常见的供暖末端设备有散热器、低温热水地面辐射供暖地埋管、风机盘管等。铸铁散热器工作压力限值一般为0.8 MPa,钢制柱型散热器工作压力限值一般为1.0 MPa,低温热水地面辐射供暖地埋管的工作压力限值一般为0.8 MPa。当供暖系统中有高层建筑、供暖半径较大或者二者兼具时,就需要考虑系统设计与末端设备承压之间的适应性问题。

　　 降低系统工作压力最常用的方案是采用板式换热器,将直连供暖会超压的用户变为间接供暖的用户。包括竖向分区以降低系统的静水压力、横向划分组团以减小供暖半径等方案。这种间接供暖的方案简单可靠,可解决大部分以市政热力或锅炉为热源的供暖系统的超压问题,代价是增加了设备的初投资和运行能耗。然而对于低温热源,如地源热泵、废热利用等情况,采用间接供暖系统设备初投资和运行能耗问题会被放大,导致设计不合理。

　　 本文以某区域供热的住宅小区的热源设计为例,探讨在坚持直连供暖的前提下,通过优化多级泵和补水定压系统解决超压问题的可行性。

　　 该项目由能源中心为建筑面积约71万m²的住宅区和约46万m²的科研区集中提供冷热水及生活热水热媒。主导热源为数据中心废热,调峰热源为燃气热水锅炉,科研区用户供/回水温度为52 ℃/37 ℃,住宅区用户供/回水温度为47 ℃/37 ℃。废热热回收热源负责将回水由37 ℃加热至45 ℃,锅炉热源负责从45 ℃加热至外网供水温度。热源按2个工况运行:负荷低时,采用数据中心废热回收低温热源;负荷高时,锅炉补热增大一次网温差,提高供热管网的供热能力,末端混水,维持用户温差。能源中心建在科研区,供暖热源水系统最低点位于地下3层,相对标高-21.6 m,最高点位于地下1层,相对标高0 m。补水定压设备设置在地下3层。能源中心距最远的住宅楼供暖外线单程距离约755 m。

　　 在住宅区中,扣除散热器供暖区域及车库等不供暖区域,有共计13栋住宅楼、建筑面积33万m²的区域采用低温热水地面辐射供暖,地上最高20层,地下4层,楼高58.55 m,设计热负荷约9 400 kW。热水地面辐射供暖水系统最低点为首层地面,相对标高0 m;最高点为20层的立管,相对标高57 m。本文对这13栋楼的热水地面辐射供暖系统进行讨论。

　　 该工程系统半径大、楼层高,采用常规系统设计时,低层用户热水地面辐射供暖系统工作压力会超过0.8 MPa。GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》第5.4.5条规定:热水地面辐射供暖系统的工作压力不宜大于0.8 MPa。当超过上述压力时,应采取相应的措施 ^[1]。

　　 在热源为市政热力或锅炉房的高温水时,常规的措施是采用间接供暖解决超压问题。但该工程热源为低温热源,如为低区用户设置小温差板式换热机组,与直连供暖系统相比存在以下几方面问题:1) 为满足低区用户的供回水温度要求,热源水温至少需提高2～3 ℃,而水温每升高1 ℃,全热回收冷水机组效率约降低3%。另外,提高出水温度会增加机组的选型难度,适合的产品更少。2) 输送系统需克服板式换热机组、阀门附件的阻力(至少80 kPa),导致了运行能耗的增加。3) 板式换热机组、补水定压机组及相应的自控系统增加了初投资。其中小温差板式换热机组造价为常规温差板式换热机组的2倍以上。4) 小温差板式换热机组换热片沟槽浅,容易被水垢堵塞,维护工作量大。

　　 在低温热源和热水地面辐射供暖形式不能改变的前提下,本文从输送及补水定压系统的优化设计入手,探讨在直连供暖系统中降低系统工作压力的方案。

　　 该工程能源中心建筑较低,系统水容量大,无法采用高位膨胀水箱定压系统,常规思路为选用不容纳膨胀水量的隔膜式气压罐定压系统。输送系统为二级泵系统,补水定压点在二级泵吸入口,供暖系统的最大工作压力等于定压点压力加上二级泵的扬程。依据《全国民用建筑工程设计技术措施(2009) 暖通空调·动力》 ^[2]第6.9.7条,气压罐定压系统各压力参数可设定如下:启泵压力p₁为60.0 m,停泵压力p₂为72.9 m,电磁阀开启压力p₃为81.0 m,安全阀开启压力p₄为90.0 m。定压点压力p的变化范围为:60.0 m≤p≤90.0 m。

　　 另外,也可选择控制精度高的大型水泵式定压装置。这种装置通常由常压密闭的基本罐(续列罐为可选产品)、液力单元(含水泵、电磁阀等)和控制单元组成,近年来也多有应用。输送系统同为二级泵系统,补水定压点设在二级泵吸入口。采用这种装置补水定压,各压力参数可设定如下:系统最小操作压力p₀为59.0 m,启泵压力p₁为62.0 m,停泵压力p₂为64.0 m,电磁阀开启压力p₃为66.0 m,定压补水系统最大工作压力p_max为69.0 m。定压点压力p的变化范围为:62.0 m≤p≤69.0 m。

　　 上述计算值为假定补水定压设备的安装高度与首层热水地面辐射供暖相同,实际选型时再考虑高差的影响。由上述计算可知,不同定压系统启泵压力设定值接近,但压力变化范围差别可以很大,欲降低系统的工作压力,从优化定压方式入手是可行的。不容纳膨胀水量的气压罐定压系统的安全阀开启压力、电磁阀开启压力、停泵压力分别比大型水泵式定压装置高21.0、15.0、8.9 m。

　　 对于该项目而言,仅依靠优化补水定压系统不能完全解决超压问题,还需要进一步优化输送系统设计。

　　 设计不同的输送系统会导致循环水系统中各点的工作压力分布不同,这点在设计工况下的水压图上有明显体现。

　　 本文选用4种输送系统方案进行分析,包括:1) 管网+用户泵安装在供水管网的二级泵系统;2) 管网+用户泵安装在回水管网的二级泵系统;3) 管网泵、用户泵均安装在供水管网的三级泵系统;4) 管网泵安装在供水管网、用户泵安装在回水管网的三级泵系统。

　　 13栋楼分布在A、B、C 3个区,B区的8#楼(20层)为最远端的最不利用户,A区的4#楼(20层)为最近端的最有利用户。本文以8#楼和4#楼用户为分析对象,因为理论上极端的水力工况会出现在这2栋楼。

　　 假定外线输送供回水温差为15 ℃,用户端供回水温差为10 ℃。在二级泵系统中,能源站平衡管后至8#楼前的管网阻力损失为24.0 m,8#楼内阻力损失为9.4 m,管网+用户泵的扬程为33.4 m。在三级泵系统中,能源站平衡管后至8#楼前的管网阻力损失为24.0 m,8#楼内阻力损失为10.6 m(比二级泵系统增加了三级泵前后阀门管件及混水旁通管的阻力),管网泵扬程为24.0 m,用户泵扬程为10.6 m。顶层用户阻力损失为4.8 m(含热计量装置),换热器阻力损失为8.8 m。为仅对比输送系统形式造成的差别,上述计算假定二级泵、三级泵系统输送水温度相同。实际上二级泵系统外网水温差也为10 ℃,水泵扬程要大于上述值,更不利于降低用户工作压力。

　　 输送及定压设计需保障系统任何点不超压、不倒空。8#楼的最顶层用户回水干管为热水地面辐射供暖系统工作压力最低点(下文中称为b点),设计只要保证该点在任何时候不倒空,系统中其他点均不会倒空。4#楼的首层用户供水干管为热水地面辐射供暖系统工作压力最高点(下文中称为a′点),设计只要保证该点在任何时候不超压,系统中其他控制点均不会超压。为体现远、近端用户工作压力的变化,还选取了8#楼的最底层用户供水干管控制点(下文中称为a点)和4#楼最顶层用户回水干管控制点(下文中称为b′点)作为分析对象。

　　 另外,水压图中标注的工作压力为假定各点高度为0 m时系统在设计工况下运行的工作压力。实际上分析系统承压时,a点、a′点由于位于用户楼首层,其工作压力即为水压图中所标注数值;b点、b′点由于位于用户楼顶层,其工作压力为水压图中所标注数值与57 m的差值。分析中的定压补水系统采用第3章提到的控制精度高的大型水泵式定压装置。

　　 热源水输送系统简图见图1,系统水压图见图2。在该系统中,b点在二级泵停泵状态下工作压力最小,为保证其不倒空,设置其工作压力为2.0 m,考虑高差,设定系统最小操作压力p₀为59.0 m,启泵压力p₁为62.0 m,推出其他点的工作压力如图2所示。

　　 热源水输送系统简图见图3,系统水压图见图4。在该系统中,b点在二级泵运行状态下工作压力最小,为保证其不倒空,设置其工作压力为2.0 m,考虑高差,图中标注数值为59.0 m。以该点工作压力为基准,推出其他点的工作压力如图4所示,定压补水启泵压力p₁为80.4 m。

　　 热源水输送系统简图见图5,系统水压图见图6。在该系统中,b点在二级泵停泵状态下工作压力最小,为保证其不倒空,设定系统最小操作压力p₀为59.0 m,启泵压力p₁为62.0 m,推出其他点的工作压力如图6所示。

　　 热源水输送系统简图见图7,系统水压图见图8。在该系统中,b点在二级泵停泵状态下工作压力最小,为保证其不倒空,设定系统最小操作压力p₀为59.0 m,启泵压力p₁为62.0 m,推出其他点的工作压力如图8所示。

　　 从图2、4、6、8中摘录出各输送系统控制点a、b、a′、b′在不同工况下的工作压力值,如表1所示。其中最小值对应于补水定压泵启泵压力,最大值对应于系统安全阀开启压力。以低温热水地面辐射供暖系统的工作压力限值0.8 MPa为超压判定依据,以低于2.0 m为倒空的判定依据,判定结果如表1所示。

　　 由表1及图2、4、6、8可得出如下结论:

　　 1) 输送方案4(管网泵安装在供水管网、用户泵安装在回水管网的三级泵系统)系统工作压力最低,可以解决供暖系统的超压问题。其他3个系统均无法解决系统超压问题。

　　 2) 输送方案1(管网+用户泵安装在供水管网的二级泵系统)与输送方案3(管网泵、用户泵均安装在供水的三级泵系统)用户楼内的工作压力相近,方案3略高。输送方案1室外管网工作压力高于输送方案3。说明循环泵安装在供水管网的前提下,从二级泵系统改为三级泵系统,可以降低管网的工作压力,但不能改善楼内用户端的工作压力。

　　 3) 输送方案2(管网+用户泵安装在回水管网的二级泵系统)与输送方案1相比,将二级泵移至回水管网,并没有解决超压问题,只是将承压高的工况由二级泵运行时改成了停泵时。

　　 4) 在管网泵、用户泵运行的工况下,输送方案4与输送方案1相比,用户楼内供暖设备的工作压力降低了9.4 m,可以解决用户端超压不多的供暖系统的超压问题。由图8还可进一步推断,用户端阻力越大,即用户泵扬程越大,采用方案4的效果越明显。

　　 上述分析可从理论上证明方案4的可行性。在实际工程应用中,方案4的做法还很少见。国标图集13K511《分布式冷热输配系统用户装置设计与安装》已收录“回水管安装用户泵的三级混水泵系统” ^[3]这种做法。经咨询,多家行业内的知名厂家也可提供对应的产品。因此笔者认为方案4解决工程问题是可行的。

　　 对于低温热源的供暖系统,采用间接供暖方式解决超压问题不节能、不经济,探讨在直连供暖方式下的解决方案尤为重要。本文讨论的案例,采用将用户泵安装在回水管网的三级泵系统,与将二级泵安装在供水管网的常规输送系统相比,用户楼内供暖设备的工作压力可降低9.4 m。采用控制精度高的大型水泵式定压装置,与常规的不容纳膨胀水量的气压罐定压系统相比,安全阀开启压力可降低21.0 m。输送和补水定压系统进行上述优化后,低温热源条件下的直连供暖系统完全可满足低温热水地面辐射供暖系统的压力限值要求。

　　 由上述理论及案例分析,采用将用户泵安装在回水管网的三级泵输送系统替代传统的二级泵输送系统,可有效降低用户末端的工作压力。与控制精度高的大型水泵式定压装置配合使用,可进一步降低系统的工作压力。二者结合,可为系统超压不多的低温热源项目提供一条可行的解决途径。