摘要 本文通過(guò)對(duì)單管跨越式系統(tǒng)在定壓差、定流量的條件下進(jìn)行模擬計(jì)算，分析了兩種情況下用戶行為調(diào)節(jié)所產(chǎn)生的系統(tǒng)水力失調(diào)度，討論了兩種控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)；最后，結(jié)合變頻泵的應(yīng)用，討論了單管跨越式系統(tǒng)在二次網(wǎng)變水量系統(tǒng)中的運(yùn)行調(diào)節(jié)方法。
關(guān)鍵字 單管跨越式系統(tǒng) 定壓差 定流量 水力失調(diào)
一、序言
建筑節(jié)能是建筑業(yè)的一聲革命，是貫徹可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。而供熱采暖中的熱計(jì)量技術(shù)是工作的重要組成部分。建設(shè)部已將民用建筑有熱表計(jì)量收費(fèi)列入了全國(guó)建筑節(jié)能2010年規(guī)劃的發(fā)展目標(biāo)。
在熱計(jì)量中，用戶能自主調(diào)節(jié)室溫并使室內(nèi)溫度保持在一定的范圍內(nèi)是實(shí)現(xiàn)采暖系統(tǒng)熱計(jì)量的基礎(chǔ)，用戶的自調(diào)節(jié)必然引起系統(tǒng)流量，壓力的變化，造成系統(tǒng)的水力失調(diào)，進(jìn)而影響其他用戶室溫的變化在。而對(duì)原有單管式系統(tǒng)進(jìn)行熱計(jì)量的改造過(guò)程中，要將單管順流式系統(tǒng)改造為單管跨越式系統(tǒng)，這種條件下加裝定流量閥，定壓差閥是十分必要的，因?yàn)楦鶕?jù)文獻(xiàn)[1]如果一個(gè)具有7個(gè)立管的供暖系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)閉某根立管上所有用戶，以判斷其它立管水力工況的變化，通過(guò)類推計(jì)算，會(huì)發(fā)現(xiàn)個(gè)別立管會(huì)因此增大約50%的流量。本文中將模擬簡(jiǎn)單系統(tǒng)，由于系統(tǒng)分別加裝定流量閥、定壓差閥，用戶調(diào)節(jié)對(duì)其他用戶產(chǎn)生的影響各不相同，所以本文結(jié)合兩個(gè)簡(jiǎn)單的算例，在以上兩種條件下分別進(jìn)行調(diào)節(jié)，分析在給定的條件下，兩種方案的適用范圍以及調(diào)節(jié)產(chǎn)生影響的大小。
控制的目的決定控制的方式，控制的方式?jīng)Q定控制的手段，所以對(duì)于具體的情況下系統(tǒng)應(yīng)選取定壓差還要根據(jù)實(shí)際的情況加以選擇。
二、引入算例
算例的介紹：本文以某一棟具有六根立管的單管跨越式六層建筑物為例，分析在某一單根跨越式立管上定壓差以及定流
量，個(gè)體調(diào)節(jié)對(duì)整個(gè)立管上其他用戶的影響；以及六根立管的單管跨越式系統(tǒng)在熱力入口定流量，定壓差的條件下用戶調(diào)節(jié)對(duì)系統(tǒng)的影響。
圖1 算例示意圖
本算例中，進(jìn)流系數(shù)a=0.34，散熱器選用普通4柱813型散熱器[2]，K=2.237Δt0.302，各層散熱器散熱量相同，根據(jù)熱指標(biāo)取60W/m2，面積20m2，設(shè)定Q1=2 Q=3 Q=4 Q=5 Q=6 Q=1200W。系統(tǒng)的供回水溫度為95/70℃。室內(nèi)溫度設(shè)定為18℃，室外計(jì)算溫度為-9℃，跨越管進(jìn)流系數(shù)為a=Gs/G=0.34
對(duì)于單管跨越式系統(tǒng)的散熱器而言，存在以下四個(gè)公式：
（1）
（2）
（3）
（4）
式中：Q1----建筑物的供暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，w；
Q2----在供暖室外計(jì)算溫度 下，散熱器放出的熱量，w；
Q3----在供暖室外計(jì)算溫度 下，熱水網(wǎng)絡(luò)輸送給供暖熱用戶的熱量，w；
----供暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，℃，供暖室外設(shè)計(jì)溫度，℃
----第i層散熱器的供水溫度，回水溫度，℃
a,b----散熱器的有關(guān)試驗(yàn)系數(shù)；F----散熱器的散熱面積，m2；
G----供暖熱用戶或散熱器的循環(huán)水量；C----熱水的質(zhì)量熱容 C=4187J/（Kg·℃）
用戶調(diào)節(jié)造成系統(tǒng)阻力數(shù)S發(fā)生變化。阻力數(shù)、數(shù)量、壓力之間的關(guān)系為：
(5)
(6)
(7)
式中：P----立管壓差SZ--總阻力G----流量
S----各層的阻力數(shù)
Sr----散熱器的阻力數(shù)，Sb--表示旁通的阻力數(shù)
算例1是將計(jì)算模型中的某一立管為研究對(duì)象，在此立管上分別定壓差和定流量，分析兩種情況下不同用戶調(diào)節(jié)對(duì)系統(tǒng)的影響。
算例2中作為計(jì)算模型是一個(gè)由六根立管，每根立管上六層散熱器組成的一個(gè)單管跨越式系統(tǒng)，如算例2系統(tǒng)圖所示。在樓房的熱力入口分別安裝定流量裝置和定壓差裝置，考察用戶調(diào)節(jié)對(duì)其他用戶的影響。網(wǎng)路干管以及用戶的阻力數(shù)如下表所示，其它條件不變。
表1 算例2基本阻力數(shù)據(jù)表
三．算例的計(jì)算
3．1中心對(duì)于算例1的分析
在定流量的條件下：對(duì)算例1只有單根立管的單管跨越式系統(tǒng)，其他條件不變，考察在系統(tǒng)定流量條件下，用戶的調(diào)節(jié)對(duì)其他用戶的影響。為簡(jiǎn)化計(jì)算，本模型中各散熱器上沒(méi)有加裝溫控閥。因?yàn)闇乜亻y的作用是減小用戶調(diào)節(jié)對(duì)其他用戶的影響，氫加裝溫控閥只能更所以加裝溫控閥只能更加減少用戶的水利失調(diào)。本算例認(rèn)為散熱器閥門(mén)只存在兩種調(diào)節(jié)狀態(tài)：全開(kāi)，關(guān)
閉。在沒(méi)有調(diào)節(jié)前，散熱器都為全開(kāi)狀態(tài)。并且設(shè)房間的保溫措施良好，不考慮調(diào)節(jié)后相鄰房間的換熱問(wèn)題。
定壓差條件下在供回水管路之間加裝定壓閥，考察定壓差條件下用戶調(diào)節(jié)對(duì)其他用戶的影響。此算例中加裝自立式壓差控制器，保證整個(gè)系統(tǒng)的壓差不變。其它條件同上。
對(duì)兩種模型進(jìn)行計(jì)算分析比較，計(jì)算的結(jié)果如下表所示：
表2 模型1計(jì)算結(jié)構(gòu)
室溫
tn6
tn5
tn4
tn3
tn2
tn1
模型1.1
關(guān)閉頂層
19.33
19.32
19.29
19.26
19.26
單根立管
定流量情況下
18
關(guān)閉第5層
19.39
19.37
19.34
19.34
18
18
關(guān)閉第4層
19.44
19.41
19.41
18
18
18
關(guān)閉第3層
19.49
19.49
18
18
18
18
關(guān)閉第2層
19.59
18
18
18
18
18
關(guān)閉底層
模型1.2
關(guān)閉頂層
19.12
18.97
18.8
18.62
18.47
單根立管
定壓差情況下
17.8
關(guān)閉第5層
19.05
18.87
18.69
18.54
17.8
17.66
關(guān)閉第4層
18.95
18.77
18.62
17.81
17.66
17.54
關(guān)閉第3層
18.85
18.7
17.81
17.66
17.54
17.54
關(guān)閉第2層
18.94
17.81
17.66
17.54
17.54
17.38
關(guān)閉底層
對(duì)模型1分別考慮兩種極端情況：在定流量系統(tǒng)中考慮極端情況，關(guān)閉上面五層散熱器，分析對(duì)底層的影響，結(jié)果造成用戶的溫度變?yōu)?6.01℃；如果關(guān)閉下面五層，對(duì)第底層用戶沒(méi)有什么影響，室溫保持18℃不變。在定壓差系統(tǒng)考慮極端情況，當(dāng)上面五層用戶全部關(guān)閉，考察對(duì)最底層用戶的影響。結(jié)果造成底層用戶的溫度變?yōu)?9.66℃,溫度失調(diào)9.22%。如果最下面的五層用戶全部調(diào)節(jié)，則贊成頂層用戶的室溫為13.95℃,溫度失調(diào)為-22.5%。
比較分析：定流量條件下用戶調(diào)節(jié)，會(huì)使得該用戶下層的房間溫度升高，而上層各個(gè)房間的室溫保持不變。最極端的情況下，即關(guān)閉上面五層，底層用戶的室溫為26.01℃，可以通過(guò)其它調(diào)節(jié)方式降低室內(nèi)溫度。相對(duì)而言，在定壓差調(diào)節(jié)方式中，用戶的調(diào)節(jié)，會(huì)造成所有用戶室溫的變化，結(jié)果是其上層用戶溫度降低，下層用戶溫度升高。在極端條件下，即關(guān)閉下面五層散熱器，則頂層用戶的室溫是13.95℃，很難滿足設(shè)計(jì)要求。該用戶只能通過(guò)其他供熱方式（比如電暖氣供熱）作為補(bǔ)充方來(lái)滿足其對(duì)室溫的要求。
3．2 算例2的計(jì)算分析
本算例主要分析在給定的模型2條件下，熱力入口定壓差、定流量，用戶調(diào)節(jié)對(duì)系統(tǒng)的影響。考慮三種情況，即同樣是六個(gè)用戶進(jìn)行調(diào)節(jié)，考慮調(diào)節(jié)用戶所處自控位置不同，分別位于第一根立管、第六根立管、和分散于六根立管上的情況。計(jì)算數(shù)值如下：
表3 關(guān)閉三層的六個(gè)用戶，各用戶室溫值
調(diào)節(jié)用戶分散于六根立管（位于第三層）。熱力入口定流量 頂層室溫 五層室溫 四層室溫 三層室溫 二層室溫 底層室溫 18.000 18.000 18.000 關(guān)閉 19．510 19.500 調(diào)節(jié)用戶分散于六根立管（位于第三層）。熱力入口定壓差 頂層室溫 五層室溫 四層室溫 三層室溫 二層室溫 底層室溫 17.911 17.838 17.789 關(guān)閉 19.197 19.127
同理，可以計(jì)算出調(diào)節(jié)用戶集中于第一根立管，第六根立管的情況。結(jié)果如有4所示。
比較分析：從算例2的計(jì)算我們可以看出，在三種調(diào)節(jié)的情況下，熱力入口定流量造成的其他非調(diào)節(jié)用戶的溫度變化要比定壓差的情況大。從圖-2中我們可以明顯的看出這些結(jié)論。
表4 用戶調(diào)節(jié)后，流量變化最大的一根立管上各層室溫值
調(diào)節(jié)用戶分散于第一根立管。熱力入口定流量
頂層室溫
五層室溫
四層室溫
三層室溫
二層室溫
底層室溫
18.073
18.108
18.173
18.218
18.260
18.340
調(diào)節(jié)用戶分散于第一根立管。熱力入口定壓差
頂層室溫
五層室溫
四層室溫
三層室溫
二層室溫
底層室溫
18.003
18.007
18.011
18.017
18.019
18.040
調(diào)節(jié)用戶分散于六根立管。熱力入口定流量
頂層室溫
五層室溫
四層室溫
三層室溫
二層室溫
底層室溫
18.140
18.226
18.341
18.439
18.534
18.671
調(diào)節(jié)用戶分散于六根立管。熱力入口定壓差
頂層室溫
五層室溫
四層室溫
三層室溫
二層室溫
底層室溫
18.086
18.134
18.210
18.267
18.321
18.412
圖2 系統(tǒng)在定流量、定壓差下的溫度變化
四、結(jié)論
通過(guò)對(duì)算例的計(jì)算歸納出下幾點(diǎn)結(jié)論：
1．對(duì)于整個(gè)單管跨越式系統(tǒng)而言，入口定流量、定壓差都可以降低個(gè)別用戶調(diào)節(jié)對(duì)系統(tǒng)造成的影響，只是在定壓差條件下，調(diào)節(jié)引起其他用戶室溫變化程度要小于定流量的條件下的變化。
2．對(duì)于單根立管定壓差系統(tǒng)、定流量系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，個(gè)別用戶的調(diào)節(jié)對(duì)于系統(tǒng)造成的影響是不相同的。在定流量系統(tǒng)中，用戶的調(diào)節(jié)造成下層室溫升，上層用戶保持不變；達(dá)到壓差系統(tǒng)中，用戶的調(diào)節(jié)造成上層用戶的室溫降低，下層用戶的室溫升高，在最極端的情況下（頂層以下的用戶全部調(diào)節(jié)）造成頂層用戶的室溫降低很多，很可能引起用戶的不滿。
3．考慮在實(shí)際的供熱系統(tǒng)中不僅包括用戶的個(gè)體調(diào)節(jié)還包括二次網(wǎng)的集中調(diào)節(jié)，所以對(duì)于熱力入口定壓差、定流量的系統(tǒng)還要考慮隨著室外溫度的變化適時(shí)進(jìn)行量調(diào)節(jié)，采用變頻泵以節(jié)約能源。可以考慮將二次網(wǎng)設(shè)置成變水量系統(tǒng)，這樣采取定壓差的系統(tǒng)更能適用于主頻泵的使用。根據(jù)室外溫度的變化在一個(gè)采暖季節(jié)中適時(shí)改變流量，保持系統(tǒng)的壓力不變，在保證用戶滿意的條件下適時(shí)改變流量，節(jié)約能源。
參考文獻(xiàn)
1 伍小亭，供熱計(jì)量的幾個(gè)問(wèn)題，暖通空調(diào)，2000 30（1）
2 賀平，孫剛，供熱工程（第三版），中國(guó)工業(yè)出版社，1993
