胡繁昌 李德英 尹 鵬 北京建筑大學環(huán)境與能源工程學院，北京 100044

杜 彤 曾喜平 孫海霞 北京合利能科技有限公司，北京 100032

1 系統(tǒng)概述

由于熱用戶樓內(nèi)系統(tǒng)存在水平失調(diào)和垂直失調(diào)問題，目前又無有效的技術(shù)手段予以解決，而熱用戶樓內(nèi)系統(tǒng)宜采用“低溫、大流量、小溫差”運行模式；分布式變頻技術(shù)又為管網(wǎng)輸配提供了“小流量、大溫差”運行模式。故將這兩項運行模式有機地結(jié)合起來，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，實現(xiàn)最大限度的節(jié)能，故提出自力式水力平衡供熱系統(tǒng)，即在所供區(qū)域入戶樓前管道井內(nèi)或者地下室中加裝噴射器、鎖閉閘閥、球閥及過濾器等裝置，組成一個混水系統(tǒng)。

1.1 噴射器的工作原理

噴射器是利用流體紊動擴散作用來進行傳遞動能與熱能的機械設備。高壓工作流體進入噴射器接受室的噴管中，經(jīng)過噴嘴后高速噴出，由于高速流體與周圍流體質(zhì)點間的卷吸及擴散作用，在接受室內(nèi)形成低壓區(qū)，同時在外界大氣壓力的作用下，使噴嘴周圍的引射流體吸入，兩股流體在混合管內(nèi)混合，在擴散管中增壓成壓縮流體噴射出來。在這一過程中，噴射器通過消耗一定工作流體能量及動靜壓轉(zhuǎn)換來提高引射流體的壓力。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 噴射器結(jié)構(gòu)

參見圖1，以噴管截面1、混合管截面3及擴散管出口截面c為參照面，噴射器工作的分析方程可表示為

式（1）和（2）中，Zi（i=1，3，c）表示該截面參照基準面的高度，m；Pi表示該截面液體壓力，MPa；ρ為液體密度，kg/m3；g為重力加速度，m2/s；Vi為該截面處液體流速，m/s；∑hfi（i=1，2）表示兩截面之間阻力損失，m。

結(jié)合噴射器結(jié)構(gòu)，當混合管處流速V3大于噴管截面處流速V1時，其壓力P3將小于P1，引射流體將會被吸入到接受室中。同理，擴散管出口截面流速Vc小于混合管處流速V3，從而擴散管出口壓力Pc大于P3，使得混合流體噴射而出。其中，P1＞Pc＞P3。

在研究噴射器性能時，經(jīng)常以其流體流量來作為研究對象。其中噴射系數(shù)（流量比）為

式（3）中，Gh表示引射流體質(zhì)量流量，kg/h；Gp表示噴射流體質(zhì)量流量，kg/h。

1.2 系統(tǒng)運行原理

自力式水力平衡供熱系統(tǒng)可減少熱網(wǎng)主干管的阻力、增大熱用戶樓內(nèi)系統(tǒng)的阻力，調(diào)試簡單。其原理為利用噴射器本身動、靜壓的轉(zhuǎn)化特性，將部分樓內(nèi)供熱回水吸入供水管中實現(xiàn)混水供熱，達到系統(tǒng)二次網(wǎng)主干管“小流量、大溫差”、樓內(nèi)熱用戶系統(tǒng)“低溫、大流量、小溫差”的運行模式，增大用戶側(cè)的壓降，減小熱網(wǎng)干管的壓降，大大提高供熱系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有利于緩解水力失調(diào)、冷熱不均的現(xiàn)象。

自力式水力平衡供熱系統(tǒng)在安裝完噴射器等裝置后，使每個熱用戶擁有獨立的混水換熱站。圖2給出系統(tǒng)運行原理。

圖2 系統(tǒng)運行原理

在自力式水力平衡供熱系統(tǒng)中，可以通過改變流量比q，為不同形式的散熱設備、不同圍護結(jié)構(gòu)的建筑提供不同的供水溫度，可根據(jù)要求實現(xiàn)按需供熱，達到供需平衡，使熱用戶室溫趨于均勻，從而降低系統(tǒng)能耗。

2 工程案例

2.1 項目概況

改造項目位于吉林省通化市。該換熱站建于2004～2005年，為間供二次系統(tǒng)，根據(jù)室外溫度設定二次供水溫度，來控制一次電動調(diào)節(jié)閥的開度，樓內(nèi)系統(tǒng)為雙管上供下回式，采用分戶計量，供熱面積約為195984m2。其中低區(qū)供熱面積100569m2，所供區(qū)域民用住宅較少，其中辦公樓、商戶等公建約占30%，供暖質(zhì)量差；高區(qū)供熱面積95415m2，絕大多數(shù)為民用住宅，供暖質(zhì)量相對較好。

一次熱源為熱電聯(lián)產(chǎn)高溫水，二次外網(wǎng)管線為直埋鋪設。站內(nèi)高、低區(qū)板式換熱器均為2臺，換熱面積分別為90.95m2、113.05m2。表1給出了站內(nèi)循環(huán)泵額定參數(shù)。循環(huán)泵運行頻率控制在45～49Hz。

在該換熱站所供區(qū)域中，由于系統(tǒng)設計不合理，熱用戶形式多樣化，造成水力失調(diào)問題嚴重、能耗較大，部分熱用戶供熱效果不佳，室溫大都在14～17℃，低區(qū)尤為嚴重。以室內(nèi)平均溫度為18℃計算時其不平衡耗熱量損失約為26.2%。

表1 高、低區(qū)循環(huán)泵參數(shù)

2.2 改造方案

在原供熱系統(tǒng)熱力入口加裝噴射器等裝置。在改造的同時，保留原系統(tǒng)，即在熱用戶供水干管上加裝一個鎖閉閘閥，噴射器跨接在鎖閉閘閥兩端，并在噴射管上加裝Y型過濾器。自力式水力平衡供熱系統(tǒng)運行時，將與噴射器相連的三個鑄鋼球閥打開，將供水干管上的鎖閉閘閥關閉；當原供熱系統(tǒng)運行時，將與噴射器相連的三個球閥關閉，供水干管上的鎖閉閘閥打開。圖3表示熱力入口改造方式。

圖3 改造方式

3 對比分析

3.1 耗熱量

對技改前后系統(tǒng)進行測試，測試天數(shù)兩天。原系統(tǒng)取2018年1月11日至13日；新系統(tǒng)取2018年1月19日至21日，其中熱源耗熱量由循環(huán)水量，供、回水溫度共同決定。下式表示耗熱量計算方式：

式（4）中，Q為耗熱量，k W；G為系統(tǒng)流量，t/h；t1為熱網(wǎng)供水溫度，℃；t2為熱網(wǎng)回水溫度，℃；c為水的質(zhì)量比熱，kJ/（kg·℃），取4.187kJ/（kg·℃）。

查閱知吉林通化采暖期設計天數(shù)為168天，室外平均溫度規(guī)范值為-7.7℃，熱用戶室內(nèi)設計溫度18℃。測試期間實際耗熱量按照度日數(shù)的方法進行折算，故采暖期標準度日數(shù)為4317.6℃·d。

表2 兩系統(tǒng)高區(qū)耗熱量測試情況

由表2可看出，將測試期間數(shù)據(jù)進行折算后，高區(qū)年實際節(jié)熱量為1593.28GJ，年需增補節(jié)熱量為237.62GJ，折算出年節(jié)熱量為1830.91GJ，故高區(qū)節(jié)熱率為

同理，由表3可知，低區(qū)節(jié)熱率為

其中，低區(qū)節(jié)熱率比高區(qū)節(jié)熱率多14.2%，主要原因是技改前低區(qū)熱用戶形式多樣，水力失調(diào)嚴重，供暖質(zhì)量差，相對高區(qū)存在很大節(jié)熱空間。

表3 兩系統(tǒng)低區(qū)耗熱量測試情況

3.2 耗電量

表4給出了技改前后高、低區(qū)換熱站循環(huán)泵運行情況。從表4可看出，在技改前后，高區(qū)的運行水流量由之前的366m3/h減少為228m3/h，低區(qū)流量由460m3/h降至245m3/h，循環(huán)泵揚程改變不超過1m。參考式（10）可知，高區(qū)節(jié)電率為28.3%，低區(qū)節(jié)電率為37.6%。

表4 高、低區(qū)循環(huán)泵運行情況