摘要：系统的运行调节对供热系统运行的能耗有重大影响，本文针对集中供热系统的运行调节问题，通过理论分析，重点研究和分析了直接连接供热系统的三种分阶段调节方式：分阶段改变流量质调节、分阶段量调节和质调节以及分阶段综合调节和质调节方式。给出了不同调节方式下的水温计算公式；并将三种分阶段供热调节的能耗情况与质调节进行对比，利用一个算例进行量化比较，得出各种调节方式在选取不同分阶段点时的节能率。
关键词：供热系统 调节 节能
1 引言
供热系统将热能供应给热用户，一方面应最大限度的满足用户需求，提高人民的生活质量和水平；另一方面还应采取技术可行的系统优化措施，降低供热成本，提高企业经济效益。由于在系统投入使用之后，系统的运行调节对供热系统运行的能耗有重大影响，所以搞好运行调节是实现供热系统节能的关键。
目前，我国的供热系统中，常见的集中调节的方式可分为质调节、分阶段改变流量质调节和间歇调节。质调节方式只需在供热系统的热源处调节供水温度，运行管理简便，系统水力工况稳定。但由于在整个供暖期中，循环水泵流量不变，消耗电能较多。间歇调节方式因为锅炉燃烧工况频繁变动，热效率降低；室内温度波动，降低了供热质量。分阶段改变流量的质调节是根据室外温度的变化，阶段性地改变流量，与纯质调节相比,能节约循环水泵电能消耗，因而近年来在设计和运行中得到较多应用。随着调速水泵在国内的推广应用，使供热系统实现无级的变流量运行成为可能，而且节电效果显著[1]。所以本文主要在已有调节方式的基础上，研究和分析直接连接系统中的分阶段运行调节。
2 直接连接供热系统的分阶段运行调节方式
2.1 分阶段改变流量的质调节
2.1.1 分阶段改变流量质调节方式下的供、回水温度计算公式
分阶段改变流量的质调节，是将整个供暖期按照室外温度的高低分成几个阶段，在室外温度较低的阶段中，系统循环流量保持为设计流量；在室外温度较高的阶段中，系统流量保持为较小的流量。在每一个阶段内，系统的循环流量保持不变，按照质调节方式进行供热调节。对无混合装置的直接连接的热水供热系统，其供、回水计算公式如下[2]：
(1)
式中 ——供热系统的运行供水温度，℃；
——供热系统的运行回水温度，℃；
——供热系统的设计供水温度，℃；
——供热系统的设计回水温度，℃；
——供暖室内设计温度，℃；
——相对供暖热负荷比；
——相对流量比；
——由实验确定的系数，按用户选择的散热器型式确定；
——分阶段点相对流量比的数值。
2.1.2 调节阶段的划分
在这种调节方式中，可根据需要将采暖期分为若干个阶段，通过改变循环水泵的运行及组合方式来达到改变循环流量的目的。可以采用两种选泵方案：第一种选泵方案是选用几组(台)不同规格的循环水泵，其中一组(台)循环水泵的循环流量按设计值的100%考虑，另外一组(台)或几组(台)按分阶段改变流量的小流量阶段的要求来选择；第二种选泵方案是选用多台相同规格的水泵，通过改变并联运行泵的台数来改变流量。由于水泵扬程与流量的平方成正比，水泵的电功率与流量的立方成正比，这种调节方式较质调节方式来说，节约电能效果较为显著。
2.2 分阶段量调节和质调节
量调节节能率大，但在相对流量较小时，会引起系统的水力失调；为了避免上述现象，分阶段量调节和质调节就是将整个供暖期按室外温度的高低分成两个阶段，在室外温度较低的阶段，系统采用量调节；在室外温度较高阶段，系统采用质调节。
2.2.1 分阶段量调节和质调节方式下的供、回水温度计算公式
1) 第一阶段——量调节阶段
当室外温度较低时，按量调节方式进行调节，在该阶段，保证系统的供水温度 等于设计供水温度 ，供、回水温度及流量计算公式如下：
(2)
2) 第二阶段——质调节阶段
当室外温度较高时，按质调节方式进行调节，该阶段系统相对流量比 ，供、回水温度及流量计算公式如下：
(3)
式中 ——分阶段点相对流量比的数值；
其余各项同式(1)。
2.2.2 调节阶段的划分
合理地确定 的数值，可充分发挥量调节和质调节的长处。当 取较大的值时，节能率小； 取值太小，又容易引起水力失调，通常 可以取0.5～0.8之间的值。
2.3 分阶段综合调节和质调节
分阶段综合调节和质调节也是将整个供暖期按室外温度的高低分成两个阶段。在室外温度较低的阶段，系统采用质量流量综合调节；在室外温度较高阶段，系统采用质调节。
2.3.1 分阶段综合调节和质调节方式下的供、回水温度计算公式
1) 第一阶段——综合调节阶段
在综合调节阶段，热水网路的相对流量比 等于供热的相对热负荷比 ，其供、回水温度及流量计算公式如下：
(4)
式中各量同(1)。
在该阶段可利用调速方法改变网路循环水泵的转速，从而改变循环水泵提供给网路的压差，计算式如下：
(5)
式中 ——调节过程中，循环水泵提供的运行工况压差，pa；
——网路的设计工况压差，pa。
2) 第二阶段——质调节阶段
供、回水温度及流量计算公式如下：
(6)
式中 —— 分阶段点相对流量比的数值；
其余各量同式(1)。
该阶段循环水泵转速恒定不变，提供给网路压差不变，计算式如下：
(7)
式中各量同式(5)。
2.3.2 调节阶段的划分
当 取较大的值时，节能率小； 取值太小，又容易引起水力失调，通常 可以取0.5～0.8之间的值。
3 算例分析
以哈尔滨某热网为例，其设计供/回水温度分别为85/60℃，室内计算温度 ℃，室外计算温度 ℃，选用M-132型散热器，取 。
利用上述三种调节方式分别进行计算。将供热系统按照 、 两个阶段进行调节，可得到不同室外温度下供、回水温度及相对流量比的数值，如表1~ 3所示。
分析水温调节公式、水温曲线及表格数据，网路的供、回水温度随室外温度的变化有如下规律：
(1)在大流量阶段，采用分阶段改变流量质调节方式，网路的供、回水温度均随着室外温度的升高而降低，供回水温差减小，网内循环水量保持不变；采用分阶段量调节和质调节，网路的供水温度不变，回水温度随着室外温度的升高而降低，供回水温差增大，网内循环水量减小；采用分阶段综合调节和质调节，网路的供、回水温度均随着室外温度的升高而降低，供回水温差不变，网内循环水量减少。
(2)在小流量阶段，采用以上三种调节方式时，随着室外温度的升高，网路的供、回水温度随之降低，供回水温差随室外温度减小。
(3)选取相同的分阶段方式，分阶段量调节和质调节方式的分阶段点对应的室外温度低于其它两种方法。
表1分阶段改变流量质调节时在不同室外温度下供、回水温度及相对流量比的数值
室外温度(℃)
-26
-23
-20
-17
-14
-11
-8.4
-6
-3
0
2
5
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00/0.60
0.60
0.60
0.60
0.60
0.60
(℃)
85.0
81.3
77.5
73.6
69.7
65.8
62.3/67.3
63.5
58.8
53.9
50.6
45.5
(℃)
60.0
58.0
55.9
53.8
51.6
49.3
47.3/42.3
40.8
38.9
36.9
35.4
33.2
注：表中黑体字分别代表分阶段点的室外温度、相对流量比、供水温度及回水温度。
表2 分阶段量调节和质调节时在不同室外温度下供、回水温度及相对流量比的数值
室外温度(℃)
-26
-23
-20
-17
-14
-11
-8
-5
-3
0
2
5
1.00
0.76
0.60
0.60
0.60
0.60
0.60
0.60
0.60
0.60
0.60
0.60
(℃)
85.0
85.0
85.0
80.5
76.1
71.5
66.9
62.1
58.9
54.1
50.7
45.6
(℃)
60.0
54.2
48.4
46.8
45.2
43.6
41.8
40.0
38.7
36.7
35.3
33.1
注：表中黑体字分别代表分阶段点的室外温度、相对流量比、供水温度及回水温度。
表3分阶段综合调节和质调节时不同室外温度下供、回水温度及相对流量比的数值
室外温度(℃)
-26
-23
-20
-17
-14
-11
-8.4
-6
-3
0
2
5
1.00
0.93
0.86
0.80
0.73
0.66
0.60
0.60
0.60
0.60
0.60
0.60
(℃)
85.0
82.1
79.2
76.2
73.1
70.0
67.3
63.5
58.8
53.9
50.6
45.5
(℃)
60.0
57.1
54.2
51.2
48.1
45.0
42.3
40.8
38.9
36.9
35.4
33.2
注：表中黑体字分别代表分阶段点的室外温度、相对流量比、供水温度及回水温度。
4 直连系统分阶段调节的能耗分析
4.1 供暖热负荷变化规律
供暖热负荷的变化规律与室外温度的变化相适应。根据许多城市历年室外日平均气温的资料，通过数学分析和回归计算，得出供暖热负荷延续时间图的无因次数学表达式如下[2]：
(8)
式中 ——无因次群，代表无因次延续天数；
——与采暖地区有关的常数，可由参考文献[2]查得
——供暖期内室外日平均温度等于或低于某 的历年平均天数或平均小时数；
——供暖期总天数或总小时数；
4.2 不同运行方式的循环水泵能耗计算
在进行水泵的能耗计算时，除了需要知道泵的流量 和扬程 外，还应确定该工况点的泵效率值 。其设计工况下和非设计工况下的水泵轴功率的计算式分别为[3]：
， (9)
式中 ——水泵设计工况和非设计工况下的功率， ；
——水泵设计工况和非设计工况下的扬程，m水柱；
——水泵设计工况和非设计工况下的流量， ；
——水泵设计工况和非设计工况下的效率；
——网路中水的密度， ；
——重力常数， 。
根据水泵的相似定律有：
(10)
式中各项同式(1)和式(9)。
不同调节方式的循环水泵能耗不同，三种分阶段供热调节方式都不同程度地降低了循环水泵的能耗，为了便于比较，下面首先介绍质调节方式的能耗计算式，然后将三种分阶段供热调节的节能情况与质调节进行对比。
4.2.1 集中质调节时循环水泵能耗
质调节时，循环水泵的流量不变，水泵能耗计算式为：
(11)
式中 ——质调节方式下循环水泵的能耗，W；
其余各项同式(8)和式(9)。
4.2.2 分阶段改变流量质调节方式下循环水泵能耗
假设分阶段点的流量比为 ，在临界点流量比下采暖期的延续天数为 ，将其代入式(8)，得到 的计算公式：
(12)
式中 ——临界点流量比；
——在临界点流量比 下采暖期的延续天数；
其余各项同式(8)。
则分阶段改变流量质调节方式下循环水泵能耗为：
(13)
式中 ——分阶段改变流量质调节方式下循环水泵的能耗，W；
——分阶段点的总个数。
其余各项同式(8)、(9)和(12)。
4.2.3 分阶段量调节和质调节方式下循环水泵能耗
采用分阶段量调节和质调节方式时，假设分阶段点的流量比为 。当 时，循环水泵在设计工况下运行；当 时，水泵在量调节工况下运行；当 时，水泵在临界流量比 下做恒流量运行。结合式(12)可得到分阶段量调节和质调节下循环水泵能耗为：
(14)
由于上式第二项中 不可积，所以对于分阶段量调节和质调节方式，循环水泵能耗可根据参考文献[2]附录6-6的数据，采用数值积分进行计算。
4.2.4 分阶段综合调节和质调节方式下循环水泵能耗
采用分阶段综合调节和质调节方式时，假设分阶段点的流量比为 ，临界点流量比所对应的天数为 ， 的计算式为：
(15)
式中 ——分阶段点的流量比；
——分阶段点流量比所对应的天数；
其余各项同式(8)。
当 时，循环水泵在设计工况下运行；当 时，水泵在质量流量综合调节工况下运行；当 时，水泵在临界点流量比 下恒流量运行。结合式(12)可得到分阶段综合调节和质调节下循环水泵能耗为：
(16)
式中
——分阶段综合调节和质调节方式循环水泵的能耗，W；
其它各项同式(8)、(9)和(15)。
4.3 算例分析
进行分阶段调节时，选取不同的阶段点，其节能效果也不同。以下算例中选择了不同的阶段点，对循环水泵能耗进行比较和分析。
哈尔滨某供热系统，网路的设计供、回水温度分别为85/60℃。网路循环水泵设计工况下参数分别为 、 、 室内计算温度 ℃。
查阅文献[2]，得到哈尔滨地区 ℃、 天、 、 ，不同调节方式下循环水泵能耗的计算结果如表4所示。
表4 分阶段调节时选取不同的分阶段点循环水泵能耗比较
调节方式
室外临界温度(℃)
相对流量比
能耗比
节能率
分阶段改变流量质调节
-4
0.5
0.73
0.27
-8.4
0.6
0.65
0.35
-12.8
0.7
0.61
0.39
-17.2
0.8
0.64
0.36
分阶段量调节和质调节
-18
0.5
0.18
0.82
-20
0.6
0.26
0.74
-22
0.7
0.38
0.62
-23
0.8
0.55
0.45
分阶段综合调节和质调节
-4
0.5
0.36
0.64
-8.4
0.6
0.40
0.60
-12.8
0.7
0.47
0.53
-17.2
0.8
0.58
0.42
从上表可看出，在分阶段改变流量质调节方式下，当分阶段点的流量比取0.7时，节能率最大；在分阶段量调节和质调节和分阶段综合调节和质调节方式下，分阶段点的相对流量比越小，节能率越高。
三种分阶段调节方式下，分阶段点相对流量比取相同的数值时，分阶段量调节和质调节最节能，分阶段综合调节和质调节次之，分阶段改变流量质调节节能率相对较低。
5 结论
(1) 分阶段改变流量质调节将整个供暖期按室外温度的高低分成若干个阶段，在室外温度较高的阶段，系统循环流量小于设计流量，与纯质调节相比，在一定程度上减少了循环水泵的能耗。
(2) 分阶段量调节和质调节方式充分发挥了量调节和质调节的长处，避免了它们的弊端。在量调节阶段，供水温度等于设计供水温度，系统在相应室外温度所需的最小流量下运行，充分节约了循环水泵的电耗；在质调节阶段中，系统保持了相对的稳定的水力工况，系统的循环水量不仅小于设计流量，而且可以在不引起系统水力失调的较低流量运行，也在一定程度上减少了循环水泵的能耗，整个采暖期能耗大为减少。
(3) 分阶段综合调节和质调节方式节能效果介于上述两种调节方式之间。在综合调节阶段中，随着室外温度的升高，供水温度不断降低，系统的循环水量与采暖热负荷同比减小，调节策略简便，从而节约了循环水泵能耗；在质调节阶段，与上述第二种调节方式相同，也节省了能耗。
参考文献
[1] 石兆玉. 调速水泵在变流量供热系统中的应用. 区域供热. 1995，2：6—12
[2] 贺平，孙刚. 供热工程. 北京：中国建筑工业出版社，1993
[3] 周谟仁. 流体力学泵与风机. 北京：中国建筑工业出版社
