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論文摘編
 區域能源水系統的節能思考
   
   
   
                                作者: 崔笑千

       區域能源工程中的冷熱媒水系統設計方案涉及到運行循環泵的電耗。近30年來,隨著變頻調速技術的發展,隨著水力工況調節控制用閥的技術進步,隨著自動控制技術和管理理念的提高,新興的管網輸配節能技術層出不窮。但很多新技術方案是由產品供應商或運行管理企業提出,或許缺乏高層次的技術思考,筆者作為產品供應從業者冒昧提出一些技術看法,期望有識專家一起探究。
       循環泵電耗與輸配冷(熱)量的比例
       循環水泵電耗:N=HL/η (1)
       式中 H為水泵揚程,kPa;L為體積流量,m3/s;η水泵效率,%。
       假如水泵的揚程15 m,流量1 m3/h,水泵效率70%,則循環泵軸功率為0.059 5 kW。溫差5 ℃時,輸配熱量5.81kW循環水泵的功耗略大于輸配能量的1%。
       供熱的水泵功耗一般小于輸配熱量的1%而空調冷媒水水泵功耗比就顯得很突出:一般空調冷媒水溫差只有5 ℃,水泵揚程經常在32 m以上,水泵功耗常在2%以上。大型區域冷源由于作用半徑大、二次換熱板式換熱器阻力、蓄冷板式換熱器阻力等因素,水泵功耗超出8%也是常見的。更應引起關注的是——水泵的功耗(軸功率)完全由水流動的摩擦作用轉化為熱量,成為制冷系統的附加冷負荷。假如空調冷負荷變化時不能得體的采取降低水泵功耗對策,這種附加冷負荷完全可能和小運行負荷等量齊觀。
       因此空調系統,尤其是大型區域冷源工程的水系統設計、運行技術對策是需要我們從業人員潛心研究的重要課題。筆者能想到的技術對策有如下方面:
       1)水力工況的控制。按末端主導變流量的思路實現末端需求水流量的合理調度,避免局部末端的小溫差運行;有效的水泵調速運行,遠端(最不利回路)壓差控制水泵調速;分布設置二次泵。
       2)擴大輸配溫差。采取溫濕度分別處理的思想方法,打破百年來末端裝置7 ℃、12 ℃習慣,可以有效地降低循環水量,降低水泵功耗。同時提高制冷的蒸發溫度,提高制冷效率。
       3)盡量從技術上回避換熱環節。如武漢光谷采取用戶直接連接方式;如水蓄冷應考慮采用管路水蓄冷方式,避免建筑內蓄冷不帶壓而帶來的間接換熱問題。
       1、水力工況控制
       空調負荷、計量收費情況下的供熱負荷,都不會是隨某一個單參數(如室外氣溫)一致等比變化的,因此末端的閉環自動控制是必須的。末端的閉環控制一般控制參數是溫度,而溫度的反應有很大的滯后。另外,閉環控制的比例、積分常數難于預先計算清楚,必然有少數末端的比例積分值預設定不正確,而導致調節過程的振蕩。因此不能指望自動控制體系的電動閥起到水力工況控制的作用。實現水力工況穩定,根本地隔絕末端負荷調節的互相干擾,同時使無論遠端近端,最大只通過設計流量,具備上述功能的水力工況控制用閥在這類系統中是必備的。
       這里,討論的是水力工況控制,不是水力工況平衡。原因在于水力工況平衡是在假想的設計流量下,并聯支路間阻力相等與否,相等叫阻力平衡(或水力平衡),不相等叫不平衡。不平衡是必然的,因此有類似“不等溫降計算”對策,或閥門調節平衡對策。對于負荷不一致等比變化的系統,各末端裝置的設計負荷(最大負荷)不會同時發生,支、干管路不會同時出現“設計”流量狀態,基于設計流量的水力計算只有管徑選取的意義,沒有阻力平衡的意義。在充分考慮設計負荷同時發生概率(較小的設計負荷同時發生系數)時,冷熱源的最大輸配能力必然小于末端設計流量的總和,系統的總負荷及對應冷熱媒循環流量必然小于末端的設計量總和,基于設計工況的“平衡”分析已經失去了討論意義。
       想象一下,一棟建筑在空調系統剛啟動運行時的工作狀態,各空間的溫度都遠高于需求溫度,閉環控制各末端控制裝置都在最大需求狀態,近端資用壓差充分的末端必然超出設計流量,遠端甚至是零流量狀態,只有近端達到需求溫度時自動調節裝置才會調降流量,這種情況必然導致由近及遠的空調效果實現的時序,最遠端實現空調效果的時間甚至是數小時。如果有水力控制用閥,使近端遠端自動控制閥的最大開度只能達到該末端的設計流量,可以期望這一時序短一些。實際工程中我們很少看到這種現象的發生,或者說這一時序很短暫,這是我們設計時冷熱源機組能力和輸配能力都充分足夠到大于設計總和狀態,我們實際上大量浪費了工程初投資,大幅地降低了系統總效率,是高昂的初投資和運行費代價換得的超必要性保障。
       末端用戶離冷熱源遠近的問題有些類似于傳統的水力工況平衡問題,或者說可以用水力工況平衡的思維來考慮,只是必須注意,這種工況支、干管線并不存在“設計流量”的工作狀態。水力工況控制的重要問題在于調節過程的水力工況穩定性,參考《供熱工程》中運行調節分析章節里關于水力工況穩定性系數問題。直白地講,一個末端裝置的閉環調節造成的流量改變必須不擇不扣的形成總循環流量的改變,不能影響附近的其它末端裝置的流量,杜絕調節狀態的末端裝置的流量變量就近地強分給附近末端裝置。只有這樣,才能保障每一個末端裝置、支線管路、干線管路負荷與流量的比值相同,保證系統在可能的最大溫差下工作;才能保證冷熱媒流量依據末端裝置負荷的變化,可調節,可調度。似此,我們才能充分地考慮末端裝置設計負荷同時發生的概率,合理地降低冷熱源設備的初投資,實現系統的可行最高效率。
       循環水泵的調速控制參數只能采用遠端壓差值,既最不利回路及若干次不利回路的壓差。水泵的最小運行能力(低速狀態)只需保證運行中的最不利回路有充分必要的資用壓差,采用最不利回路壓差控制,才能充分地利用輸配枝、干管路在小流量下釋放出的阻力值,使得水泵調速實現最大節能。
由于用戶的遠近不同,各用戶到冷源的管路阻力不同,如果二次泵分散設置于用戶端,按具體用戶的流量揚程要求選用二次循環泵,可以實現二次循環泵能耗的最小化。在北方供熱工程中把此項技術叫做分布泵,這在北方供熱中有上千萬平米、數十個分布泵點的成功運行經驗,而集中制冷系統水泵電耗問題更為突出,此項技術的采用意義更大。
       但在一些供熱工程中采用分布泵技術附帶的平衡管(均壓管、水力耦合管)設施,卻是應該摒棄的技術。關于平衡管問題,在一些供熱技術論文中有所涉及,但沒有一篇文章明確技術出處和技術作用。筆者見到最早的工程實例是上海某汽車項目,在一次泵和二次泵之間,相當于傳統設計中分集水缸間的旁通壓差閥管路的位置和作用。究其原因應為:國外沒有150 mm直徑以上的電動調節閥可以做旁通壓差控制閥,而該工程如果采用旁通壓差控制閥口徑至少要在300 mm以上。由此該技術方案的提出者想到讓一、二次泵接點的壓差為0值,似乎給二次泵更大的節能空間,同時保證冷水機組的恒流量運行。在該工程中就出現了一個不可回避的技術問題,平衡管的回流混水作用使冷機的進口水溫永遠小于二次回水溫度,而二次供水溫度永遠高于冷機出口溫度。也就是說平衡管方案的采用降低了實際供冷的品質。
       而自力式旁通壓差控制閥完全可以提供600 mm口徑以下的產品,當然無論是自力式旁通壓差控制閥還是電動調節閥都必須在有壓差情況下工作。因此我們討論一下,在不犧牲二次泵節能利益的前提下,是否可以有旁通壓差控制閥需要的工作壓差。首先我們應該想到末端用戶有一個必須的資用壓差,這個壓差可以由二次泵提供,也可以由一次泵提供;第二點,冷機的水量并非絕對不可改變,現在幾乎所有的冷水機組供應商都能允許冷機循環量60%設計水量以上工作,假如冷機設計流量阻力80 kPa 即或冷機在70%設計流量下運行也可以釋放出40 kPa以上的壓差,一次泵在小流量工況工作其揚程也必然有所上升,這就能保證旁通壓差控制閥所需要的50 kPa以上的工作壓差。而且一次泵在小流量下工作也有一定的節能效益。
       因此可以說平衡管技術方式從初始的創意就不是好的技術方法。而原始的旁通壓差控制方法,只要突破閥門管徑的限制,就是一個完善的技術方法。旁通壓差方式絕不會有被混流降低供熱(冷)品質的問題,一次回水混流也只在較短的時間內發生。同時平衡管方式完全隔絕了二次泵保持冷熱機組一定循環水量能力,這一點技術作用在鍋爐供熱上尤為突出。試想鍋爐供熱的分布泵系統,在鍋爐房一次循環泵故障停運時分布在外的二次泵是可以保持鍋爐一定循環量,鍋爐偏于安全。而采用平衡管時二次分布泵順平衡管短路循環,鍋爐循環水量接近于零,鍋爐更危險。
       2、關于輸配溫差
       空調水溫參數的7 ℃到12 ℃如同供熱95 ℃到70 ℃一樣是幾十年前的習慣,現代人應該根據現在的技術經濟分析得出現在的合理溫度參數。只不過現實的末端裝置是按過去慣例參數生產制作的,因此很少有人考問這些習慣的溫度參數的技術經濟合理性。溫濕度分別處理的想法已經打破了原來思維的習慣,循此思路一個末端裝置通過7 ℃到17 ℃的水溫也完全可以送出22 ℃左右的風,只不過末端裝置要按新參數做傳熱學設計。現實地,最起碼我們可以推薦采用溫濕度獨立控制的末端方案大幅度提高集中供冷系統的輸配溫差,降低循環水泵的能耗,降低由此產生的附加冷負荷。同時,冷源也應考慮設置高蒸發溫度的冷機,以提高冷源的制冷效率。
       3、減少換熱環節
       換熱環節在制冷工程中降低蒸發溫度,使制冷效率降低是有目共睹的。而換熱環節增加的阻力,一方面增加循環水泵的能耗,同時也增加了水泵能耗附加冷負荷。每一個換熱環節,以板式換熱器為例,如果輸配溫差是5 ℃,至少增加水泵能耗是輸配冷負荷的1%,同時附加冷負荷1%。
       因此應該更多地考慮用戶直接連接。當然,直接連接時系統水力工況更為復雜,但供熱工程中500萬m2以上直連供熱系統也不乏成功運行的先例。透析供熱和空調的系統技術設施狀況,空調的系統控制措施優于供熱,設備的耐壓等級也高于供熱,因而集中冷源工程應該更適合于直接連接。
       對于冰蓄冷系統解蓄工況采用換熱方式,現實還沒有更好的技術對策取消換熱環節。但水蓄冷工程采取換熱解蓄就值得慎重考慮了。現在水蓄冷采取室內水池一類的蓄冷設施,實際上室外管道擴徑完全能夠達到同樣的蓄冷作用。一般地說,室內蓄冷設施考慮建筑價值和設施造價會遠高于室外管道擴徑蓄冷的造價;室內設施由于不耐壓而增加的解蓄換熱環節,增加了循環泵能耗,增加了循環泵能耗的附加冷負荷。以上海汽車集團一個工程的實例分析,其室內蓄冷水池容量3 000 m3 如果室外輸配管徑擴大至1 200 mm,1.5 km 同樣產生3 000 m3的蓄冷容積,保溫厚度50 mm增加的管道傳熱冷負荷約為50 kW而解蓄板式換熱器增設的循環泵23 m,780m3/h的能耗約為70 kW再考慮到管道擴徑減少的管道阻力,用管道擴徑蓄冷減少的泵能耗附加負荷約為100 kW因此我們應該從技術上考慮管道的水蓄冷方式。
       4、結語
       以上提出的技術問題討論,只能算作筆者的一點淺薄的技術思考,提出這些技術思考的工程實踐依據不便在此占用篇幅作出詳述。有興趣的同仁可通過其他途徑討論。

 

 
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