1 绪论
1.1 研究背景以及课题来源
这些年来，中国经济迅猛发展，伴随而来的能源问题日益突出。我国的能源生产量早已经无法满足日益增加的能源消费量需求。2012 年中国对煤炭、石油和天然气的消费量均居世界前列，对煤炭的消费量更是达到了世界煤炭消费总量的近一半水平，而同期中国能源生产量却远低于能源消费总量[1]。可见，中国能源消费的缺口还是比较大的，节约能源势在必行。据资料显示，目前我国建筑能耗已接近社会总能源消耗量的 20~30%，未来几年可能达到 40%，呈逐年增长趋势，逐步超越工业、交通等其他行业而成为社会能源最大的消耗者[2]。中国目前的能耗以供暖、空调和通风为主，三项之和占到了建筑总能耗的 2/3，而其中供暖能耗占建筑能耗的份额最大[3]。截止 2012 年底，全国的集中供热面积由 2000 年的 11.1 亿平方米增加到了 49.2 亿平方米，翻了两番多[4]。所以，降低供暖能耗，对于提高我国的能源利用率，缓解当今能源紧张的局势有着不可估量的意义。供热一次网是供热系统中投资最多、施工最繁重的部分。供室外供热一次网在整个寿命周期内分投资决策阶段、规划设计阶段，决策及设计阶段是影响工程成本最重要的阶段，也是节约可能性最大的阶段[5]。这就说明，要节约能源，提高供热系统运行效率，在设计阶段针对供热一次网系统的优化运行进行研究，找到解决问题的可行性办法势在必行。然而，在传统的设计模式下，热源端的循环水泵要满足最远端的最不利环路的阻力要求，满足最不利环路的用热需求，因此靠近热远端用户往往会过热。这种模式运行总会造成“近热远冷”的状况，与此同时，“大流量、小温差”的问题随之而来。久而久之，在工程实际中，供热一次网的设计温差一般取 70℃~80℃，而往往实际运行温差却只有 40℃左右，远远达不到设计值。这就说明在设计负荷固定的情况下实际运行流量远远大于设计值，浪费大量水资源，水泵选型相应加大，浪费了大量的电资源。
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1.2 国内外相关研究状况
国外的供热工程技术发展迅速，其发展程度远远超过我国，由于一次网和二次网的大致原理近似，所以国外的的供热一次网及二次网的运行控制调节情况均对国内供热一次网的研究具有指导性作用。19 世纪初期，以热水或者蒸汽作为热媒的集中供热系统在欧洲开始出现。1897年，人们开始使用集中供热这种方式来采暖。当时，第一个区域锅炉房在纽约建成并开始向附近的 14 家用户供热。20 世纪初，一些发达的工业国家，生产和生活用热开始使用发电厂内汽轮机的排气来提供，后来这种模式逐渐发展成现代化的热电厂[6] [7]。集中供热技术的快速发展，主要是在第二次世界大战以后。现在，欧洲国家，尤其是北欧和西欧的各个国家，城市集中供热技术的发展己处于世界的领先水平，集中供热的供热普及率已经超过了 60%。西方国家的集中供热技术已经相对成熟，基本上实现了温度的自动调节、自动控制以及热计量管理[8] [9]。北欧一些集中供热系统发展较好的国家，大型供热系统已经计算机化，其软件能灵活地应用于优化设计、系统分析和投资计算，早已经形成了较完备的软件系统 [10]。从设备、技术、管理等诸方面来看，集中供热发展非常快的国家有前苏联、丹麦、芬兰、瑞典、德国等。在七十年代，欧洲一些国家建成了热网水力工况计算机模型。利用这些水力模型，他们可以计算一些经济性问题得到相关的经济参数。水力计算在这些国家经过了辉煌的发展。1966 年，管道层流非恒定摩阻项由西尔克提出，1975 年，权函数近似表达式由奇卡提出。1985 年，综合特征线方程和湍流的零方程模型由欧米、凯欧曼等人提出。优化研究供热系统设计参数的理念得到了充分的推广，兼顾了系统的技术性和经济性前提下，热网经济参数的概念越来越受到人们关注 [11]。在进行优化选取集中供热系统的设计参数时，实验推荐的数值依然被国外依然采用。俄罗斯一些大的设计公司，仅仅对自己工程要用的计算图表进行了推广。这些以实验为基础的成果，大多只是针对某一具体管段进行分析，用修正系数来处理限定条件改变时的情况，并没有人对推荐值对于所有供热系统的普遍适用性做过具体的研究。
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2 供热一次网简介
2.1 供热一次网的定义
目前，采暖通风行业对于热水供热一次网、供热二次网尚无明确的定义。通过大量阅读国内外相关资料，并且进行现场调研、理论知识归纳，结合本课题采用的 Hac Net（Heating and Air Conditioning Piping Simulation and Analysis Toolkit）,水力拓扑仿真模拟软件（全称供热空调输配系统水力模拟及动态调节仿真模拟软件，软件具体介绍见第 3 章）的具体功能，本课题针对热水供热一次网、二次网进行了定义明确的划分，具体定义如下：定义供热一次网为：换热首站（即热电厂）到各个区域换热站之间的管网。供热一次网包括换热首站、主管网、区域换热站（与二次网换热前的那部分）三部分（详见图 2.1，图 2.2）。定义供热二次网为：各个区域换热站到热用户之间的管网。包括区域换热站（与一次网换热后的那部分）、二次管网、热用户三部分（详见图 2.1，图 2.2）。
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2.2 供热一次网的水力工况理论
对于一供热一次网设计项目，首先要分配负荷。负荷的分配在设计阶段是按照面积指标划分的，不同地区的面积热指标各不相同。得到区域负荷以后就可以按照公式来计算相应换热站的热水流量。热水管网设计和运行中，我们常常用水压图来表示整个供热管网系统中各点压力大小和分布情况。对于供热一次网而言，循环水泵的扬程以及全部外网、热用户系统的压力损失等，都直接影响水压图的变化。一般只绘制干线水压图，对于复杂的情况，还应该绘制支线路的水压图。
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3 图论的基本概念及 Hac Net 热水管网拓扑仿真模型..........19
3.1 图论的基本概念..... 19
3.2 水力工况的图论拓扑模型....... 19
3.3 模拟软件 Hac Net 的引入.........21
4 供热一次网工程实例的 Hac Net 仿真建模分析.........24
4.1 工程简介........ 24
4.2 水力计算........ 24
4.3 传统集中供热模式的 Hac Net 仿真模拟............28
4.4 分布式变频二级泵系统水力平衡调节方式的 Hac Net 仿真模拟........38
4.5 传统集中供热系统与分布式变频二级泵集中供热系统节能性对比........... 50
5 理论分析分布式变频二级泵系统的四种模式............54
5.1 热源处加平衡管的情况........... 54
5.2 热源处不加平衡管的情况....... 55
5.3 分布式系统扩容半径的讨论............ 57
5 理论分析分布式变频二级泵系统的四种模式
前文对于传统式集中供热系统统进行了设计工况下的 Hac Net 建模，同时，采用了分布式二级泵系统的稳定性选取的特殊情况进行了设计工况下的 Hac Net 建模。建模分析结果表明：分布式二级泵集中供热系统系统远远稳定于传统集中供热系统；分布式变频二级泵集中供热系统较传统系统而言，在整个运行周期的节能方面具有优越性。前文分析表明，那么在整个动态运行周期内，该系统的各个参数和气象参数都在随时变化，这时就分布式变频二级泵集中供热系统自身的四种模式而言，哪一种模式的实际运行会更加稳定呢？由前文可知，分布式变频二级泵安装在回水管与供水管上唯一的区别就是二级泵安装在回水管上的使用寿命更长，而节能效益、环保效益和稳定性是没有区别的，那我们就来分析二级泵安装在回水管的前提下，安装耦合平衡管还有不安装耦合平衡管的情况下，分布式变频集中供热系统的运行稳定性情况。为了研究方便，本课题研究的一级泵为工频泵，二级泵为变频泵。
5.1 热源处加平衡管的情况
热源泵只负责提供热源到平衡管的阻力 H，各个区域换热站回水管上安装二级泵配套变频设施，二级泵负责提供平衡管沿供热外网到换热站的资用压力和换热站内部资用压力。随着外部环境温度变化，用户需热量也在不停地变化，这时各个分布式二级泵进行变频调节，通过变频作用各取所需，使供热外网的运行在整个供热周期内都能稳定优化。由 2.2.1 节中，式（2-12）P0=ΔH+Pb+ΔPf 可知，在一次网供水温度不变时，静水压线高度不变，这种运行工况下，最不利在水压图上显示的 C 点不得低于静水压线，也就限制了分布式二级泵可以无限扩容的理想状况。当室外温度降低，在分布式变频二级泵量调节不能满足热用户负荷要求时，往往配合质调节运行，这个情况下，一次网供水温度升高，供水温度下的饱和汽化压力 Pb 增加，进而净水压线提升，这时，最末端用户 C 点，或者扩容后用户的相应节点，很可能到了静水压线以下，使得整个系统无法稳定运行。由此可见：盲目地无限扩容只会使得运行不稳定，甚至无法全面供热。
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结论
供热一次网本身就是一个错综复杂的流体拓扑网络。传统的集中供热管网实际运行时，由于设计之初主循环泵的选型方式、普遍采用的被动式阀门调节，以及热电厂、热网和换热站三者之间的耦合，普遍存在节流损失、水力工况的不稳定和水力失调的问题。近些年业内人士非常关注的分布式变频二级泵系统就能从根本上克服传统集中供热系统的诸多不足。本文通过“理论分析——工程实例建模分析——理论分析”的方法进行研究，以西北某镇供热一次网为工程实例，利用Hac Net 仿真模拟软件，分别对传统式集中供热模式和新型分布式变频二级泵模式进行了仿真运行模拟，在模拟结果的基础上，进一步理论分析，我们得出如下结论：
（1）分布式变频二级泵系统的水力工况稳定性优于传统的集中供热系统，采用分布式系统，更有利于一次热网的水力平衡。
（2）在自控程度相同的情况下，热源端安装了平衡管的分布式变频二级泵系统比不安装平衡管的分布式变频二级泵系统更加稳定。
（3）即便热电厂供热能力充足，提供热水量足够，某一确定供热工程的分布式二级泵系统也不能盲目扩容。该系统的扩容是受限制的，扩容能力主要跟供水温度和分布式二级泵布置的位置有关。分布式二级泵布置在供水管上，扩容能力更大。适当降低供水温度，扩容能力更大。而对于一个确定的供热工程，分布式系统的最大扩容程度存在于水压图的最低点与静水压线相交时。
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参考文献(略)