新双管计量供热系统平均比摩阻取值问题分析

摘要:本文分析了新双管系统与传统双管系统的不同，提出了确定新双管系统平均比摩阻联值的方法，并通过水力计算，确定并验证了新双管系统中立管与水平支路的平均比摩阻的取值，为新双管系统水力设计计算提供参考。

关键词　　自然循环作用压力；水力平衡；恒温阀预设值；不平衡率

一、引言
　　
　　新双管系统又称双－双管系统，其水平支管连接用户室内的散热器，各层水平支路阻力远大于传统双管系统的各层支管阻力，自然循环作用相对减弱，各层水平支路的不平衡率相对较小，垂直失调状况得到改善。在新双管系统设计时，　各层水平支路的平均比摩阻应较大，使水平支路的阻力尽量大，立管的平均比摩阻较小，使立管阻力尽量小。
　　
二、新双管系统平均比摩阻取值的确定方法
　　
　　在新双管系统水力计算中，考虑自然循环作用压力的影响，天津市集中供热住宅计量供热设计规程规定，自然循环作用压力按其值的1/2～2/3范围取值，本文的计算是按2/3取值。
　　平均比摩阻取值要满足系统平衡的要求，在双管系统水力计算中，我们判断系统平衡的标准为：
　　（1）各层水平支路的各恒温阀预设值大多数不小于3。
　　大目前国内的热水水质条件下，阀门开度过低，在系统调试阶段，容易造成恒温阀的堵塞。同时，阀门开度过低，很可能产生噪声，并且对阀门本身造成损害。因此推荐恒温阀预设值不小于3。对于个别值为2或1的情况，是因为其散热器的热负荷较小，也即流量较小而造成的，这种情况有时是不可避免的。为了使恒温阀保持良好的工作状态，可以将其预设值调至3或以上，剩余的压降可依靠加设手动阀门来承担。
　　最不利环路与其它并联环路之间的平衡率不大于15%。
　　不平衡率的计算方法如下：
　　　　　　　　　
　　式中：ΔP1----第一层水平支路的阻力，Pa;
　　　　　Δ_Pn----第n层水平支路的阻力，Pa；
　　　　　ΔP_Zn----第n层水平支路的自然循环作用压力，Pa；
　　　　　ΔP_Ln----第一层与第n层之间的立管阻力，Pa。
　　
三、新双管系统平均比摩阻取值的确定
　　
　　 以实际工程为例，此工程的基本参数为：
　　（1）层数16；层高3m；每层水平支路散热器5组；室内系统管材为铝复合管；
　　（2）立管为下供下回式；室内系统为异程式；设计供回水温度95℃/70℃。
　　通过设定不同的立管和各层水平支路的平均比摩阻，来比较不同取值对系统平衡的影响程度，以确定合理的平均比摩阻。在计算过程中，两者分别按下面三种情况取值；
　　（1）立管平均比摩阻R₁=≤40， ≤80， ≤120(Pa/m)
　　（2）各层水平支咱平均比摩阻R_sh=≤60，≤120，≤200(Pa/m)

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表1 水力计算结果(R₁≤40Pa/m，R_sh≤Pa/m)

楼层数 不考虑自然循环作用每层环路阻力(Pa) 考虑自然循环作用每层环路阻力(Pa) 每层环路的恒温阀需要消耗眒的压差(Pa)
1 2 3 4 5 每层环路的恒温阀预设值
　H1 H2 H3 H4 H5 不平衡率
(%) 一层 9974 5322 2291，1310， 1053，639，596 4， 5， 6， 7， 7 　 三层 9508 5476 3224，2467， 2312，1951，1912 2， 4， 4， 5， 5 3.1 五层 9157 5745 3224，2467， 2312，1951，1912 2， 4， 4， 5， 4 7.8 七层 8309 5517 3265，2508， 2353，1992，1953 2， 4， 4， 5， 5 .8 九层 7740 5568 3317，2559， 2404，2044，2005 2， 4， 4， 5， 5 5.0 十一层 7076 5525 3273，2516， 2361，2000，1961 2， 4， 4， 5， 5 4.9 十三层 6737 5807 3555，2798， 2643，2282，2243 2， 4， 4， 5， 4 8.9 十五层 6269 5959 3707，2950， 2795，2434，2395 2， 4， 4， 5， 4 11.6

　　　　　　　　　　　　　　　　表2 不同立管平均比摩阻的水力计算结果比较(R_sh≤120Pa/m)

楼层数 Rt≤40Pa/m Rt≤80Pa/m Rt≤120Pa/m 恒温阀的预设值
H1 H2 H3 H4 H5 不平衡率
（%） 恒温阀的预设值
H1 H2 H3 H4 H5 不平衡率
（%） 恒温阀的预设值
H1 H2 H3 H4 H5 不平衡率
（%） 一层 4，5，6，7，7 - 1，2，3，4，4 - 1，2，2，3，2 - 三层 2，4，4，5，5 3.1 1，2，2，4，3 4.6 1，2，2，2，2 17.5 五层 2，4，4，5，4 7.8 1，2，2，4，3 1.3 1，2，2，3，2 -2.1 七层 2，4，4，5，5 3.8 1，2，3，4，4 3.8 1，2，2，4，2 -7.3 九层 2，4，4，5，5 5.0 1，2，3，4，4 1.3 1，2，2，4，3 -11.7 十一层 2，4，4，5，5 4.9 1，2，3，4，4 1.3 1，2，2，4，3 -19.7 十三层 2，4，4，5，4 8.9 1，3，4，4，4 12.4 1，2，3，4，4 -16.3 十五层 2，4，4，5，4 11.6 1，3，4，4，4 10.4 1，3，4，4，4 -5.9

　　　　　　　　　　　　　　表3 不同立管平均比摩阻的水力计算结果比较(R_sh≤60Pa/m)

楼层数 Rt≤40Pa/m Rt≤80Pa/m Rt≤120Pa/m 恒温阀的预设值
H1 H2 H3 H4 H5 不平衡率
（%） 恒温阀的预设值
H1 H2 H3 H4 H5 不平衡率
（%） 恒温阀的预设值
H1 H2 H3 H4 H5 不平衡率
（%） 一层 4，5，6，6，7 - 1，2，3，4，4 - 1，2，2，3，2 - 三层 3，4，4，6，5 2.1 1，2，2，4，3 0.2 1，2，2，2，2 13.8 五层 2，4，4，6，5 7.6 1，2，3，4，4 5.5 1，2，2，3，2 -2.2 七层 2，4，4，6，5 2.9 1，2，3，4，4 1.1 1，2，2，4，3 -12.1 九层 2，4，4，6，5 3.2 1，3，4，4，4 16.2 1，2，2，4，3 -16.7 十一层 2，4，4，6，5 3.0 1，3，4，4，4 15.6 1，2，3，4，4 -14.7 十三层 2，4，4，6，5 8.9 1，4，4，5，4 7.9 1，2，3，4，4 -1.9 十五层 2，4，4，5，5 12.1 1，4，4，5，4 5.8 1，4，4，5，4 -10.7

　　1.立管平均比摩阻取值比较
　　由表1、表2、表3可以看出，立管平均比摩阻如按40Pa/m取值，第一层与各层水平环路之间的不平衡率基本上都小于10%，同时恒温阀预设值的设定比较合理，说明立管平均比摩阻取40 Pa/m是适合的。对于按80 Pa/m和120 Pa/m取值，系统的不平衡率和恒温阀预设值的设定都不太理想。
　　经计算，立管平均比摩阻如按80 Pa/m或120 Pa/m取值（R_sh≤120Pa/m），各层水平支路的阻力相差很大，第一层与顶层的阻力差值为3926 Pa或6996 Pa，这说明立管阻力与自然循环作用压力不能相互抵消，立管阻力大于自然循环作用压力，第一层水平支路恒温阀需要承担更大的剩余压头，才能保持系统平衡。对于立管平均比摩阻按40 Pa/m取值（R_sh≤120），各层水平支路的阻力相差不大（见表1），第一层比顶层阻力差值仅小783 Pa，立管阻力与自然循环作用压力可近似抵消。由于立管阻力小于自然循环作用压力，当适当增大立管平均比摩阻时，立管阻力亦增大，与自然循环作用压力逐渐接近，直至相互抵消，此时系统平衡性最好。若立管平均比摩阻继续增大，而且建筑下面几层（如第2和第3层）水平支路恒温阀因承担过大的剩余压头而预设值过小时，立管平均比摩阻的取值将不再适合。经计算分析可知，立管平均比摩阻的取值范围为30～60 Pa/m。
　　以上是各层水平支路采取异程式形式时的情况，水平支路如为同程式，则每层用户各恒温阀所承担的剩余压头相差不大，经计算，其值与异程式中第三个恒温阀消耗的压差值对应相似，小于各层的最近环路即第一个恒温阀所消耗的压差值。因此其恒温阀预设值在R_l≤80Pa/m时，仍然可以基本满足不小于3的要求，同时不平衡率也基本小于15%。经验证，对于各层水平支路为同程式形式，立管平衡比摩阻的取值范围为30～90 Pa/m。

　2．各层水平支路平均比摩阻比较
　　在立管平均比摩阻R_l≤40Pa/m的情况下，比较各层水平支路平均比摩阻不同取值的水力计算结果（见表2和表3）。对于R_sh≤200 Pa/m的水力计算结果，由于其与R_sh≤200 Pa/m的各管段计算管径相同，各层阻力、不平衡率及恒温阀预设值均相同，所以未列出。由表可以看出，R_sh≤120 Pa/m（或R_sh≤200 Pa/m）和R_sh≤600 Pa/m时，系统基本上满足平衡条件。两者不同之处在于前者的各层水平支路的资用压力较大。
　　考虑此系统的各用户散热器组数（5组）较少，热负荷较小，第一层、中间层和顶层用户的热负荷分别为5285W、4535W和5774W，无法对R_sh≤120 Pa/m和R_sh≤200 Pa/m的水力计算结果进行比较。我们假设一个各层10组散热器的同程式系统，对其在R_sh≤60 Pa/m和不同的水平支路平均比摩阻下进行水力计算，结果见表4和表5。

　　　　　　　表4　不同的水平支路平均比摩阻的水力计算结果（恒温阀预设值）比较（R_sh≤60 Pa/m） 楼层数 R_sh≤60 Pa/m R_sh≤120 Pa/m R_sh≤200 Pa/m 恒温阀的预设值
H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7 H8 H9 H10 恒温阀的预设值
H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7 H8 H9 H10 恒温阀的预设值
H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7 H8 H9 H10 一层 1，3，4，4，4，1，4，4，4，4 1，3，4，4，4，1，4，4，4，4 1，3，4，5，4，2，4，4，4，3 三层 1，2，3，4，4，1，2，3，4，3 1，2，3，4，4，1，2，3，4，3 1，2，3，4，4，1，4，4，4，3 五层 1，3，4，4，4，1，3，4，4，4 1，3，4，5，5，2，4，4，4，4 1，2，4，5，5，2，4，4，4，4 七层 1，3，4，4，4，1，3，4，4，4 1，3，4，5，5，2，4，4，4，4 1，3，4，5，5，2，4，4，4，4 九层 1，3，4，4，4，1，3，4，3，4 1，3，4，5，5，2，4，4，4，4 1，3，4，5，5，2，4，4，4，4 十一层 1，4，4，5，4，1，4，4，5，4 1，4，4，7，6，3，5，5，5，4 1，4，4，6，6，2，5，5，5，4 十三层 1，4，4，5，5，2，4，4，5，4 1，4，4，7，7，4，6，6，5，4 1，4，4，7，7，4，6，6，5，4 十五层 1，4，4，6，5，2，4，4，5，4 1，4，4，4，4，5，7，6，5，4 1，4，4，7，7，4，7，6，5，4

　　　　　　　　　　　　表5 不同的不平支路平均比摩阻的水力计算结果（不平衡率R_l≤60 Pa/m）比较

楼层数 R_l≤60 Pa/m R_l≤120 Pa/m R_l≤200Pa/m 不平衡率（%） 不平衡率（%） 不平衡率（%） 一层 - - - 三层 0.2 1.1 0.1 五层 -8.2 -6.9 2.9 七层 12.1 1.2 0.3 九层 -12.2 1.2 0.3 十一层 -14.1 -0.6 -1.1 十三层 -17.5 -3.9 1.8 十五层 -20.6 -6.8 -0.4

　　注：计算选用丹佛期恒温阀
　　由表4，三个不同的水平支路平均比摩阻计算得出的各层恒温阀预设值不小于3的最小比率为：R_sh≤60 Pa/m ：40%；R_sh≤120 Pa/m ：60%；R_sh≤200 Pa/m：60%。R_sh≤120 Pa/m和R_sh≤200 Pa/m的恒温阀预设值整体上比R_sh≤60Pa/m更符合不小于3的要求。由表5可知，R_sh≤200 Pa/m的不平衡率最小，R_sh≤120 Pa/m次之，两者均满足不平衡率小于15%的要求，R_sh≤600 Pa/m的不平衡率较大。不平衡率的不同是由于三者的第一层水平支路的阻力（即系统的资用压力）不同，R_sh≤200 Pa/m的系统资用压力为13704Pa，分别是R_sh≤600 Pa/m和R_sh≤120 Pa/m的系统资用压力的144%和130%，由不平衡率计算公式，R_sh≤200 Pa/m的不平衡率应最小。经验证，各层水平支路平衡比摩阻应按小于200 Pa/m取值。
　　
四．结论
　　
　　在新双管系统的设计中，立管平均比摩阻的取值，应在保护系统平衡的前提下使立管阻力尽量小，对于各层水平支路为同程式形式，宜为30～90 Pa/m；对于各层水平支路为异程式形式，宜为30～60 Pa/m。各层水平支路平均比摩阻应在保持系统平衡的前提下使水平支路阻力尽量大，宜按小于200 Pa/m取值。
　　
参考文献
　　
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　　2．戈特·摩勒，供暖控制技术，中国建材工业出版社，1998，11
　　3．石兆玉，供热系统运行调节与控制，清华大学出版社，1994，1
　　4．王晓霞，分户水平式供暖系统减轻竖向失调的水力计算方法，暖通空调，2001，6