垂直單管跨越式系統(tǒng)水力工況分析

郭志龍，楊忠國，趙慧，郭勝杰

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319）

垂直單管跨越式系統(tǒng)水力工況分析

郭志龍，楊忠國，趙慧，郭勝杰

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319）

分別從采暖熱力入口定壓差和定流量兩種情況下，探討了公共建筑中常用的垂直單管跨越式采暖系統(tǒng)的水力工況。分析了用戶自行調(diào)節(jié)過程中系統(tǒng)的水力工況穩(wěn)定性?？偨Y(jié)出系統(tǒng)入口定壓差控制方式的垂直單管跨越式系統(tǒng)，具有近似定流量的良好特點，而且用戶調(diào)節(jié)時相互影響較小，是理想的公共建筑采暖系統(tǒng)形式。

垂直單管跨越式系統(tǒng)；定壓差控制；分室調(diào)節(jié)室溫

人類消耗的總能耗中，建筑能耗所占有的比例竟高達(dá)三分之一。而且，這個比例隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，生活質(zhì)量的提高，人們對環(huán)境舒適度要求的提高而越來越大，能源危機危機和環(huán)境污染日益加劇，中國的GDP為此損失8%～15%[1]。因此建筑節(jié)能的意義重大。

1 垂直單管跨越式系統(tǒng)節(jié)能方法

溫控閥的使用為用戶能夠根據(jù)自身需求自行調(diào)節(jié)室溫提供可能，這樣既滿足了不同用戶個性化的使用要求，又能夠節(jié)約能源。垂直雙管系統(tǒng)和單管跨越式系統(tǒng)是配合使用溫控閥的系統(tǒng)形式。《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》GB50736—2012中有明確規(guī)定：“公共建筑供暖系統(tǒng)的制式宜采用垂直雙管系統(tǒng)，也可以采用單管跨越式系”[2]。由于雙管系統(tǒng)相對而言成本較高，施工復(fù)雜一些，垂直單管跨越式加溫控閥的系統(tǒng)形式在工程實踐中應(yīng)用較多。一些舊的建筑往往采用的都是垂直單管順流式系統(tǒng)。垂直單管順流式系統(tǒng)在傳統(tǒng)的計劃經(jīng)濟(jì)年代，按面積收費的體制下，一直都是非常常見的采暖系統(tǒng)形式。也有其結(jié)構(gòu)簡單，工程造價低，施工方便等優(yōu)點。但這種系統(tǒng)不具備自行調(diào)節(jié)室溫的能力，上游用戶調(diào)節(jié)勢必影響下游用戶的流量，為了適應(yīng)節(jié)能的需求，也改造成垂直單管跨越式系統(tǒng)[3]，另外加上溫控閥的形式。加裝跨越管與散熱器并聯(lián)的實現(xiàn)了散熱器流量可調(diào)節(jié)的目的。通常在安裝跨越管時選擇小一號的跨越管，基本能夠保證散熱器的散熱量為原設(shè)計的90%左右[4]。

散熱器溫控閥的使用實現(xiàn)了室內(nèi)溫度的自行調(diào)節(jié)，起到了節(jié)能的作用。但使用溫控閥也帶來了系統(tǒng)阻力增大，調(diào)節(jié)過程中水力工況變化的問題。對于變流量系統(tǒng)經(jīng)常采取在采暖熱力入口定壓差或者定流量的控制方式[5]。這樣的控制方式是非常必要的，否則會導(dǎo)致用戶自行調(diào)節(jié)過程中，其他用戶的流量變化特別大，甚至可以達(dá)到50%[6]。采用哪一種控制方式更合理，是值得思考的問題。因此擬針對這樣的體統(tǒng)形式，采取定壓差和定流量兩種控制方式進(jìn)行水力工況穩(wěn)定性分析，找到更合理的控制方式。

2 水力工況分析

2.1 垂直單管跨越式系統(tǒng)形式

圖1 垂直單管跨越式系統(tǒng)Fig.1Vertical cross-over system

采暖系統(tǒng)如圖1所示，為垂直單管跨越式系統(tǒng)。系統(tǒng)中采用了跨越管加三通溫控閥的形式，也可采用兩通溫控閥（溫控閥接在跨越管后）的形式。溫控閥是自力式的溫度控制器，其內(nèi)部充滿液體，依靠液體熱脹冷縮的原理控制閥門的開度，從而控制流量，進(jìn)而達(dá)到控制室溫的目的?？缭焦艿拇嬖谄鸬搅宋斩嘤嗔髁?，穩(wěn)定水力平衡的作用。每根立管上下兩端設(shè)有控制閥門，以便初調(diào)節(jié)時各個立管的水力平衡。系統(tǒng)采用同程式，設(shè)計供回水溫度為75℃/50℃，室內(nèi)計算溫度tn=18℃。采暖熱力入口加定壓差（或定流量）控制裝置。

2.2 垂直單管跨越式系統(tǒng)進(jìn)流系數(shù)選取

由于采用跨越式形式，立管的流量有一部分流經(jīng)散熱器，另一部分流經(jīng)跨越管。流進(jìn)散熱器的熱水流量和立管流量的比即為進(jìn)流系數(shù)α。以下針對在進(jìn)行初調(diào)節(jié)時進(jìn)流系數(shù)選取多少更合理進(jìn)行分析。

以圖1所示系統(tǒng)中的某立管為例，假設(shè)立管的流量為G，則流經(jīng)散熱器的水流量為G×α；立管的總散熱量為Q，設(shè)每組散熱器的散熱量相同，均為Q/4；進(jìn)入第i組散熱器的供水溫度為tgi，回水溫度為thi。依從上到下的順序進(jìn)行分析。

為了使分析更具有普遍意義，散熱器采用工程實踐中較為常用的鑄鐵四柱760散熱器，每片散熱面積為FS=0.235 m2/片。每組散熱器的散熱量為：QS= 0.562 0ΔT1.276，其中，ΔT=（tgi+thi）/2-tn。修正系數(shù)取β1= 1.0；β2=1.0；β3=1.02[7]。則每組散熱器片數(shù)為：Ni=Q/ （4×QS）×1.02

每組散熱器的流量為66 kg/h，則可計算出不同的進(jìn)流系數(shù)α下的散熱器總片數(shù)N值，如下圖：

圖2 a—N曲線圖Fig.2Curve of a—N

由圖2可以看出，散熱器的片數(shù)隨著進(jìn)流系數(shù)的增加而減少，但進(jìn)流系數(shù)大于0.3時，散熱器的片數(shù)隨進(jìn)流系數(shù)的增加緩慢減小。且隨進(jìn)流系數(shù)增加同時散熱器的流量增加，從而導(dǎo)致散熱器的調(diào)節(jié)性能下降。所以從散熱器的調(diào)節(jié)性能和經(jīng)濟(jì)性兩方面考慮[8]，最終選取進(jìn)流系數(shù)為0.3。

2.3 定壓差控制和定流量控制下水力穩(wěn)定性分析

設(shè)置溫控閥后，溫控閥可以按預(yù)先設(shè)定自行調(diào)節(jié)散熱器的流量。這樣會改變整個系統(tǒng)的阻力特性。定壓差控制和定流量控制也是自力式的控制裝置。定壓差是保證系統(tǒng)的阻力特性改變的時候，采暖熱力入口處資用壓頭保持不變，但系統(tǒng)流量會發(fā)生變化；定流量是當(dāng)采暖系統(tǒng)的阻力特性改變的時候保持流量不變，這樣采暖熱力入口的資用壓頭勢必會發(fā)生變化。兩種控制方式都是為了當(dāng)系統(tǒng)變化時盡可能保持水力穩(wěn)定。以散熱器11為例，通過調(diào)節(jié)溫控閥改變其的流量。這樣其他散熱器流量必然發(fā)生變化，以其他管散熱器流量變化平均值為參考對象，分別從定壓差和定流量兩個方面分析散熱器11流量變化對其影響。如下圖所示：

圖3 流量平均變化率Fig.3Change rate of flow mean

由圖3可知，當(dāng)散熱器11流量變化到-40%時對其他用戶的影響最大只有2%，垂直單管跨越式系統(tǒng)在用戶自行調(diào)節(jié)時水力工況相互影響較小。定壓差控制下的曲線相比定流量變化更為平緩，采暖入口采用定壓差控制方式優(yōu)于定流量的控制方式。同時，可以實現(xiàn)多組散熱器分別調(diào)節(jié)。假設(shè)同一立管上的散熱器不同方向和不同幅度的調(diào)節(jié)。如9、10、11、12四組散熱器的流量分別調(diào)整-25.3%、19.3%、24.5%、-36.4%，采用上述的同樣方法進(jìn)行分析，其他散熱器的流量變化率僅為0.2%。也就是說在實際調(diào)節(jié)過程中，溫控閥的調(diào)節(jié)方向不統(tǒng)一。流量有增大和減小，相互抵消，這樣更有利于系統(tǒng)的水力穩(wěn)定。

進(jìn)一步分析，極端情況下假設(shè)某個房間不需要采暖，則可以把該房間散熱器完全關(guān)閉。采暖入口仍然采用定壓差控制的控制方式，按圖1所示編號順序逐個關(guān)斷散熱器，則系統(tǒng)的總流量變化率如下：

由圖4可知，即使16組散熱器完全關(guān)閉，系統(tǒng)的流量變化率還不到-2.5%。因此，可以視系統(tǒng)為“準(zhǔn)定流量系統(tǒng)”，水力穩(wěn)定性非常好。

可見，采暖入口加壓差控制器的垂直單管跨越式系統(tǒng)，在用戶進(jìn)行分室自行調(diào)節(jié)過程中，相互之間的影響較小，水力工況耦合較小，運行平穩(wěn)。

圖4 關(guān)斷數(shù)—系統(tǒng)流量變化圖Fig.4Curve of close number-flux

3 結(jié)論

采暖熱力入口處采用定壓差控制方式的垂直單管跨越式系統(tǒng)，有如下優(yōu)點：能夠根據(jù)室內(nèi)溫度的變化通過溫控閥自動調(diào)節(jié)進(jìn)入散熱器的流量，盈虧部分流量有旁通管進(jìn)行平衡，能夠?qū)崿F(xiàn)分室調(diào)節(jié)室溫的目的；系統(tǒng)在自行調(diào)節(jié)時雖然自身流量變化，但由于流量旁通作用使用戶之間相互影響較小，室溫保證率較高；整個系統(tǒng)資用壓頭不變，流量變化非常小，水力工況穩(wěn)定，熱用戶和熱網(wǎng)的水力工況耦合很小。在公共建筑中應(yīng)用該系統(tǒng)形式，有許多其他形式所不具備的優(yōu)點。同時該系統(tǒng)形式也具備結(jié)構(gòu)簡單，施工方便的優(yōu)點。因此是較為理想的系統(tǒng)形式。

由于采用單管跨越式系統(tǒng)，跨越管的流量隨時變化，因此每組散熱器的供、回水溫度不僅有別于單管串聯(lián)式系統(tǒng)，而且變化復(fù)雜。豎向每層散熱器數(shù)量布置，不僅影響到初投資，而且對室溫保證率有很大影響，以后會對該部分內(nèi)容進(jìn)一步研究。

［1］陳思，莊衛(wèi)東.大慶市平板式太陽能空氣集熱器的應(yīng)用研究［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報，2015，27（6）：55-58.

［2］GB50736-2012.民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國建筑出版社，2012.

［3］周志華，婁承之，邢金城，等.計量供熱對供熱系統(tǒng)的要求［J］.煤氣與熱力，2000（5）：367-368.

［4］涂光備，冀英，賀克瑾，等.適合熱計量的室內(nèi)采暖系統(tǒng)［J］.煤氣與熱力，1999，19（6）：21-24.

［5］江億.我國供熱節(jié)能中的問題和解決途徑［J］.暖通空調(diào)，2006，36（3）：37-41.

［6］伍小亭.供熱計量中的幾個問題［J］.暖通空調(diào)，2000（1）：60-62.

［7］賀平，孫剛.供熱工程［M］.3版.中國建筑工業(yè)出版社，1993.

［8］涂光備.供熱計量技術(shù)［M］.中國建筑工業(yè)出版社，2003.

Hydraulic Condition Analysis of Vertical Single-pipe Cross-over System

Guo Zhilong，Yang Zhongguo，Zhao Hui，Guo Shengjie
（College of Engineering Science，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319）

The common hydraulic conditions of vertical single-pipe cross-over system were discussed in public buildings from constant differential pressure and constant flow of heating supply entrance.The hydraulic condition stability in the system was analyzed in the course of control by heat consumer.It was summarized that the vertical single-pipe cross-over system for the pressure differential control mode of the system entrance was the perfect attended mode of heating supply entrance，which had better properties of approximately constant flow，and in which the mutual effects were smaller when controlled by consumers.

vertical single-pipe cross-over system;constant differential pressure control;inner room temperature control

TS202.3

A

1002-2090（2017）03-0093-03

10.3969/j.issn.1002-2090.2017.03.021

投稿日期：2016-11-10

黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目—戶式中水系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計。

郭志龍（1982-），男，工程師，哈爾濱工業(yè)大學(xué)畢業(yè)，現(xiàn)從事建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程方面的教學(xué)科研工作。