压差控制阀在分户计量双管供暖系统中的应用

一、概述
　　
　　在分户计量双管供暖系统中，为充分利用家用电器、灯光和人体等自由热量，通常是在每一组散热器上安装预设定型温控阀，因此整个系统是变流量运行，作用在温控阀上的压差随着流量的改变而发生变化。当其实际压差较大温控阀就可能产生噪音，尤其是在房间热负荷较小时，温控阀会频繁开关，产生振荡。振荡除引起不必要的磨损外，还导致回水温度升高，并系统中的其它温控阀，因此在一个设计良好的分户计量双管供暖系统中，一方面应使用系统中每个温控阀的热权度总是大于等于1，另一方面温控阀上所随的实际压差还应该保持在它的允许范围内^[1]。
　　压差控制阀也称为自力式压差控制阀，在变流量系统中，它通过感应供热管道系统中两点的压力，可以使被控环路的压差保持恒定，保证被控环路中调节阀门的正常工作，那么在分户计量双管供暖系统设计时，控制阀应如何布置呢？通常有以下三个方案：a.压差控制阀仅在设在建筑物供暖引入口，控制供暖引入口的压差为定值。b.在下供下回式双管系统中，压差控制阀设在每组共用立管的起始端，控制立管的压差为定值。c.压差控制阀设在每一户的引入口，控制户内系统的压差为定值。
　　，在实际设计中，这3个方案应如何选择，争议颇多，仅就保证温控阀平稳工作而言，方案1最差，但其初投资最少；方案3最好，但其初投资最高；方案2介于方案1和3之间。下面就针对这3个方案进行一些分析，希望为工程人员设计时，方案的选择提供一些有益的建议。另外应说明的是：本文所讨论的双管供暖系统是指户内、户外都为双管的系统。
　　
二、方案分析
　　
　　1．方案1：压差控制阀仅设在建筑物的供暖引入口
　　由于是双管系统，因此以户为单位，供暖系统内各户之间是并联关系。每一用户户引入口作用压差ΔP_S可以由下式计算：

　　　　　　　　　ΔP_S =ΔP₁ +ΔP₂-ΔP₃　　　　　　　　　　　　　　（1）

　　式中：ΔP₁--建筑物供暖引入口压差控制阀控制压差；
　　　　　ΔP₂--所计算用户随的自然作用压头；
　　　　　ΔP₃--从供暖引入口压差控制阀的压差控制点到所计算用户户引入口之间供回水管路的阻力损失。
　　（1）式（1）中各参数的讨论
　　a.建筑物供暖引入口压差控制阀控制压差ΔP₁在系统运行过程中，ΔP₁是定值，它取决于设计工况下，供暖系统最不利环路中，从供暖引入口压差控制点到最末端用户户引入口之间供回水管路的阻力损失 ，最末端用户户内系统的总阻力损失 以及最末端用户所随的自然作用压头 。根据式（1）有：
　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　（2）
　　b.用户所随的自然作用压头 ΔP₂
　　ΔP₂取决于用户所处的楼层以及供回水立管中供回水温度^[2]。在系统的运行过程中，ΔP₂是一个不断变化的量，因此在设计工况下，根据式（1）计算户引入口作用压差ΔP_S时，其自然作用压头ΔP₂应取最小值。因为如果取值较大，那么根据式（1）所计算的户引入口作用压差ΔP_S就较大，在根据ΔP_S设计户内系统时，其管道和温控阀的阻力损失就可能较大，当实际的自然作用压头ΔP₂小于所选定值时，户引入口作用压差ΔP_S就会低于设计值，导致温控阀上的实际压差小于设计值，此时，温控阀即使全开，散热器所提供的热量仍不足以维持设计室温，所以在设计工况下，自然作用压头ΔP₂应取最小值。这样，在实际运行时，自然作用压头ΔP₂总是大于等于最小值，因此能保证温控阀的热权度总是大于等于1，房间温度总是能达到设计值。不过，由于自然作用压头ΔP₂的影响因素较多，要确定每一用户的最小值通常都很困难，因此为便于设计，在设计工况下计算户引入口作用压差ΔP_S时，自然作用压头ΔP₂可以不考虑。
　　c.从供暖引入口压差控制阀的压差控制点到所计算用户户引入口之间供回水管路的阻力损失ΔP₃
　　在变流量系统中，供回水管路的阻力损失ΔP₃是一变量，它取决于管路中的流量以及管路的长度。在设计工况下，其值最大，当管路中的流量趋近于零时，ΔP₃也趋近于零^[1]。同一供暖系统当采用同程式时，其ΔP₃一般比采用异程式更大^[2]，因此根据式（1）可知；各用户由ΔP₃所引起的ΔP_S波动，同程式比率经异程式系统更大，由此可见，设计时应选择异程式系统。
　　d.户引入口作用压差ΔP_S
　　对于双管系统，在散热器热负荷一定的情况下，当户引入口作用压差ΔP_S大于设计值时，由于散热器上温控阀的调节作用，户内系统各管段的流量会保持不变^[1]，因此各管段的阻力损失也不变，户引入口作用压差ΔP_S的增加值会等量地作用在户内系统每一个温控阀上。由此可见，在系统设计时，只要保证运行过程中，户引入口作用压差ΔP_S总是大于等于设计工况下户内系统总阻力损失，就可以保证在任何情况下，温控阀上的实际压差总是大于等于设计工况下的设计值，因此温控阀的热权度总是大于等于1，用户随时能获得设计所要求的室温。那么应如何设计才能使户引入口作用压差ΔP_S总是大于等于设计工况下户内系统总阻力损失呢？
　　根据前面的分析可知：在设计工况下进行设计时，自然作用压头可以不考虑，管路的阻力损失ΔP₃为最大。而在实际运行过程中，由于存在自然作用压头，管路的阻力损失ΔP₃又较小，故根据式（1）可知：运行过程中，户引入口作用压差总是大于等于设计工况下的户引入口作用压差，因此在设计工况下，只要使户引入口作用压差大于等于户内系统的总阻力损失，那么运行过程中，户引入口作用压差就总是大于等于设计工况下户内系统的总阻力损失。而这一点在设计工况下进行水力计算时，可以很容易做到。
　　另外，由于户引入口作用压差ΔP_S的波动反映了户内系统每个温控阀上作用压差的波动，因此只要控制户引入口的作用压差ΔP_S的最大值，就能够保证运行过程中温控阀不超过它的最大工作压差。根据[3～4]可知：在设计工况下，户内系统包括热表和锁闭调节阀的阻力一般不应超过30kPa，因此在运行过程，只要控制ΔP_S的最大值不超过30kPa，就能保证温控阀的正常工作。
　　（2）方案1分析的小结
　　通过前面的分析可知：为保证运行过程中，温控阀上的实际作用压差不超过其正常工作最大压差，用户引入口的最大作用压差不超过30kPa，因此根据式（1）有：

　　　　　ΔP_S =ΔP₁ +ΔP₂ -ΔP₃ kPa

　　从上式可知 ：当ΔP₃=0时，户引入口的作用压差ΔP_S最大，故根据上式有：

　　　　　ΔP₁ ≤30 -ΔP₂ kPa

　　上式中，对于自然作用压头ΔP₂，在设计工况下，各用户所随的值最大^[2]，并且其最大值可以由下式计算：

　　　　　ΔP₂=gH（ρ_h-ρ_g） kPa

　　式中：H--上供下回式双管系统中，为建筑物的高度；下供上回式双管系统中，为建筑物的高度减去建筑物顶层的层
高，m。
　　　　　ρ_h、ρ_g--设计工况下，供回水温度所对应的水的密度，kg/m³。

　　　　故有ΔP₁≤30-gH（ρ_h-ρ_g）/1000 kPa

　　因此，当仅在供暖引入口设压差控制阀时，其控制压差必须小于等于30-gH（ρ_h-ρ_g）/1000 kPa，才能保证系统运行过程中，温控阀上的作用压差能够小于其正常工作的最大压差。另外，由于设计工况下进行水力计算时，不考虑自然作用压头，故根据式（2）有：
　　　　　
　　由此可见，只有当设计工况下最不利环路的阻力损失 小于30-gH（ρ_h-ρ_g）/1000kPa时，才可以采用方
案1。

　　2．方案2：在每组共用立管上设压差控制阀
　　本方案只适应于供下回式双管系统。参照前面对式（1）各参数的分析，方案2在设计工况下进行水力计算时，其自然作用压头同样可以不考虑，因此压差控制阀的控制压差ΔP₁等于共用立管上最不利环路在设计工况下的阻力损失 ，其中为 为立管上压差控制点到户引入口之间供回水管路的阻力损失，另外，为保证共用立管上各用户在运行过程中户引入口作用压差ΔP_S不超过30kPa，ΔP₁同样应小于等于30-gHρ_h-ρ_g）/1000 kPa，当ΔP₁大于该值时，就不应采用方案2。

　　3．方案3：在每户引入口设压差控制阀
　　对于大型的供暖系统，当无法采用方案1和2时，就应采用本方案。其压差控制阀的控制压差ΔP₁等于户内系统最不利环路在设计工况下的总阻力损失，其中包括户用热表和锁闭调节阀的阻力，ΔP₁应小于等于30kPa^[3～4]。此时，各共用立管上只需设截止阀或闸阀，起关闭作用。
　　在本方案中，由于压差控制阀的调节作用，在系统的运行过程中，自然作用压头和系统流量的变化，不会对户内系统温控阀的工作产生影响。不过，为了在运行过程中保证压差控制阀的正常工作，其资用压差应始终大于等于其设计压差。压差控制阀的设计压差应等于设计工况下其本身的阻力与其控制压差之和，因此在设计工况下进行户外共用立管和供回水干管的水力计算时，自然作用压头可作为安全裕量，不予考虑。因为如果要考虑自然作用压头，一方面会使水力计算更复杂，另一方面自然作用压头不恰当的取值，会导致运行过程中，压差控制阀的资用压差小于其设计压差，有可能导致压差控制阀即使全开，通过的流量也不能满足用户要求。
　　另外在设计时应注意的是：供暖系统中所使用的压差控制阀一般都有最大工作压差限制，当作用在阀上的实际压差超过其最大工作压差时，阀就会被压坏，因此在使用方案2和3时，如果运行过程中，室外管网在供暖引入口的资用压差会超过供暖系统中所使用压差控制阀的最大工作压差时，就必须在供暖引入口设其它型号的压差控制阀，控制整个供暖系统的压差。此时，该压差控制阀的控制压差应等于供暖系统最不利环路在设计工况下的总阻力损失。
　　
　　4．户内和户外系统形式
　　对于户内系统，根据前面对供回水管路阻力损失ΔP₃分析的相同理由，为减少运行过程中，温控阀作用压差的波动范围，应选择异程式系统。对于方案2和3的户外系统，也建议采用异程式系统。因为同一供暖系统，当采用异程式时，其系统的总阻力损失一般要比采用同程式更小^[2]。这样，可以减小供暖系统引入口所需要的资用压头。
　　
三、结论
　　
　　（1）分户计量双管供暖系统在设计工况下进行水力计算时，其自然作用压头可以不考虑，户内和户外系统应采用异程
式。
　　（2）选用方案1时，其压差控制阀的控制压差ΔP₁应等于供暖系统最不利环路在设计工况下的总阻力损失 ，并且ΔP₁应小于等于30-gHρ_h-ρ_g）/1000 kPa。
　　（3）选用方案2时，其压差控制阀的控制压差ΔP₁应等于立管上最不利环路在设计工况下的总阻力损失 ，并且ΔP₁也应小于等于30-gHρ_h-ρ_g）/1000 kPa。
　　（4）方案3适应于大型供暖系统，其压差控制阀的控制压差ΔP₁应等于户内系统最不利环路在设计工况下的总阻力损失，并且包括户用热表和锁闭调节阀的阻力，ΔP₁应小于等于30kPa。　　
　　

文献
　　
　　1 戈特·磨擦勒，雷纳特·奥贝尔，编著，供暖控制技术，北京：建材出版社，1998
　　2 贺平，孙刚，编著，供热工程（新一版），北京：中国建材工业出版社，1993
　　3 DBJ01-605-2000新建集中供暖住宅分户热计量设计技术规程（北京市标准）
　　4 DB29-26-2001集中供热住宅计量供热设计规程（天津市标准）