论文部分内容阅读
摘 要：本文从节能角度出发，对供暖系统采用分阶段变流量质调节进行了优化运行分析，并以北方几个典型城市为例确定了其最佳流量比的计算方法。
关键词：供暖系统；流量比；调节
中图分类号：TU832 文献标识码：A文章编号：
1 前言
热网循环水泵的能耗一直是人们所关注的焦点之一。随着采暖区域地理位置的不同和热网规模的不等，在满足采暖用户用热要求的前提下究竟对其采用什么样的调节方法，也一直是人们所研究的重点问题。通常对连续供暖的热网实行调节的方法一般分为三种，即纯质调节、分阶段变流量质调节和量调节。而分阶段变流量质调节因其具有调节简单、节能效果较显著等特点，目前在一些具有一定规模的热网系统中采用较多。然而以往我们在用这一调节方法时，其分阶段的流量都是根据经验人为设定的，一般将其定为0.6—0.8之间。尽管给出了取值范围，那么究竟取何值才能使运行费用为最少，这就是我们这里要研究的关于供暖系统优化调节运行的问题。
2 基本调节方程
我们知道，供暖系统供、回水温度和供暖热负荷调节的基本方程分别为：
（1）
（2）
式中B—散热器的特性参数；
t n 、t w′、t w—采暖室内设计温度、室外计算温度及室外任意温度，℃；
t g′、t h′—热网的设计供、回水温度，℃；
—调节热负荷与设计热负荷之比；
G、G′—分阶段调节时的流量及设计工况下的流量，m3/s；
—相对流量比，即= G/G′。
在式（１）、（２）的三个方程中共有４个未知数、、tg、th，为此应引进补充条件才能求出这４个未知数。对于采用分阶段变流量的质调节来说其补充条件，就是取式（２）中φ为某一常数．除此之外，在运行调节时，为使整个供暖系统不至于产生过大的水力失调，还应附加一些相关的约束条件。尽管其约束条件可有多种选择，但在确定分阶段变流量质调节时，一般可设定（t g – t h）≤（t g′- t h′），当（t g – t h） =（ t g′- t h′）时，根据式（2）会有：，由此，式（1）可变为：
(3)
结合式（2）及约束条件t g – t h = t g′- t h′可得：
（4）
根据文献[ 2 ]中对采暖热负荷描述为：
（5）
还可求得变流量到某一室外温度t w处的延续天数为：
（6）
式中b、β—与地区有关的常数；
N p、N —该地区整个采暖期的天数和低于某一室外温度t w的累积天数。
根据水泵的相似理论有：
， （7）
式中P、P′—水泵的轴功率，Kw；
H、H′—水泵的扬程，mH2O；
η—水泵的效率,%。
又根据水泵耗电量W的基本公式：
（8）
3二阶段变流量质调节时最佳流量比的确定
在整个采暖期内采用分二阶段变流量质调节时热网循环水泵耗电量W的计算式为：
(9)
式中γ —水的重度，kg/m3
为使问题研究的简化，这里可以假定水泵的效率η在一定流量变化范围内为常数。同时将式（６）代入式（9）又可得：
（10）
上式中的N p、β、b在给定的地区内均为已知数，故该式W的值仅是φ的单值函数，即W＝f (φ)。若要求得在整个采暖季节中使热网循环水泵耗能最少，即以W为最小的目标函数可通过对上式求导并令dW/dφ＝0，可解得：
（11）
通过解式（11），我们可以求得在整个采暖期内热网采用二阶段变流量质调节时的最佳流量比，并将其记为φc。对式（11）可以通过迭代等方法对其求解，如前所述，由于NP、β、b随地区的不同而不同，故对式（12）所求得的φc也将不同。
同时还可根据式（４）、（６）求得其最佳流量比φc所对应的室外温度t wc及在该温度下的供暖天数N wc分别为：
（12）
（13）
此时，在整个采暖期内采用分阶段变流量质调节与纯质调节相比的循环水泵节能比ε为：
（14）
4三阶段变流量质调节时最佳流量比的确定
对于大型的供暖系统，为了能更多地减少热网循环水泵的能耗，在设计和运行中也常采用三阶段变流量值调节的方法进行调节，其优化原则与上述相同。当然，这时的最佳流量比应同时存在两个φc值，即φc1和φc2。
与分二阶段变流量质调节时热网循环水泵耗电量W的计算当法相似，在整个采暖期内采用分三阶段变流量质调节时热网循环水泵耗电量W的计算式可表示为：
= （15）
关于两个φc1和φc2值的求法应与式（11）的求法过程相同，即令dW/dφc1＝0；dW/dφc2=0。可有：
(16)
(17)
式（16）、（17）是两个超越方程，不易求解，但可通过计算机寻求其最优解φc1和φc2。除此之外，还可根据式（４）、（６）分别求得三阶段调节时的室外温度tw1、tw2及所对应的供暖天数Nw1、Nw2分别为：
（18）
（19）
（20）
（21）
同時，还可以求得在整个采暖期内采用分阶段变流量质调节与纯质调节相比的循环水泵节能比ε为：
（22）
根据上述分析原理及计算方法，表1列出了具有采暖要求的北方几个典型城市，如济南、大连、沈阳、长春、哈尔滨在分别采用二阶段和三阶段变流量质调节时所求得的最佳流量比φc及所对应的参数值。
表1 北方几个典型城市分别采用二、三阶段变流量质调节最优工况值的计算结果
从上表计算的结果可以看出，随着纬度的提高、采暖期的延长，无论采用的是二阶段还是三阶段调节，其最佳分阶段流量比是在降低的；但由此而得到的与纯质调节相比节电比却是增加的，一般均在38%—50%之间变化。对同一地区来讲，采用三阶段比采用二阶段调节时的节能比更大，这一计算结果只与地域的不同而不同，而与热网的规模大小无关。这里还应注意到，有关书籍曾强调“对直接连接的供暖系统在采用此调节时，通常的调节流量不应小于设计流量的60%，如果流量过少，则会引起采暖系统的垂直失调。”这种说法如果不很好地理解，很有可能会被误认为只要不引起过分的水力失调，分阶段变流量的流量比是越小越好，如果真是这样认识的话，那可就错了。上述的分析计算结果已充分证明了这一点。
5小结
本文是在以限定热用户采用分阶段变流量质调节时所对应的供、回水温差不超过设计工况值为约束条件的基础上进行分析的。通过对该调节方式的分析，建立了以循环水泵耗电量为最少的目标函数，而求得其最佳流量比。通过表1的计算结果说明了不应以不产生严重水力失调的最低流量比作为最佳值的观点。
参考文献
[1]胡思科,沈祥智,陈福. 热水采暖系统联合调节方式节能的研究[J] 煤气与热力,2001（3）.
[2]哈尔滨建筑工程学院. 供热工程[M]. 北京:中国建筑工业出版社.
关键词：供暖系统；流量比；调节
中图分类号：TU832 文献标识码：A文章编号：
1 前言
热网循环水泵的能耗一直是人们所关注的焦点之一。随着采暖区域地理位置的不同和热网规模的不等，在满足采暖用户用热要求的前提下究竟对其采用什么样的调节方法，也一直是人们所研究的重点问题。通常对连续供暖的热网实行调节的方法一般分为三种，即纯质调节、分阶段变流量质调节和量调节。而分阶段变流量质调节因其具有调节简单、节能效果较显著等特点，目前在一些具有一定规模的热网系统中采用较多。然而以往我们在用这一调节方法时，其分阶段的流量都是根据经验人为设定的，一般将其定为0.6—0.8之间。尽管给出了取值范围，那么究竟取何值才能使运行费用为最少，这就是我们这里要研究的关于供暖系统优化调节运行的问题。
2 基本调节方程
我们知道，供暖系统供、回水温度和供暖热负荷调节的基本方程分别为：
（1）
（2）
式中B—散热器的特性参数；
t n 、t w′、t w—采暖室内设计温度、室外计算温度及室外任意温度，℃；
t g′、t h′—热网的设计供、回水温度，℃；
—调节热负荷与设计热负荷之比；
G、G′—分阶段调节时的流量及设计工况下的流量，m3/s；
—相对流量比，即= G/G′。
在式（１）、（２）的三个方程中共有４个未知数、、tg、th，为此应引进补充条件才能求出这４个未知数。对于采用分阶段变流量的质调节来说其补充条件，就是取式（２）中φ为某一常数．除此之外，在运行调节时，为使整个供暖系统不至于产生过大的水力失调，还应附加一些相关的约束条件。尽管其约束条件可有多种选择，但在确定分阶段变流量质调节时，一般可设定（t g – t h）≤（t g′- t h′），当（t g – t h） =（ t g′- t h′）时，根据式（2）会有：，由此，式（1）可变为：
(3)
结合式（2）及约束条件t g – t h = t g′- t h′可得：
（4）
根据文献[ 2 ]中对采暖热负荷描述为：
（5）
还可求得变流量到某一室外温度t w处的延续天数为：
（6）
式中b、β—与地区有关的常数；
N p、N —该地区整个采暖期的天数和低于某一室外温度t w的累积天数。
根据水泵的相似理论有：
， （7）
式中P、P′—水泵的轴功率，Kw；
H、H′—水泵的扬程，mH2O；
η—水泵的效率,%。
又根据水泵耗电量W的基本公式：
（8）
3二阶段变流量质调节时最佳流量比的确定
在整个采暖期内采用分二阶段变流量质调节时热网循环水泵耗电量W的计算式为：
(9)
式中γ —水的重度，kg/m3
为使问题研究的简化，这里可以假定水泵的效率η在一定流量变化范围内为常数。同时将式（６）代入式（9）又可得：
（10）
上式中的N p、β、b在给定的地区内均为已知数，故该式W的值仅是φ的单值函数，即W＝f (φ)。若要求得在整个采暖季节中使热网循环水泵耗能最少，即以W为最小的目标函数可通过对上式求导并令dW/dφ＝0，可解得：
（11）
通过解式（11），我们可以求得在整个采暖期内热网采用二阶段变流量质调节时的最佳流量比，并将其记为φc。对式（11）可以通过迭代等方法对其求解，如前所述，由于NP、β、b随地区的不同而不同，故对式（12）所求得的φc也将不同。
同时还可根据式（４）、（６）求得其最佳流量比φc所对应的室外温度t wc及在该温度下的供暖天数N wc分别为：
（12）
（13）
此时，在整个采暖期内采用分阶段变流量质调节与纯质调节相比的循环水泵节能比ε为：
（14）
4三阶段变流量质调节时最佳流量比的确定
对于大型的供暖系统，为了能更多地减少热网循环水泵的能耗，在设计和运行中也常采用三阶段变流量值调节的方法进行调节，其优化原则与上述相同。当然，这时的最佳流量比应同时存在两个φc值，即φc1和φc2。
与分二阶段变流量质调节时热网循环水泵耗电量W的计算当法相似，在整个采暖期内采用分三阶段变流量质调节时热网循环水泵耗电量W的计算式可表示为：
= （15）
关于两个φc1和φc2值的求法应与式（11）的求法过程相同，即令dW/dφc1＝0；dW/dφc2=0。可有：
(16)
(17)
式（16）、（17）是两个超越方程，不易求解，但可通过计算机寻求其最优解φc1和φc2。除此之外，还可根据式（４）、（６）分别求得三阶段调节时的室外温度tw1、tw2及所对应的供暖天数Nw1、Nw2分别为：
（18）
（19）
（20）
（21）
同時，还可以求得在整个采暖期内采用分阶段变流量质调节与纯质调节相比的循环水泵节能比ε为：
（22）
根据上述分析原理及计算方法，表1列出了具有采暖要求的北方几个典型城市，如济南、大连、沈阳、长春、哈尔滨在分别采用二阶段和三阶段变流量质调节时所求得的最佳流量比φc及所对应的参数值。
表1 北方几个典型城市分别采用二、三阶段变流量质调节最优工况值的计算结果
从上表计算的结果可以看出，随着纬度的提高、采暖期的延长，无论采用的是二阶段还是三阶段调节，其最佳分阶段流量比是在降低的；但由此而得到的与纯质调节相比节电比却是增加的，一般均在38%—50%之间变化。对同一地区来讲，采用三阶段比采用二阶段调节时的节能比更大，这一计算结果只与地域的不同而不同，而与热网的规模大小无关。这里还应注意到，有关书籍曾强调“对直接连接的供暖系统在采用此调节时，通常的调节流量不应小于设计流量的60%，如果流量过少，则会引起采暖系统的垂直失调。”这种说法如果不很好地理解，很有可能会被误认为只要不引起过分的水力失调，分阶段变流量的流量比是越小越好，如果真是这样认识的话，那可就错了。上述的分析计算结果已充分证明了这一点。
5小结
本文是在以限定热用户采用分阶段变流量质调节时所对应的供、回水温差不超过设计工况值为约束条件的基础上进行分析的。通过对该调节方式的分析，建立了以循环水泵耗电量为最少的目标函数，而求得其最佳流量比。通过表1的计算结果说明了不应以不产生严重水力失调的最低流量比作为最佳值的观点。
参考文献
[1]胡思科,沈祥智,陈福. 热水采暖系统联合调节方式节能的研究[J] 煤气与热力,2001（3）.
[2]哈尔滨建筑工程学院. 供热工程[M]. 北京:中国建筑工业出版社.