摘要： 本文主要討論了計量收費后單管跨越式供暖系統(tǒng)的特性、分流系數(shù)的影響以及有關(guān)設(shè)計參數(shù)的選擇，并提出了一些設(shè)計新概念。實現(xiàn)熱計量收費后，供熱系統(tǒng)增加了可調(diào)性，各個散熱器和用戶安裝了溫控閥。用戶可以根據(jù)自己的需要，隨時調(diào)節(jié)散熱裝置的散熱量。供熱系統(tǒng)的基本情況發(fā)生了變化，因此應(yīng)對原來的供熱設(shè)計參數(shù)和設(shè)計方法進行修正，以適用熱計量收費后的新情況。
關(guān)鍵詞： 計量收費 單管跨越系統(tǒng) 分流系數(shù) 供回水參數(shù)
1 單管跨越系統(tǒng)的設(shè)計
室內(nèi)單管采暖系統(tǒng)改造方案是指在現(xiàn)有的單管順流式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在各層散熱器的供回水間增加跨越管，散熱器供水支管上安裝溫控閥，由此構(gòu)成新的垂直串連單管跨越式系統(tǒng)。這種安裝跨越管和溫控閥的辦法同樣適用于單管形式的新建系統(tǒng)。其中，跨越管分流系數(shù)對于系統(tǒng)整體特性的影響較大，是問題的核心。
1.1 分流系數(shù)的選擇對系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性的影響
分流系統(tǒng)的大小直接影響流入散熱器流量的大小、進出口溫差，進而影響散熱器的調(diào)節(jié)特性。圖1顯示了隨分流系數(shù)變化，散熱器相對流量和相對熱量之間的關(guān)系。（橫軸為相對流量）
圖1分流系數(shù)對系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能的影響
表1 在不同的分流系數(shù)下6個房間所需的散熱器片數(shù)
分流系數(shù)
90%
80%
70%
50%
30%
10%
散熱器片數(shù)
120
89
81
76
74
74
從圖中可以看出，分流系數(shù)對調(diào)節(jié)性能的影響是非線性的。隨著分流系數(shù)的增加，散熱器調(diào)節(jié)特性逐漸向線性逼近。但是，為了使室內(nèi)溫度達到設(shè)計溫度，室內(nèi)設(shè)計散熱器片數(shù)要隨分流系數(shù)增加而增多。如表1所示某一建筑6個房間在不同分流系數(shù)下所需散熱器的片數(shù)。
1.2 單管順流改造成跨越管系統(tǒng)的設(shè)計
最有代表性的單管系統(tǒng)改造是加分流系數(shù)為70%的跨越管。如圖2所示一實例，五層住宅的立管上有五組散熱器，原來為單管順流系統(tǒng)，現(xiàn)在改造為單管跨越系統(tǒng)。各個參數(shù)如表2、3所示。我們根據(jù)加跨越管后系統(tǒng)流量的變化、散熱器散熱量的變化情況等性質(zhì)分別討論單管跨越系統(tǒng)的系統(tǒng)改造設(shè)計問題。
表2 各個房間熱負荷 樓層 1 2 3 4 5 圍護傳熱系數(shù)W/℃ 55.29 53.04 53.85 53.85 59.12 房間熱負荷W 1492.83 1432.08 1453.95 1453.95 1596.24
1.2.1 加跨越管后系統(tǒng)阻力的變化
表3 改造系統(tǒng)設(shè)計參數(shù) 室外設(shè)計溫度 室內(nèi)計算溫度 供水溫度 回水溫度 分流系數(shù) -9℃ 18℃ 95℃ 70℃ 0.31
如圖3加跨越管后，管路的總阻力系數(shù)發(fā)生了變化，設(shè)為S。設(shè)S1為散熱器一側(cè)阻力數(shù)，S2為旁通管一側(cè)的阻力數(shù)。則有：
表4 旁通前后阻力變化 管段號 流量Kg/h 長度m 管徑mm 總壓降Pa 阻力數(shù)Pa/(m3/h)2 總阻力數(shù)Pa/(m3/h)2 溫降℃ 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為計算所得的數(shù)值。其中，1’為原單管順流系統(tǒng)的管段。1和2是單管跨越系統(tǒng)中的散熱器管段和旁通管段。2管段的長度為2m，1管段的長度為1m。可以看出加跨越管后，阻力數(shù)和壓降都減少到原來的23.69%。從一個計算單元推廣到整個系統(tǒng)，系統(tǒng)阻力減少到原來的25%左右。
1.2.2 加跨越管后散熱器散熱量的變化
加跨越管后，散熱器流量減少，出口溫度降低，導(dǎo)致散熱量降低。但是散熱器的供回水溫差加大，抵消了部分流量減少所帶來的散熱量減少。從圖4中各樓層散熱量的變化可以看出：在設(shè)計工況下，加設(shè)跨越管，散熱器的水流量減少了70%，可是散熱量最多也只降低了8%。其原因主要是因為進出口水溫的大溫差彌補了因為水流量的大量減少而降低的熱量散失。
圖4 加裝跨越管后，各層散熱器散熱量變化
1.2.3 加跨越管后室內(nèi)溫度的變化
根據(jù)散熱量的變化來計算各層室內(nèi)溫度。原設(shè)計室內(nèi)溫度為18℃，計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，改造后各層溫度都在16.5℃左右，全都不符合標(biāo)準，偏離室內(nèi)設(shè)計溫度近2℃。
表5 改造后室內(nèi)溫度（在改造前散熱面積和流量富余量不同的條件下）
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
目前實際在系統(tǒng)設(shè)計時都偏于保守，設(shè)計散熱面積偏大，而且運行單位也一般采用大流量運行，因此現(xiàn)在較為保守的散熱器設(shè)計可以彌補散熱量的輕微減少而保證室溫達到設(shè)計要求。由表5表示了在大于設(shè)計流量和設(shè)計面積的條件下，增加分流系數(shù)70%的跨越管后，室內(nèi)溫度的變化情況。可以看出，當(dāng)實際散熱面積超過理論設(shè)計面積的10%以上，即使系統(tǒng)循環(huán)水量不變，改造后的室內(nèi)溫度也可以滿足要求。
1.2.4 加跨越管后同程系統(tǒng)的穩(wěn)定性
單管順流加跨越管后，系統(tǒng)的流通面積大大提高。根據(jù)實際系統(tǒng)的水力計算，跨越安裝前后立管阻力會減少80%以上。立管阻力過小，會造成嚴重的水平失調(diào)現(xiàn)象。在設(shè)計時，需要對系統(tǒng)進行認真的校核計算。
1.3 單管跨越管系統(tǒng)的新建設(shè)計
實現(xiàn)計量收費之后，系統(tǒng)必須具備可調(diào)節(jié)性，雙管系統(tǒng)調(diào)節(jié)性優(yōu)于單管系統(tǒng)。但是單管系統(tǒng)占用空間少，管道簡單，適用性較廣。如圖5，左邊系統(tǒng)入戶干管布置在天花板下，各組散熱器順次連接，可以避免系統(tǒng)管道過門。右面系統(tǒng)管道可以布置在下一層天花板上，或埋入用戶水泥墊層內(nèi)，管道布置簡單美觀。從經(jīng)濟上分析，雖然散熱器片數(shù)比雙管系統(tǒng)要多，但是少使用了一根管道，所以總體造價少。
圖5 單管跨越系統(tǒng)室內(nèi)布置圖
1.3.1 跨越管管徑的選擇
對跨越管管徑的選擇有兩種意見，一種認為應(yīng)該比散熱器支路管徑小一號，一種認為兩者的管徑應(yīng)該保持一致。使用不等溫降進行分析計算，觀察這兩種方案下的散熱器溫降。
表7 調(diào)整管徑滿足不同負荷 房間編號 1 2 3 4 5 20（同號） 19.45 18.7 37.88 18.95 20.8 調(diào)整后的溫降 19.45 18.7 22.15 18.95 20.8 表6負荷如表2時不同方案下散熱器溫降 跨越管管徑 1 2 3 4 5 15（小一號） 13.6 13.05 13.25 13.25 14.55 20（同號） 21.6 20.7 21 21 23.1通過計算，如表6，可以看出小一號選擇的溫降小，這會使散熱器流量變大（與其他分流系數(shù)情況比較），熱調(diào)節(jié)特性不好。而選擇同管徑，其溫降合適，調(diào)節(jié)特性改善。負荷同時增加或減少時，各散熱器的溫降不變，仍然使用同號管徑最合適。
當(dāng)部分散熱器負荷改變（如第三組熱負荷增加一倍），若仍按同管徑設(shè)計，各個散熱器溫降如表7第一列所示，第三組散熱器溫降過大。所以，對于第三組散熱器必須選擇小一號的旁通管。調(diào)整后，溫降如下表第二行所示。
因此，對于實際設(shè)計而言，選擇什么樣的跨越管管徑，應(yīng)該具體問題具體分析。
1.3.2 溫控閥選擇
目前溫控閥有兩種形式，一種是普通的高阻力閥門，一種是新興的低阻力單管用溫控閥。選擇的標(biāo)準是看是否滿足阻力和溫降的要求。
表8 使用高阻力溫控閥散熱器溫降 房間編號 1 2 3 4 5 負荷一致 25.8 24.7 25.1 25.1 27.5 負荷不一致 21.55 20.7 42 21 23當(dāng)負荷不一致，即同一立管上各組散熱器熱負荷相差很大，如表7中負荷大于其他散熱器一倍的散熱器3選擇同號管徑的溫降為37.88℃。而如表8，選擇溫控閥系統(tǒng)無法實現(xiàn)。因此，對于單管系統(tǒng)，盡量使用低阻力單管用溫控閥是必要的。
2 室內(nèi)設(shè)計溫度的選擇
實現(xiàn)計量收費后，供熱系統(tǒng)要滿足用戶的各種調(diào)節(jié)需要，對于室內(nèi)設(shè)計溫度的選擇，現(xiàn)在有兩種觀點，一種是應(yīng)該提高室內(nèi)設(shè)計溫度，以滿足用戶的調(diào)節(jié)要求。另一種觀點認為不需改變，不同用熱量的要求可以通過流量的變化來彌補調(diào)節(jié)。
從滿足用熱要求的角度來考慮，作為大多數(shù)的乙類住宅，供熱系統(tǒng)保證的室內(nèi)溫度為18℃，最高時可達21℃，這是所有供熱用戶都在使用時的情況。實際上，還存在大量和用戶作息時間相反的公共建筑，例如學(xué)校以及一些社區(qū)服務(wù)機構(gòu)。同時，計量收費后，用戶自己控制熱量消耗，為了節(jié)省費用，常常只打開部分房間的散熱器。而且即使用戶打開自己房間內(nèi)所有的散熱器，也不一定就要求每個房間室內(nèi)溫度都在18℃以上（例如廚房、衛(wèi)生間和儲藏室等）。這樣不需要正常供熱的用戶的流量會向其他需要正常供熱的用戶分配，而分配的數(shù)量和外網(wǎng)和用戶的水力特性有關(guān)。假若散熱器流量能增加2倍，室內(nèi)溫度可以提高3℃左右。采用增大系統(tǒng)循環(huán)流量和這種用戶之間的流量互補現(xiàn)象，可以滿足用戶的部分需要。但是為了系統(tǒng)安全設(shè)計考慮，可以根據(jù)熱網(wǎng)熱用戶的用熱時間特征，提高設(shè)計室內(nèi)設(shè)計溫度1-2℃，
從恢復(fù)室內(nèi)溫度的時間來考慮。當(dāng)在不同時間段內(nèi)設(shè)定不同室內(nèi)溫度時，例如上班時家中溫度設(shè)定為10℃，下班后希望升到18℃，此時必須考慮室內(nèi)溫度的恢復(fù)時間。在不同的室內(nèi)設(shè)計溫度情況下（周圍房間的溫度為18℃，墻體為普通內(nèi)墻），30分鐘內(nèi)室內(nèi)空氣溫度都能恢復(fù)到15-16℃左右，并且恢復(fù)時間相差不大。這主要由于室內(nèi)空氣的熱容較小，升溫速度比較快，而家具墻壁等固態(tài)密實物體的升溫比較慢。所以完全恢復(fù)到室內(nèi)設(shè)計溫度可能需要2-3個小時，而恢復(fù)到15-16℃的只需要半個小時。當(dāng)然原室內(nèi)設(shè)計溫度選取的越高，恢復(fù)到18℃室內(nèi)溫度所需要的時間就越短。所以適當(dāng)提高室內(nèi)設(shè)計溫度可以加快室內(nèi)溫度的恢復(fù)到18℃左右的速度。
以上提到可以適當(dāng)提高室內(nèi)設(shè)計溫度以滿足計量收費的新情況。但是如果一味的提高室內(nèi)設(shè)計溫度必將造成系統(tǒng)初投資的大量增加，所以應(yīng)該按照系統(tǒng)的實際情況選擇室內(nèi)設(shè)計溫度。
3 供回水參數(shù)的選擇
供熱系統(tǒng)沿用供回水溫度95/70℃的設(shè)計模式多年，但實際運行時供水溫度一般不超過80℃。對于這種情況，有人認為設(shè)計溫度不應(yīng)選擇95/70℃，不僅浪費能源，而且造成輸配系統(tǒng)的熱損失增加，應(yīng)該選擇75/50℃左右的溫度作為熱媒設(shè)計參數(shù)。另外，還有人認為應(yīng)該降低回水溫度以提高經(jīng)濟效益。
3.1 供水溫度的降低對系統(tǒng)的影響
表9和圖6顯示了供回水溫度降低對散熱器片數(shù)和系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的影響。可以看出，降低供回水溫度，對散熱器的調(diào)節(jié)特性改善很有限，并且是以增加系統(tǒng)初投資即散熱器片數(shù)為代價的。同時，對于現(xiàn)在的低溫運行情況，是由于系統(tǒng)設(shè)計不合理、過分保守的設(shè)計造成的，和設(shè)計參數(shù)無關(guān)。至于輸送熱消耗的問題，完全和系統(tǒng)管理以及維護水平有關(guān)。所以，降低供回水溫度沒有必要。
3.2 降低回水溫度對系統(tǒng)的影響
如果系統(tǒng)采取大流量運行會使運行效率低下。因此，為了使系統(tǒng)高效運行，增大供回水設(shè)計溫度，采用小流量運行比較可行。
表9 不同供回水溫度時散熱器片數(shù)(熱負荷1500W)
供水溫度（℃） 95 85 75 65 回水溫度（℃） 70 60 50 40 四柱散熱器片數(shù) 9 11 14 18
圖6 供回水溫度對散熱器調(diào)節(jié)性能的影響
4 結(jié)束語
供熱計量收費是一項新興的政策，它對供熱系統(tǒng)提出了許多新的問題。其中，對原系統(tǒng)的改造是一個重要部分，許多問題都比較復(fù)雜煩瑣，本篇主要分析了單管系統(tǒng)的設(shè)計和改造，真正要把供熱計量收費工作作好，還需要進一步通過理論分析和實踐經(jīng)驗進行解決，使新的系統(tǒng)能夠滿足計量收費的要求。
