采暖系统设计中水力平衡计算的分析研究

采暖系统设计中水力平衡计算的分析研究
【摘要】本文对采暖系统中典型的单管跨越式系统和双管系统的水力平衡计算进行分析研究，总结出分流系数在单管跨越式系统中的影响和重要性以及在双管系统中末端各散热器环路之间的平衡
问题中应选用高阻力型温控阀，并按温控阀预设值为n时的流通能力进行水力平衡计算，并总结了散热器温控阀在采暖系统中的调节作用。

关键词分析研究单管跨越式系统双管系统分流系数散热器温控阀
中图分类号：s611 文献标识码：a 文章编号：
1、引言
《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》gb 507369－2012及现行有关节能设计标准，均对集中热水散热器采暖系统的水力平衡计算有严格的规定，即要求采暖系统在设计工况下应达到静态平衡，通过各种措施使并联环路之间的压力损失相对差额不大于15%。

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，供同行探讨分析。

2、异程单管系统——分流系数及对散热器数量的影响
根据众多设计文献，热水散热器采暖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举例见图1，
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：
（1）
由此可导出散热器支路分流系数α：
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：
（3）
式（3）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）
以上各式中：
g ——立管流量（m3/h）；
gs、gk——流经散热器支路和跨越管支路的流量（m3/h）；
ss、sk——散热器支路和跨越管支路的阻力特性系数
（pa/(m3/h)2）；
δpk——跨越管支路管道总阻力（pa）；
δpmk——跨越管支路管道沿程阻力（pa）；
δpjk——跨越管支路管道局部阻力（pa）；
djs、djk——散热器支路和跨越管支路的管道计算内径（m）；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（m）；
∑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（pa）。

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，还是管道摩擦阻力系数λ的函数，由于室内热水采暖管网流态几乎都处于紊流区，一般用柯列勃洛克公式或简化后的阿里特苏里公式计算摩擦阻力系数λ，其中λ又是雷诺数的函数，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。

以图1所示的管道连接方式为例，笔者按照文献［2］提供的平均λ值计算出不同管径组合的分流系数，见表1，其中温控阀参数根据丹佛斯rtd－g型确定，当2个支环路的长度、管道连接方式
及温控阀参数与本例相同时，设计人可参考表1确定分流系数。

采用其他安装方式或温控阀时，可按上述各式编制计算程序进行计算后确定。

分流系数简化计算表表1
注：管道尺寸栏中两边数据为立管管径，中间数据为跨越管管径，散热器支路管径与立管相同。

文献［2］提供了不同的流量比时三通局部阻力系数，可整理出图1中不同管径组合的散热器支路两个直流三通和跨越管支路两个旁流三通的局部阻力系数和，见表 2。

散热器支路和跨越管支路的三通局部阻力系数表2
对于有相同的负荷分布的立管，分流系数不同，每组散热器流量和温降就不同，导致散热器数量（如片数）不同。

假设图1中立管供回水温度为85/60℃，室温为18℃，散热器采用tz4-6-5（四柱760）型，散热量计算公式q＝0.9△t1.232，表3为根据不同分流系数计算出的各层散热器片数（为了便于对比数据，散热器片数没有取整）。

不同分流系数下的散热器片数表3
由表3可以看出，对于图1的立管，分流系数α＝0.3时散热器总片数比不考虑分流系数（α＝1）多13％，α＝0.2时散热器总
片数多24.5％，这是由于分流系数减小，流经散热器的流量减小，散热器温差加大，供水温度不变，温差加大后散热器平均温度降低，导致片数增多。

以往设计计算时常不考虑设置跨越管的分流问题，带来散热器选择的较大误差。

根据流量与散热量关系曲线得知，温差越大，散热器热量调节性能越好，但从节省散热器数量的角度，不论是垂直单管系统还是水平单管系统，应在满足管路水力平衡的基础上尽量加大散热器分流系数，由于温控阀阻力对分流系数影响较大，单管系统应选用流通能力大的产品。

3、异程双管系统——末端各散热器环路之间的平衡问题
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，即使这样，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（包括垂直双管系统自然循环产生的压力）不大于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（预调阀），较多文献认为垂直双管系统采用预调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。

但在根据我国现状的施工水平，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，表4是以丹佛斯rtd－
n20温控阀为例，供回水温差为25℃时，在预设值1和n之间的阻力变化。

rtd－n20温控阀各预设值阻力举例
表4
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不大于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，没有了调节作用。

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表示阀门在室温高出设定值2k（℃）时关闭。

xp＝2k为欧洲标准，它综合考虑了室温控制的稳定性和适宜的室温变化范围。

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。

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 (kg/m3)；
g ——重力加速度，g=9.81m/s2。

如图2所示的下供下回双管系统，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，就可以解决因自然循环产生的垂直失调问题。

如果图中每层供回水立管上2个直流三通的当量长度取为2m，抵消自然循环作用压力所需要的立管比摩阻为rl（pa/m），则：
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。

抵消自然循环作用压力所需要的立管比摩阻rl 表5
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n时（也是温控阀出厂时的设定值）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。

4、温控阀的作用
文献［1］强制性规定住宅散热器应设置温控阀，其出发点是节能。

但温控阀的调节作用有限，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，即文献［1］推荐的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。

但无论是单管系统还是双管系统，经调整管径后并联环路之间阻力仍然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：
1）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”。

2）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。

3）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。

5、结论
1）单管跨越式系统的分流系数对散热器数量（如片数）影响较大，设计计算时不能忽略；应在满足管路水力平衡的基础上尽量加大散热器分流系数，选用低阻力温控阀。

2）双管系统应选用高阻力温控阀，并按温控阀预设值为n时的流通能力进行水力平衡计算。

3）散热器采暖管网应通过调整管径尽量达到各并联环路的水力平衡，必要时根据系统形式选择设置适用的水力平衡装置，运行时散热器温控阀可动态地消除系统的局部不平衡率。

4）温控阀的调节能力有限，不能代替所有节能控制环节。

系统供热量整体调节、系统水力平衡计算和管网调节、设置温控阀消除
房间自由热和维持房间设定温度，三项节能环节缺一不可。

参考文献
1 严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准 jgj26—2010 中国建筑出版社
2 陆耀庆．供暖通风设计手册（第二版）．北京：中国建筑工业出版社，2007
3 徐伟、邹瑜等．供暖系统温控与热计量技术．北京：中国计划出版社，2000
4 漆明清．在单管系统改造中使用温控阀应注意的问题．暖通空调，1999，29（1）：62－65
5民用建筑供暖通风与空气调节设计规范gb 507369－2012 中国建筑工业出版社
6贺平，孙刚，编著．供热工程，第3版，北京：中国建筑工业出版社。