清华大学建筑节能研究中心 易禹豪 谢晓云 江亿
【摘 要】对于较大面积的高层建筑群，目前的供热系统主要采用竖向分区的方式，以防止系统水力失调，同时解决了不同分区的承压问题。分区系统在热力站的热交换设备是板式换热器，不同分区单独设计具体的参数。本文提出了一种实现高低分区的吸收式换热器，不仅能够实现现有分区系统供热设备的功能，满足各分区的独立供热，还能够将一次网的回水温度降低至低于二次网进水温度15K以上的水平。低温的一次网回水有利于热源处的余热回收以及系统供热规模的提高，有助于区域供热的发展。本文设计了该系统具体的流程，并通过模拟计算分析了系统的热负荷适应性与部分负荷的调节能力。
【关键词】吸收式换热 区域供暖 分区系统 运行模拟
1 引言
随着我国的发展，城市中出现了越来越多的高层建筑群。针对此类建筑进行供热时，由于其具有多层数和高热量需求的特点，采用单套常规的供热系统会出现超压和垂直水力失调等问题[1]。目前，主要有三种方式来应对此问题，对应三种不同的供暖系统：直连式供暖系统，间联式供暖系统和分区供暖系统。直连式系统的特点是，所有热用户都在同一套二次管网中，通过在输配系统中适当的位置添加阀门，泵和管道等部件来解决上述问题[2]。直连式系统的自适应能力较差，对后期运维人员的要求极高。间联式系统一般根据高度将热用户分成多个区，在热力站采用一套换热器提供高低区的所有热量，低区与高区之间通过板式换热器满足热量交换，同时实现隔压[3]。然而，间联式系统的不同区域不互相独立，当低区出现问题时，高区的供热也会出现问题。分区供暖系统对于末端的处理方式与间联式系统一致，根据高度将热用户分成多个区。但分区式系统对于不同的区，采用单独的成套系统进行采暖供热[4]。该系统不仅能解决超压和水利失调的问题，还能实现不同供热区域的独立性，使它们不受其他区域供热的影响，在高层建筑群的实际供热中得到了广泛的应用。
目前的分区供暖系统，在热力站内实现一二次网水热交换的设备是板式换热器。各分区分别配置单独的板换，按照对应的热负荷设计面积等相关参数。然而，采用板式换热器作为热交换设备，一次网水与二次网水逆流换热，一次网水的出水温度必然高于二次网水的进水温度，导致一次网供回水温差较小，限制了整个区域供热系统的供热规模。而在2008年，由付林等提出了在热力站使用的第一类吸收式换热器[5]，可有效降低一次网出水温度至低于二次网进水温度15K以上的水平，有利于余热回收和供热规模的提高。与传统板换相比，在一次网流量不变的条件下，采用吸收式换热器的系统的供热量提高了1.3倍，具有明显的效益，目前该系统已在太原，赤峰等地区得到广泛应用[6-7]。
据此，本文提出了一种实现高低分区的吸收式换热系统。该系统既保留的吸收式换热器的特点，降低一次网出水温度，同时也能满足分区独立供热的需求。不同加热区域的二次网络相互独立，从而保证其互不影响。文章对该系统在实际工况下的运行性能进行了模拟计算。此外，对该系统的热负荷适应性和部分负荷下的调节能力进行了模拟计算与分析。相关结果验证了分区的吸收式换热系统的可行性。
2 系统流程
图1展示了给两个分区供热的分区吸收式换热系统的流程。图中红色曲线代表一次网，深蓝和浅蓝色分别代表两个不同分区的二次网。整体来看，该系统相当于双级吸收式换热器的流程[6]，含有两套不同压力的吸收式热泵和两套板式换热器。图中的C,G,E,A分别代表冷凝器，发生器，蒸发器和吸收器，后续的1或2代表吸收式热泵的不同级。
图1 两个分区的吸收式换热系统流程
高温的一次网供水首先进入第一级热泵的高压发生器，换热后进入第二级热泵的低压发生器，之后分成两股，分别流入对应两个不同分区的板换进行换热，换热结束后汇合，依次进入高压蒸发器和低压蒸发器，最终冷却到一次网回水温度。对于二次网，其流经冷凝器，吸收器和板换实现加热。两个分区的二次网经过的换热器类型是相同的，区别在于对应级数的不同。以分区1为例，二次网回水分成两股，一股进入第一级热泵的吸收器和冷凝器，另一股进入分区1板换后完成换热，之后两股流体混合，向分区1的用户提供热量。
该流程延续的吸收式换热器的特点，实现了流量不匹配的一二次网水的热交换过程，将一次网回水温度降低至低于二次网回水温度的水平。对于二次管网，不同分区的换热过程是对称的，采用了完全相同的换热器类型和流动过程， 唯一的区别在于进入了吸收式热泵的不同级。此外，两个分区之间的换热是相互独立的，可以有效实现目前的分区系统的功能。在系统设计中，可根据不同分区的热负荷，分别确定系统内各换热器的相关参数。此外，为了提高系统的负荷调节能力，在各分区的二次网总供回水间添加了旁通阀，通过调节其开度来更好的适应具体的运行工况。
3 参数设计与模型建立
参考一个实际分区系统的热负荷需求，对分区吸收式换热系统的相关参数进行了设计。该系统分为高低两个区域，各区域的设计热负荷均为960kW。系统的一次网进水温度为110℃，两个分区的二次网进水温度均为45℃。参考双级吸收式换热系统的相关设计指导[8]，对该系统的一二次网流量，溶液流量与各换热器的传热能力进行了设计，具体数值如表1所示。在设计工况下，二次网供回水旁通阀不开启。
表1 针对实际工况设计的分区吸收式换热系统相关参数
完成了系统内部参数的设计后，能够建立分区吸收式换热系统的仿真模型。其中，发生器和吸收器内的传热传质过程采用一维三股流传热模型[9]，蒸发器，冷凝器和板式换热器采用逆流对数平均温差模型。模型具体的假设和计算方程在已发表的研究中已有介绍[6]，此处不再赘述。仿真模型采用EES（Engineering Equation Solver）进行求解计算[10]。
此外，本文认为二次网的供回水温度会随着用户的负荷改变而改变，故将模型的边界条件从固定二次网回水温度变化为固定用户侧的温度。设定用户室内的温度为20℃不变，则用户侧获得的热量可用如下公式计算：
（1）
其中，KAen是该分区末端用户的换热器总等效传热能力，tsec,out和tsec,in分别表示该分区二次网的供回水温度，tuser是末端用户温度，为20℃。此外，用户获得的热量还可用二次网水流量计算：
Q=cp,wmsec(tsec,out-tsec,in) （2）
其中，cp,w是水的比热，msec是该分区的二次网流量。
在设计工况下，二次网回水温度为45℃，且各分区的供热量已知，可以计算出末端用户的换热器总等效传热能力。分区1与分区2的KAen分别为32.47与32.55kW·K-1。在模拟计算中，认为该参数是已知的，据此可计算出实际的二次网温度参数。
4 模拟结果分析
4.1 设计工况下的运行性能
图2展示了设计工况下各换热器前后温度参数的模拟结果。其中，分区1与分区2的二次网出水温度均为54.6℃，供热量分别为959kW与962kW，能够满足各分区用户的热需求。系统的一次网出水温度为27.6℃，相比二次网回水温度低了17.4K。此外，两个分区二次网经过各换热器换热后的温度几乎一致，验证的该系统换热的对称性。
图2 设计工况下各换热器前后温度的模拟结果
采用温度效率来描述吸收式换热系统的运行性能[11]。温度效率ε的计算公式如下：
（3）
其中，tpri,in，tpri,out和tsec,in分别表示一次网水的进出口温度和二次网的回水温度。温度效率是参考板式换热器的换热效率提出的，板换的ε一定小于1，但吸收式换热器的ε大于1，ε越大，可认为系统的性能越高。本系统在设计工况下的温度效率为1.268，与多段系统的测试结果[7]一致，高于常规吸收式换热器的温度效率[12]。即，该系统在设计工况下能够高效稳定运行。
4.2 负荷适应性
在实际系统中，往往会出现如下情况，即用户的实际热需求低于设计负荷。对于一般的供热系统，通过调节相应的一二次网流量就可以适应这样的负荷变化，但对于分区系统，可能出现其中一个分区的实际热需求与设计负荷相同，而另一个分区的实际热需求低于设计负荷。此时，一般的分区系统，调整各分区对应的一二次网流量即可满足要求，但对于分区的吸收式换热系统，不同分区共用相同的一次网。为了避免改变流量在不同分区间的分配，从而仍然使不同分区独立供热，需要分析是否能够通过调节总的一次网流量和各分区的二次网供回水旁通比例，从而实现其中一个分区的供热量不变，而另一分区的供热量降低。
分别模拟该系统降低分区1和分区2实际供热量，同时另一分区供热量不变下的调节比例与系统运行参数，其中，负荷下降分区的末端用户传热能力等比例降低。图3展示了模拟分区1的实际负荷下降，分区2负荷不变的结果。其中，图3(a)是一次网总流量与二次网旁通流量的调节比例，图3(b)是在对应负荷下该分区的二次网供回水温度以及系统整体的一次网出水温度。图中的横坐标是在分区2供热量不变下，分区1供热量与设计负荷的比值。根据模拟结果，该系统能够满足在分区2供热量不变，而分区1供热量降低至设计负荷任意百分比下的正常运行。
(a)调节方式 (b)温度参数
图3 分区1实际负荷下降，分区2不变的模拟结果
根据图3(a)，当分区1的实际负荷降低，分区2的实际负荷不变时，需要降低一次网总流量，同时增加分区1二次网供回水的旁通流量。其中，一次网总流量的降低率随实际负荷降低呈近似线性关系，而对于二次网供回水旁通量，在实际负荷较高时其增长率较大，在实际负荷较低时增长率较小。在图3(b)中，灰色曲线是系统的一次网出水温度，对应右侧纵坐标数值，其他曲线均为分区1的二次网水温度，对应左侧纵坐标数值。随着分区1实际供热量的降低，用户的二次网回水温度和非旁通流经系统的出水温度上升，但由于系统旁通流量的增加，导致最终混水后的二次网供水温度下降。整体来看，二次网供回水的温度变化呈近似线性。对于一次网，出水温度随分区1的供热负荷降低而呈近似线性上升，系统的温度效率下降，运行性能降低。在分区1负荷降低至设计负荷的25%时，一次网出水温度上升至40℃，温度效率降低至1.077，但仍高于传统板换系统的温度效率。
为了进一步验证该系统是否在负荷适应性上也具有对称性，对分区2实际负荷下降，分区1负荷不变的工况也进行了模拟，结果如图4所示。对比图3与图4的结果，能够发现，对应曲线的变化趋势是几乎相同的，因此，图4能够得到与图3完全相同的结论，同时进一步验证的系统良好的供热对称性。
(a)调节方式 (b)温度参数
图4 分区2实际负荷下降，分区1不变的模拟结果
4.3 部分负荷的调节性能
当系统在设计工况下能够正常运行后，还要求系统在部分负荷下具有一定的调节能力。对于采用板换的分区系统，在部分负荷时，各分区的供热量按照相同的比例下降。此时，由于系统供热的独立性，只需降低对应板换一次网流量，即可满足各自的供热需求。而对于分区吸收式换热系统，两分区共用一次网，需要研究该系统在部分负荷下的流量调节方式。首先是两分区实际负荷均为设计负荷的工况，图5展示了仅降低一次网总流量时，各分区的实际供热负荷率变化情况。可以看到，当一次网流量从设计流量的100%降低至40%的过程中，分区1与分区2的实际负荷率变化几乎一致。可以认为，仅通过调节一次网总流量，便能够实现各分区的负荷按照相同的比例下降。即，在各分区的实际负荷等于设计负荷的条件下，片式吸收式换热系统的部分负荷自调节性能良好，无需采用二次网旁通阀辅助调节即可实现各分区相同的部分负荷率。
图5 各分区供热负荷率随一次网流量的变化趋势
此外，还可能出现在4.2节提到的情形下的部分负荷情况。即，在实际的满负荷供热时，其中一个分区的负荷等于设计负荷，但另一个分区的负荷低于设计负荷。在4.2节中，通过调节一次网总流量和该分区的二次网供回水旁通流量，能够实现该工况下的正常供热。但到了该情形的部分负荷时，需要模拟分析如何通过调节一次网流量和二次网对应分区的旁通流量，实现不同分区的热负荷率按照相同的比例下降。
图6展示了当系统其中一个分区的实际负荷降低至设计负荷的80%，另一分区负荷不变时，在不同的部分负荷率下对应调节一次网流量与对应分区二次网旁通流量的比例。根据模拟结果，该调节方式能够使各分区的负荷率按照相同的比例下降。图6(a), (b)分别是分区1实际负荷降低与分区2实际负荷降低的模拟结果。其中，蓝色曲线代表的是一次网实际流量与在其中一分区负荷率为80%，另一分区负荷不变下，调节后的一次网流量之间的比值，即分母的一次网流量是按照4.2节的曲线调节后的一次网流量。橙色曲线为对应分区的二次网非旁通流量的比例，等于实际的非旁通流量/该分区二次网总流量，与图3，图4中的对应曲线有相同的意义。
(a)分区1实际负荷为设计值的80% (b)分区2实际负荷为设计值的80%
图6 实际负荷低于设计负荷时，部分负荷下系统的调节方式
在该条件下，若分区1的实际负荷小于设计值，则当系统运行至部分负荷工况时，通过降低一次网流量，同时降低分区1的二次网非旁通流量，能够使得两分区供热量按照相同的比例下降。其中，一次网近似线性降低，且降低速率较大，而分区1二次网非旁通流量的改变较小，且相比于高部分负荷率，该流量在低部分负荷率时降低速率变小。若分区2的实际负荷小于设计值，根据图6(b)的结果，一次网的变化趋势与图6(a)几乎一致，但二次网非旁通流量的变化趋势与图6(a)有所区别。此时当系统运行至部分负荷工况时，分区2的二次网非旁通流量随负荷率的降低先降低后缓慢上升。此时，由于分区吸收式换热系统一次网由两分区共用，导致了较小的差异出现。但整体来看，通过调节一次网流量和对应分区二次网旁通流量，实现部分负荷时各分区供热量的等比例下降，且两工况下一次网的调节曲线相同，系统具有较好的部分负荷调节性能。
5 结语
针对大面积高层建筑群供热现状，本文提出了分区的吸收式换热系统流程。该系统既能满足现有分区系统的功能，使各分区供热相互独立，又能实现吸收式换热器降低一次网出水温度的功能。该系统基于双级吸收式换热器，将各分区用户的二次网设计成对称的换热模式。建立了该系统的仿真模型并对其进行了计算分析。在设计工况下，各分区的供热量均为960kW，系统的一次网出水温度为27.6℃，温度效率可达1.268。系统的运行高效且稳定。在此基础上，对系统的负荷适应性与部分负荷调节能力进行了模拟分析。当其中一个分区负荷低于设计负荷，另一分区不变时，通过调节一次网总流量与对应分区的二次网供回水旁通流量，能够满足供热需求，系统的温度效率仍高于对应的板换系统。此外，系统还具有较好的部分负荷调节性能。该系统的流程提出与分析结果能够指导应用于实际工程的相关系统设计，有助于区域供热的进一步发展。
参考文献
[1] GB 50019-2003, 采暖通风与空气调节设计规范[S].；
[2] 盛晓文.高层建筑热水采暖系统及其连接方式[J].应用能源技术,1998(04):5-8.
[3] 李建中.高层建筑分层式热水采暖系统分析[J].建材与装饰,2019(08):216-217.
[4] 肖先秀. 高层供热系统垂直失调分析与优化[C].2019供热工程建设与高效运行研讨会论文集(上),2019:682-685.
[5] 付林,江亿,张世钢.基于Co-ah循环的热电联产集中供热方法[J].清华大学学报(自然科学版),2008(09):1377-1380+1412.
[6] Yi Yuhao, Xie Xiaoyun, Jiang Yi. A Two-stage Vertical Absorption Heat Exchanger for District Heating System. International Journal of Refrigeration. 2020;114:19-31.
[7] Zhu Chaoyi, Xie Xiaoyun, Jiang Yi. A multi-section vertical absorption heat exchanger for district heating systems. International Journal of Refrigeration. 2016;71:69-84.
[8]才华,谢晓云,江亿.多级大温差吸收式换热器的设计方法研究与末寒季性能实测[J].区域供热,2019(01):1-7+25.
[9] Hu Tianle, Li Jingyuan, Xie Xiaoyun, et al. Match property analysis of falling film absorption process. International Journal of Refrigeration. 2019;98:194-201.
[10] Klein SA. Engineering Equation Solver. 2010 Software available at http://www. fchartsoftware.com/ees/.
[11] Xie Xiaoyun, Jiang Yi. Absorption heat exchangers for long-distance heat transportation. Energy. 2017;141:2242-50.
[12] Sun Jian, Ge Zhihua, Fu Lin. Investigation on operation strategy of absorption heat exchanger for district heating system. Energy and Buildings. 2017;156:51-7.
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2020年10月刊总第37期（第22届全国暖通空调制冷学术年会文集）。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。
