采暖系统水力平衡计算中的几个问题

采暖系统水力平衡计算中的几个问题

北京市建筑设计研究院王冷非贺克瑾

摘要：通过对典型的单管跨越式系统和双管系统的计算分析，介绍分流系数在单管跨越式系统中的作用及影响，总结了散热器温控阀在采暖系统中的调节作用。

关键词：单管双管分流系数散热器温控阀

0引言

《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019－2003及现行有关节能设计的标准，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，供同行参考。

1异程单管系统——分流系数及对散热器数量的影响

根据文献［1］，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：

G＝G s+G k

S s G s2=S k G k2

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：

同理，散热器支路阻力特性系数Ss值按下式计算：

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：

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）。

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。

2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。

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

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。

3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。

4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。