淺談如何實現(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-大成建筑有限責任公司　北京　100048）

淺談如何實現(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-大成建筑有限責任公司北京100048）

本文通過實際案例重點分析了建筑采暖系統(tǒng)熱力不平衡的原因，并對動態(tài)流量平衡閥和靜態(tài)流量平衡閥的特點、原理等進行詳細分析，探討了熱力系統(tǒng)的調節(jié)措施。

高層建筑；采暖系統(tǒng)；熱力平衡

在我國經(jīng)濟不斷發(fā)展下，城市建設快速發(fā)展。建筑對能耗的需求不斷增加。供暖系統(tǒng)節(jié)能主要從運行管理、用戶使用、系統(tǒng)設計等方面進行控制。在高層建筑系統(tǒng)使用過程中，常會出現(xiàn)系統(tǒng)末端熱能不達標，系統(tǒng)熱力不平衡現(xiàn)象，導致了能源的大量浪費。為了達到節(jié)能的目的，首先要實現(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)兩個支路進行供暖。室內安裝散熱器系統(tǒng)。一共設計了11臺燃氣鍋爐同時進行供暖，一臺鍋爐大約可以提供45萬大卡的熱量。鍋爐房中設置了4臺循環(huán)水泵，分別供高區(qū)低區(qū)使用，水泵的揚程如下：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，各個支路管道的設計比摩阻和管道比摩阻存在一定的差異性，支路的設計流量和實際流量存在一定的差異。致使供暖系統(tǒng)熱力無法平衡。在室內冷熱負荷或室外溫度產(chǎn)生變化時，為了保證供暖系統(tǒng)低能耗運行，需要對供水溫度和供暖流量進行調整，此時會再次對供暖系統(tǒng)的熱流量進行分配，出現(xiàn)熱力失調的情況[1]。所以，從運行調節(jié)的角度來看，熱力失調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的室內溫度都可以達到要求，可以使用以下方法進行解決：①增加供暖系統(tǒng)總循環(huán)水流量，進而使末端室內溫度滿足設計要求；②當供暖系統(tǒng)的總循環(huán)流量無法改變時，為了使建筑物的室內溫度滿足設計要求，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，樓層室內的溫度也比較高。本工程供暖系統(tǒng)的設計如表1所示。

表1　供暖系統(tǒng)實際工況和設計工況對比

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

在公式中，用戶的設計流量為QJ，用戶的實際流量為Qs。熱力平衡指的是保證其他用戶流量發(fā)生變化時，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)進行體現(xiàn)：

在公式中，用戶的最大流量為Qmax，使用公式1對沒有調整時系統(tǒng)和用戶的水力失調度和對本工程供暖系統(tǒng)的工況進行了計算，如表2所示。隨著水力失調度的不斷增加，采暖系統(tǒng)對能源的效果也會增加。由于供暖系統(tǒng)的熱媒是利用閉式管路系統(tǒng)輸入到每一個用戶室內的。理想狀態(tài)下，一個設計合理的管網(wǎng)系統(tǒng)是可以保證所有用戶都達到設計流量的。也只有在這種情況下，才能在達到熱負荷要求的同時，不浪費能源[2]。所以，要在保證室內溫度的基礎上，盡量減少系統(tǒng)熱力失調的情況，從而達到節(jié)約能源的目的。

表2　水力失調度的計算結果

3　高層建筑熱力平衡調節(jié)元件

供暖系統(tǒng)的熱力平衡的調節(jié)離不開熱力平衡元件。當前，主要使用流量平衡閥進行調節(jié)。而流量平衡閥又分為動態(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上是不同的。

3.1動態(tài)流量平衡閥

動態(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。通過將動態(tài)流量平衡閥應用到管網(wǎng)中，可以按照設計要求對流量進行設定。在水壓力的影響下，閥門可以自動將壓力波動和管線剩余壓力引起的流量偏差消除。如圖1所示。以流體力學的角度來看，動態(tài)流量平衡閥是一個可以改變局部阻力的節(jié)流件。通過對閥芯的過流面積進行調整，來適應閥門前后的壓力差，從而達到控制流量的目的。動態(tài)流量平衡閥可以根據(jù)實際需要對流量進行設定，并利用閥門將流量保持在一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)[3]。動態(tài)流量平衡閥主要是為了對最大流量進行限制。主要由自動平衡閥和手動調節(jié)閥構成。其中自動平衡閥主要是為了保持流量穩(wěn)定不變，手動調節(jié)閥主要是為了對流量進行設定。

圖1　動態(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閥座和閥芯之間的間隙來達到調節(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)路的熱力都達到平衡，保證所有支路的熱量都滿足設計要求。當閥門的開度發(fā)生變化時，管段壓力和管段流量也會呈現(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)平衡閥調整流量時，要對調節(jié)閥前后的壓力進行測量，保證調節(jié)和測量的準確性，并盡量在直管段安裝平衡閥。供暖系統(tǒng)的熱力調節(jié)平衡后，不能在供暖系統(tǒng)運行時隨意調節(jié)靜態(tài)平衡閥的開度。

3.3流量平衡閥的主要作用

動態(tài)流量平衡閥可以根據(jù)具體的工況對阻力系數(shù)進行調整，而靜態(tài)流量平衡閥可以對每個關聯(lián)平衡供暖系統(tǒng)的阻力進行調整。使各個環(huán)路的阻力達到平衡。當系統(tǒng)運行過程中循環(huán)水量降低，如果使用靜態(tài)流量平衡閥，可以根據(jù)設計計算比例對系統(tǒng)支路的流量進行調節(jié)。如果使用動態(tài)平衡閥，雖然可以根據(jù)系統(tǒng)負荷的變化情況對循環(huán)水流量進行調整，但是安裝有平衡閥的環(huán)路流量變化不大，還是會出現(xiàn)供水熱力失調的情況。所以，動態(tài)平衡閥和靜態(tài)平衡閥的工作特點是不同的，在實際運用過程中，不能隨意對兩者進行替換。

4　建筑采暖系統(tǒng)熱力平衡的實現(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。并使用如下公式對不同區(qū)域的熱水流量和耗熱量進行了計算，建筑的供暖熱負荷使用下述公式計算：

在公式中，建筑物面積熱指標為W：q，單位為W/m2；建筑物供暖熱負荷為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行計算：

在公式中，建筑供暖熱負荷為Q，單位為W；建筑供暖熱流量為G，單位為kg/h?；厮疁囟葹閠tg，供水溫度為tg，單位為℃。

在設計壓差情況無法準確了解時，平衡閥可以根據(jù)接管的大小進行選擇，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)域存在嚴重的欠流情況，只有少部分建筑達到了計算流量的設計要求。在這種情況下，根據(jù)系統(tǒng)的實際運行情況，對各個靜態(tài)平衡閥的開度進行了設定，確保系統(tǒng)的水力分配達到平衡。調試好平衡閥后，利用平衡中回路的阻力使管網(wǎng)環(huán)路阻力和設計工況相協(xié)調。

5　結論

綜上所述，在安裝并調試好平衡閥后，合理的對熱力進行了分配，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)。當天氣變化時，隨著總量的增加，阻力比例也會隨著增加或減少，并根據(jù)不同回路的流量情況，重新分配熱力，使各個回路之間的回水溫度相同，可以更加準確的對鍋爐進行調節(jié)。

[1]于曉明.對平衡閥功能與技術特點及其應用等問題的探討[J].暖通空調，2007（37）：271～275.

[2]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[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系統(tǒng)中的應用[J].中國住宅設施，2008（08）：45～46.

TU832

A

1673-0038（2015）04-0061-02

2015-1-8

李君（1980-），女，河北人，中級，本科，從事建筑行業(yè)工作。

李春鵬（1979-），男，河北人，中級，本科，從事建筑行業(yè)工作。