申劍 張欣然

中國(guó)航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司

1 提出問題

為提高散熱器供熱量的精確調(diào)節(jié)，提高供暖質(zhì)量，減少供熱浪費(fèi)，新建或改擴(kuò)建的民用、公共建筑的供暖系統(tǒng)，大多采用雙管系統(tǒng)，每個(gè)散熱器前設(shè)置兩通高阻恒溫閥。隨著《工業(yè)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB51245 的發(fā)布，根據(jù)“5.2.8 對(duì)于需要分室自動(dòng)控制室溫的散熱器供暖系統(tǒng)，散熱器前應(yīng)安裝恒溫控制閥”，工業(yè)建筑也在逐步擴(kuò)大雙管供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，但是，很多設(shè)計(jì)者認(rèn)為兩通高阻恒溫閥具有高阻力的特性，只要安裝它，就可以解決水力平衡問題而無(wú)需再進(jìn)行水力平衡計(jì)算，實(shí)際情況到底如何，下面將以某算例進(jìn)行具體分析。

2 算例分析

2.1 水平雙管系統(tǒng)

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本文以一個(gè)有20 根立管的單層雙管供暖環(huán)路為算例，采用上供上回同程系統(tǒng)，前10 組散熱器負(fù)荷為4 kW/組，后10 組散熱器負(fù)荷為2 kW/組，具體立管圖見圖1：

圖1 水平雙管供暖系統(tǒng)立管示意圖

選用的恒溫閥參數(shù)參考標(biāo)準(zhǔn)圖17K408[1]，具體參數(shù)見表1：

表1 恒溫閥參數(shù)

根據(jù)軟件計(jì)算（軟件默認(rèn)管路比摩阻取值范圍為40～100 Pa/m），各立管默認(rèn)管徑為DN15，此時(shí)系統(tǒng)阻力見表2：

表2 立支管管徑為DN15 時(shí)系統(tǒng)阻力及不平衡率

根據(jù)表2 可以看出，如果不進(jìn)行水力計(jì)算，只是簡(jiǎn)單直接安裝高阻力恒溫閥，不僅無(wú)法解決系統(tǒng)的水力平衡問題，還會(huì)加劇水力失調(diào)，哪怕是在加裝恒溫閥前進(jìn)行了水力平衡達(dá)到15%，而在加恒溫閥后，水力失調(diào)度也會(huì)加劇到39.38%，其原因是恒溫閥的阻力是根據(jù)閥門值和流量確定的：P=(Q/Kv)2，通常阻力較大的環(huán)路流量也較大，所以如果所有支路選擇相同的閥門Kv 值，原來(lái)阻力比較大的環(huán)路阻力就會(huì)變得更大，加劇不平衡率。而如果根據(jù)系統(tǒng)的阻力和每個(gè)支管的流量，經(jīng)過計(jì)算選擇恒溫閥合理的Kv 值，就可以解決水力失調(diào)問題，如果在選擇恒溫閥之前，先進(jìn)行系統(tǒng)的水力初平衡，還可以降低系統(tǒng)的總阻力。

由于多年的使用習(xí)慣，東北地區(qū)很多項(xiàng)目，甲方要求散熱器立管不得小于DN20，當(dāng)立管管徑為DN20時(shí)，系統(tǒng)阻力見表3：

表3 立支管管徑為DN20 時(shí)系統(tǒng)阻力及不平衡率

由表3 可以看出，加大立支管管徑僅能降低系統(tǒng)總阻力，對(duì)于系統(tǒng)的平衡作用不大，而都采用DN20 的恒溫閥將會(huì)增加初投資。

如果根據(jù)每個(gè)立管的流量選擇不同的管徑，有利于系統(tǒng)的平衡，將本算例中1～10 立管采用DN20、11～20 立管采用DN15 時(shí)，系統(tǒng)阻力見表4：

表4 1～10 立管采用DN20、11～20 立管采用DN15 時(shí)系統(tǒng)阻力及不平衡率

根據(jù)以上計(jì)算可以看出兩通高阻恒溫閥的高阻力特性十分明顯，所以系統(tǒng)立管管徑、恒溫閥預(yù)設(shè)值的選擇，應(yīng)根據(jù)外管網(wǎng)情況、與其它環(huán)路的平衡情況等因素綜合考慮。

2.2 垂直雙管系統(tǒng)

以一個(gè)6 層垂直雙管供暖系統(tǒng)為算例，采用上供下回系統(tǒng)，每組散熱器負(fù)荷為2 kW/組，具體立管圖見圖2：

圖2 垂直雙管供暖系統(tǒng)立管示意圖

垂直雙管系統(tǒng)中，由于水冷卻產(chǎn)生的重力作用壓力是引起垂直失調(diào)的重要原因之一，本算例按供回水溫度80/55 ℃計(jì)算，散熱器負(fù)荷為2000 W，重力作用壓力按ρgh×2/3 計(jì)算[2]，水力計(jì)算結(jié)果見表5：

表5 立管采用DN20、支管采用DN15 時(shí)各環(huán)路阻力及不平衡率（系統(tǒng)不進(jìn)行水力平衡）

根據(jù)表5 可以計(jì)算出：無(wú)恒溫閥的系統(tǒng)考慮重力作用時(shí)不平衡率為120.82%，采用無(wú)預(yù)設(shè)阻力型恒溫閥的系統(tǒng)不平衡率為45.47%，采用帶預(yù)設(shè)阻力型恒溫閥的系統(tǒng)不平衡率為10.83%。本系統(tǒng)的平衡完全是靠增加恒溫閥阻力實(shí)現(xiàn)的，結(jié)果會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)阻力增加較大，根據(jù)文獻(xiàn)[3]的建議“應(yīng)將高環(huán)路多得到的自然作用壓力，用以克服低環(huán)路的相對(duì)不利因素，即回水立管的管徑要小于供水立管的管徑，使回水立管的阻力大于供水立管的阻力”，現(xiàn)將系統(tǒng)改為圖三所示，其水力計(jì)算結(jié)果見表6：

表6 調(diào)整供回水立、支管管徑后各環(huán)路阻力及不平衡率

圖3 改進(jìn)后垂直雙管供暖系統(tǒng)立管示意圖

根據(jù)表6 可以計(jì)算出：無(wú)恒溫閥的系統(tǒng)考慮重力作用時(shí)不平衡率為159.97%，采用無(wú)預(yù)設(shè)阻力型恒溫閥的系統(tǒng)不平衡率為46.49%，采用帶預(yù)設(shè)阻力型恒溫閥的系統(tǒng)不平衡率為12.94%。即經(jīng)過人為調(diào)整，系統(tǒng)的總阻力約為2 kPa 就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平衡。因此。只有經(jīng)過計(jì)算確定合適的管徑和恒溫閥Kv 值（設(shè)定值），才能解決供暖系統(tǒng)的水力平衡問題。

3 結(jié)論

1）不經(jīng)過水力計(jì)算，隨意的設(shè)置恒溫閥將加大供暖系統(tǒng)的水力失調(diào)，只有選擇合適的恒溫閥Kv 值，才有利于系統(tǒng)平衡。

2）進(jìn)行系統(tǒng)水力平衡計(jì)算，同時(shí)選擇合適的恒溫閥Kv 值，有利于降低系統(tǒng)總阻力。

3）恒溫閥Kv 值是合理選擇閥門的重要參數(shù)，而每個(gè)廠家產(chǎn)品的Kv 值是不同的，所以應(yīng)在設(shè)計(jì)中明確每個(gè)恒溫閥需求的Kv 值（或預(yù)設(shè)檔位），并保證現(xiàn)場(chǎng)安裝正確。

4）恒溫閥Kv 值的確定是因人而異的，根據(jù)表四可以看出，同樣的系統(tǒng)，不同的配管設(shè)計(jì)，會(huì)導(dǎo)致恒溫閥Kv 值選擇的不同，未經(jīng)過水力平衡的系統(tǒng)，11～20立管預(yù)設(shè)定閥門檔位為5，而經(jīng)過水力平衡的系統(tǒng)，11～20 立管預(yù)設(shè)定閥門檔位為6。

5）本文僅對(duì)采用兩通高阻恒溫閥的雙管系統(tǒng)水力平衡進(jìn)行了闡述，而工業(yè)建筑的散熱器供暖系統(tǒng)是否都應(yīng)該采用雙管加高阻力恒溫閥的設(shè)計(jì)，還需要根據(jù)廠區(qū)外網(wǎng)情況確定，如老舊廠區(qū)的供暖改造或新老建筑共用管網(wǎng)等情況。當(dāng)廠區(qū)外網(wǎng)資用壓頭本身不富裕時(shí)，或許采用單管跨越加兩通低阻恒溫閥或單管系統(tǒng)加三通低阻恒溫閥是更好的選擇。