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實現高低分區的吸收式換熱器流程設計與運行模擬分析

  • 作者:
  • 中國暖通空調網
  • 發布時間:
  • 2021-03-16

清華大學建筑節能研究中心  易禹豪  謝曉云  江億

       【摘  要】對于較大面積的高層建筑群,目前的供熱系統主要采用豎向分區的方式,以防止系統水力失調,同時解決了不同分區的承壓問題。分區系統在熱力站的熱交換設備是板式換熱器,不同分區單獨設計具體的參數。本文提出了一種實現高低分區的吸收式換熱器,不僅能夠實現現有分區系統供熱設備的功能,滿足各分區的獨立供熱,還能夠將一次網的回水溫度降低至低于二次網進水溫度15K以上的水平。低溫的一次網回水有利于熱源處的余熱回收以及系統供熱規模的提高,有助于區域供熱的發展。本文設計了該系統具體的流程,并通過模擬計算分析了系統的熱負荷適應性與部分負荷的調節能力。

       【關鍵詞】吸收式換熱 區域供暖 分區系統 運行模擬

1 引言

       隨著我國的發展,城市中出現了越來越多的高層建筑群。針對此類建筑進行供熱時,由于其具有多層數和高熱量需求的特點,采用單套常規的供熱系統會出現超壓和垂直水力失調等問題[1]。目前,主要有三種方式來應對此問題,對應三種不同的供暖系統:直連式供暖系統,間聯式供暖系統和分區供暖系統。直連式系統的特點是,所有熱用戶都在同一套二次管網中,通過在輸配系統中適當的位置添加閥門,泵和管道等部件來解決上述問題[2]。直連式系統的自適應能力較差,對后期運維人員的要求極高。間聯式系統一般根據高度將熱用戶分成多個區,在熱力站采用一套換熱器提供高低區的所有熱量,低區與高區之間通過板式換熱器滿足熱量交換,同時實現隔壓[3]。然而,間聯式系統的不同區域不互相獨立,當低區出現問題時,高區的供熱也會出現問題。分區供暖系統對于末端的處理方式與間聯式系統一致,根據高度將熱用戶分成多個區。但分區式系統對于不同的區,采用單獨的成套系統進行采暖供熱[4]。該系統不僅能解決超壓和水利失調的問題,還能實現不同供熱區域的獨立性,使它們不受其他區域供熱的影響,在高層建筑群的實際供熱中得到了廣泛的應用。

       目前的分區供暖系統,在熱力站內實現一二次網水熱交換的設備是板式換熱器。各分區分別配置單獨的板換,按照對應的熱負荷設計面積等相關參數。然而,采用板式換熱器作為熱交換設備,一次網水與二次網水逆流換熱,一次網水的出水溫度必然高于二次網水的進水溫度,導致一次網供回水溫差較小,限制了整個區域供熱系統的供熱規模。而在2008年,由付林等提出了在熱力站使用的第一類吸收式換熱器[5],可有效降低一次網出水溫度至低于二次網進水溫度15K以上的水平,有利于余熱回收和供熱規模的提高。與傳統板換相比,在一次網流量不變的條件下,采用吸收式換熱器的系統的供熱量提高了1.3倍,具有明顯的效益,目前該系統已在太原,赤峰等地區得到廣泛應用[6-7]。

       據此,本文提出了一種實現高低分區的吸收式換熱系統。該系統既保留的吸收式換熱器的特點,降低一次網出水溫度,同時也能滿足分區獨立供熱的需求。不同加熱區域的二次網絡相互獨立,從而保證其互不影響。文章對該系統在實際工況下的運行性能進行了模擬計算。此外,對該系統的熱負荷適應性和部分負荷下的調節能力進行了模擬計算與分析。相關結果驗證了分區的吸收式換熱系統的可行性。

2 系統流程

       圖1展示了給兩個分區供熱的分區吸收式換熱系統的流程。圖中紅色曲線代表一次網,深藍和淺藍色分別代表兩個不同分區的二次網。整體來看,該系統相當于雙級吸收式換熱器的流程[6],含有兩套不同壓力的吸收式熱泵和兩套板式換熱器。圖中的C,G,E,A分別代表冷凝器,發生器,蒸發器和吸收器,后續的1或2代表吸收式熱泵的不同級。


圖1 兩個分區的吸收式換熱系統流程

       高溫的一次網供水首先進入第一級熱泵的高壓發生器,換熱后進入第二級熱泵的低壓發生器,之后分成兩股,分別流入對應兩個不同分區的板換進行換熱,換熱結束后匯合,依次進入高壓蒸發器和低壓蒸發器,最終冷卻到一次網回水溫度。對于二次網,其流經冷凝器,吸收器和板換實現加熱。兩個分區的二次網經過的換熱器類型是相同的,區別在于對應級數的不同。以分區1為例,二次網回水分成兩股,一股進入第一級熱泵的吸收器和冷凝器,另一股進入分區1板換后完成換熱,之后兩股流體混合,向分區1的用戶提供熱量。

       該流程延續的吸收式換熱器的特點,實現了流量不匹配的一二次網水的熱交換過程,將一次網回水溫度降低至低于二次網回水溫度的水平。對于二次管網,不同分區的換熱過程是對稱的,采用了完全相同的換熱器類型和流動過程, 唯一的區別在于進入了吸收式熱泵的不同級。此外,兩個分區之間的換熱是相互獨立的,可以有效實現目前的分區系統的功能。在系統設計中,可根據不同分區的熱負荷,分別確定系統內各換熱器的相關參數。此外,為了提高系統的負荷調節能力,在各分區的二次網總供回水間添加了旁通閥,通過調節其開度來更好的適應具體的運行工況。

3 參數設計與模型建立

       參考一個實際分區系統的熱負荷需求,對分區吸收式換熱系統的相關參數進行了設計。該系統分為高低兩個區域,各區域的設計熱負荷均為960kW。系統的一次網進水溫度為110℃,兩個分區的二次網進水溫度均為45℃。參考雙級吸收式換熱系統的相關設計指導[8],對該系統的一二次網流量,溶液流量與各換熱器的傳熱能力進行了設計,具體數值如表1所示。在設計工況下,二次網供回水旁通閥不開啟。

表1 針對實際工況設計的分區吸收式換熱系統相關參數

       完成了系統內部參數的設計后,能夠建立分區吸收式換熱系統的仿真模型。其中,發生器和吸收器內的傳熱傳質過程采用一維三股流傳熱模型[9],蒸發器,冷凝器和板式換熱器采用逆流對數平均溫差模型。模型具體的假設和計算方程在已發表的研究中已有介紹[6],此處不再贅述。仿真模型采用EES(Engineering Equation Solver)進行求解計算[10]。

       此外,本文認為二次網的供回水溫度會隨著用戶的負荷改變而改變,故將模型的邊界條件從固定二次網回水溫度變化為固定用戶側的溫度。設定用戶室內的溫度為20℃不變,則用戶側獲得的熱量可用如下公式計算:

          (1)

       其中,KAen是該分區末端用戶的換熱器總等效傳熱能力,tsec,out和tsec,in分別表示該分區二次網的供回水溫度,tuser是末端用戶溫度,為20℃。此外,用戶獲得的熱量還可用二次網水流量計算:

       Q=cp,wmsec(tsec,out-tsec,in)  (2)

       其中,cp,w是水的比熱,msec是該分區的二次網流量。

       在設計工況下,二次網回水溫度為45℃,且各分區的供熱量已知,可以計算出末端用戶的換熱器總等效傳熱能力。分區1與分區2的KAen分別為32.47與32.55kW·K-1。在模擬計算中,認為該參數是已知的,據此可計算出實際的二次網溫度參數。

4 模擬結果分析

       4.1 設計工況下的運行性能

       圖2展示了設計工況下各換熱器前后溫度參數的模擬結果。其中,分區1與分區2的二次網出水溫度均為54.6℃,供熱量分別為959kW與962kW,能夠滿足各分區用戶的熱需求。系統的一次網出水溫度為27.6℃,相比二次網回水溫度低了17.4K。此外,兩個分區二次網經過各換熱器換熱后的溫度幾乎一致,驗證的該系統換熱的對稱性。


圖2 設計工況下各換熱器前后溫度的模擬結果

       采用溫度效率來描述吸收式換熱系統的運行性能[11]。溫度效率ε的計算公式如下:

          (3)

       其中,tpri,in,tpri,out和tsec,in分別表示一次網水的進出口溫度和二次網的回水溫度。溫度效率是參考板式換熱器的換熱效率提出的,板換的ε一定小于1,但吸收式換熱器的ε大于1,ε越大,可認為系統的性能越高。本系統在設計工況下的溫度效率為1.268,與多段系統的測試結果[7]一致,高于常規吸收式換熱器的溫度效率[12]。即,該系統在設計工況下能夠高效穩定運行。

       4.2 負荷適應性

       在實際系統中,往往會出現如下情況,即用戶的實際熱需求低于設計負荷。對于一般的供熱系統,通過調節相應的一二次網流量就可以適應這樣的負荷變化,但對于分區系統,可能出現其中一個分區的實際熱需求與設計負荷相同,而另一個分區的實際熱需求低于設計負荷。此時,一般的分區系統,調整各分區對應的一二次網流量即可滿足要求,但對于分區的吸收式換熱系統,不同分區共用相同的一次網。為了避免改變流量在不同分區間的分配,從而仍然使不同分區獨立供熱,需要分析是否能夠通過調節總的一次網流量和各分區的二次網供回水旁通比例,從而實現其中一個分區的供熱量不變,而另一分區的供熱量降低。

       分別模擬該系統降低分區1和分區2實際供熱量,同時另一分區供熱量不變下的調節比例與系統運行參數,其中,負荷下降分區的末端用戶傳熱能力等比例降低。圖3展示了模擬分區1的實際負荷下降,分區2負荷不變的結果。其中,圖3(a)是一次網總流量與二次網旁通流量的調節比例,圖3(b)是在對應負荷下該分區的二次網供回水溫度以及系統整體的一次網出水溫度。圖中的橫坐標是在分區2供熱量不變下,分區1供熱量與設計負荷的比值。根據模擬結果,該系統能夠滿足在分區2供熱量不變,而分區1供熱量降低至設計負荷任意百分比下的正常運行。

 
(a)調節方式                                (b)溫度參數
圖3 分區1實際負荷下降,分區2不變的模擬結果

       根據圖3(a),當分區1的實際負荷降低,分區2的實際負荷不變時,需要降低一次網總流量,同時增加分區1二次網供回水的旁通流量。其中,一次網總流量的降低率隨實際負荷降低呈近似線性關系,而對于二次網供回水旁通量,在實際負荷較高時其增長率較大,在實際負荷較低時增長率較小。在圖3(b)中,灰色曲線是系統的一次網出水溫度,對應右側縱坐標數值,其他曲線均為分區1的二次網水溫度,對應左側縱坐標數值。隨著分區1實際供熱量的降低,用戶的二次網回水溫度和非旁通流經系統的出水溫度上升,但由于系統旁通流量的增加,導致最終混水后的二次網供水溫度下降。整體來看,二次網供回水的溫度變化呈近似線性。對于一次網,出水溫度隨分區1的供熱負荷降低而呈近似線性上升,系統的溫度效率下降,運行性能降低。在分區1負荷降低至設計負荷的25%時,一次網出水溫度上升至40℃,溫度效率降低至1.077,但仍高于傳統板換系統的溫度效率。

       為了進一步驗證該系統是否在負荷適應性上也具有對稱性,對分區2實際負荷下降,分區1負荷不變的工況也進行了模擬,結果如圖4所示。對比圖3與圖4的結果,能夠發現,對應曲線的變化趨勢是幾乎相同的,因此,圖4能夠得到與圖3完全相同的結論,同時進一步驗證的系統良好的供熱對稱性。


 (a)調節方式                  (b)溫度參數
圖4 分區2實際負荷下降,分區1不變的模擬結果

       4.3 部分負荷的調節性能

       當系統在設計工況下能夠正常運行后,還要求系統在部分負荷下具有一定的調節能力。對于采用板換的分區系統,在部分負荷時,各分區的供熱量按照相同的比例下降。此時,由于系統供熱的獨立性,只需降低對應板換一次網流量,即可滿足各自的供熱需求。而對于分區吸收式換熱系統,兩分區共用一次網,需要研究該系統在部分負荷下的流量調節方式。首先是兩分區實際負荷均為設計負荷的工況,圖5展示了僅降低一次網總流量時,各分區的實際供熱負荷率變化情況??梢钥吹?,當一次網流量從設計流量的100%降低至40%的過程中,分區1與分區2的實際負荷率變化幾乎一致??梢哉J為,僅通過調節一次網總流量,便能夠實現各分區的負荷按照相同的比例下降。即,在各分區的實際負荷等于設計負荷的條件下,片式吸收式換熱系統的部分負荷自調節性能良好,無需采用二次網旁通閥輔助調節即可實現各分區相同的部分負荷率。


圖5 各分區供熱負荷率隨一次網流量的變化趨勢

       此外,還可能出現在4.2節提到的情形下的部分負荷情況。即,在實際的滿負荷供熱時,其中一個分區的負荷等于設計負荷,但另一個分區的負荷低于設計負荷。在4.2節中,通過調節一次網總流量和該分區的二次網供回水旁通流量,能夠實現該工況下的正常供熱。但到了該情形的部分負荷時,需要模擬分析如何通過調節一次網流量和二次網對應分區的旁通流量,實現不同分區的熱負荷率按照相同的比例下降。

       圖6展示了當系統其中一個分區的實際負荷降低至設計負荷的80%,另一分區負荷不變時,在不同的部分負荷率下對應調節一次網流量與對應分區二次網旁通流量的比例。根據模擬結果,該調節方式能夠使各分區的負荷率按照相同的比例下降。圖6(a), (b)分別是分區1實際負荷降低與分區2實際負荷降低的模擬結果。其中,藍色曲線代表的是一次網實際流量與在其中一分區負荷率為80%,另一分區負荷不變下,調節后的一次網流量之間的比值,即分母的一次網流量是按照4.2節的曲線調節后的一次網流量。橙色曲線為對應分區的二次網非旁通流量的比例,等于實際的非旁通流量/該分區二次網總流量,與圖3,圖4中的對應曲線有相同的意義。


(a)分區1實際負荷為設計值的80%    (b)分區2實際負荷為設計值的80%
圖6 實際負荷低于設計負荷時,部分負荷下系統的調節方式

       在該條件下,若分區1的實際負荷小于設計值,則當系統運行至部分負荷工況時,通過降低一次網流量,同時降低分區1的二次網非旁通流量,能夠使得兩分區供熱量按照相同的比例下降。其中,一次網近似線性降低,且降低速率較大,而分區1二次網非旁通流量的改變較小,且相比于高部分負荷率,該流量在低部分負荷率時降低速率變小。若分區2的實際負荷小于設計值,根據圖6(b)的結果,一次網的變化趨勢與圖6(a)幾乎一致,但二次網非旁通流量的變化趨勢與圖6(a)有所區別。此時當系統運行至部分負荷工況時,分區2的二次網非旁通流量隨負荷率的降低先降低后緩慢上升。此時,由于分區吸收式換熱系統一次網由兩分區共用,導致了較小的差異出現。但整體來看,通過調節一次網流量和對應分區二次網旁通流量,實現部分負荷時各分區供熱量的等比例下降,且兩工況下一次網的調節曲線相同,系統具有較好的部分負荷調節性能。

5 結語

       針對大面積高層建筑群供熱現狀,本文提出了分區的吸收式換熱系統流程。該系統既能滿足現有分區系統的功能,使各分區供熱相互獨立,又能實現吸收式換熱器降低一次網出水溫度的功能。該系統基于雙級吸收式換熱器,將各分區用戶的二次網設計成對稱的換熱模式。建立了該系統的仿真模型并對其進行了計算分析。在設計工況下,各分區的供熱量均為960kW,系統的一次網出水溫度為27.6℃,溫度效率可達1.268。系統的運行高效且穩定。在此基礎上,對系統的負荷適應性與部分負荷調節能力進行了模擬分析。當其中一個分區負荷低于設計負荷,另一分區不變時,通過調節一次網總流量與對應分區的二次網供回水旁通流量,能夠滿足供熱需求,系統的溫度效率仍高于對應的板換系統。此外,系統還具有較好的部分負荷調節性能。該系統的流程提出與分析結果能夠指導應用于實際工程的相關系統設計,有助于區域供熱的進一步發展。

參考文獻

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       備注:本文收錄于《建筑環境與能源》2020年10月刊總第37期(第22屆全國暖通空調制冷學術年會文集)。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。

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