(shè)計流量的60%，揚程為設(shè)計揚程的100%。
單臺一級網(wǎng)循環(huán)泵設(shè)計流量為：
G＝■×60％＝11.61t/h（2）
一級網(wǎng)循環(huán)泵揚程為：
H=Hw+Hy（3）
H——一級網(wǎng)循環(huán)泵的揚程，m；
Hw——網(wǎng)路主干線供、回水管的壓力損失，根據(jù)水力計算得Hw =49.76m
Hy——換熱站站內(nèi)阻力損失，取15m，則：
H=49.76+15=64.76m
單臺一級網(wǎng)循環(huán)泵選型參數(shù)取整為，流量：12t/h，揚程：65m
2.3 關(guān)于系統(tǒng)補水
本工程為間接連接系統(tǒng)，補水主要采用“一補二”方式。系統(tǒng)的特點是回水壓力比供水高，若換熱站只有低區(qū)供熱，則可以通過在一級網(wǎng)回水與二級網(wǎng)回水之間設(shè)置連通管來實現(xiàn)補水定壓，定壓點為二級網(wǎng)循環(huán)水泵吸入口處，換熱站內(nèi)不設(shè)補水泵；若換熱站存在高區(qū)供熱，則需要在換熱站內(nèi)設(shè)高區(qū)補水泵和補給水箱，若二級網(wǎng)高區(qū)失水，則先將二級網(wǎng)低區(qū)回水引入補給水箱，最后經(jīng)由補給水泵加壓給二級網(wǎng)高區(qū)補水，避免一級網(wǎng)高溫回水直接進入水箱，損壞水箱。需要強調(diào)的是“一補二”方式需要在熱源處設(shè)置補水泵，本工程中熱源內(nèi)兩臺補水泵均采用變頻，為雙變頻自動補水控制系統(tǒng)，補水泵的選型依照遠期規(guī)劃并考慮同時使用系數(shù)，以節(jié)約初投資。補水流量按一級網(wǎng)流量的3%考慮，揚程根據(jù)實際運行靜壓線計算。
本文只說明分布式循環(huán)水泵供暖系統(tǒng)中對熱源循環(huán)泵、換熱站內(nèi)一級網(wǎng)側(cè)循環(huán)泵及補水系統(tǒng)的設(shè)計，不涉及對其他部分的設(shè)計。
2.1 熱源循環(huán)泵設(shè)計
熱源循環(huán)泵的選擇，重點是確定設(shè)計揚程，即熱源內(nèi)部水循環(huán)系統(tǒng)的總壓力損失，一般取12～15m。而設(shè)計流量的確定與傳統(tǒng)設(shè)計方法相同，即為供暖系統(tǒng)的總設(shè)計流量，其值取決于供暖系統(tǒng)總熱負荷和供、回水的設(shè)計溫度。循環(huán)水泵揚程、流量一般不需要增加余量系數(shù)。
2.2 換熱站一級網(wǎng)循環(huán)泵設(shè)計
換熱站內(nèi)的一級網(wǎng)變頻循環(huán)泵設(shè)置在回水管上，這樣可以不需要采用高溫水泵，減少初投資。選擇2臺循環(huán)泵同時使用不設(shè)備用，均為變頻，單臺泵的流量按設(shè)計流量的60%，揚程按設(shè)計揚程100%選型，設(shè)計揚程為從熱源至該換熱站的供、回水沿程阻力損失與站內(nèi)損失之和，應(yīng)根據(jù)水力計算確定。運行初期和末期只啟動一臺泵，最冷月時同時啟動2臺并保證同頻運行，若此時一臺泵發(fā)生事故，根據(jù)水泵特性曲線，另一臺泵的流量和揚程仍可滿足事故狀態(tài)下的供熱量保證率。
現(xiàn)以最不利用戶22號換熱站為例，采暖面積20000m2，地?zé)岵膳揖鶠楣?jié)能建筑，采暖負荷為：
Q=■=900kW（1）
設(shè)置兩臺循環(huán)水泵，均為變頻，單臺泵流量為設(shè)計流量的60%，揚程為設(shè)計揚程的100%。
單臺一級網(wǎng)循環(huán)泵設(shè)計流量為：
G＝■×60％＝11.61t/h（2）
一級網(wǎng)循環(huán)泵揚程為：
H=Hw+Hy（3）
H——一級網(wǎng)循環(huán)泵的揚程，m；
Hw——網(wǎng)路主干線供、回水管的壓力損失，根據(jù)水力計算得Hw =49.76m
Hy——換熱站站內(nèi)阻力損失，取15m，則：
H=49.76+15=64.76m
單臺一級網(wǎng)循環(huán)泵選型參數(shù)取整為，流量：12t/h，揚程：65m
2.3 關(guān)于系統(tǒng)補水
本工程為間接連接系統(tǒng)，補水主要采用“一補二”方式。系統(tǒng)的特點是回水壓力比供水高，若換熱站只有低區(qū)供熱，則可以通過在一級網(wǎng)回水與二級網(wǎng)回水之間設(shè)置連通管來實現(xiàn)補水定壓，定壓點為二級網(wǎng)循環(huán)水泵吸入口處，換熱站內(nèi)不設(shè)補水泵；若換熱站存在高區(qū)供熱，則需要在換熱站內(nèi)設(shè)高區(qū)補水泵和補給水箱，若二級網(wǎng)高區(qū)失水，則先將二級網(wǎng)低區(qū)回水引入補給水箱，最后經(jīng)由補給水泵加壓給二級網(wǎng)高區(qū)補水，避免一級網(wǎng)高溫回水直接進入水箱，損壞水箱。需要強調(diào)的是“一補二”方式需要在熱源處設(shè)置補水泵，本工程中熱源內(nèi)兩臺補水泵均采用變頻，為雙變頻自動補水控制系統(tǒng)，補水泵的選型依照遠期規(guī)劃并考慮同時使用系數(shù)，以節(jié)約初投資。補水流量按一級網(wǎng)流量的3%考慮，揚程根據(jù)實際運行靜壓線計算。
3、 系統(tǒng)水壓圖的繪制
本工程共建設(shè)31個換熱站，繪制其系統(tǒng)水壓圖首先確定系統(tǒng)的靜壓線，靜壓線的確定需保證系統(tǒng)不汽化、不倒空、不超壓。本工程采用分布式回水加壓設(shè)計，靜壓線分為控制靜壓線和實際靜壓線。
控制靜壓線的確定：以熱源首站標(biāo)高為基準(zhǔn)標(biāo)高±0.0m，考慮到熱源供熱參數(shù)為110℃/70℃運行，110℃水汽化壓力4.6m，最高處熱力站比循環(huán)水泵出口高26.4m，換熱站充水高度4m，另外考慮3~5m富裕值，可以確定本工程控制靜壓線為40m。
實際靜壓線的確定：控制靜壓線與最不利環(huán)路供水管壓力損失及換熱站內(nèi)的壓力損失之和，為實際靜壓線高度。表1給出了由水力計算得到的各站沿程阻力損失及流量，其中最不利環(huán)路供水管壓力損失為24.88m，換熱站內(nèi)的壓力損失15m，可以確定本工程實際靜壓線為79.88m。
取熱源內(nèi)部水循環(huán)系統(tǒng)的總壓力損失為15m，結(jié)合傳統(tǒng)水壓圖繪制方法即可畫出該系統(tǒng)主干線水壓圖，見圖1。
本工程共建設(shè)31個換熱站，繪制其系統(tǒng)水壓圖首先確定系統(tǒng)的靜壓線，靜壓線的確定需保證系統(tǒng)不汽化、不倒空、不超壓。本工程采用分布式回水加壓設(shè)計，靜壓線分為控制靜壓線和實際靜壓線。
控制靜壓線的確定：以熱源首站標(biāo)高為基準(zhǔn)標(biāo)高±0.0m，考慮到熱源供熱參數(shù)為110℃/70℃運行，110℃水汽化壓力4.6m，最高處熱力站比循環(huán)水泵出口高26.4m，換熱站充水高度4m，另外考慮3~5m富裕值，可以確定本工程控制靜壓線為40m。
實際靜壓線的確定：控制靜壓線與最不利環(huán)路供水管壓力損失及換熱站內(nèi)的壓力損失之和，為實際靜壓線高度。表1給出了由水力計算得到的各站沿程阻力損失及流量，其中最不利環(huán)路供水管壓力損失為24.88m，換熱站內(nèi)的壓力損失15m，可以確定本工程實際靜壓線為79.88m。
取熱源內(nèi)部水循環(huán)系統(tǒng)的總壓力損失為15m，結(jié)合傳統(tǒng)水壓圖繪制方法即可畫出該系統(tǒng)主干線水壓圖，見圖1。
4 、系統(tǒng)的節(jié)能分析
本文對該系統(tǒng)的節(jié)能分析主要與傳統(tǒng)的設(shè)計方法做對比，為此需要分別計算傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)熱源循環(huán)泵軸功率Pn和分布式系統(tǒng)的循環(huán)泵軸功率Pm。
假設(shè)系統(tǒng)供回水管道完全對稱，共有j個用戶，第j個熱用戶為最不利熱用戶，各熱用戶的資用壓頭相等，根據(jù)特蘭根定律，則傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)熱源循環(huán)泵軸功率Pn的計算式為：
Pn=■（4）
其中，H=Δhs+Δhu+HA
Pn——傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)熱源循環(huán)泵的軸功率，kW
q——熱源循環(huán)泵的流量，m3/h
H——熱源循環(huán)泵的揚程，m
η——熱源循環(huán)泵的效率，取70%
Δhs——熱源內(nèi)的壓力損失，取15m
Δhu——換熱站內(nèi)的壓力損失，取15m
HA——最不利環(huán)路總沿程阻力損失，m
由表1可知，q=5495.2m3/h，H=79.76m，代入式（4），計算得Pn≈1709.4kW
當(dāng)采用分布式系統(tǒng)設(shè)計時，除分支點外各管段中間無變徑，零壓差點位于熱源出口處。此時熱源循環(huán)泵提供的揚程只用于克服熱源內(nèi)部壓頭損失，此時循環(huán)泵總的軸功率為熱源循環(huán)泵及各站一級網(wǎng)循環(huán)泵的軸功率Pm的總和。
Pm=■qΔhs+■qi（Δhu+Hi）（5）
Pm——分布式系統(tǒng)循環(huán)泵的軸功率，kW
q——熱源循環(huán)泵的流量，m3/h
qi——第i個換熱站循環(huán)泵的流量，m
Hi——第i個換熱站與熱源之間的總沿程阻力損失，取70％
η——循環(huán)泵的效率，取15m
n——熱用戶總數(shù)
Δhs——熱源內(nèi)的壓力損失，取15m
Δhu——換熱站內(nèi)的壓力損失，取15m
又根據(jù)表1，計算得Pm≈1286.35kW
節(jié)能423kW，節(jié)電率β=■=■≈24.75%
以上分析中計算流量是按供、回水溫度為110℃/70℃時的取值，但是實際運行時需要進行運行調(diào)節(jié)，各站的流量會發(fā)生變化。因此整個采暖期中計算循環(huán)水泵的實際軸功率時，計算流量還要在設(shè)計流量上乘以平均系數(shù)k。
k=■（6）
tn—采暖室內(nèi)設(shè)計溫度，取18℃
tpj—采暖期室外平均溫度，取-3℃
tw—采暖期室外計算溫度，取tw=-9℃
k=0.78，又根據(jù)式（4）和（5）及表1，得
傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)熱源循環(huán)泵的實際軸功率Pn'=1333.3kW
分布式系統(tǒng)循環(huán)泵的實際軸功率Pm'=1003.35kW
節(jié)能330kW，節(jié)電率β'=■=■≈24.75%，數(shù)值不變。
5、 結(jié)論
該工程于2009年11月末已經(jīng)投入運行換熱站6座，取得了很好的節(jié)電效果。通過總結(jié)得到以下幾點結(jié)論：
（1）對于分布式循環(huán)水泵系統(tǒng)，熱用戶越多、流量越大、供熱距離越長，節(jié)能效果越好，節(jié)能率越大。但是當(dāng)熱用戶數(shù)目一定時，流量改變，節(jié)能率不變。另外需要注意的是，本系統(tǒng)運行時實際靜壓線較高，造成熱源補水泵揚程較大，耗電量增加，但是只占總耗電量的一小部分，影響不大。
（2）零壓差點位于熱源出口處時，系統(tǒng)的節(jié)能率最高，與供暖系統(tǒng)的供熱規(guī)模、熱負荷分布、系統(tǒng)形式都是無關(guān)的。但是實際工程中對于規(guī)模較大的熱網(wǎng)，換熱站數(shù)量較多，為了節(jié)省初投資可以考慮零壓差點位移，但是節(jié)能率會降低，零壓差點的具體位置應(yīng)通過技術(shù)經(jīng)濟分析確定［4］。
（3）分布式循環(huán)水泵的方案基本上消除了無效電耗，沒有多余的資用壓頭需要節(jié)流，不需要采用電動調(diào)節(jié)閥。各換熱站一級網(wǎng)流量通過各換熱站內(nèi)分布式回水加壓泵的變頻裝置調(diào)節(jié)，節(jié)約了投資，但是實際工程中不可能完全消除無效電耗，因此在站內(nèi)可以設(shè)置手動調(diào)節(jié)閥作為變頻水泵調(diào)節(jié)能力的補充，有利于熱網(wǎng)的水力穩(wěn)定性。-哈爾濱醫(yī)科大學(xué)基建處白振宇；哈爾濱熱力規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司 段立豐； 泰安市泰山城區(qū)熱力有限公司 王 磊；哈爾濱工程大學(xué) 孫 剛
參考文獻：
［1］王紅霞，石兆玉，李德英．分布式變頻供熱輸配系統(tǒng)的應(yīng)用研究［J］．區(qū)域供熱，2005，（1）：31—38．
［3］王芃，鄒平華，方修睦.單熱源枝狀熱網(wǎng)分布式水泵系統(tǒng)的節(jié)能率分析［J］．暖通空調(diào)，2008，38（11）：13—16
本文對該系統(tǒng)的節(jié)能分析主要與傳統(tǒng)的設(shè)計方法做對比，為此需要分別計算傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)熱源循環(huán)泵軸功率Pn和分布式系統(tǒng)的循環(huán)泵軸功率Pm。
假設(shè)系統(tǒng)供回水管道完全對稱，共有j個用戶，第j個熱用戶為最不利熱用戶，各熱用戶的資用壓頭相等，根據(jù)特蘭根定律，則傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)熱源循環(huán)泵軸功率Pn的計算式為：
Pn=■（4）
其中，H=Δhs+Δhu+HA
Pn——傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)熱源循環(huán)泵的軸功率，kW
q——熱源循環(huán)泵的流量，m3/h
H——熱源循環(huán)泵的揚程，m
η——熱源循環(huán)泵的效率，取70%
Δhs——熱源內(nèi)的壓力損失，取15m
Δhu——換熱站內(nèi)的壓力損失，取15m
HA——最不利環(huán)路總沿程阻力損失，m
由表1可知，q=5495.2m3/h，H=79.76m，代入式（4），計算得Pn≈1709.4kW
當(dāng)采用分布式系統(tǒng)設(shè)計時，除分支點外各管段中間無變徑，零壓差點位于熱源出口處。此時熱源循環(huán)泵提供的揚程只用于克服熱源內(nèi)部壓頭損失，此時循環(huán)泵總的軸功率為熱源循環(huán)泵及各站一級網(wǎng)循環(huán)泵的軸功率Pm的總和。
Pm=■qΔhs+■qi（Δhu+Hi）（5）
Pm——分布式系統(tǒng)循環(huán)泵的軸功率，kW
q——熱源循環(huán)泵的流量，m3/h
qi——第i個換熱站循環(huán)泵的流量，m
Hi——第i個換熱站與熱源之間的總沿程阻力損失，取70％
η——循環(huán)泵的效率，取15m
n——熱用戶總數(shù)
Δhs——熱源內(nèi)的壓力損失，取15m
Δhu——換熱站內(nèi)的壓力損失，取15m
又根據(jù)表1，計算得Pm≈1286.35kW
節(jié)能423kW，節(jié)電率β=■=■≈24.75%
以上分析中計算流量是按供、回水溫度為110℃/70℃時的取值，但是實際運行時需要進行運行調(diào)節(jié)，各站的流量會發(fā)生變化。因此整個采暖期中計算循環(huán)水泵的實際軸功率時，計算流量還要在設(shè)計流量上乘以平均系數(shù)k。
k=■（6）
tn—采暖室內(nèi)設(shè)計溫度，取18℃
tpj—采暖期室外平均溫度，取-3℃
tw—采暖期室外計算溫度，取tw=-9℃
k=0.78，又根據(jù)式（4）和（5）及表1，得
傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)熱源循環(huán)泵的實際軸功率Pn'=1333.3kW
分布式系統(tǒng)循環(huán)泵的實際軸功率Pm'=1003.35kW
節(jié)能330kW，節(jié)電率β'=■=■≈24.75%，數(shù)值不變。
5、 結(jié)論
該工程于2009年11月末已經(jīng)投入運行換熱站6座，取得了很好的節(jié)電效果。通過總結(jié)得到以下幾點結(jié)論：
（1）對于分布式循環(huán)水泵系統(tǒng)，熱用戶越多、流量越大、供熱距離越長，節(jié)能效果越好，節(jié)能率越大。但是當(dāng)熱用戶數(shù)目一定時，流量改變，節(jié)能率不變。另外需要注意的是，本系統(tǒng)運行時實際靜壓線較高，造成熱源補水泵揚程較大，耗電量增加，但是只占總耗電量的一小部分，影響不大。
（2）零壓差點位于熱源出口處時，系統(tǒng)的節(jié)能率最高，與供暖系統(tǒng)的供熱規(guī)模、熱負荷分布、系統(tǒng)形式都是無關(guān)的。但是實際工程中對于規(guī)模較大的熱網(wǎng)，換熱站數(shù)量較多，為了節(jié)省初投資可以考慮零壓差點位移，但是節(jié)能率會降低，零壓差點的具體位置應(yīng)通過技術(shù)經(jīng)濟分析確定［4］。
（3）分布式循環(huán)水泵的方案基本上消除了無效電耗，沒有多余的資用壓頭需要節(jié)流，不需要采用電動調(diào)節(jié)閥。各換熱站一級網(wǎng)流量通過各換熱站內(nèi)分布式回水加壓泵的變頻裝置調(diào)節(jié)，節(jié)約了投資，但是實際工程中不可能完全消除無效電耗，因此在站內(nèi)可以設(shè)置手動調(diào)節(jié)閥作為變頻水泵調(diào)節(jié)能力的補充，有利于熱網(wǎng)的水力穩(wěn)定性。-哈爾濱醫(yī)科大學(xué)基建處白振宇；哈爾濱熱力規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司 段立豐； 泰安市泰山城區(qū)熱力有限公司 王 磊；哈爾濱工程大學(xué) 孫 剛
參考文獻：
［1］王紅霞，石兆玉，李德英．分布式變頻供熱輸配系統(tǒng)的應(yīng)用研究［J］．區(qū)域供熱，2005，（1）：31—38．
［3］王芃，鄒平華，方修睦.單熱源枝狀熱網(wǎng)分布式水泵系統(tǒng)的節(jié)能率分析［J］．暖通空調(diào)，2008，38（11）：13—16
