摘要： 本文主要讨论了计量收费后单管跨越式供暖系统的特性、分流系数的影响以及有关设计参数的选择，并提出了一些设计新概念。实现热计量收费后，供热系统增加了可调性，各个散热器和用户安装了温控阀。用户可以根据自己的需要，随时调节散热装置的散热量。供热系统的基本情况发生了变化，因此应对原来的供热设计参数和设计方法进行修正，以适用热计量收费后的新情况。
关键词： 计量收费 单管跨越系统 分流系数 供回水参数
1 单管跨越系统的设计
室内单管采暖系统改造方案是指在现有的单管顺流式系统的基础上，在各层散热器的供回水间增加跨越管，散热器供水支管上安装温控阀，由此构成新的垂直串连单管跨越式系统。这种安装跨越管和温控阀的办法同样适用于单管形式的新建系统。其中，跨越管分流系数对于系统整体特性的影响较大，是问题的核心。
1.1 分流系数的选择对系统调节特性的影响
分流系统的大小直接影响流入散热器流量的大小、进出口温差，进而影响散热器的调节特性。图1显示了随分流系数变化，散热器相对流量和相对热量之间的关系。（横轴为相对流量）
图1分流系数对系统调节性能的影响
表1 在不同的分流系数下6个房间所需的散热器片数
分流系数
90%
80%
70%
50%
30%
10%
散热器片数
120
89
81
76
74
74
从图中可以看出，分流系数对调节性能的影响是非线性的。随着分流系数的增加，散热器调节特性逐渐向线性逼近。但是，为了使室内温度达到设计温度，室内设计散热器片数要随分流系数增加而增多。如表1所示某一建筑6个房间在不同分流系数下所需散热器的片数。
1.2 单管顺流改造成跨越管系统的设计
最有代表性的单管系统改造是加分流系数为70%的跨越管。如图2所示一实例，五层住宅的立管上有五组散热器，原来为单管顺流系统，现在改造为单管跨越系统。各个参数如表2、3所示。我们根据加跨越管后系统流量的变化、散热器散热量的变化情况等性质分别讨论单管跨越系统的系统改造设计问题。
表2 各个房间热负荷 楼层 1 2 3 4 5 围护传热系数W/℃ 55.29 53.04 53.85 53.85 59.12 房间热负荷W 1492.83 1432.08 1453.95 1453.95 1596.24
1.2.1 加跨越管后系统阻力的变化
表3 改造系统设计参数 室外设计温度 室内计算温度 供水温度 回水温度 分流系数 -9℃ 18℃ 95℃ 70℃ 0.31
如图3加跨越管后，管路的总阻力系数发生了变化，设为S。设S1为散热器一侧阻力数，S2为旁通管一侧的阻力数。则有：
表4 旁通前后阻力变化 管段号 流量Kg/h 长度m 管径mm 总压降Pa 阻力数Pa/(m3/h)2 总阻力数Pa/(m3/h)2 温降℃ 1 194.13 1 20 76.62 2033.081 1173 20.9 2 61.43 2 20 76.59 20296.48 1 255.56 2 20 323.4 4952.009 4952 5.02
表4为计算所得的数值。其中，1’为原单管顺流系统的管段。1和2是单管跨越系统中的散热器管段和旁通管段。2管段的长度为2m，1管段的长度为1m。可以看出加跨越管后，阻力数和压降都减少到原来的23.69%。从一个计算单元推广到整个系统，系统阻力减少到原来的25%左右。
1.2.2 加跨越管后散热器散热量的变化
加跨越管后，散热器流量减少，出口温度降低，导致散热量降低。但是散热器的供回水温差加大，抵消了部分流量减少所带来的散热量减少。从图4中各楼层散热量的变化可以看出：在设计工况下，加设跨越管，散热器的水流量减少了70%，可是散热量最多也只降低了8%。其原因主要是因为进出口水温的大温差弥补了因为水流量的大量减少而降低的热量散失。
图4 加装跨越管后，各层散热器散热量变化
1.2.3 加跨越管后室内温度的变化
根据散热量的变化来计算各层室内温度。原设计室内温度为18℃，计算结果发现，改造后各层温度都在16.5℃左右，全都不符合标准，偏离室内设计温度近2℃。
表5 改造后室内温度（在改造前散热面积和流量富余量不同的条件下）
1.00
1.02
1.04
1.06
1.08
1.10
1.12
1.00
16.34
16.59
17.08
17.31
17.50
17.85
18.20
1.50
17.03
17.41
17.78
18.15
18.51
18.87
19.22
2.00
17.46
17.83
18.20
18.57
18.94
19.20
19.45
目前实际在系统设计时都偏于保守，设计散热面积偏大，而且运行单位也一般采用大流量运行，因此现在较为保守的散热器设计可以弥补散热量的轻微减少而保证室温达到设计要求。由表5表示了在大于设计流量和设计面积的条件下，增加分流系数70%的跨越管后，室内温度的变化情况。可以看出，当实际散热面积超过理论设计面积的10%以上，即使系统循环水量不变，改造后的室内温度也可以满足要求。
1.2.4 加跨越管后同程系统的稳定性
单管顺流加跨越管后，系统的流通面积大大提高。根据实际系统的水力计算，跨越安装前后立管阻力会减少80%以上。立管阻力过小，会造成严重的水平失调现象。在设计时，需要对系统进行认真的校核计算。
1.3 单管跨越管系统的新建设计
实现计量收费之后，系统必须具备可调节性，双管系统调节性优于单管系统。但是单管系统占用空间少，管道简单，适用性较广。如图5，左边系统入户干管布置在天花板下，各组散热器顺次连接，可以避免系统管道过门。右面系统管道可以布置在下一层天花板上，或埋入用户水泥垫层内，管道布置简单美观。从经济上分析，虽然散热器片数比双管系统要多，但是少使用了一根管道，所以总体造价少。
图5 单管跨越系统室内布置图
1.3.1 跨越管管径的选择
对跨越管管径的选择有两种意见，一种认为应该比散热器支路管径小一号，一种认为两者的管径应该保持一致。使用不等温降进行分析计算，观察这两种方案下的散热器温降。
表7 调整管径满足不同负荷 房间编号 1 2 3 4 5 20（同号） 19.45 18.7 37.88 18.95 20.8 调整后的温降 19.45 18.7 22.15 18.95 20.8 表6负荷如表2时不同方案下散热器温降 跨越管管径 1 2 3 4 5 15（小一号） 13.6 13.05 13.25 13.25 14.55 20（同号） 21.6 20.7 21 21 23.1通过计算，如表6，可以看出小一号选择的温降小，这会使散热器流量变大（与其他分流系数情况比较），热调节特性不好。而选择同管径，其温降合适，调节特性改善。负荷同时增加或减少时，各散热器的温降不变，仍然使用同号管径最合适。
当部分散热器负荷改变（如第三组热负荷增加一倍），若仍按同管径设计，各个散热器温降如表7第一列所示，第三组散热器温降过大。所以，对于第三组散热器必须选择小一号的旁通管。调整后，温降如下表第二行所示。
因此，对于实际设计而言，选择什么样的跨越管管径，应该具体问题具体分析。
1.3.2 温控阀选择
目前温控阀有两种形式，一种是普通的高阻力阀门，一种是新兴的低阻力单管用温控阀。选择的标准是看是否满足阻力和温降的要求。
表8 使用高阻力温控阀散热器温降 房间编号 1 2 3 4 5 负荷一致 25.8 24.7 25.1 25.1 27.5 负荷不一致 21.55 20.7 42 21 23当负荷不一致，即同一立管上各组散热器热负荷相差很大，如表7中负荷大于其他散热器一倍的散热器3选择同号管径的温降为37.88℃。而如表8，选择温控阀系统无法实现。因此，对于单管系统，尽量使用低阻力单管用温控阀是必要的。
2 室内设计温度的选择
实现计量收费后，供热系统要满足用户的各种调节需要，对于室内设计温度的选择，现在有两种观点，一种是应该提高室内设计温度，以满足用户的调节要求。另一种观点认为不需改变，不同用热量的要求可以通过流量的变化来弥补调节。
从满足用热要求的角度来考虑，作为大多数的乙类住宅，供热系统保证的室内温度为18℃，最高时可达21℃，这是所有供热用户都在使用时的情况。实际上，还存在大量和用户作息时间相反的公共建筑，例如学校以及一些社区服务机构。同时，计量收费后，用户自己控制热量消耗，为了节省费用，常常只打开部分房间的散热器。而且即使用户打开自己房间内所有的散热器，也不一定就要求每个房间室内温度都在18℃以上（例如厨房、卫生间和储藏室等）。这样不需要正常供热的用户的流量会向其他需要正常供热的用户分配，而分配的数量和外网和用户的水力特性有关。假若散热器流量能增加2倍，室内温度可以提高3℃左右。采用增大系统循环流量和这种用户之间的流量互补现象，可以满足用户的部分需要。但是为了系统安全设计考虑，可以根据热网热用户的用热时间特征，提高设计室内设计温度1-2℃，
从恢复室内温度的时间来考虑。当在不同时间段内设定不同室内温度时，例如上班时家中温度设定为10℃，下班后希望升到18℃，此时必须考虑室内温度的恢复时间。在不同的室内设计温度情况下（周围房间的温度为18℃，墙体为普通内墙），30分钟内室内空气温度都能恢复到15-16℃左右，并且恢复时间相差不大。这主要由于室内空气的热容较小，升温速度比较快，而家具墙壁等固态密实物体的升温比较慢。所以完全恢复到室内设计温度可能需要2-3个小时，而恢复到15-16℃的只需要半个小时。当然原室内设计温度选取的越高，恢复到18℃室内温度所需要的时间就越短。所以适当提高室内设计温度可以加快室内温度的恢复到18℃左右的速度。
以上提到可以适当提高室内设计温度以满足计量收费的新情况。但是如果一味的提高室内设计温度必将造成系统初投资的大量增加，所以应该按照系统的实际情况选择室内设计温度。
3 供回水参数的选择
供热系统沿用供回水温度95/70℃的设计模式多年，但实际运行时供水温度一般不超过80℃。对于这种情况，有人认为设计温度不应选择95/70℃，不仅浪费能源，而且造成输配系统的热损失增加，应该选择75/50℃左右的温度作为热媒设计参数。另外，还有人认为应该降低回水温度以提高经济效益。
3.1 供水温度的降低对系统的影响
表9和图6显示了供回水温度降低对散热器片数和系统调节能力的影响。可以看出，降低供回水温度，对散热器的调节特性改善很有限，并且是以增加系统初投资即散热器片数为代价的。同时，对于现在的低温运行情况，是由于系统设计不合理、过分保守的设计造成的，和设计参数无关。至于输送热消耗的问题，完全和系统管理以及维护水平有关。所以，降低供回水温度没有必要。
3.2 降低回水温度对系统的影响
如果系统采取大流量运行会使运行效率低下。因此，为了使系统高效运行，增大供回水设计温度，采用小流量运行比较可行。
表9 不同供回水温度时散热器片数(热负荷1500W)
供水温度（℃） 95 85 75 65 回水温度（℃） 70 60 50 40 四柱散热器片数 9 11 14 18
图6 供回水温度对散热器调节性能的影响
4 结束语
供热计量收费是一项新兴的政策，它对供热系统提出了许多新的问题。其中，对原系统的改造是一个重要部分，许多问题都比较复杂烦琐，本篇主要分析了单管系统的设计和改造，真正要把供热计量收费工作作好，还需要进一步通过理论分析和实践经验进行解决，使新的系统能够满足计量收费的要求。
