庾健文

（珠海華發(fā)城市運(yùn)營(yíng)投資控股有限公司，廣東 珠海 519000）

0 引言

中央空調(diào)系統(tǒng)一般會(huì)通過熱水或冷水來輸送能量，而水輸配管網(wǎng)有同程式和異程式兩種，主要區(qū)別在于每個(gè)末端的水流是否經(jīng)過相同物理長(zhǎng)度的路程。系統(tǒng)的高效節(jié)能和精準(zhǔn)控制，離不開水力平衡的輸配系統(tǒng)，而管網(wǎng)設(shè)置的合理性是重要前提。水力平衡系統(tǒng)能保證冷源設(shè)備、末端設(shè)備的水流量穩(wěn)定，而且能進(jìn)行高效換熱，在室外溫度、室內(nèi)冷熱負(fù)荷變化時(shí)，可以及時(shí)響應(yīng)，最終協(xié)同冷源及末端設(shè)備為室內(nèi)人員提供舒適的環(huán)境。管網(wǎng)的輸配形式需要結(jié)合實(shí)際情況，有適用于異程式管網(wǎng)的輸配形式[1]、有適用于同程式與異程式結(jié)合的輸配形式[2]、有適用于同程式管網(wǎng)的輸配形式[3]。本文主要探討在設(shè)計(jì)過程中同程式與異程式管網(wǎng)的適應(yīng)性以及相關(guān)水力平衡中所遇到的一些問題。

1 水力計(jì)算

在管道里流動(dòng)的過程中，流體與管壁或其他管道附件之間會(huì)有摩擦力，同時(shí)流體內(nèi)部的相對(duì)流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生切應(yīng)力，而這兩種作用力不斷地消耗流體的能量，被消耗的能量最終會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能。不僅如此，流體在流動(dòng)的過程中，還存在著位能、壓力能和動(dòng)能之間的轉(zhuǎn)換。簡(jiǎn)而言之，水力平衡就是平衡各個(gè)環(huán)路的能量消耗和能量轉(zhuǎn)換[4-5]。

沿程水頭損失的計(jì)算可用達(dá)西-魏斯巴赫公式，如式（1）所示。

局部水頭損失的計(jì)算如式（2）所示。

結(jié)合式（1）和式（2），可計(jì)算出管道和管道附件的阻力，如式（3）所示。

能量轉(zhuǎn)換的分析計(jì)算則利用伯努利方程如式（4）所示。

式中：l——管長(zhǎng)；d——管徑；v——斷面平均流速；g——重力加速度；λ——沿程阻力系數(shù)（通過柯列勃洛克公式計(jì)算或查莫迪圖獲得）；ζ——局部阻力系數(shù)（實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）；Sw——管網(wǎng)阻抗；p——壓強(qiáng)；ρ——流體密度；h——高度；C——常量。

2 同程式管網(wǎng)和異程式管網(wǎng)的適用性

空調(diào)水輸配管網(wǎng)同程式和異程式輸配管網(wǎng)主要區(qū)別在于每個(gè)末端的水流是否經(jīng)過相同物理長(zhǎng)度的路程，如圖1 所示。

圖1 空調(diào)水輸配管網(wǎng)

由于異程管網(wǎng)的末端設(shè)備是就近接入供回水管道，隨著末端的距離越遠(yuǎn)，資用壓頭會(huì)越來越小，各個(gè)末端之間相差較小的時(shí)候，可以通過調(diào)整管段的尺寸，控制管道中的流體流速來平衡末端之間的水力；如果管路之間阻力相差太大，整個(gè)管網(wǎng)的水力平衡就難以靠調(diào)整管道尺寸來進(jìn)行，這種情況需要串聯(lián)平衡閥增加局部阻力。

采用同程式的管網(wǎng)，由于水流經(jīng)過的路程基本相同，管路物理長(zhǎng)度引起的不平衡情況基本上得到解決，單從這方面考慮，采用同程式管路有著非常大的優(yōu)勢(shì)，但同程式也會(huì)帶來其他的問題，所以兩種形式的管網(wǎng)都有各自的適用性。

2.1 從節(jié)能和節(jié)約初投資角度看

同程式管網(wǎng)并不能使水泵壓頭減小，因?yàn)檫@種方式是通過管路的布置來形成物理上的管路等長(zhǎng)，所以往往需要增加同程管（圖1b 中的管路10），而管路的增加也會(huì)產(chǎn)生多方面的問題：①管道的材料和安裝費(fèi)用增加；②管道的安裝會(huì)占用一定的空間，壓低凈高或者減少建筑使用面積等；③管道的加長(zhǎng)，會(huì)增加管道與環(huán)境的接觸面，導(dǎo)致輸送流體與環(huán)境之間熱傳導(dǎo)的工作難度加大，包括供熱時(shí)的熱損失，以及供冷時(shí)的得熱。

綜上所述，異程式管路需要增加平衡閥才能控制管路的水力平衡閥，閥門的增加除了增加初投資以外，主要作用是在管路上串聯(lián)一個(gè)阻抗，平衡閥設(shè)計(jì)得過多也會(huì)不可避免地增加能耗，所以應(yīng)該盡可能減少管網(wǎng)中的平衡閥串聯(lián)數(shù)量。

2.2 從水力平衡角度看

如果所有末端環(huán)路的壓力降都相同，輸配系統(tǒng)采用定流量方式供水時(shí)，同程式管路由于其管路特性的原因，不需要進(jìn)行煩瑣的調(diào)試就可以達(dá)到水力平衡。當(dāng)末端環(huán)路的壓力降不相同時(shí)，同程式管路就難以取得理想效果，即使末端設(shè)備型號(hào)、參數(shù)相同，管路中各個(gè)管段長(zhǎng)度及尺寸、管路附件、管道連接方式等也不可能不完全一致，工況的變化也就不一樣。另外實(shí)際工程中，往往是多種類型的設(shè)備并聯(lián)在同一主管上，這時(shí)候就算是采用同程管路是需要考慮平衡閥的設(shè)置。

當(dāng)室內(nèi)冷熱負(fù)荷有變化時(shí)，末端的用水量也必然會(huì)發(fā)生變化，所以水系統(tǒng)需要跟著進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。如果系統(tǒng)采用的是定速水泵，兩種管網(wǎng)在定供水壓力下的變流量比較如圖2 所示。圖2 的水壓圖對(duì)應(yīng)的是圖1 的管網(wǎng)系統(tǒng)，當(dāng)負(fù)荷低于額定值時(shí)，隨著系統(tǒng)流量減小，水泵壓頭會(huì)增大，同時(shí)管路的沿程阻力和局阻力也會(huì)相應(yīng)降低（hw=SwQ2），兩相疊加，這兩種管路系統(tǒng)的末端資用壓頭增大時(shí)，調(diào)節(jié)閥的開度就需要關(guān)小，所有末端的閥權(quán)度和閥門可調(diào)比也會(huì)隨之減小。異程式管網(wǎng)距離水泵近的末端所受的影響小，距離越遠(yuǎn)的末端，由于管路阻力的減小，所受的影響就越大。而同程式管網(wǎng)則因?yàn)楦晒苌系淖枇Ω蓴_所有末端，所以全部末端都會(huì)受到比較大的影響。當(dāng)系統(tǒng)采用變速水泵時(shí)，如果同程式管路的末端負(fù)荷不是按相同的比例變化，就對(duì)水力平衡的幫助不大，各末端之間的相互干擾也會(huì)與定速水泵一樣，甚至比異程系統(tǒng)受到的干擾要大。

圖2 兩種管網(wǎng)在定供水壓力下的變流量比較

目前常用的平衡方法中，只有迭代法適用于同程式管路，而異程式管路則可以采用其他比例法、補(bǔ)償法等[6]。

2.3 異程管網(wǎng)的調(diào)節(jié)

實(shí)際項(xiàng)目中，異程式管網(wǎng)的應(yīng)用較為普遍，結(jié)合圖1 中的異程管路系統(tǒng)和表1 的條件來分析異程管網(wǎng)的末端調(diào)節(jié)影響，并假設(shè)管網(wǎng)的供水壓力為恒定值。各個(gè)末端的流量與額定工況的比值結(jié)果匯總于表2，共有6 種工況。工況1 為管網(wǎng)平衡后的額定工況，工況2 到工況6 分別是關(guān)閉A～B 其中一個(gè)末端。

表1 管網(wǎng)參數(shù)

從表2 中可以看出，末端的輸送距離越近，流量調(diào)節(jié)時(shí)對(duì)總流量的影響就越大；而流量調(diào)節(jié)對(duì)于其他末端的影響，主要是由于干管流量的變化；流量調(diào)節(jié)對(duì)于輸送距離更遠(yuǎn)的末端的影響是等比例的；對(duì)于輸送距離更近的末端則由于干管阻力的影響，隨著干管的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，影響越大。綜上，如果末端流量變化相差太多，異程管網(wǎng)也是難以保證動(dòng)態(tài)過程中的水力平衡。

表2 結(jié)果匯總

2.4 同程式管路的實(shí)際應(yīng)用

目前國(guó)內(nèi)外大部分項(xiàng)目都采用異程式管路系統(tǒng)或者兩種系統(tǒng)混合使用，但也有些特殊的情況只適用于同程式管路系統(tǒng)，如大型的廠房、種植溫室（圖3）等需要用到多臺(tái)同型號(hào)末端為同一個(gè)空間服務(wù)。

圖3 某溫室空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)

2.5 同程式與異程式管路系統(tǒng)的適用性

同程式管路系統(tǒng)適用于定流量系統(tǒng)，以及末端設(shè)備工況變化一樣、功率參數(shù)一樣的變流量系統(tǒng)。異程式管路系統(tǒng)輔以相應(yīng)的平衡措施可以滿足沒有特殊要求的水系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目的運(yùn)行情況結(jié)合空間布局、末端設(shè)備的特性、經(jīng)濟(jì)分析等方面采用干管同程支管同程、干管同程支管異程、干管異程支管異程等方式。

3 管網(wǎng)不平衡能否通過其他途徑來補(bǔ)救

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)水力不平衡，以及未設(shè)置平衡閥或者想避免煩瑣的平衡調(diào)整，以下有一些看似可以解決平衡問題的方法。

3.1 增大水泵壓頭和流量

此方法看似可以保證每個(gè)末端流量，但如果整個(gè)系統(tǒng)處于額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，水泵壓頭和流量的增大會(huì)整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)水流的增加，同時(shí)增大各個(gè)環(huán)路的阻力，但環(huán)路之間的不平衡率是不變的。此時(shí)這種方法只會(huì)增加系統(tǒng)運(yùn)行的費(fèi)用，以及由于管道水流速增加而產(chǎn)生的噪聲。

3.2 降低冷凍水供水溫度

供水溫度的變化是以能效降低為代價(jià)，同時(shí)供熱溫度升高，有利環(huán)路的超流量情況就更加嚴(yán)重，會(huì)導(dǎo)致控制閥的閥權(quán)度和可調(diào)比降低。

4 結(jié)語

管網(wǎng)路由的確定是空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步，需要結(jié)合設(shè)備的容量、負(fù)荷特性、建筑布局等多種因素來進(jìn)行，也是確保整個(gè)系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)前提。

（1）如果管網(wǎng)水力不平衡，就很難通過其他手段來保證末端的流量，因此管道設(shè)計(jì)及安裝都需保證管路水力平衡。

（2）當(dāng)設(shè)備型號(hào)和負(fù)荷變化一致時(shí)，可優(yōu)先考慮同程式管網(wǎng)，其管路的布置和安裝工藝也需盡可能保證管路阻力的一致。

（3）盡可能不將負(fù)荷變化相差太多的設(shè)備并聯(lián)在同一末端環(huán)路，就算是異程管路，也難以保障負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化相差太多時(shí)的水力平衡。

（4）運(yùn)用同程式管網(wǎng)時(shí)，應(yīng)盡可能降低同程管路中管路增多而產(chǎn)生的影響。