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 111

2-=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 - 2h

h 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