单管跨越式计量供热系统调控方法的探讨

摘要　 本文通过对单管跨越式系统在定压差、定流量的条件下进行模拟计算，分析了两种情况下用户行为调节所产生的系统水力失调度，讨论了两种控制方法的优缺点；最后，结合变频泵的应用，讨论了单管跨越式系统在二次网变水量系统中的运行调节方法。

关键字 　单管跨越式系统　定压差　定流量　水力失调

一、序言
　　
　　建筑节能是建筑业的一声革命，是贯彻可持续发展战略的重要组成部分。而供热采暖中的热计量技术是工作的重要组成部分。建设部已将民用建筑有热表计量收费列入了全国建筑节能2010年规划的发展目标。
　　在热计量中，用户能自主调节室温并使室内温度保持在一定的范围内是实现采暖系统热计量的基础，用户的自调节必然引起系统流量，压力的变化，造成系统的水力失调，进而影响其他用户室温的变化在。而对原有单管式系统进行热计量的改造过程中，要将单管顺流式系统改造为单管跨越式系统，这种条件下加装定流量阀，定压差阀是十分必要的，因为根据文献^[1]如果一个具有7个立管的供暖系统进行关闭某根立管上所有用户，以判断其它立管水力工况的变化，通过类推计算，会发现个别立管会因此增大约50%的流量。本文中将模拟简单系统，由于系统分别加装定流量阀、定压差阀，用户调节对其他用户产生的影响各不相同，所以本文结合两个简单的算例，在以上两种条件下分别进行调节，分析在给定的条件下，两种方案的适用范围以及调节产生影响的大小。
　　控制的目的决定控制的方式，控制的方式决定控制的手段，所以对于具体的情况下系统应选取定压差还要根据实际的情况加以选择。
　　
二、引入算例
　　
　　算例的介绍：本文以某一栋具有六根立管的单管跨越式六层建筑物为例，分析在某一单根跨越式立管上定压差以及定流
量，个体调节对整个立管上其他用户的影响；以及六根立管的单管跨越式系统在热力入口定流量，定压差的条件下用户调节对系统的影响。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1　算例示意图
　　
　　本算例中，进流系数a=0.34，散热器选用普通4柱813型散热器^[2]，K=2.237Δt^0.302，各层散热器散热量相同，根据热指标取60W/m²，面积20m²，设定Q1=2 Q=3 Q=4 Q=5 Q=6 Q=1200W。系统的供回水温度为95/70℃。室内温度设定为18℃，室外计算温度为-9℃，跨越管进流系数为a=Gs/G=0.34
　　对于单管跨越式系统的散热器而言，存在以下四个公式：
　　　　 　　　　　　　　　　　　 　　 （1）
　　　　 　　　　　　　　　　　（2）
　　　　 　　　　　　　　　　　（3）
　　　　 　　　　　　　　　　 　　（4）
　　式中：Q₁----建筑物的供暖设计热负荷，w；
　　　　　Q₂----在供暖室外计算温度 下，散热器放出的热量，w；
　　　　　Q₃----在供暖室外计算温度 下，热水网络输送给供暖热用户的热量，w；
　　　　　 ----供暖室内设计温度，℃，供暖室外设计温度，℃
　　　　　 ----第i层散热器的供水温度，回水温度，℃
　　　　　a,b----散热器的有关试验系数；F----散热器的散热面积，m²；
　　　　　G----供暖热用户或散热器的循环水量；C----热水的质量热容 C=4187J/（Kg·℃）
　　用户调节造成系统阻力数S发生变化。阻力数、数量、压力之间的关系为：
　　　　 　　 　　　　　 　　　　　　　 　　　 (5)
　　 　　　　　 　　　　　 　　　　　 　　 　　(6)
　　　　　　　 　　　　　 　　 　　 　　(7)
　　式中：P----立管压差S_Z--总阻力G----流量
　　　　　S----各层的阻力数
　　　　　S_r----散热器的阻力数，S_b--表示旁通的阻力数
　　算例1是将计算模型中的某一立管为研究对象，在此立管上分别定压差和定流量，分析两种情况下不同用户调节对系统的影响。
　　算例2中作为计算模型是一个由六根立管，每根立管上六层散热器组成的一个单管跨越式系统，如算例2系统图所示。在楼房的热力入口分别安装定流量装置和定压差装置，考察用户调节对其他用户的影响。网路干管以及用户的阻力数如下表所示，其它条件不变。

　　　　 　　 　　 　　　　 　　 　　　　 表1　　 算例2基本阻力数据表

网络干管 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ 阻力数 1.2S/36 1.2S/25 1.2S/16 1.2S/9 1.2S/4 1.2S 网络立管 1 2 3 4 5 6 用户阻力数 6S 6S 6S 6S 6S 6S 阀门阻力数 6S 4.8S 3.6S 2.4S 1.2S 0 总阻力数 12S 10.8 S 9.6S 8.4S 7.2S 6S

三．算例的计算
　　
　　3．1中心对于算例1的分析
　　在定流量的条件下：对算例1只有单根立管的单管跨越式系统，其他条件不变，考察在系统定流量条件下，用户的调节对其他用户的影响。为简化计算，本模型中各散热器上没有加装温控阀。因为温控阀的作用是减小用户调节对其他用户的影响，氢加装温控阀只能更所以加装温控阀只能更加减少用户的水利失调。本算例认为散热器阀门只存在两种调节状态：全开，关
闭。在没有调节前，散热器都为全开状态。并且设房间的保温措施良好，不考虑调节后相邻房间的换热问题。
　　定压差条件下在供回水管路之间加装定压阀，考察定压差条件下用户调节对其他用户的影响。此算例中加装自立式压差控制器，保证整个系统的压差不变。其它条件同上。
　　对两种模型进行计算分析比较，计算的结果如下表所示：
　　
　　　　　 　　 　　 　　　　 　　 　　　　表2 　　模型1计算结构

室温 t_n6 t_n5 t_n4 t_n3 t_n2 t_n1 模型1.1 关闭顶层 19.33 19.32 19.29 19.26 19.26 单根立管
定流量情况下 18 关闭第5层 19.39 19.37 19.34 19.34 18 18 关闭第4层 19.44 19.41 19.41 18 18 18 关闭第3层 19.49 19.49 18 18 18 18 关闭第2层 19.59 18 18 18 18 18 关闭底层 模型1.2 关闭顶层 19.12 18.97 18.8 18.62 18.47 单根立管
定压差情况下 17.8 关闭第5层 19.05 18.87 18.69 18.54 17.8 17.66 关闭第4层 18.95 18.77 18.62 17.81 17.66 17.54 关闭第3层 18.85 18.7 17.81 17.66 17.54 17.54 关闭第2层 18.94 17.81 17.66 17.54 17.54 17.38 关闭底层

　　对模型1分别考虑两种极端情况：在定流量系统中考虑极端情况，关闭上面五层散热器，分析对底层的影响，结果造成用户的温度变为26.01℃；如果关闭下面五层，对第底层用户没有什么影响，室温保持18℃不变。在定压差系统考虑极端情况，当上面五层用户全部关闭，考察对最底层用户的影响。结果造成底层用户的温度变为19.66℃,温度失调9.22%。如果最下面的五层用户全部调节，则赞成顶层用户的室温为13.95℃,温度失调为-22.5%。
　　比较分析：定流量条件下用户调节，会使得该用户下层的房间温度升高，而上层各个房间的室温保持不变。最极端的情况下，即关闭上面五层，底层用户的室温为26.01℃，可以通过其它调节方式降低室内温度。相对而言，在定压差调节方式中，用户的调节，会造成所有用户室温的变化，结果是其上层用户温度降低，下层用户温度升高。在极端条件下，即关闭下面五层散热器，则顶层用户的室温是13.95℃，很难满足设计要求。该用户只能通过其他供热方式（比如电暖气供热）作为补充方来满足其对室温的要求。
　　
　　3．2 算例2的计算分析
　　本算例主要分析在给定的模型2条件下，热力入口定压差、定流量，用户调节对系统的影响。考虑三种情况，即同样是六个用户进行调节，考虑调节用户所处自控位置不同，分别位于第一根立管、第六根立管、和分散于六根立管上的情况。计算数值如下：

　 　　 　　 　　　　 　　 　　　　表3 　关闭三层的六个用户，各用户室温值

调节用户分散于六根立管（位于第三层）。热力入口定流量 顶层室温 五层室温 四层室温 三层室温 二层室温 底层室温 18.000 18.000 18.000 关闭 19．510 19.500 调节用户分散于六根立管（位于第三层）。热力入口定压差 顶层室温 五层室温 四层室温 三层室温 二层室温 底层室温 17.911 17.838 17.789 关闭 19.197 19.127

　　同理，可以计算出调节用户集中于第一根立管，第六根立管的情况。结果如有4所示。
　　比较分析：从算例2的计算我们可以看出，在三种调节的情况下，热力入口定流量造成的其他非调节用户的温度变化要比定压差的情况大。从图-2中我们可以明显的看出这些结论。
　　
　　　 　　 　　 　　　　 　表4　　　 用户调节后，流量变化最大的一根立管上各层室温值

调节用户分散于第一根立管。热力入口定流量 顶层室温 五层室温 四层室温 三层室温 二层室温 底层室温 18.073 18.108 18.173 18.218 18.260 18.340 调节用户分散于第一根立管。热力入口定压差 顶层室温 五层室温 四层室温 三层室温 二层室温 底层室温 18.003 18.007 18.011 18.017 18.019 18.040 调节用户分散于六根立管。热力入口定流量 顶层室温 五层室温 四层室温 三层室温 二层室温 底层室温 18.140 18.226 18.341 18.439 18.534 18.671 调节用户分散于六根立管。热力入口定压差 顶层室温 五层室温 四层室温 三层室温 二层室温 底层室温 18.086 18.134 18.210 18.267 18.321 18.412

　　　　　　　　　　　　　　　　　图2　　系统在定流量、定压差下的温度变化
　　
四、结论
　　
　　通过对算例的计算归纳出下几点结论：
　　1．对于整个单管跨越式系统而言，入口定流量、定压差都可以降低个别用户调节对系统造成的影响，只是在定压差条件下，调节引起其他用户室温变化程度要小于定流量的条件下的变化。
　　2．对于单根立管定压差系统、定流量系统来说，个别用户的调节对于系统造成的影响是不相同的。在定流量系统中，用户的调节造成下层室温升，上层用户保持不变；达到压差系统中，用户的调节造成上层用户的室温降低，下层用户的室温升高，在最极端的情况下（顶层以下的用户全部调节）造成顶层用户的室温降低很多，很可能引起用户的不满。
　　3．考虑在实际的供热系统中不仅包括用户的个体调节还包括二次网的集中调节，所以对于热力入口定压差、定流量的系统还要考虑随着室外温度的变化适时进行量调节，采用变频泵以节约能源。可以考虑将二次网设置成变水量系统，这样采取定压差的系统更能适用于主频泵的使用。根据室外温度的变化在一个采暖季节中适时改变流量，保持系统的压力不变，在保证用户满意的条件下适时改变流量，节约能源。
　　
　　
参考文献
　　
　　1 伍小亭，供热计量的几个问题，暖通空调，2000 30（1）
　　2 贺平，孙刚，供热工程（第三版），中国工业出版社，1993