供热系统分布式混水连接方式的选优
清华大学 石兆玉
摘 要：为节能（电）的需要，我国采用混水连接方式的供热系统已成为行业关
注的新热点。为使设计方案更加科学合理，本文就混水连接的管网特性、 方案的最优组成以及节能（电）计算进行了探讨。
关键词：供热系统 混水连接方式 管网特性 节能 优选
一、分布式混水连接系统的优势
混水连接方式是供热系统直接连接的一种传统的有效的方式。多采用喷射泵和混水泵实现。近年来，由于节能、节电的需求以及变频调速水泵的广泛应用，混水泵的连接方式，呈现出明显优势，因此，成为新近一个时期，业内人员普遍关注的热点。
作者在“供热系统分布式变频循环水泵的设计”一文中[1]，就分布式变频混水泵的节电优势，做过详细的分析论证：一般分布式变频循环水泵的供热系统，其水泵装机容量与传统设计方案相比，节电1/3；而分布式混水泵供热系统，其装机节电量为2/3。若在运行期间，采用变频变流量调节，则全系统节电85%左右，优势更为显著。
分析分布式混水泵节电原因，主要是能更多的消除管网在热媒输送过程中的无效电耗，进而提高了管网的输送效率。采用分布式混水泵系统，最大的特点是减少了一次网的设计循环流量（增大了供、回水温差，对于高温水供热更是如此）。众所周知：当管网比摩阻相同时，分布式循环水泵的设计方案与传统设计方案相比，水泵扬程基本相等。水泵电机装机电量的节省，主要体现在流量的选择上。对于传统设计方法，由于循环水泵设置在热源处，其循环流量必然是系统的总设计流量，这就造成系统循环水泵的电功率，远大于实际需要的数值，其结果是在系统的近端热用户形成过量的资用压头，以至于不得不加装流量调节阀进行节流，造成大量电能的无谓浪费。采用分布式混水泵系统，不但避免了上述电能的浪费，而且大大降低系统一次网总的循环流量，从而实现在最小的耗电功率下达到最大供热量的输送，这是分布式混水泵节电的根本原因。
分布式混水泵连接方式的另一优势，是能灵活适应热用户的各种不同采暖方式的需求。近年来，除散热器采暖方式外，空调热风采暖，地板辐射采暖等形式大量涌现。散热器采暖需要较高的二次网设计供水温度（一般应在85℃以上，供、回水设计温差为20~25℃）；空调热风采暖，二次网供、回水设计温度为
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60/50℃；地板辐射采暖，二次网供、回水温度以45~50/35~40℃为宜。对于分布式混水泵系统，只要改变不同的混合比（二次网混水量与一次网供水量之比），就能很方便地实现上述各种不同采暖形式的参数要求。
分布式混水泵系统的上述优点，对于分布式循环水泵的间接连接系统（通过板换实现）也同样能够实现，但后者的初投资比前者大，这是分布式混水泵系统的又一重要优势。
二、几种混水连接方式的特性
目前常采用的混水连接方式有以下几种，如图1所示：
图1-a为喷射泵连接；图1-b，混水泵置于旁通管上；图1-c，混水泵置于二次网供水管上；图1-d，混水泵置于二次网回水管上；图1-e，一次网供水管上（或回水管上）置热网循环泵，二次网供水管上置混水泵。在分布式混水连接中，为适应自动控制的需要，常在上述喷射泵、混水泵前后的相关位置设置电动调节阀，而且数量不止一个。从近几年对实际工程的观察：上述所有连接方式的设计都比较随意，有的工艺比较合理，有的并不合理；甚至由于工艺不合理，导致本想节能而实则费能的结果。为了优化设计，深入分析上述几种连接方式的特性，进而明确不同工程应具有不同的优选方案，是十分必要的。 2112 （a） （b） 211122 （c） （d） （e） 图1几种混水连接方式示意图 1—热用户 2—混水旁通管 a）喷射泵； b）旁通混水泵； c）二次网供水混水泵； d）二次网回水混水泵； e）一次管网泵，二次供水混水泵
1．工况计算的基本公式
混水系统通用示意图如图2所示。混水装置（含喷射泵、混水泵）可能分别或同时设置在一、二次网和混水旁通管上。为深入研究混水装置和各种调节阀的优化配置，有必要对混水系统的工况进行基本分析。
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P1热源H1G1gHhGhPhP2G2g热用户H2 图2 混水泵系统通用示意图 根据电学的基尔霍夫定律，可对图2的混水泵系统的流量、压力建立如下的基本关系： G2g=G1g+Gh （1） ΔH1+ΔH2=ΔP1+ΔP2 （2） ΔH1-ΔHh=ΔP1 （3） ΔH2+ΔHh=ΔP2+ΔPh （4）
又根据电学的特兰根定律，可建立各种混水装置的水泵电功率与系统各管段的流量、压降的如下关系：
G1gΔH1+ G2gΔH2+ Gh ·ΔHh =N1+N2+Nh （5）
式中，G1g、G2g、Gh —— 分别为一、二次网和混水旁通管的流量；
ΔH1、ΔH2、ΔHh—— 分别为一、二次网和混水旁通管的管段压力降； ΔP1、ΔP2、ΔPh —— 分别为一、二次网和混水旁通管的混水装置的扬程； N1、N2、Nh —— 分别为一、二次网和混水旁通管的混水装置的电功率。 2．混合比[2] 对于各种混水连接方式的供热系统，混合比亦称混合系数是至关重要的参数。根据定义，混合比u，是进入混水装置（混水泵、喷射泵）的二次网回水流量与一次网供水流量之比，如图3所示，则有： G1gt1g1t2gG2g2G2h、t2hGhG1h、t1h 图3 混水装置系统 1—混水装置 2—热用户 u=Gh/G1g （6） 根据热平衡原理，则可得出混合比与一、二次网供、回水温度（t1g、t1h、t2g、t2h）之间的关系： 3 u’=G’h/G’1g=
式中带“，”者为设计参数。
?g?t2?gt1?g?t2?ht2 （7）
只要给出一、二次网的设计供回水温度，就能很方便算出设计混合比。表1给出了供热系统一、二次网常采用的几种设计供、回水温度下的混合比值，以供参考。可以看出：对于热风采暖和地板辐射采暖，混合比是很大的，常在4~8之间，混合比愈大，一次网输送电功率愈小，节电愈明显。
表1 不同参数混合比（u）值 t'1g(℃) t'2g(℃) t'2h(℃) u 供热方式 t'1g(℃) t'2g(℃) t'2h(℃) u 供热方式
3．变工况下的混合比
对于图2的混水系统，当只有混水旁通管上安装有混水泵时，根据[2]中的（2.20）式可得：
1S总?1S2?1Shz130 95 70 1.4 85 65 2.25 85 60 1.8 80 60 2.5 60 50 7.0 热风 采暖 120 50 40 8.0 地板 辐射 95 70 1.0 85 60 1.4 60 50 6.0 热风 采暖 50 40 7.0 地板 辐射 散热器 散热器 110 95 70 0.6 85 60 1.0 60 50 5.0 50 40 6.0 85 60 0.4 95 60 50 3.5 50 40 4.0 散热器 热风采暖 地板辐射 散热器 热风采暖 地板辐射 （8）
式中，S2、Sh、Shz—分别为二次网、混水旁通管和混水旁通有源管段的阻力系数；
S总—为二次网与混水旁通管组成回路的总阻力系数。
由于混水旁通管安装有混水泵，则为有源管段，此时混水旁通有源管的总阻力Shz应为：
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Shz = Sh -
?Ph （9） 2Gh从公式（8）、（9）可以看出：当旁通混水泵为混水运行时，二次网与混水旁通组成的回路阻力系数S总增加， 且混水泵转速愈高，混水量Gh 愈大，Shz值愈小，S总增加的愈多。
4．混水特性
根据上述分析，混水连接系统将有如下特性存在：
（1）当旁通混水泵运行时，混水系统的混合比为变量，混水泵转速愈高，混合比u值愈大。这是因为当混水泵起混水作用时，二次网（含混水旁通管）回路S总增加，导致一次网循环流量G1g减少；混水泵转速愈高，S总增加愈多，G1g减少愈多，Gh增加愈多，亦即混合比u增加愈多。
（2）当混水泵单独设置在二次网上（含二次网供水管或回水管）时，混合比u值始终保持恒定（由公式（7）决定），与混水泵的转速快慢无关。这是因为不论混水泵转速如何变化，此时一次网或混水旁通管的阻力系数始终不变（假定管段上的调节阀未加调节），进而导致一次网循环流量G1g与混水旁通管流量Gh始终成一致等比失调。这一结论，对于喷射泵系统亦完全适用。
（3）根据u值不变原理，公式（7）可扩展为u'?u?式中不带角码，为任意工况数值。
对于任一供热系统，当初调节完成后，各热用户和管网的阻力不再发生改变时，则整个运行过程中，系统混合比保持恒定值。
当二次网的设计供回水温度确定后，根据不同的调节方式，按照熟知的温度调节公式，很方便计算出随室外温度变化的二次网供回水温度t2g、t2h值。同样按照（7）式，即可求出不同混合比下一次网随外温变化的供回水温度值。
t1g=t2g+u（t2g – t2h） （10）
t1h = t2h （11）
三、混水系统的优选 1．最优目标
根据设计的G’1g、G’2g、G’h，通过水力计算，又能确定一次网、二次网和混水旁通管的相应管径d1、d2和dh以及相应的管段压降ΔH’1、ΔH’2和ΔH’h。根据公式（5），可知实现上述设计参数的混水供热系统的循环水泵（含混水泵）的最小装机电功率为Nmin，即：
Nmin=ΔH’1G’1g+ΔH’2 G’2g +ΔH’hG’h （12）
很显然，符合公式（12）中的Nmin即为混水系统中分布式变频循环水泵（含混
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t'1g?t'2gt'2g?t'2h?t1g?t2gt2g?t2h，