异程式热水供暖系统水平热力失调的修正方法

异程式热水供暖系统水平热力失调的修正 刘金祥　国君杰 提　要：在推导了异程式热水供暖系统水力失调计算公式的基础上，指出引入散热器散热面积修正系数后，可以基本消除供暖房间的热力失调现象，异程式系统可以用于较大建筑物的供暖，并进一步了散热面积修正系数的计算公式。关键词：异程式系统　热力失调　水力计算　共同段　修正系数 Correction of horizontal misadjustment in direct returnhot water heating systems Liu Jinxiang　Guo Junjie(Nanjing Architectural and Civil Engineering Institute, China) Abstract：Based on the formulas developed for calculating the hydraulic misadjustment in direct return hot water heating systems, states that the thermodynamic misadjustment can be removed and direct return systems can be used in big buildings after introducing the area correction factor of radiators, derives the formulas for calculating the correction factor.Keywords：direct return system, thermodynamic misadjustment, hydraulic calculation, common section, correction factor▲ 由于受管材规格的限制，热水供暖系统中并联立管环路之间不可避免地存在着压力损失的不平衡，由此导致其环路间的水力失调及房间的热力失调。为了控制供暖房间的空气温度偏差不超过±0.5 ℃，文献［1，2］对计算中并联环路间(不包括共同段)的计算压力损失不平衡率规定不得超过±15%。由于这一规定的要求，对异程式系统，一般建议用于较小的建筑物供暖，其系统的作用半径不超过50 m［4］。对不平衡率超过±15%的环路立管，在阀门允许的调节范围内，依靠立管阀门在初调时细致地调节以消除剩余的压力。本文对异程式热水供暖系统中压力不平衡引起的水力失调进行了较详细的分析，推导了准确计算水力失调的公式，以传统的水力计算结果为基础，根据并联环路节点压力平衡的水力学规律，利用供暖房间热平衡的基本方程，导出了散热器散热面积修正系数的计算公式。 1　压力损失不平衡的供暖系统计算模型及水力失调计算式1.1　系统模型设立管总组数为N；i=1，2，…，N为离热源由近到远的各计算立管序号；N组立管并联在a，b两点之间(不考虑a，b两点至热源的共同管段)，分别组成了N个环路。由传统的水力计算特点，根据并联环路压力不平衡的水力学规律，通过分析，系统中总存在着某一立管环路(可以是多个环路或假想的环路)，此环路的理想工况(即假设设计计算时完全平衡)与实际工况(即实际计算存在不平衡时)恰好吻合，不会发生失调，即考虑压力损失不平衡前后此环路的作用压力Δp、流量G不变，将此环路记为第“x”环路。并用上标“′”表示考虑压力损失不平衡、流量重新分配后的实际工况下的各值，否则为理想工况的参数值。则：Gx=G′x，Δpx=Δp′x，并将a，b两点间的作用压力，记为Δp(这里系统总流量基本不变，阻力数结构不变，则Δp基本不变)，且Δpi=Δpx=Δp=Δp′x。1.2　水力失调的计算式管内流动的基本公式［4］为： 式中　Δp为各管段两端的压力损失，Pa；S为各管段的阻力特性数，Pa/(kg/h)2；G为各管段内的热水流量，kg/h。在系统总流量基本不变的条件下，第x用户与第i用户(i＞x)之间的流量比，仅取决于用户x和用户x以后(按水流动方向)各管段和用户的阻力数［4］。这里，用户即为各组立管(包括散热器)部分，各管段即为相应的供、回水干管部分。将此阻力数的组合记为Sx-i，则第i组立管与第x组立管的流量比为：理想工况下 实际工况下，相当于在设计工况下考虑各立管环路的压力损失不平衡，水流量在设计工况下重新分配，以获得各环路在新的流量分配下达到新的平衡。此时，驱使流量重新分配的第i环路的作用压力为Δpi+(Δpi-Δp′i)，且 式(3)表示当计算环路的计算阻力大于理想工况的阻力时，此环路驱使流量重新分配的作用压力比理想工况时减少(Δp′i-Δp)或表示成(Δp′i-Δpx)；反之则相当于增加(Δp-Δp′i)或(Δpx-Δp′i)。故 由阻力数的特性，Sx-i=S′x-i，同时Gx=G′x，故由式(4)除以式(3)得： 式中　Δx-i——以百分数表示的第x环路相对于第i环路的压力损失不平衡率，Δx-i=(Δpx-Δp′i)/Δpx=(Δp-Δp′i)/Δp。Δx-i区别于《》中不平衡率之处在于包括有共同管段，如《规范》值取15%，则：|Δx-i|≤15%。1.3　第x环路的确定由式(5)可以看出，要计算压力不平衡引起的水力失调度，关键是要确定第x环路，以便确定其压力损失Δpx即理想工况下a，b两点间的作用压力。由式(5)可以得到 同时，由于各环路的阻力数结构不变，又有： 由于式(6)和(7)相等，经整理得 即第x环路为压力损失等于N个环路设计计算压力损失平均值的一个或多个环路(可以是一个假想环路)。 2　散热器散热面积的修正为弥补水力失调所引起的热力失调，本文提出，在设计计算时，对压力损失不平衡的立管环路上的散热器的散热面积进行修正。这里忽略立管各自散热器环路的其它失调因素，则由于压力损失不平衡引起的立管上各组散热器的水力失调为一致的等比失调，即各散热器的实际工况与理想工况的水力失调度与立管的失调度相等。本文用带下标“s”的量符号表示修正后的实际参数。2.1　修正后的散热器出口水温计算考虑修正前后，散热器内热水散热量相等，则 2.2　散热器散热面积修正系数考虑修正前后，散热器表面散热量相等，且房间空气温度相等，则 令散热器散热面积修正系数为 ，则 将式(10)代入式(12)，得到 对双管系统，取tg=tg.s=95 ℃，th=70 ℃，tn=18 ℃，得到 利用水力计算结果及公式(5)和(13)即可计算得到各组立管上的散热器散热面积修正系数a值。2.3　 的允许范围及其对应的a值这里仅以双管系统为例。由散热器散热机理可以看出，th.s的高低决定系统的经济性及技术上的合理性。在tg一定的条件下，th.s过高，则没有充分利用供水的热量，增加管道及水泵的费用；th.s过低，散热器内热水平均温度过低，降低散热效率。这里取50 ℃≤th.s≤80 ℃，则有相对流量比的范围为0.556≤ ≤1.667。由此，根据公式(10)和(14)可以得出各种相对流量比对应的面积修正系数和修正后散热器实际的出水温度，见表1。 3　计算方法的数值分析及其讨论3.1　对“压力损失不平衡率不超过±15%”的分析取热水供暖系统最不利循环环路与各并联环路之间(不包括共同管段)的计算压力损失相对差额的最大值为15%，则本文中(包括共同段)的：|Δx-i|≤15%。由式(5)得，此时0.922≤ ≤1.072。在此规定下，对双管系统，其室温偏差均不超过±0.4 ℃。如果考虑立管上、下各散热器环路之间本身的失调，则规定±15%对不进行面积修正时，保证各房间温度偏差均不超过±0.5 ℃是基本适宜的。 表1　双管系统不同 对应的a和th.s值   0.56 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.50 1.67 th.s/℃ 50.0 53.3 63.8 70.0 74.2 77.1 78.3 80.0 a 1.245 1.197 1.067 1.00 0.960 0.932 0.922 0.908                   3.2　修正方法对改进系统的分析讨论3.2.1　对系统水平热力失调影响的分析本文提出的面积修正系数计算公式(5)、(13)和(14)并没有回避系统存在的水力失调问题，而是在并联环路之间压力不平衡的基础上，即在水量分配失调的基础上，对设计计算的散热器散热面积进行修正，即当环路压力损失的设计值超过理想工况作用压力值时，水量分配小于设计值，此时a＞1，则对此环路上各散热器的设计计算散热面积增加(a-1)倍；反之，则a＜1，散热面积减少(1-a)倍。由公式(10)知，此两种情况下，散热器的出水温度比设计值分别降低或提高。由此可以看出，计算公式的实质是通过对散热器散热面积的调整，改变各并联立管的末端回水温度(即各立管的温降不等)，以弥补压力不平衡产生的水力失调而引起的热力失调，从而保证各房间温度满足设计规定的要求。3.2.2　对系统应用及运行调节的分析如前所述，当并联立管环路之间出现压力损失不平衡时，为确保房间温度偏差在±0.5 ℃之间，一方面规定压力损失不平衡率控制在±15%之内，另一方面当超过此范围时，通过初调节，调节立管阀门。但这一切，对异程式系统，必须建立在系统作用半径较小、不平衡率必须在阀门调节允许的范围内以及初调工作细致等条件基础上，即使如此，实际工程的运行中，效果也不很理想，而且也限制了异程式系统在更多更大建筑物中的使用。引入散热器散热面积修正的计算方法后，由公式(5)及表1可以得到，对双管系统，即使当压力损失平均值的环路相对于计算环路(包括共同管段)的不平衡率达-69.1%～177.8%(相对于最不利环路不包括共同管段其范围更大)，其水力失调度达0.556～1.667时，立管的回水温度也只是在50～80 ℃范围内，而对散热面积的修正仅为-9.2%～24.5%，修正后各房间温度接近设计值。由此，大大地提高了异程式系统的使用范围，简化了初调及运行调节。3.3　修正对简化水力计算的分析讨论引入修正后，控制并联环路间的压力不平衡率，其主要目的是为了提高环路间的水力平衡、减小近环路的立管管径。如单纯从减轻房间的热力失调来讲，较大的不平衡率可以由散热器面积修正来弥补。从这方面讲，可以放宽水力计算时对不平衡率的控制范围(事实上，受管径规格的限制，超过不平衡率要求的剩余压力也是靠阀门消耗掉的)，也即简化了水力计算的过程。3.4　修正对系统经济性的分析讨论3.4.1　运行费用修正的方法对系统的流量分配形式、系统的阻力数组成结构及作用压力等基本没有改变，与传统的方法相比，其运行费用基本不变；与大流量、小温差运行时为了使远端环路房间达到设计要求而增加系统流量、提高水泵扬程的做法相比，其运行费用大大降低。3.4.2　投资费用对于同样的系统形式，修正后投资费用的增减主要体现在散热器的数量上。由于修正是建立在常规的水力计算基础上的，即环路间的不平衡率已通过近环路取用较小管径得到了最大限度的控制，同时由公式(5)计算得到的各环路的Gi值有的大于1、有的小于1，即各环路的散热面积有增加也有减少，但由于计算公式的特点，修正后系统总的散热器数量略有增加。根据运用计算公式对多个系统的计算结果，增加的散热器数量一般不超过3%～5%。与为了降低环路间的失调，而采用同程式系统或水力计算时首先计算最近立管环路，加大其它环路管径的做法相比，经济性是完全可以保证的。 4　结语4.1　以热水供暖系统常规水力计算得到的并联立管环路间的水力失调度为基础，引入的散热器散热面积修正系数及其计算公式(5)和(13)，形式简单、使用方便，对于单管或双管、低温或高温热水供暖系统，只要计算得到设计工况时的各组散热器的进出口水温、各并联立管环路(不包括共同管段)的压力损失等参数值，就能通过简单的计算得到各组散热器的面积修正系数值。4.2　通过修正，可以扩大异程式系统的使用规模，简化系统的初调及运行调节，放宽对并联环路压力损失不平衡率的控制范围，从而简化水力计算过程。在系统一定规模范围内，可以减轻或基本消除系统各房间由于并联立管环路间的水力失调而引起的热力失调，与几种传统做法相比，其经济性得到了保证，与同程式相比还简化了管道的布置。■ 作者简介：刘金祥，男，1964年9月生,硕士,副教授,系总支书记 210009 南京建筑工程学院城建系(025)3239951作者单位：刘金祥(南京建筑工程学院)国君杰(南京建筑工程学院) 参考文献： ［1］GBJ　19—87　采暖通风与空气调节设计规范.北京：中国建筑工业出版社，1994.［2］顾兴蓥，主编.民用建筑暖通空调设计技术措施(第二版).北京：中国建筑工业出版社，1996.［3］西亚庚，杨伟成，顾兴蓥，等.热水供暖技术.北京：中国建筑工业出版社，1995： 91～92.［4］贺平，孙刚.供热工程(新一版).北京：中国建筑工业出版社，1993： 64～89,180～181.