喷射泵在集中供热系统中的应用及分析.pdf

喷射泵在集中供热系统中的应用及分析郝宝如,何振影,周壮,马超,孙柏屹(北京市热力集团有限责任公司海淀分公司,北京 100044)摘要:针对北京市某小区室温偏差大、用户投诉量大、水力失调严重以及能耗高等问题,采用喷射泵混水技术进行改造,有效解决了该小区存在的水力失调等问题,并达到了节能降耗的目的。改造后单位面积年耗电量节省约 11.41%,单位面积年耗热量节省约 11.04%,并且投诉工单量整体下降了 42.42%。本案例为换热站节能改造项目中遇到的水力失调、能耗较大等问题提供了解决思路和方案。关键词:水力失调;喷射泵;供热;节能DOI 编码:10.16641/11-3241/tk.2023.04.021A p p l i c a t i o n a n d a n a l y s i s o f j e t p u m p i n c e n t r a l h e a t i n g s y s t e mHAO Baoru,HE Zhenying,ZHOU Zhuang,MA Chao,SUN Baiyi(Beijing District Heating Group Co.,Ltd.Haidian District Branch,Beijing 100044,China)A b s t r a c t:In response to the problems of large room temperature deviation,high user complaints,severe hydraulic imbalance,and high energy consumption in a residential area in Beijing,the jet pump mixing technology is adopted for renovation,effectively solving the problems of hydraulic imbalance in the area and achieving the goal of energy conservation and consumption reduction.After the renovation,the annual power consumption per unit area has been saved by about 11.41%,and the annual heat consumption per unit area has been saved by about 11.04%.Additionally,the overall number of complaint work orders has decreased by 42.42%.It provides solutions and ideas for solving problems such as hydraulic imbalance and high energy consumption in the energy-saving renovation project of heat exchange stations.K e y w o r d s:hydraulic imbalance;jet pump;heating;energy saving0 引言目前,我国北方城镇供暖大部分地区以集中供热为主。但随着供暖面积的不断扩大,我国的建筑能耗也在逐年增长。据统计,截止 2020 年我国北方的供暖面积已经达到156 亿平方米,与 2001 年相比增加了近 2 倍,供暖能耗约为 2.14 亿吨标准煤,占全国建筑总能耗的 20%1。此外,我国北方建筑大部分年代已久,存在建筑围护结构保温效果差或者没有保温材料,以及供热系统单一老旧等现象,同时伴随着供热系统水力失调、用户室内温度偏差大、热损失严重等问题,造成供051区域供热 2023.4 期暖能耗普遍较高。为促进节能减排目标的实现,各供热企业也相继开展了一系列节能技术改造项目。喷射泵在供热系统中的应用得到了国内学者及供热企业的广泛关注 26,利用混水技术,将喷射泵安装在二次网管道上,可以有效解决供热系统中存在的水力失调问题,还能促进节能减排。本文针对加装喷射泵热力站改造前后的供热情况进行了比较分析,结果表明,此次改造有效解决了该供热系统中存在的水力失调问题,同时达到了节能降耗的目的。1 系统描述1.1 系统构成基于喷射泵的供热系统如图 1 所示。该系统主要由热源、一次网、热力站、二次网、喷射泵和热用户构成。其中喷射泵主要由喷嘴、吸入室、混合管和扩散管构成,其结构示意如图 2 所示,喷射泵设备实物图如图 3所示。9B94CA/1A/n;/98A*.;A*/;,*.;,*/;7:(图1 基于喷射泵的供热系统示意图1.2 系统原理1.2.1 系统工作原理热源一次网供水进入到热力站,作为加热热源进入到水-水换热器与二次网循环水进行换热,降温后经一次循环水泵返回到热源站继续升温,以此循环。被加热的二次网供水作为动力流体进入到喷射泵中,同时二次网回水作为被抽流体进到喷射泵的混合管中与二次网供水进行混合,混合后的二次网循环水作为二次网供水输送至用户,在用户侧释放热量,温度降低后经二次网循环水泵返回水-水换热器,继续与一次网循环水进行换热,以此循环。1.2.2 喷射泵的工作原理喷射泵是一种利用高压流体的喷射作用来输送流体的泵,也称为自吸泵。喷射泵工作时,动力流体以较高的速度经喷嘴喷射出去,在吸入室形成真空环境,从而使被抽流体进到吸入室,再进到混合管与动力流体进行混合,两种流体进行能量互换,进到扩散管后,速度放慢并趋于一致,静压力回升,最后将混合流体输送出去。基于喷射泵的供热系统在二次线的工作流程如图 4 所示,施工安装图如图 5 所示。系统运行时,闸阀 1、闸阀 2、闸阀 3 开启,焊接球阀关闭,二次网供水通过闸阀 1 作为动力流体进入喷射泵,二次网回水经闸阀 3作1喷嘴;2吸入室;3混合管;4扩散管。图2 喷射泵结构图151区域供热 2023.4 期图3 喷射泵实物图图4 基于喷射泵的供热流程示意图图5 喷射泵安装图251区域供热 2023.4 期D/5D/5N1312917(5*;1416165/(,A,B8,129137+;5C1011A,BAA,875#17;8,?5)17A,9999(+;D;98,)3*230C9)02845)2(:,)A):AD;*;A):A965*;A,B;:9A,B9:0;);.+)A-+-9.;+9.;.71D1D(C,.71D图6 供热范围示意图为被抽流体进到喷射泵的吸入室,进入喷射泵的二次网供水和二次网回水在混合管内进行能量交换,混合后的二次网循环水在喷射泵的扩散管速度达到平稳后,作为最终的二次网供水通过闸阀 2 输送到用户侧。由此可见,喷射泵在供热系统中可以使出口压力升高,增加二次网循环水的能量,同时也能加快二次网循环水的流速,有利于二次网循环水携带的能量在用户侧有效释放,从而有效解决二次网水利失调的问题,减少热损失。2 案例分析2.1 工程概况该小区的供热面积约 127 945 m2,供热半径约为 500 m,热力入口 43 个,其中高区供热面积 80 504 m2,低区供热面积 47 441 m2。本次改造区域分为高、低区系统,其中高区系统为 4#、5#、6#、8#、14#、15#、16#楼,共 7栋楼,其余为低区系统所带。小区内建筑大部分为 20 世纪 80 年代建筑,最早的建筑年代为 20 世纪 50 年代,最新的建筑为 1#楼,于2003 年建成。该小区建筑层高基本为 56层,最高建筑为 16#楼,层高 18 层,还有部分平房,基本上为民用住宅建筑,含部分公建学校,建筑情况较为复杂,且外墙均没有保温。该小区供热范围示意图如图 6 所示。该小区楼内采暖系统大部分为单管上供下回式串联系统,末端采暖设备为散热器。因建筑年代和形式的差异,其中 1#楼为双管下供下回式系统,6#、14#、16#楼为高低混供、单管上供下回式系统,高低混供的供热方式造成分区加压不均,末端供热效果差。并且该小区因部分用户室内改装增设散热器,造成底层用户和顶层用户的室内温度偏差较大,垂直失调严重。由于对户内散热设备整改恢复难度较大,因此,为解决水利失调问题,提高供暖质量,该小区热力站曾尝试在4#、14#、16#楼前装加压泵,这虽然改善了楼内供暖效果,但是噪音很大,而且给整个系统的平衡带来了不利影响。综合分析该小区的供暖情况后,决定采用安装喷射泵设备的改造形式对该供热系统进行改进。351区域供热 2023.4 期2.2 改造内容2.2.1 改造原理依据喷射泵的运行原理,在每个热用户热力入口处加喷射泵(自吸泵),利用其自吸功能,将热用户楼内的部分回水吸入供水管中,为每个热用户创建独立的混水换热站;混水换热站之前的热网干管输配为“小流量大温差”,混水换热站之后的热网(热用户楼内系统)为“大流量小温差”;使原一级热网(直供系统)变为二级热网,使原二级热网(间供系统)变为三级热网。2.2.2 改造内容及设备分布情况根据每个热用户热力入口的管径大小及供热面积进行喷射泵的选型,改造后在楼栋热力入口处共安装 33 套喷射泵设备,12 个静态平衡阀,并在低区扩建 2 座管井。根据改造需求,换热站的 5 台循环水泵进出口管井均由 DN150 扩至 DN200。该小区改造后安装设备情况如表 1 所示。表1 改造后设备分布情况低区设备分布情况序号楼栋号供暖面积/m2管道直径喷射泵型号1幼儿园区域6 551DN125HLN-AK44211#楼西1 594DN50HLN-AK07311#楼东1 594DN50HLN-AK07413#楼西1 952DN80HLN-AK09513#楼东1 952DN65HLN-AK106煤气站40DN20DN20 平衡阀712#楼西2 074DN80HLN-AK09812#楼东2 074DN80HLN-AK0999#楼西2 572DN65HLN-AK12109#楼东1 206DN80HLN-AK061110#楼1 702DN80HLN-AK081217#楼 8-9 门1 941DN65HLN-AK091317#楼 6-7 门1 941DN80HLN-AK0714幼儿园宿舍、卫生间287DN50DN50 平衡阀1517#楼 3-5 门2 912DN80HLN-AK111617#楼 1-2 门1 941DN65HLN-AK0817物业用房155DN25DN25 平衡阀187#楼 1-2 门1 679DN50HLN-AK09197#楼 3-5 门2 519DN80HLN-AK1120食堂438DN50HLN-AK0421医务室、配电室953DN80HLN-AK04221#楼5 559DN80HLN-AK1723配套用房864DN25DN25 平衡阀24综合楼2 941DN100HLN-AK13451区域供热 2023.4 期续表高区设备分布情况序号楼栋号供暖面积/m2管道直径喷射泵型号1水泵房117DN25DN25 平衡阀216#楼7 690DN100HLN-AK32314#楼南6 503DN100HLN-AK24414#楼北6 503DN100HLN-AK245传达室100DN40DN40 平衡阀66#楼 1-2 门5 828DN80HLN-AK2076#楼 3-4 门5 828DN80HLN-AK20815#楼6 409DN125HLN-AK2698#楼 1-2 门6 402DN100HLN-AK30108#楼 3-4 门6 402DN100HLN-AK30115#楼北6 926DN100HLN-AK30125#楼南6 926DN100HLN-AK3013参考报社900DN80HLN-AK04144#楼北6 985DN100HLN-AK30154#楼南6 985DN80HLN-AK302.3 系统热力参数综合分析该热力站的供暖情况后,为解决该小区水力失调问题,该站对供热系统进行改造,在每个入户供水干管上跨接加装喷射泵,并为每个喷射泵配置 3 个闸阀,在原供水管道上加装锁闭闸阀。改造前后系统站内运行参数如表 2 所示。表2 改造前后系统站内运行参数系统运行参数改造前改造后低区站内运行流量/m3h-1160125二次网运行压差/MPa0.110.26二次网运行温差/46高区站内运行流量/m3h-1148135二次网运行压差/MPa0.040.27二次网运行温差/86.3由表 2 分析可知,相比于改造前的供热系统,改装喷射泵后的供热系统二次网循环水流量减小,运行压差增大。这说明加装喷射泵后,可使站内流量减小,进而减少循环水泵的泵耗,有助于站内节能。此外,运行压差变大也有助于提高循环水流速,保证良好的制热效果。与改造前相比,改造后的供热系统低区的二次网供回水温差增大,表明改造后站内系统运行模式变为小流量大温差,这种运行模式有助于减小输配侧的运行能耗。其高区二次网供回水温差与改造前相比呈下降趋势,这主要是由于改造前供热系统存在除污器堵塞、二次网运行压差小、水力失调严重等问题,导致改造前供热系统的二次网运行参数存在较大偏差。改造前后分别对入户流量进行了记录,其变化情况如表 3 所示。551区域供热 2023.4 期表3 改造前后系统入户井流量变化情况序号楼号建筑面积/m2流量/m3h-1单方流量/Lh-1m-2备注改造前改造后改造前改造后低区17#楼东1 6794.87.132.864.25近27#楼西2 5199.510.793.774.28近39#楼西2 572410.241.563.98近49#楼东1 2063.95.013.234.15近511#楼东1 5944.36.582.74.13中611#楼西1 59436.471.884.06中713#楼东1 9523.57.751.793.97远813#楼西1 95268.493.074.35远912#楼西2 0743.58.961.694.32远1017#楼西1 9419.17.884.694.06远1117#楼东1 9414.48.382.274.32远高区124#楼南6 98512.5451.796.44近134#楼北6 985816.481.152.36近146#楼11 65615.913.221.362.27近1515#楼6 40910.814.541.692.27近168#楼西6 4021013.311.562.08中178#楼东6 40210.513.771.642.15中185#楼北6 9269.214.341.332.07中19北京参考报社90010.72.2411.892.49中2014#楼南6 50312.714.331.952.2远2114#楼北6 50314.815.232.282.34远2216#楼7 69013.218.941.722.46远 由表 3 分析可知,改造前供热系统中用户侧的分支流量远低于常规供热系统的运行流量,并且单方流量差异较大,系统存在较严重的水力失调问题。加装喷射泵后的供热系统中用户侧的循环水流量增大,分支流量也明显增大,单方流量趋于稳定。由此可见,喷射泵在二次网管路中的应用可以保证用户较高的水力稳定性,有助于解决二次网水力失调问题。2.4 系统改造前后对远端用户的影响分析本文选取该小区供暖远端用户进行室温采集,在采集温度时尽量选取与改造前相同的室外工况,以减小室外温度造成的误差。本文对 14#楼(远端)顶层和底层用户的室温进行多次测量,改造前顶层用户室内温度为2325,底层用户室内温度 1818.3,存在顶层用户室温偏高、底层用户室温偏低的情况,并且接到该楼用户的投诉较多,改造前供暖季的工单量为 67 件,其中低层用户工单量约占 64.18%。改造后顶层用户室内温度2122,底层用户室内温度 1920,改造后第一个供暖季的工单量为 16 件,其中低层651区域供热 2023.4 期用户工单量约占 43.75%,该楼接到的用户工单量较改造前下降约 76.12%。由此可见,系统加装喷射泵之后,用户室内温度水平得到明显提升,投诉率大幅降低,表明此次改造能有效改善用户室温冷热不均现象,解决垂直失调问题。2.5 系统运行效果分析对改造后供热系统的运行参数及效果进行记录,并与改造前供热系统进行比较,主要参数如表 4 所示。表4 改造前后系统运行参数及效果对比系统运行参数改造前改造后水泵运行功率/kW低区 30;高区 37、25低区 25;高区 37年度电单耗/kWhm-21.841.63年度折算热单耗/GJm-20.330.293 5年耗热量/GJ37 601.335 112.5工单/件9957由表 4 分析可知,该热力站加装喷射泵以后,站内流量比原供热系统有所减小,使循环水泵功率降低,低区由原来的一台 30 kW循环水泵更换为一台 25 kW 的循环水泵变频运行,高区循环水泵由原来的 37 kW、25 kW两台循环水泵更换为一台 37 kW 循环泵变频运行。该热力站改造后年度电单耗、年度折算热单耗、年耗热量均有所下降,改造后该热力站的年度电单耗、年度折算热单耗、年耗热量较改造前分别下降了 11.41%、11.06%、6.62%,其中按年度折算热单耗来看,改造后的年耗热量比改造前约下降 11.06%,节能效果显著提高。从工单量来看,该供热系统改造后 的 供 热 效 果 更 好,客 服 总 工 单 量 下降 42.42%。2.6 经济效益分析经济效益分析是对此次改造项目运行效果评价的一项重要指标,本文分析了此次改造的设备采购、安装等初投资费用和投入使用后的运行费用,并对此次改造项目的投资回收期进行了分析。本次改造项目中,喷射泵、平衡阀等设备成本共计 888 506.00 元,安装费用共计 9 116.07 元,改造项目的初投资为 897 622.07 元。该站的年运行费用包含市政大网热费、电费、设备年折旧费,本文中采用北京市统一标准进行计算。电费单价为 1.00 元/千瓦时,热费成本价为 74.00 元/吉焦。改造前后该热力站年能源消耗分布如图 7 所示。由图 7 分析可知,该站改造后的年耗热量及耗电量均比改造前有所下降。改造后的年耗热量比改造前约下降 2 488.8 GJ,约为改造前年耗热量的 6.62%;改造后的年耗电量比改造前约减少 9 698 kWh,约为改造前年耗图7 改造前后能源消耗分布图751区域供热 2023.4 期电量的 4.50%。由此可见,增加喷射泵后的供热系统具有较大的节能潜力。依据改造前后能源消耗分布对比情况以及北京市统一收费标准,改造后该站每年节约热费 184 171.20 元,每年节约电费 9 698.00元,总计为 193 869.20 元。本文采用投资回收期的评价指标对此次改造进行经济评价及分析。投资回收期(IPP)按照式(1)计算:IPP=TCCS(1)式中:IPP投资回收期,年;TC工程的固定投资,元;CS年运行成本节约费用,元。经分析可得,该改造项目的投资回收期为:IPP=897622.07/193869.20=4.63 年由此可见,在此运行模式下,该改造项目的投资回收期约为 4.63 年。该站应用的喷射泵设备使用寿命为 8 年,表明此次改造具有较好的经济效益,并且能够为该站创造经济价值。3 结论将某换热站改造后的系统运行效果与改造前进行对比分析,得出以下结论:(1)改造后的基于喷射泵的供热系统可以实现热网输配侧小流量大温差运行,能减少循环水泵运行能耗,节省站内电耗,该供热系统改造后比改造前的单位面积年耗电量约降低 11.41%。(2)该供热系统改造后能实现用户侧大流量小温差运行,能有效解决水力失调问题,保证用户侧较高的水力稳定性,同时能够减少用户侧的过热损失,提高能源利用率,降低采暖能耗。该供热系统改造后比改造前的单位面积年耗热量约下降 11.06%。(3)在改造后的系统运行模式下,顶层用户与底层用户室内温差明显减小,供暖质量得到提升,用户投诉量减少,客服总工单量整体下降约 42.42%。4 展望(1)与改造前相比,基于喷射泵的新供热系统更具有节能减排潜力,能有效落实开源节流、降本增效工作。(2)当前智慧供热已经成为我国集中供热领域的重要环节和发展方向,智慧供热能够实现二次网自动平衡控制,其中代表性模式之一即为在楼栋处加装楼宇混水机组。本文所述改造后的基于喷射泵的供热系统即采用混水技术,有效解决了用户侧水力失调问题,还可以配置温度传感器、控制器等部件,通过热力站与楼宇混水机组的联动实现二次网水力平衡和热力平衡,达到节能降耗、精细化管控的目标要求,推动智慧供热的发展。(3)该站改造后的运行效果得到了明显改善,但站内高区系统二次网供回水温差仍然偏小,表明该站运行调节模式有待进一步提升,站内流量仍有减小的空间,从而进一步提升该站的节能潜力。参考文献 1清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告 M.北京:中国建筑工业出版社,2022.2任卫英,张鑫.水喷射泵在供热系统中的应用 J.能源与节能,2011(1):62-64.3李德英,王野,郭全,等.供热末端混水系统的应用与分析 J.区域供热,2013(4):32-37.4孙海霞,曾喜平,李德英.供热系统二次网分布式楼前混水系统应用探讨 J.区域供热,2018(5):146-149.5孙发君,郝军,田志伟,等.谈喷射泵技术在供热系统的应用 J.山西建筑,2020,46(21):75-77.6常健.垂直单管串联采暖系统热平衡,水力平衡调节应用 J.区域供热,2021,(5):68-72+98.851区域供热 2023.4 期