張健 董昕玥 李炎 孫三祥

蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院

建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生無(wú)論在專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)，還是在課程設(shè)計(jì)及畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)的執(zhí)行過(guò)程中都離不開(kāi)水力計(jì)算這一重要內(nèi)容[1-4]。所謂的水力計(jì)算就是流量分配計(jì)算，確定系統(tǒng)管路各管段管徑及各管段的阻力損失，同時(shí)需要對(duì)并聯(lián)環(huán)路進(jìn)行阻力平衡計(jì)算，使系統(tǒng)中各分支環(huán)路分配的水流量符合用戶(hù)所需的流量要求。水力計(jì)算在該專(zhuān)業(yè)教學(xué)過(guò)程中既是重點(diǎn)也是難點(diǎn)。水力計(jì)算在整個(gè)課程設(shè)計(jì)或是畢業(yè)設(shè)計(jì)中所占用的工作量約占整個(gè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的1/4 到1/3。大型的管網(wǎng)系統(tǒng)，甚至占用更多的時(shí)間。水力計(jì)算耗時(shí)費(fèi)力。而且按照目前傳統(tǒng)的水力計(jì)算方法進(jìn)行水力計(jì)算，在管網(wǎng)水力平衡中也不盡如人意。往往由于管道規(guī)格不是連續(xù)變化的，導(dǎo)致無(wú)法選取理想的管徑規(guī)格，使管網(wǎng)水力計(jì)算不平衡率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)規(guī)范要求值，則系統(tǒng)出現(xiàn)水力失調(diào)現(xiàn)象，水力失調(diào)的實(shí)質(zhì)是管路實(shí)際流量不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)流量要求。對(duì)于一個(gè)供暖系統(tǒng)而言，最直接的影響是造成熱用戶(hù)冷熱不均，嚴(yán)重影響供暖質(zhì)量，同時(shí)造成能源的極大浪費(fèi)[5]。因此，供暖系統(tǒng)中水力計(jì)算顯得格外重要，是供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)[6]。面對(duì)傳統(tǒng)水力計(jì)算繁雜的計(jì)算步驟和超大的計(jì)算量，往往使學(xué)生望而卻步，不能認(rèn)真完整的進(jìn)行整個(gè)管網(wǎng)的水力計(jì)算任務(wù)。找到一種省時(shí)省力，方法簡(jiǎn)單可靠，突破傳統(tǒng)的新的水力計(jì)算方法是一個(gè)焏待解決的重要問(wèn)題。本文針對(duì)傳統(tǒng)水力計(jì)算方法的不足，另辟蹊徑，通過(guò)比例縮放，使各種規(guī)格管道，管件，設(shè)備及附件模型化。并且在模型上記錄其各種水力參數(shù)。然后根據(jù)管路阻抗與流量之間存在的數(shù)學(xué)關(guān)系，按設(shè)計(jì)管網(wǎng)采用實(shí)物模型，使之滿(mǎn)足計(jì)算水力要求[7]。

1 水力計(jì)算理論分析

1.1 并聯(lián)管路流量分配原理

如圖1 所示的并聯(lián)管路，管路的總流量等于各并聯(lián)管路流量之和。各分支管段的流量分配與其通導(dǎo)數(shù)成正比。各分支管段阻力數(shù)S 值不變時(shí)，管段的總流量在各分支管段上的流量分配比例不變。管路的總流量增加或減少多少倍，并聯(lián)環(huán)路各分支管段的流量也相應(yīng)增加或減少多少倍[8]。

圖1 并聯(lián)管路

式中：G 為管路總流量，kg/h；ΔP 為計(jì)算管段的阻力損失，Pa；G1、G2、G3為各并聯(lián)分支管路的流量，kg/h；S1、S2、S3為各并聯(lián)分支管路的阻力數(shù)，Pa/(kg/h)2；a1、a2、a3為各并聯(lián)分支管路的通導(dǎo)數(shù)，(kg/h)/Pa1/2。

1.2 計(jì)算管段的阻力損失ΔP

計(jì)算管段的阻力損失ΔP 等于該管段沿程阻力損失和局部阻力損失之和。即滿(mǎn)足下式。

1.3 針對(duì)S 中的兩部分Sy、Sj 分別研究

1）計(jì)算管段沿程阻力損失所占阻抗Sy

定義Sy：

式（7）中l(wèi) 為計(jì)算管段管長(zhǎng)，現(xiàn)管長(zhǎng)l 取1 m，則式（7）可寫(xiě)為：

式（8）中d 為管子內(nèi)徑，單位為m，如果單位取mm，則式（8）變?yōu)槿缦滤荆?/p>

對(duì)于室內(nèi)供暖系統(tǒng)常用焊接鋼管規(guī)格見(jiàn)表1：

表1 焊接鋼管規(guī)格參數(shù)

式（9）中ρ 為熱水供暖系統(tǒng)中熱水的密度。在水力計(jì)算中一般取冬季供暖熱水平均溫度為60 ℃來(lái)計(jì)算，其相應(yīng)水的密度ρ=983.248 kg/m3。

式（9）中λ 為管段的摩擦阻力系數(shù)。摩擦阻力系數(shù)λ 值一般是用實(shí)驗(yàn)方法確定的。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理的曲線，按照流體流動(dòng)時(shí)所處的不同流動(dòng)型態(tài)，通過(guò)數(shù)學(xué)方法整理的一些經(jīng)驗(yàn)公式用于摩擦阻力系數(shù)λ 值的計(jì)算。對(duì)于室內(nèi)熱水供暖系統(tǒng)，熱水在管路內(nèi)的流動(dòng)型態(tài)，幾乎都是處于紊流過(guò)渡區(qū)內(nèi)。由此可以確定λ值。對(duì)于室內(nèi)熱水供暖系統(tǒng)，各種不同管道規(guī)格的摩擦阻力系數(shù)λ 值見(jiàn)表1。

通過(guò)上述對(duì)四個(gè)參數(shù)的分析計(jì)算，可以得到室內(nèi)熱水供暖系統(tǒng)中各種不同管道規(guī)格1 米管長(zhǎng)時(shí)，沿程阻力損失所占阻抗Sy1值，見(jiàn)表1 所示。

為了便于水力計(jì)算模型實(shí)物化，對(duì)表1 得到的Sy1擴(kuò)大（106/4）倍，并取整，則得到Sy1k見(jiàn)表1。

2）計(jì)算管段局部阻力損失所占阻抗Sj

式（10）中d 為管內(nèi)徑，單位為m，如果單位取mm，則式（10）變?yōu)槭剑?1）所示。

各種不同管徑規(guī)格的管件、閥門(mén)的Sj值具體見(jiàn)表2 所示。

表2 管件、閥門(mén)規(guī)格參數(shù)

同樣，為了便于水力計(jì)算模型實(shí)物化，對(duì)表2 中得到的Sj擴(kuò)大（106/4）倍，并取整得到Sjk，其值見(jiàn)表2。

2 建立模型

根據(jù)上述各種規(guī)格管段、管件計(jì)算參數(shù)Sy1、Sj，建立實(shí)物模型。模型管徑寬度和厚度均取25 mm，長(zhǎng)度尺寸比例按1:25 取值。同時(shí)將管徑規(guī)格和Sy1k、Sjk值標(biāo)注于模型。

室內(nèi)供暖系統(tǒng)最不利環(huán)路，是指從供暖入口起點(diǎn)至最遠(yuǎn)散熱設(shè)備所在的環(huán)路，通常管路最長(zhǎng)，比摩阻R值最小，按水力計(jì)算要求，水力計(jì)算一般從最不利環(huán)路開(kāi)始計(jì)算。最不利環(huán)路管徑的選擇，一般采用參考經(jīng)濟(jì)比摩阻通常取60～120 Pa/m。由此得出用于最不利環(huán)路的各種規(guī)格管徑所能承擔(dān)的流量、熱負(fù)荷的范圍，見(jiàn)表3。表中數(shù)據(jù)由熱水供暖系統(tǒng)供、回水平均溫度取60 ℃，K=0.2 mm 計(jì)算。

表3 最不利環(huán)路管徑選取

根據(jù)表3，對(duì)最不利環(huán)路各管段管徑的確定，可依據(jù)每個(gè)計(jì)算管段承擔(dān)的熱負(fù)荷或流量值，選定所需模型管徑規(guī)格。使最不利環(huán)路水力計(jì)算直觀、快捷。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

確定圖2 所示某公共建筑機(jī)械循環(huán)垂直單管順流異程式熱水供暖系統(tǒng)管路的管徑。熱媒參數(shù)：供水溫度tg=75 ℃，回水溫度th=50 ℃。系統(tǒng)與室外管網(wǎng)連接。散熱器內(nèi)的數(shù)字表示熱負(fù)荷（W）。層高為3 m。圖中小圓圈內(nèi)的數(shù)字表示管道編號(hào)。羅馬字符表示立管編號(hào)。

圖2 供暖系統(tǒng)圖

通過(guò)傳統(tǒng)水力計(jì)算可以看出，供暖系統(tǒng)兩個(gè)并聯(lián)環(huán)路，其中通過(guò)立管Ⅱ的并聯(lián)環(huán)路，經(jīng)計(jì)算其不平衡率達(dá)到35.9%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定不大于15%的要求。其中通過(guò)立管Ⅰ的并聯(lián)環(huán)路，經(jīng)計(jì)算其不平衡率為-3.4%，滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定的要求。

2）應(yīng)用模型

根據(jù)最不利環(huán)路參數(shù)圖表確定的最不利環(huán)路各管段管徑與傳統(tǒng)水力計(jì)算得到的最不利環(huán)路各管段管徑進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)各對(duì)應(yīng)管段管徑規(guī)格完全相同。

通過(guò)新模型水力計(jì)算可以看出，供暖系統(tǒng)兩個(gè)并聯(lián)環(huán)路，其中通過(guò)立管Ⅱ的并聯(lián)環(huán)路，經(jīng)計(jì)算其不平衡率達(dá)到-7.7%。其中通過(guò)立管Ⅰ的并聯(lián)環(huán)路，經(jīng)計(jì)算其不平衡率為-3.4%，兩個(gè)并聯(lián)環(huán)路不平衡率均滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定的要求。

3）兩種水力計(jì)算所用時(shí)間對(duì)比

隨機(jī)選取8 位同學(xué)，讓他們分別用傳統(tǒng)水力計(jì)算方法和新模型對(duì)上述管網(wǎng)進(jìn)行計(jì)算。采用傳統(tǒng)水力計(jì)算方法平均所用時(shí)間為11.75 h，而采用新模型進(jìn)行水力計(jì)算僅耗時(shí)半小時(shí)左右。提高工作效率近20 倍。

4 結(jié)論

使用傳統(tǒng)水力計(jì)算方法部分并聯(lián)環(huán)路水力計(jì)算不平衡率不能滿(mǎn)足規(guī)范要求。而使用模型方法，不平衡率全部達(dá)到了規(guī)范要求。與傳統(tǒng)水力計(jì)算相比，新模型將原計(jì)算管段（由若干米同一管徑構(gòu)成）可拆分1米為單元的兩種管徑，可隨時(shí)變更兩種管徑所占長(zhǎng)度，更易水力平衡。利用最不利環(huán)路計(jì)算簡(jiǎn)表及各規(guī)格管道模型參數(shù)，可快速完成水力計(jì)算。省時(shí)省力，效果顯著。

新的水力計(jì)算方式徹底改變了傳統(tǒng)水力計(jì)算所存在的耗時(shí)耗力，且水力不平衡率偏高的不足，極大的減少學(xué)生水力計(jì)算的工作量，提高了工作效率，同時(shí)新方法降低了水力不平衡率，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能更加優(yōu)越。新模型既可用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也可用于工程實(shí)踐，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值[9]。