李君　李春鵬　張志國

（中建-大成建筑有限責(zé)任公司　北京　100048）

淺談如何實(shí)現(xiàn)高層建筑采暖系統(tǒng)的熱力平衡

李君李春鵬張志國

（中建-大成建筑有限責(zé)任公司北京100048）

本文通過實(shí)際案例重點(diǎn)分析了建筑采暖系統(tǒng)熱力不平衡的原因，并對(duì)動(dòng)態(tài)流量平衡閥和靜態(tài)流量平衡閥的特點(diǎn)、原理等進(jìn)行詳細(xì)分析，探討了熱力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)措施。

高層建筑；采暖系統(tǒng)；熱力平衡

在我國經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展下，城市建設(shè)快速發(fā)展。建筑對(duì)能耗的需求不斷增加。供暖系統(tǒng)節(jié)能主要從運(yùn)行管理、用戶使用、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行控制。在高層建筑系統(tǒng)使用過程中，常會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)末端熱能不達(dá)標(biāo)，系統(tǒng)熱力不平衡現(xiàn)象，導(dǎo)致了能源的大量浪費(fèi)。為了達(dá)到節(jié)能的目的，首先要實(shí)現(xiàn)高層建筑采暖系統(tǒng)的熱力平衡。

1　案例介紹

某住宅小區(qū)的總建筑面積為85621m2，其中高層住宅總28層，建筑面積為12000m2。住宅小區(qū)主要使用鍋爐房直供的方式供暖。供水管主要分為高區(qū)和低區(qū)兩個(gè)支路進(jìn)行供暖。室內(nèi)安裝散熱器系統(tǒng)。一共設(shè)計(jì)了11臺(tái)燃?xì)忮仩t同時(shí)進(jìn)行供暖，一臺(tái)鍋爐大約可以提供45萬大卡的熱量。鍋爐房中設(shè)置了4臺(tái)循環(huán)水泵，分別供高區(qū)低區(qū)使用，水泵的揚(yáng)程如下：Q=100m3/h，H=32m。

2　供暖系統(tǒng)產(chǎn)生能耗的原因

在供暖系統(tǒng)使用過程中，由于管道材料、系統(tǒng)施工情況存在差異，各個(gè)支路管道的設(shè)計(jì)比摩阻和管道比摩阻存在一定的差異性，支路的設(shè)計(jì)流量和實(shí)際流量存在一定的差異。致使供暖系統(tǒng)熱力無法平衡。在室內(nèi)冷熱負(fù)荷或室外溫度產(chǎn)生變化時(shí)，為了保證供暖系統(tǒng)低能耗運(yùn)行，需要對(duì)供水溫度和供暖流量進(jìn)行調(diào)整，此時(shí)會(huì)再次對(duì)供暖系統(tǒng)的熱流量進(jìn)行分配，出現(xiàn)熱力失調(diào)的情況[1]。所以，從運(yùn)行調(diào)節(jié)的角度來看，熱力失調(diào)是一種必然存在的情況。為了保證建筑物包括管路末端在內(nèi)的室內(nèi)溫度都可以達(dá)到要求，可以使用以下方法進(jìn)行解決：①增加供暖系統(tǒng)總循環(huán)水流量，進(jìn)而使末端室內(nèi)溫度滿足設(shè)計(jì)要求；②當(dāng)供暖系統(tǒng)的總循環(huán)流量無法改變時(shí)，為了使建筑物的室內(nèi)溫度滿足設(shè)計(jì)要求，要增加供水的溫度。但是不管是增加水的溫度，還是提高供暖系統(tǒng)的總循環(huán)流量，和熱源比較近的樓層受到的供熱量都比較大，樓層室內(nèi)的溫度也比較高。本工程供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如表1所示。

表1　供暖系統(tǒng)實(shí)際工況和設(shè)計(jì)工況對(duì)比

根據(jù)表1來看，供暖系統(tǒng)的實(shí)測總流量為90m3/h，超出設(shè)計(jì)流量7.1％。一號(hào)用戶和二號(hào)用戶的室內(nèi)熱流量均大于設(shè)計(jì)流量，而三號(hào)用戶和四號(hào)用戶的流量均未達(dá)到設(shè)計(jì)流量。將一號(hào)用戶的流量調(diào)整為35m3/h時(shí)，二號(hào)用戶的實(shí)測流量為30m3/h，三號(hào)用戶實(shí)測流量為22.5m3/h，四號(hào)用戶的實(shí)測流量為20m3/h。經(jīng)過調(diào)整后，雖然所有用戶的室內(nèi)溫度均達(dá)標(biāo)，但是調(diào)整后能耗增加了27.9％左右。在供暖系統(tǒng)中，這種設(shè)計(jì)流量和用戶實(shí)際流量不一致的情況就表示此用戶熱力失調(diào)，可以利用熱力失調(diào)度來評(píng)價(jià)熱力失調(diào)的程度。表示公式如下：

在公式中，用戶的設(shè)計(jì)流量為QJ，用戶的實(shí)際流量為Qs。熱力平衡指的是保證其他用戶流量發(fā)生變化時(shí)，用戶自身的流量可以保持不變。一般可以使用熱力穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行體現(xiàn)：

在公式中，用戶的最大流量為Qmax，使用公式1對(duì)沒有調(diào)整時(shí)系統(tǒng)和用戶的水力失調(diào)度和對(duì)本工程供暖系統(tǒng)的工況進(jìn)行了計(jì)算，如表2所示。隨著水力失調(diào)度的不斷增加，采暖系統(tǒng)對(duì)能源的效果也會(huì)增加。由于供暖系統(tǒng)的熱媒是利用閉式管路系統(tǒng)輸入到每一個(gè)用戶室內(nèi)的。理想狀態(tài)下，一個(gè)設(shè)計(jì)合理的管網(wǎng)系統(tǒng)是可以保證所有用戶都達(dá)到設(shè)計(jì)流量的。也只有在這種情況下，才能在達(dá)到熱負(fù)荷要求的同時(shí)，不浪費(fèi)能源[2]。所以，要在保證室內(nèi)溫度的基礎(chǔ)上，盡量減少系統(tǒng)熱力失調(diào)的情況，從而達(dá)到節(jié)約能源的目的。

表2　水力失調(diào)度的計(jì)算結(jié)果

3　高層建筑熱力平衡調(diào)節(jié)元件

供暖系統(tǒng)的熱力平衡的調(diào)節(jié)離不開熱力平衡元件。當(dāng)前，主要使用流量平衡閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。而流量平衡閥又分為動(dòng)態(tài)流量平衡閥和靜態(tài)流量平衡閥，在使用功能和使用特點(diǎn)上是不同的。

3.1動(dòng)態(tài)流量平衡閥

動(dòng)態(tài)流量平衡閥主要是用來保持管路流量和閥門流量的恒定。通過將動(dòng)態(tài)流量平衡閥應(yīng)用到管網(wǎng)中，可以按照設(shè)計(jì)要求對(duì)流量進(jìn)行設(shè)定。在水壓力的影響下，閥門可以自動(dòng)將壓力波動(dòng)和管線剩余壓力引起的流量偏差消除。如圖1所示。以流體力學(xué)的角度來看，動(dòng)態(tài)流量平衡閥是一個(gè)可以改變局部阻力的節(jié)流件。通過對(duì)閥芯的過流面積進(jìn)行調(diào)整，來適應(yīng)閥門前后的壓力差，從而達(dá)到控制流量的目的。動(dòng)態(tài)流量平衡閥可以根據(jù)實(shí)際需要對(duì)流量進(jìn)行設(shè)定，并利用閥門將流量保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)[3]。動(dòng)態(tài)流量平衡閥主要是為了對(duì)最大流量進(jìn)行限制。主要由自動(dòng)平衡閥和手動(dòng)調(diào)節(jié)閥構(gòu)成。其中自動(dòng)平衡閥主要是為了保持流量穩(wěn)定不變，手動(dòng)調(diào)節(jié)閥主要是為了對(duì)流量進(jìn)行設(shè)定。

圖1　動(dòng)態(tài)流量平衡閥示意圖

3.2靜態(tài)流量平衡閥

靜態(tài)流量平衡閥主要是對(duì)閥座和閥芯之間的間隙來達(dá)到調(diào)節(jié)閥門阻力的目的。利用靜態(tài)流量平衡閥可以使建筑的所有環(huán)路的熱力都達(dá)到平衡，保證所有支路的熱量都滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)閥門的開度發(fā)生變化時(shí)，管段壓力和管段流量也會(huì)呈現(xiàn)出線性變化。一般可以在供水管路或者回水管路上安裝靜態(tài)平衡閥。為了便于調(diào)節(jié)，提高平衡閥的使用年限，最好將平衡閥安裝在水溫比較低的回水管路上。在利用靜態(tài)平衡閥調(diào)整流量時(shí)，要對(duì)調(diào)節(jié)閥前后的壓力進(jìn)行測量，保證調(diào)節(jié)和測量的準(zhǔn)確性，并盡量在直管段安裝平衡閥。供暖系統(tǒng)的熱力調(diào)節(jié)平衡后，不能在供暖系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)隨意調(diào)節(jié)靜態(tài)平衡閥的開度。

3.3流量平衡閥的主要作用

動(dòng)態(tài)流量平衡閥可以根據(jù)具體的工況對(duì)阻力系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，而靜態(tài)流量平衡閥可以對(duì)每個(gè)關(guān)聯(lián)平衡供暖系統(tǒng)的阻力進(jìn)行調(diào)整。使各個(gè)環(huán)路的阻力達(dá)到平衡。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中循環(huán)水量降低，如果使用靜態(tài)流量平衡閥，可以根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算比例對(duì)系統(tǒng)支路的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果使用動(dòng)態(tài)平衡閥，雖然可以根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷的變化情況對(duì)循環(huán)水流量進(jìn)行調(diào)整，但是安裝有平衡閥的環(huán)路流量變化不大，還是會(huì)出現(xiàn)供水熱力失調(diào)的情況。所以，動(dòng)態(tài)平衡閥和靜態(tài)平衡閥的工作特點(diǎn)是不同的，在實(shí)際運(yùn)用過程中，不能隨意對(duì)兩者進(jìn)行替換。

4　建筑采暖系統(tǒng)熱力平衡的實(shí)現(xiàn)

經(jīng)過上述分析，本工程在熱力管網(wǎng)的環(huán)路末端用戶入口、分支管、支管等均安裝了靜態(tài)平衡閥。并使用如下公式對(duì)不同區(qū)域的熱水流量和耗熱量進(jìn)行了計(jì)算，建筑的供暖熱負(fù)荷使用下述公式計(jì)算：

在公式中，建筑物面積熱指標(biāo)為W：q，單位為W/m2；建筑物供暖熱負(fù)荷為Q，單位為W，建筑物的總建筑面積為F，單位為m2。

建筑物的供暖熱流量使用下述公式進(jìn)行計(jì)算：

在公式中，建筑供暖熱負(fù)荷為Q，單位為W；建筑供暖熱流量為G，單位為kg/h。回水溫度為ttg，供水溫度為tg，單位為℃。

在設(shè)計(jì)壓差情況無法準(zhǔn)確了解時(shí)，平衡閥可以根據(jù)接管的大小進(jìn)行選擇，并根據(jù)平衡閥廠家提供的選型表確定選型的正確性。安裝好平衡閥后，經(jīng)過檢測發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)不同區(qū)域存在嚴(yán)重的欠流情況，只有少部分建筑達(dá)到了計(jì)算流量的設(shè)計(jì)要求。在這種情況下，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)各個(gè)靜態(tài)平衡閥的開度進(jìn)行了設(shè)定，確保系統(tǒng)的水力分配達(dá)到平衡。調(diào)試好平衡閥后，利用平衡中回路的阻力使管網(wǎng)環(huán)路阻力和設(shè)計(jì)工況相協(xié)調(diào)。

5　結(jié)論

綜上所述，在安裝并調(diào)試好平衡閥后，合理的對(duì)熱力進(jìn)行了分配，所有的住戶都得到了同樣的采暖效果，有效提高的熱力的使用率，提升了用戶住房的舒適度。并且所有回路的阻尼比例處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)天氣變化時(shí)，隨著總量的增加，阻力比例也會(huì)隨著增加或減少，并根據(jù)不同回路的流量情況，重新分配熱力，使各個(gè)回路之間的回水溫度相同，可以更加準(zhǔn)確的對(duì)鍋爐進(jìn)行調(diào)節(jié)。

[1]于曉明.對(duì)平衡閥功能與技術(shù)特點(diǎn)及其應(yīng)用等問題的探討[J].暖通空調(diào)，2007（37）：271～275.

[2]陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].中國建筑工業(yè)出版社，2003：32～33.

[3]周毅峰，黃木新.平衡閥在建筑住宅空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國住宅設(shè)施，2008（08）：45～46.

TU832

A

1673-0038（2015）04-0061-02

2015-1-8

李君（1980-），女，河北人，中級(jí)，本科，從事建筑行業(yè)工作。

李春鵬（1979-），男，河北人，中級(jí)，本科，從事建筑行業(yè)工作。