区域型供冷供热系统由于其输送系统规模大、距离远,通常采用三级泵直供系统。该类系统在能源中心侧设置一级泵(源侧)与二级泵(区域输配侧),用户侧设置三级泵,与用户侧采用板式换热器进行分隔的间供系统形式相比具有一定的技术经济性 ^[1]。然而,该类系统在设计过程中存在以下3个关键问题亟待解决:水泵选型扬程确定方法、耗电输冷(热)比计算、三级泵运行工况与调控方式。本文对前2个关键问题展开分析,第3个问题笔者将另行撰文讨论。

　　 从用户侧支管与区域输配干管的连接形式来看,区域型三级泵直供系统可分为解耦式与非解耦式,分别如图1,2所示。图中P0′为一级泵,P0为二级泵,P1～P13为三级泵;s0,s1,a0～a4,b0～b4,c0～c5,d0～d5,e1～e4,f1～f4均为管路系统的节点编号。

　　 解耦式区域型三级泵直供系统中,用户侧支管与区域输配干管之间设共有管,用户侧回水支管上设电动调节阀控制从区域输配干管进入用户侧的流量,三级泵的运行不受区域输配管网资用压头的影响;二级泵的运行满足输配管网压差控制点的设定值要求,压差控制点通常设于输配管网的最不利处。在此类系统中,各用户侧三级泵的运行不存在直接的水力互扰,因此被国外相关区域供冷(热)设计指南 ^[2,3]所推荐。

　　 非解耦式区域型三级泵直供系统中,用户侧支管与区域输配干管之间无共有管,三级泵的运行受区域输配管网资用压头的影响,因此在此类系统中,各用户侧三级泵的运行存在直接的水力互扰;二级泵的运行满足输配管网压差控制点的设定值要求,压差控制点可设于输配管网的最不利处,也可设于输配管网的其他节点上,但设定位置与设置数量不仅与二级泵的选型扬程有关,也与三级泵的选型扬程有关。与解耦式系统相比,此类系统三级泵可利用区域输配管网资用压头,节能性较好,在国内实际工程项目中也有大量的应用。

　　 此类系统中一级泵用于克服源侧阻力,其扬程的选型计算方法与常用方式一致,本文不再赘述。对应图1,该类系统中二级泵与三级泵选型扬程的计算边界条件如表1所示。

　　 此类系统中,二级泵的选型扬程以满足输配管网压差控制点的设定值为目标。三级泵的选型扬程需考虑用户侧支路扬程需求(H_t)与区域输配管网资用压头(H_a)(后文简称为资用压头)两大因素,三级泵选型扬程H=H_t-H_a,当计算所得H<0时,说明该用户侧输配管网资用压头可克服用户侧末端阻力,无需设置三级泵,多余资用压头需采用阀门消耗。资用压头的取定有以下2个特点:1) 数值可正可负,视区域输配管网压差控制点与该用户间的相对位置而定;2) 需从各用户侧的角度出发考虑最不利工况,以确保水泵选型扬程满足任意工况需求,因此最不利工况与系统设计工况并不完全一致。在该类系统中,二级泵与三级泵选型扬程的计算边界条件如表2所示。

　　 为加深对三级泵资用压头计算方法的理解,图3,4给出了计算用户与压差控制点的相对位置不同时,随着系统流量变化,计算用户资用压头的变化规律。图3中,计算用户在压差控制点的上游,当系统流量为最大流量(即设计流量)时,用户3的资用压头为最大值Δp_3max,随着用户3至压差控制点间其他用户流量的减少,用户3的资用压头逐渐降低,当流量减少为0时,用户3的资用压头出现最小值Δp_3min=Δp(其中Δp为系统压差控制点的设定压差)。图4中,计算用户在压差控制点的下游,当系统流量为最大流量(即设计流量)时,用户3的资用压头为最小值Δp_3min=Δp-H_p,其中H_p为该用户与压差控制点间干管在设计流量下的管路阻力,随着该段干管流量的降低,用户3的资用压头逐渐增大,当流量近乎为0时(除用户3以外,压差控制点下游的其他用户流量均为0),用户3的资用压头为最大值Δp_3max。

　　 结合上述分析,可得到用户侧与压差控制点在不同相对位置的情况下,三级泵资用压头计算方法:

　　 1) 计算用户与压差控制点在同一支路上,用户在压差控制点上游时,H_a=Δp。如图5所示。

　　 2) 计算用户与压差控制点在同一支路上,用户在压差控制点下游时,H_a=Δp-H_p。如图6所示。

　　 3) 计算用户与压差控制点不在同一支路上时,可先找到等效压差点(压差控制点所在支路“逆流而上”,与计算用户所在支路“逆流而上”的第一个交点),等效压差点压差记为Δp,H_a=Δp-H_p。如图7所示。

　　 对于区域输配系统而言,由于其支路较多,二级泵可采用在系统中设置多个压差控制点(运行中取最不利信号)的方式来进行控制,该方式下由于压差控制点的可变性,会影响二级泵与三级泵的选型扬程,但计算原理与单压差控制点基本一致,具体计算流程如下:

　　 1) 根据系统设计要求,确定二级泵各压差控制点(1～N)在系统中的位置及压差设定值。

　　 2) 基于每种压差控制点方式,分别计算二级泵所需的扬程H_P01～H_P0N,计算中各管段流量按设计流量选取,二级泵选型扬程H_P0=max(H_P01,H_P02,…,H_P0N)。

　　 3) 基于每种压差控制点方式,分别计算各三级泵所需的扬程H_P11～H_P1N,H_P21～H_P2N,…,H_P131～H_P13N,计算方法同单压差控制点形式中的相关内容,三级泵选型扬程等于各压差控制点方式下所得到的最小扬程,以用户1为例,其选型扬程H_P1=min(H_P11,H_P12,…,H_P1N)。

　　 本算例为一个非解耦式区域型三级泵直供系统,能源中心内设置一级泵与二级泵,区域输配管网为多支路异程形式,共有13个用户,每个用户侧设1组三级泵,并有10个末端(机房),管网情况如图8所示。

　　 算例中相关参数取定如下:

　　 1) 用户1～13设计流量为900 m³/h,每个用户内各末端(机房)设计流量均相等,且为90 m³/h;

　　 2) 各管段管径与管长如图8所示,供、回水管段长度相等;

　　 3) 区域输配侧管网局部阻力系数,300 m长管段取1.5,500 m长管段取3.0;

　　 4) 用户侧管网局部阻力系数,50 m长管段取0.9;

　　 5) 二级泵与三级泵前后配件局部阻力系数均取3.0;

　　 6) 用户侧末端(机房)控制压差取8 m,区域输配侧控制压差取1 m。

　　 根据不同的二级泵压差控制点设置方式与位置,本算例各工况如表3所示。

　　 根据上述条件进行选型计算,表4以Case2为例给出了该算例下二级泵与三级泵的实际选型情况(限于篇幅,其他算例选型情况从略),表中理论计算功率指根据水泵选型的流量与扬程,按80%效率计算所得的选型功率,实际选型功率指根据水泵选型的流量与扬程,通过某水泵生产商选型软件得到的设备选型功率。

　　 表5显示了Case1～Case7各算例下选型结果的对比情况。

　　 根据各算例实际选型结果可得以下结论:

　　 1) 非解耦式区域型三级泵直供系统中,随着压差控制点设置位置与数量的不同,二级泵与三级泵的选型会存在差异。

　　 2) 理论计算总功率与实际选型总功率存在一定的差异,但差异不大,且变化趋势一致。

　　 3) 单压差控制点方式下,压差控制点离二级泵越远,水泵的总功率越大,二级泵所占总功率的比例越高。Case1总功率为Case3的66%左右,Case1中二级泵所占总功率的比例仅为13.3%,而Case3中二级泵所占总功率的比例高达55.7%。

　　 4) 通过Case4,Case5与Case1,Case2对比来看,前端、末端相结合的多压差控制点方式与前端单压差控制点方式相比,水泵总功率增大。通过Case3,Case6,Case7对比来看,末端多压差控制点方式与末端单压差控制点方式相比,可减小系统水泵总功率。

　　 空调水系统的定压设计应遵循以下2点原则:

　　 1) 系统停止运行时,整个系统最高点的压力应大于大气压力;

　　 2) 系统运行时,应确保每段管段的压力均大于大气压力。

　　 对于非解耦式区域型三级泵直供系统,当二级泵压差控制点位于系统前端时(如前文算例中压差控制点1的位置),存在供水管压力低于回水管压力的可能,为避免系统运行时出现部分管段压力低于大气压力,应对该类系统定压点压力值的确定予以关注,具体分析如下:

　　 此类系统定压点常设于一级泵入口处,一级泵扬程用于克服机房内设备和管路阻力,故可认为一级泵扬程与机房内设备和管路阻力基本抵消,图9为区域输配侧管网水压示意图,该图对比了末端压差控制与前端压差控制2类系统形式,h₀为系统的静水压力,即整个系统的高度。

　　 对于末端压差控制系统,供水水压线始终高于回水水压线,故只要使系统回水水压线的最低点压力大于等于静水压力,就可确保系统运行时各管段的压力不会低于大气压力,即:定压点的压力设计值h₁≥h₀。

　　 对于前端压差控制系统,供水水压线在零压差点之前高于回水水压线,在零压差点之后低于回水水压线,此类系统中不仅要满足定压点压力设定值(h₂)大于等于静水压力(h₀)的要求,同时应确保定压点压力设定值(h₂)与二级泵扬程(H)之和大于供水管阻力损失(ΔH_s),以保证系统运行时各管段的压力不会低于大气压力,即:定压点的压力设计值h₂≥max(ΔH_s-H,h₀)。当二级泵扬程较低,且三级泵出口压力值在合理范围内时,可取h₂≥max(ΔH_s,h₀)。

　　 因此,在对该类系统进行设计时,需要对系统水压图进行复核,并合理选取系统定压值。

　　 GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》 ^[4]中第8.5.12条对空调冷热水系统循环水泵的耗电输冷(热)比进行了定义,具体如下:

　　 $EC({\rm H})R=\frac{0.003096{\displaystyle \sum \frac{G{\rm H}}{\eta {}_{\text{b}}}}}{{\displaystyle \sum Q}}\le \frac{A(B+a{\displaystyle \sum L})}{\text{Δ}t}(1)$

　　 式中 EC(H)R为循环水泵的耗电输冷(热)比;G为每台运行水泵的设计流量,m³/h;H为每台运行水泵对应的设计扬程,m;η_b为每台运行水泵对应设计工作点的效率;Q为设计冷(热)负荷,kW;A为与水泵流量有关的计算系数;B为与机房及用户的水阻力有关的计算系数;a为与∑L有关的计算系数;∑L为从冷热机房至该系统最远用户的供回水管道的总输送长度,m;Δt为规定的计算供回水温差,℃。

　　 对于区域型三级泵输配系统,循环水泵耗电输冷(热)比该如何计算,存在以下2个问题:

　　 1) 系统环路如何确定?三级泵与二级泵分环路独立计算,还是合并环路计算?

　　 对于解耦式区域型三级泵直供系统,由于区域输配环路与用户侧环路通过共有管解耦,三级泵的选型与运行均与区域输配管网所形成的资用压头无关,故建议针对此类系统按区域与用户侧环路分别计算EC(H)R值,如图10所示。

　　 对于非解耦式区域型三级泵直供系统,由于区域输配环路与用户侧环路间无共有管,三级泵的选型与运行均与区域输配管网所形成的资用压头有关,故建议针对此类系统区域输配与用户侧管线应合并环路计算EC(H)R值,且应对每个用户侧进行该值的计算,如图11所示。

　　 2) 非解耦式区域型三级泵直供系统中,计算环路EC(H)R值时,三级泵的扬程如何确定,按选型扬程还是设计扬程?

　　 正如前文所述,三级泵的选型扬程H=H_t-H_a。当用户与压差控制点在同一支路,且在压差控制点的上游时,H_a=Δp,即H=H_t-Δp,可见三级泵的选型扬程与该用户离冷(热)源的距离无关,近端的用户虽然在系统设计工况下能够获得较大的资用压头,但为满足干管流量降低、资用压头减小的工况,三级泵扬程选型时仅减扣了控制压差值Δp(如图12所示,对于用户2而言,设计工况资用压头Δp₂大于选型工况资用压头Δp′₂),导致按其选型扬程计算时,部分近端用户环路的EC(H)R值可能会超出限定值的要求(虽然此类环路输送距离短,但三级泵选型扬程高),考虑到实际运行中用户泵可通过降频等措施充分利用资用压头,故建议对于此类情况下环路EC(H)R值的计算,采用设计工况下的扬程需求值(即设计扬程)作为计算基准。

　　 当用户与压差控制点在同一支路,且在压差控制点的下游时,H_a=Δp-H_p,即H=H_t+H_p-Δp,此时选型扬程与设计扬程一致。

　　 当用户与压差控制点不在同一支路时,H_a=Δp-H_p,即H=H_t+H_p-Δp,但此时引入了等效压差控制点的概念,压差控制点向上游前移,设计工况可用的资用压头大于用户泵扬程选型的资用压头,故也建议采用设计扬程替代选型扬程作为EC(H)R值的计算基准。

　　 综上,对于非解耦式区域型三级泵直供系统,计算环路EC(H)R值时,针对三级泵建议采用设计扬程替代选型扬程。

　　 区域型三级泵直供系统根据用户侧支管与区域输配干管的连接形式可分为解耦式与非解耦式。对于非解耦式系统,在确定区域输配泵与用户侧泵的选型扬程时,需结合压差控制点的数量、压差控制点与用户侧相对位置关系进行分类计算。对于系统耗电输冷(热)比的计算,建议解耦式系统分区域输配管网环路与各用户侧管网环路分别计算,非解耦式系统按区域输配管网环路与用户侧管网环路合并计算,考虑到设计工况与选型工况的差异,建议采用设计扬程替代选型扬程。