试论采暖系统中异程单、双管系统水力平衡计算

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【摘 要】近年来由于散热器温控阀的使用，增大了采暖系统末端的阻力，给系统的平衡设计创造了有利条件，但也给采暖系统水力计算带来一些新的问题。随着节能对设计的严格要求，设计人员对采暖系统水力平衡计算也应更加重视。笔者总结了异程单管和双管系统水力平衡计算的几个问题以及散热器温控阀的作用，供同行参考。

【关键词】异程单管系统；异程双管系统；散热器温控阀

1、异程单管系统

单管系统应采用跨越式，散热器应采用低阻力温控阀。典型垂直单管跨越式系统中，每组散热器（支路s）与其供回水管之间跨越管（支路k）为并联关系，其流量和阻力存在以下关系式： ； 。由此可导出散热器支路分流系数α： ①根据流体力学基本公式，跨越管支路阻力特性系数Sk值按下式推导得出：

② 同理，散热器支路阻力特性系数Ss值按下式计算： ④式中Sv为散热器温控阀的阻力特性系数（Pa/（m3/h）2），由生产厂家提供的温控阀的流通能力Kv值，按下式推导得出： （Pa），Sv=105/Kv2

以上各式中：G—立管流量；Gs、Gk—流经散热器支路和跨越管支路的流量；Ss、Sk—散热器支路和跨越管支路的阻力特性系数；ΔPk—跨越管支路管道总阻力；ΔPmk—跨越管支路管道沿程阻力；ΔPjk—跨越管支路管道局部阻力；djs、djk—散热器支路和跨越管支路的管道计算内径；λs、λk—散热器支路和跨越管支路的管道摩擦阻力系数；Ls、Lk—散热器支路和跨越管支路的管道长度；∑ξs、∑ξk—散热器支路（不含温控阀）和跨越管支路的管道局部阻力系数和；ΔPv—散热器温控阀的压力损失。

当已知立管流量G、各管段管径及连接方式以及散热器温控阀流通能力，通过式②和③可计算出跨越管支路和散热器支路的阻力特性系数Sk和Ss值，通过式①可计算出分流系数α和流经散热器的流量Gs。由式②、③可知，S值不仅与管径、局部阻力系数等管路本身特性有关，还与管道摩擦阻力系数λ的函数有关。λ是雷诺数的函数，与管段流速有关，即同样的立管结构，流量不同时，分流系数是有差异的，这使手算变得非常复杂，但通过编制计算机程序是可以解决的。

2、异程双管系统

双管系统由于末端散热器为并联，为使各并联的散热器及其管路阻力相互平衡，需采用高阻力温控阀以增大末端阻力，即使如此，多数工程设计中仅靠调整管径无法满足各并联散热器环路之间的压力损失相对差额≤15%的要求。一些温控阀厂家生产出具有预设定功能的温控阀，可以解决系统水力不平衡和因自然循环产生的垂直失调问题，理想的作法是根据水力平衡需要的压差确定每组散热器温控阀的预设值。但根据我国施工水平的现状，实际工程设计施工中无法做到温控阀的无级调节。由于温控阀是分档调节，流通能力不是连续变化的，造成每上调或下调一档，其阻力变化相对于管道阻力变化过大。

在大多数工程设计计算中，除非选择很小的预设值，即人为再增大末端阻力才能满足系统末端支路中各并联散热器环路之间的阻力损失相对差额≤15%的要求，但这会造成以下问题：1温控阀相对于某一流通能力设定值时，其全行程中的线性区域为有效区域，在这个区域中阀门开度和流量成近似比例关系，调节阀体的行程为有效调节行程。调节阀有效调节行程对应的温度变化差值称为温控阀的比例带Xp，当实际温度偏差超出比例带时，虽然阀门继续开大，但流量基本不变，没了调节作用。改变温控阀的预设值实际是改变了温控阀的比例带Xp值，在预设值1和N之间，Xp介于0.5K和2K之间，Xp=2K综合考虑了室温控制的稳定性和适宜的室温变化范围，它表示阀门在室温高出设定值2K（℃）时关闭。如果温控阀预设值选择过小，Xp太小时，控制上不容易实现较好的稳定性，尤其在低负荷运行时容易形成震荡。2温控阀预设值选择过小，阀门压差过大，会产生噪声，且由于阀孔减小，对水质的要求更高，如水质不能保证，阀门极易堵塞失效。3垂直双管系统中由于自然循环作用压力造成的垂直失调也应通过调整管径来解决。对于层高为h（m）的建筑，各层之间散热器自然循环作用压力差Hz随水温变化也是变化的，一般近似按下式计算： （Pa）式中ρg、ρh—设计供、回水温度下水的密度；g—重力加速度，g=9.81m/s2。

下供下回双管系统中，当末端阻力相差不大时，如果每层增加的管道阻力能和上式中自然循环作用压力相抵则可解决因自然循环产生的垂直失调问题。设计计算时，宜通过调整管径使立管比摩阻≤RL，使自然循环作用压力接近但不小于增加的管道阻力，即立管中最不利环路在最低层，以上层余留的不平衡水头可由温控阀根据室温动态地消除。表5列出系统供回水温度为85/60℃，建筑层高分别为2.8m、3.0m、3.3m、3.6m时，抵消自然循环作用压力所需要的立管比摩阻最大值，通过调整管径是不难达到的。笔者认为无论是水平还是垂直双管系统，在水力计算时均应采用温控阀设定为出厂时的设定值时的流通能力计算温控阀的阻力，设计阶段一般不应采用通过改变温控阀预设值来平衡各散热器环路之间的阻力。

表5 抵消自然循环作用压力所需要的立管比摩阻RL

建筑层高（m） 2.8 3.0 3.3 3.6

RL（Pa/m） 34.9 35.6 36.4 37.1

3、温控阀的作用

为了节能，住宅散热器应设置温控阀，但其调节作用有限，不能取代其他节能环节。首先气温变化时，建筑物整体供热需求大幅度改变，温控阀的调节能力是无法满足需要的。此时集中热源的总供热量应相应改变，即可采用气候补偿改变供水温度等整体调节环节。当系统达不到水力平衡时，仅靠温控阀的调节功能也无法满足要求；为满足远端供热量需求，近端房间必然过热，造成能源浪费；因此系统水力平衡是另一节能的重要环节。

单管系统由于各并联环路中散热器串联连接，阻力较大，比双管系统较易通过调整管径达到平衡。但无论系统是单管还是双管，经调整管径后并联环路之间阻力仍相差较大无法平衡时，应在系统各并联环路上设置平衡装置，解决干管各并联支路及各立管之间的平衡。温控阀在系统水力平衡中的作用，仅仅是在运行时动态地消除没有另设平衡装置的散热器并联环路的局部不平衡。

理论上系统如通过计算和管网调节达到水力平衡且通过随室外气温变化的供热量进行整体调节就可以维持室温恒定在设计值。但温控阀的调节作用还可解决以下问题，起到维持房间舒适温度和节能的作用：室内供热量仅是根据室内外温差确定的，实际运行中当某些房间由于太阳照射和人员聚会、使用家电等，产生较大的发热量时，温控阀会动态调节阀门开度，维持房间温度恒定，消除自由热；当人员对室温有不同的需求时，可通过手动改变温控阀的室温设定值。尤其是在采用分户热计量收费时，起到了显著的节能作用；由于温控阀的调节作用，可减少锅炉等供热量。在采用双管采暖系统时，温控阀的调节作用改变了系统的总压差，当采暖循环泵采用变速调节时，可节省水泵功率。

参考文献：

[1]石兆玉：《再议供热系统的水力平衡》[J]区域供热，2010（01）

[2]田志叶/许自然：《热水供暖系统水力平衡计算方法探讨》[J]中国科技信息，2009（06）

[3]李玉街：《基于能量分配平衡的暖通空调动态水力平衡调控技术》[J]暖通空调，2009（11）