摘要:本文對采暖系統中典型的單管跨越式系統和雙管系統的水力平衡計算進行分析研究，總結出分流系數在單管跨越式系統中的影響和重要性以及在雙管系統中末端各散熱器環路之間的平衡問題中應選用高阻力型溫控閥，并按溫控閥預設值為N時的流通能力進行水力平衡計算，并總結了散熱器溫控閥在采暖系統中的調節作用。

　　關鍵詞:分析研究,單管跨越式系統,雙管系統,分流系數,散熱器溫控閥

　　1、引言

　　《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》GB 507369-2012及現行有關節能設計標準，均對集中熱水散熱器采暖系統的水力平衡計算有嚴格的規定，即要求采暖系統在設計工況下應達到靜態平衡，通過各種措施使并聯環路之間的壓力損失相對差額不大于15%。

　　近年來由于散熱器溫控閥的使用，增大了采暖系統末端的阻力，給系統的平衡設計創造了有利條件，但也給采暖系統水力計算帶來一些新的問題;隨著節能對設計的嚴格要求，設計人員對采暖系統水力平衡計算也應更加重視。筆者總結了異程單管和雙管系統水力平衡計算的幾個問題，以及散熱器溫控閥的作用，供同行探討分析。

　　2、異程單管系統——分流系數及對散熱器數量的影響

　　根據眾多設計文獻，熱水散熱器采暖單管系統應采用跨越式，散熱器應采用低阻力溫控閥。典型垂直單管跨越式系統舉例見圖1，

　　每組散熱器(支路s)與其供回水管之間跨越管(支路k)為并聯關系，其流量和阻力存在以下關系式：

　　由此可導出散熱器支路分流系數α：

　　根據流體力學基本公式，跨越管支路阻力特性系數Sk值按下式推導得出：

　　同理，散熱器支路阻力特性系數Ss值按下式計算：

　　式(3)中Sv為散熱器溫控閥的阻力特性系數(Pa/(m3/h)2)，由生產廠家提供的溫控閥的流通能力Kv值，按下式推導得出：

　　以上各式中：

　　G ——立管流量(m3/h);

　　Gs、Gk——流經散熱器支路和跨越管支路的流量(m3/h);

　　Ss、Sk——散熱器支路和跨越管支路的阻力特性系數(Pa/(m3/h)2);

　　ΔPk——跨越管支路管道總阻力(Pa);

　　ΔPmk——跨越管支路管道沿程阻力(Pa);

　　ΔPjk——跨越管支路管道局部阻力(Pa);

　　djs、djk——散熱器支路和跨越管支路的管道計算內徑(m);

　　λs、λk——散熱器支路和跨越管支路的管道摩擦阻力系數;

　　Ls、Lk——散熱器支路和跨越管支路的管道長度(m);

　　∑ξs、∑ξk——散熱器支路(不含溫控閥)和跨越管支路的管道局部阻力系數和;

　　ΔPv——散熱器溫控閥的壓力損失(Pa)。

　　當已知立管流量G，各管段管徑及連接方式，以及散熱器溫控閥流通能力，通過式(2)和(3)可計算出跨越管支路和散熱器支路的阻力特性系數Sk和Ss值，通過式(1)可計算出分流系數α和流經散熱器的流量Gs。由式(2)、(3)可知，S值不僅與管徑、局部阻力系數等管路本身特性有關，還是管道摩擦阻力系數λ的函數，由于室內熱水采暖管網流態幾乎都處于紊流區，一般用柯列勃洛克公式或簡化后的阿里特蘇里公式計算摩擦阻力系數λ，其中λ又是雷諾數的函數，與管段流速有關，即同樣的立管結構，流量不同時，分流系數是有差異的，這使手算變得非常復雜，但通過編制計算機程序是可以解決的。

　　以圖1所示的管道連接方式為例，筆者按照文獻[2]提供的平均λ值計算出不同管徑組合的分流系數，見表1，其中溫控閥參數根據丹佛斯RTD-G型確定，當2個支環路的長度、管道連接方式及溫控閥參數與本例相同時，設計人可參考表1確定分流系數。采用其他安裝方式或溫控閥時，可按上述各式編制計算程序進行計算后確定。

　　提供了不同的流量比時三通局部阻力系數，可整理出圖1中不同管徑組合的散熱器支路兩個直流三通和跨越管支路兩個旁流三通的局部阻力系數和。

　　對于有相同的負荷分布的立管，分流系數不同，每組散熱器流量和溫降就不同，導致散熱器數量(如片數)不同。假設圖1中立管供回水溫度為85/60℃，室溫為18℃，散熱器采用TZ4-6-5(四柱760)型，散熱量計算公式Q=0.9△t1.232，表3為根據不同分流系數計算出的各層散熱器片數(為了便于對比數據，散熱器片數沒有取整)。

　　不同分流系數下的散熱器片數由表3可以看出，對于圖1的立管，分流系數α=0.3時散熱器總片數比不考慮分流系數(α=1)多13%，α=0.2時散熱器總片數多24.5%，這是由于分流系數減小，流經散熱器的流量減小，散熱器溫差加大，供水溫度不變，溫差加大后散熱器平均溫度降低，導致片數增多。以往設計計算時常不考慮設置跨越管的分流問題，帶來散熱器選擇的較大誤差。

　　根據流量與散熱量關系曲線得知，溫差越大，散熱器熱量調節性能越好，但從節省散熱器數量的角度，不論是垂直單管系統還是水平單管系統，應在滿足管路水力平衡的基礎上盡量加大散熱器分流系數，由于溫控閥阻力對分流系數影響較大，單管系統應選用流通能力大的產品。

　　3、 異程雙管系統——末端各散熱器環路之間的平衡問題

　　雙管系統由于末端散熱器為并聯，為使各并聯的散熱器及其管路阻力相互平衡，需采用高阻力溫控閥以增大末端阻力，即使這樣，多數工程設計中僅靠調整管徑無法滿足各并聯散熱器環路之間的壓力損失相對差額(包括垂直雙管系統自然循環產生的壓力)不大于15%的要求。

　　一些溫控閥廠家生產出具有預設定功能的溫控閥(預調閥)，較多文獻認為垂直雙管系統采用預調閥可以解決系統水力不平衡和因自然循環產生的垂直失調問題，理想的作法是根據水力平衡需要的壓差確定每組散熱器溫控閥的預設值。但在根據我國現狀的施工水平，實際工程設計施工中，無法做到溫控閥的無級調節。由于溫控閥是分檔調節，流通能力不是連續變化的，造成每上調或下調一檔，其阻力變化相對于管道阻力變化過大，表4是以丹佛斯RTD-N20溫控閥為例，供回水溫差為25℃時，在預設值1和N之間的阻力變化。

　　RTD-N20溫控閥各預設值阻力舉例

　　在大多數工程設計計算中，除非選擇很小的預設值，即人為再增大末端阻力，才能滿足系統末端支路中各并聯散熱器環路之間的阻力損失相對差額不大于15%的要求，但這會造成以下問題：

　　1)溫控閥相對于某一流通能力設定值時，其全行程中的線性區域為有效區域，在這個區域中閥門開度和流量成近似比例關系，調節閥體的行程為有效調節行程。調節閥有效調節行程對應的溫度變化差值稱為溫控閥的比例帶Xp，當實際溫度偏差超出比例帶時，雖然閥門繼續開大，但流量基本不變，沒有了調節作用。改變溫控閥的預設值實際是改變了溫控閥的比例帶Xp值，在預設值1和N之間，Xp介于0.5K和2K之間，Xp=2K表示閥門在室溫高出設定值2K(℃)時關閉。Xp=2K為歐洲標準，它綜合考慮了室溫控制的穩定性和適宜的室溫變化范圍。如果溫控閥預設值選擇過小，Xp太小時，控制上不容易實現較好的穩定性，尤其在低負荷運行時，容易形成震蕩。

　　2)溫控閥預設值選擇過小，閥門壓差過大，會產生噪聲，且由于閥孔減小，對水質的要求更高，如水質不能保證，閥門極易堵塞失效。

　　垂直雙管系統中由于自然循環作用壓力造成的垂直失調也應通過調整管徑來解決。對于層高為h(m)的建筑，各層之間散熱器自然循環作用壓力差Hz隨水溫變化也是變化的，一般近似按下式計算：

　　(Pa)

　　式中：ρg、ρh——設計供、回水溫度下水的密度 (kg/m3);

　　g ——重力加速度，g=9.81m/s2。

　　如圖2所示的下供下回雙管系統，當末端阻力相差不大時，如果每層增加的管道阻力能和上式中自然循環作用壓力相抵，就可以解決因自然循環產生的垂直失調問題。

　　如果圖中每層供回水立管上2個直流三通的當量長度取為2m，抵消自然循環作用壓力所需要的立管比摩阻為RL(Pa/m)，則：設計計算時，宜通過調整管徑使立管比摩阻≤RL，使自然循環作用壓力接近但不小于增加的管道阻力，即立管中最不利環路在最低層，以上層余留的不平衡水頭可由溫控閥根據室溫動態地消除。表5列出系統供回水溫度為85/60℃，建筑層高分別為2.8m、3.0m、3.3m、3.6m時，抵消自然循環作用壓力所需要的立管比摩阻最大值，通過調整管徑是不難達到的。

　　抵消自然循環作用壓力所需要的立管比摩阻RL 筆者認為無論是水平還是垂直雙管系統，在水力計算時，均應采用溫控閥設定為N時(也是溫控閥出廠時的設定值)的流通能力計算溫控閥的阻力，設計階段一般不應采用通過改變溫控閥預設值來平衡各散熱器環路之間的阻力。

　　4、 溫控閥的作用

　　文獻[1]強制性規定住宅散熱器應設置溫控閥，其出發點是節能。但溫控閥的調節作用有限，不能取代其他節能環節。

　　首先氣溫變化時，建筑物整體供熱需求大幅度改變，溫控閥的調節能力是無法滿足需要的。此時集中熱源的總供熱量應相應改變，即文獻[1]推薦的采用氣候補償改變供水溫度等整體調節環節。

　　當系統達不到水力平衡時，僅靠溫控閥的調節功能也無法滿足要求;為滿足遠端供熱量需求，近端房間必然過熱，造成能源浪費;因此系統水力平衡是另一節能的重要環節。單管系統由于各并聯環路中散熱器串聯連接，阻力較大，比雙管系統較易通過調整管徑達到平衡。但無論是單管系統還是雙管系統，經調整管徑后并聯環路之間阻力仍然相差較大無法平衡時，應在系統各并聯環路上設置平衡裝置，解決干管各并聯支路及各立管之間的平衡。溫控閥在系統水力平衡中的作用，僅僅是在運行時動態地消除沒有另設平衡裝置的散熱器并聯環路的局部不平衡。

　　理論上系統如通過計算和管網調節達到水力平衡，且通過隨室外氣溫變化的供熱量進行整體調節，就可以維持室溫恒定在設計值。但溫控閥的調節作用還可解決以下問題，起到維持房間舒適溫度和節能的作用：

　　1)室內供熱量僅是根據室內外溫差確定的，實際運行中當某些房間由于太陽照射和人員聚會、使用家電等，產生較大的發熱量時，溫控閥會動態調節閥門開度，維持房間溫度恒定，消除“自由熱”。

　　2)當人員對室溫有不同的需求時，可通過手動改變溫控閥的室溫設定值。尤其是在采用分戶熱計量收費時，起到了顯著的節能作用。

　　3)由于溫控閥的調節作用，可減少鍋爐等供熱量。在采用雙管采暖系統時，溫控閥的調節作用改變了系統的總壓差，當采暖循環泵采用變速調節時，可節省水泵功率。

　　5、 結論

　　1)單管跨越式系統的分流系數對散熱器數量(如片數)影響較大，設計計算時不能忽略;應在滿足管路水力平衡的基礎上盡量加大散熱器分流系數，選用低阻力溫控閥。

　　2)雙管系統應選用高阻力溫控閥，并按溫控閥預設值為N時的流通能力進行水力平衡計算。

　　3)散熱器采暖管網應通過調整管徑盡量達到各并聯環路的水力平衡，必要時根據系統形式選擇設置適用的水力平衡裝置，運行時散熱器溫控閥可動態地消除系統的局部不平衡率。

　　4)溫控閥的調節能力有限，不能代替所有節能控制環節。系統供熱量整體調節、系統水力平衡計算和管網調節、設置溫控閥消除房間自由熱和維持房間設定溫度，三項節能環節缺一不可。

　　參考文獻：

　　1 嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準 JGJ26—2010 中國建筑出版社

　　2 陸耀慶.供暖通風設計手冊(第二版).北京：中國建筑工業出版社，2007

　　3 徐偉、鄒瑜等.供暖系統溫控與熱計量技術.北京：中國計劃出版社，2000

　　4 漆明清.在單管系統改造中使用溫控閥應注意的問題.暖通空調，1999，29(1)：62-65

　　5 民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范GB 507369-2012 中國建筑工業出版社

　　6 賀平，孫剛，編著.供熱工程，第3版，北京：中國建筑工業出版社