资用输送能耗比例及其设计方法

输送能耗比例模型可以对系统的输送能耗比例进行校核,输送距离界限模型可以判定输送距离界限,但都不能直接用于管网的设计。那么是否可以根据允许的输送能耗比例直接进行设计呢？这样就可以很好地保证系统的节能水平。为此我们提出资用能耗比摩阻和资用能耗比例的概念,利用此概念进行水力设计计算。

(1)资用能耗比摩阻Rz。

设理想的或可允许的输送能耗比例为nsz,它也可能等于最大的比例ns(max),将其称为“资用输送能耗比例”,它是事先给定的。

由资用输送能耗比例计算得到的比摩阻为Rz,将其称为“资用能耗比摩阻”,它的定义式或计算式为:

利用资用能耗比摩阻Rz可以做管网水力设计计算:

①若Rz∈R′(它是一个区段),即资用能耗比摩阻处于经济比摩阻的范围之内,则用资用能耗比摩阻Rz确定管路的资用压降为:

②若Rz＞R′,即资用能耗比摩阻大于经济比摩阻,这说明给定的资用输送耗比例nsz有剩余,则用经济比摩阻R′做水力计算。剩余输送能耗比例Δns为:

③Rz＜R′,即资用能耗比摩阻小于经济比摩阻,这说明给定的资用输送耗比例nsz不够用,或者输送距离超过了最大距离界限。也可以利用资用能耗比摩阻Rz来判断输送距离的适宜性,即当Rz＜R′时,不适宜输送。与输送距离界限模型相比,该法更简单,但这只是一种校核方法,输送距离是确定的。

(2)资用输送能耗比例nsz。

事实上可允许的或理想的资用输送能耗比例nsz是为了保证热泵系统的节能水平,而预先按一定条件给定的。当输送环路很多,并存在串并联关系时,各环路的能耗比例在计算公式上是独立的,怎样将它们联系起来,这是按条件给定的重要依据。

如图7-3所示,以间接式系统为例(它的输送环路较多),分为污水环路1,中介净水环路2,冷热水环路3,这三个环路相互串联,其中环路3中有两个环路并联。

图7-3　多输送环路能耗比例分配示意图

各输送环路的输送能耗比例可表示为:

系统的总输送能耗比为各串联环路的输送能耗比之和。但当某一环路中有多个分支并联环路时,那么该环路的输送能耗比等于分支环路与其所占输送能百分比之积的总和。即有:

按图7-3中的各环路情况,则总的输送能耗比为:

式中　nsh——系统所有输送能耗的总和占热泵机组能耗的比例;

　nsi——第i个输送环路的输送能耗比例;

　——第i个输送环路中的第j个环路的输送能耗比例;

　——第i个输送环路中的第j个环路的输送距离(m);

　——第i个输送环路中的第j个环路的比摩阻(Pa/m);

　fi(ε)——第i个输送环路对应的机组能耗与输送能的比;

　——第i个输送环路中第j个环路所占输送能的百分比,

故此,整个热泵系统的性能系数可表示为:

以图7-3中的各环路为例,假定污水循环环路的输送能耗比例为10%,中介净水循环环路为5%,末端冷热水循环有两个并联环路:其中一个输送能耗比例为8%,所占输送能耗百分比为60%,另一个输送能耗比例为12%,所占输送能耗百分比为40%,热泵机组的制热性能系数为3.8。

则末端冷热水输送环路的总输送能耗比例为8%×60%＋12%×40%＝9.6%,而系统的总输送能耗比例为:10%＋5%＋9.6%＝24.6%。系统的制热性能系数则为3.8÷(1＋24.6%)＝3.05。

(3)设计方法。

可以按如下步骤或方法对系统的管路进行水力设计:

①资用输送能耗比例的确定。基于系统的供水温度、水源温度,确定热泵机组的性能系数,一般认为系统的性能系数εxr至少要大于2.5,一次能源利用率不低于0.85,对输送距离大、规模大的系统可在2.8左右选择,一次能源利用率不低于0.95,对输送距离近、规模小的系统可按大于3选择,一次能源利用率不低于1.0,例如εr＝3.7,认为系统的性能系数εxr不应该低于3,则系统的资用输送能耗比例nsz＝23.3%。

资用输送能耗比例nsz不等于实际输送能耗比例nsj,则nsz是最不利的、最大的输送能耗比例,实际会有剩余输送能耗比例Δns,即Δns＝nsz－nsj。另外,在部分负荷采取变流量调节措施时,管路的实际比摩阻会大幅度减小,同时机组的性能系数也会有所降低,因此非设计工况时,实际的输送能耗比例也可能较小,且远距离输送时较明显。

②先利用经济比摩阻(择中取值)和预设计的温差按式(7-38)估算各环路的输送能耗比例,并计算它们之间的比值关系,按此比值关系对总的资用能耗比例进行分配。

③利用所分配的资用能耗比例按式(7-36)计算资用压降与资用比摩阻。

④利用资用压降与资用比摩阻进行各环路的水力计算。

⑤输送能耗比例的校核与调整。

完成各环路的水力计算后,校核它们的实际输送能耗比和总的输送能耗比。若出现剩余资用输送能耗比,表明系统水力设计完好。若实际的输送能耗比例大于资用能耗比例,则适当增大资用输送能耗比不够的环路的设计温差,减小该环路的运行流量,同时对管网进行水力计算时考虑适当减小经济比摩阻的取值,使得系统实际输送能耗比小于资用输送能耗比例nsz。

该方法具有如下优点:

①充分保证了系统的输送能耗比例不会过大,使系统的性能系数较理想。同时还尽可能使得各环路的设计处于经济状态。

②具体设计时,还可以对系统进行适当的优化,例如资用能耗比例不够大时,可以增大该环路的循环温差,减小该环路的运行流量,以及基于各环路具有较好的经济性来分配输送能耗比例。

③在对各环路的输送能耗比例有明确掌握的前提下,可以为以后系统的运行调节提供重要的信息依据,同时也可以指导并优化调节方案。

④输送能耗比例可将系统的总能耗统一起来,其影响因素包括可变的设计与运行参数,因此可将其作为系统经济优化的一个重要限定条件或目标函数,以尽可能地提高系统的节能、环保与经济性。