摘要：本文通過對單管跨越式系統在定壓差、定流量的條件下進行模擬計算，分析了兩種情況下用戶行為調節所產生的系統水力失調度，討論了兩種控制方法的優缺點；最后，結合變頻泵的應用，討論了單管跨越式系統在二次網變水量系統中的運行調節方法。
關鍵字：單管跨越式系統 定壓差 定流量 水力失調
一、序言
建筑節能是建筑業的一聲革命，是貫徹可持續發展戰略的重要組成部分。而供熱采暖中的熱計量技術是工作的重要組成部分。建設部已將民用建筑有熱表計量收費列入了全國建筑節能2010年規劃的發展目標。
在熱計量中，用戶能自主調節室溫并使室內溫度保持在一定的范圍內是實現采暖系統熱計量的基礎，用戶的自調節必然引起系統流量，壓力的變化，造成系統的水力失調，進而影響其他用戶室溫的變化在。而對原有單管式系統進行熱計量的改造過程中，要將單管順流式系統改造為單管跨越式系統，這種條件下加裝定流量閥，定壓差閥是十分必要的，因為根據文獻[1]如果一個具有7個立管的供暖系統進行關閉某根立管上所有用戶，以判斷其它立管水力工況的變化，通過類推計算，會發現個別立管會因此增大約50%的流量。本文中將模擬簡單系統，由于系統分別加裝定流量閥、定壓差閥，用戶調節對其他用戶產生的影響各不相同，所以本文結合兩個簡單的算例，在以上兩種條件下分別進行調節，分析在給定的條件下，兩種方案的適用范圍以及調節產生影響的大小。
控制的目的決定控制的方式，控制的方式決定控制的手段，所以對于具體的情況下系統應選取定壓差還要根據實際的情況加以選擇。
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，個體調節對整個立管上其他用戶的影響；以及六根立管的單管跨越式系統在熱力入口定流量，定壓差的條件下用戶調節對系統的影響。
圖1 算例示意圖
本算例中，進流系數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，根據熱指標取60W/m2，面積20m2，設定Q1=2 Q=3 Q=4 Q=5 Q=6 Q=1200W。系統的供回水溫度為95/70℃。室內溫度設定為18℃，室外計算溫度為-9℃，跨越管進流系數為a=Gs/G=0.34
對于單管跨越式系統的散熱器而言，存在以下四個公式：
（1）
（2）
（3）
（4）
式中：Q1----建筑物的供暖設計熱負荷，w；
Q2----在供暖室外計算溫度 下，散熱器放出的熱量，w；
Q3----在供暖室外計算溫度 下，熱水網絡輸送給供暖熱用戶的熱量，w；
----供暖室內設計溫度，℃，供暖室外設計溫度，℃
----第i層散熱器的供水溫度，回水溫度，℃
a,b----散熱器的有關試驗系數；F----散熱器的散熱面積，m2；
G----供暖熱用戶或散熱器的循環水量；C----熱水的質量熱容 C=4187J/（Kg·℃）
用戶調節造成系統阻力數S發生變化。阻力數、數量、壓力之間的關系為：
(5)
(6)
(7)
式中：P----立管壓差SZ--總阻力G----流量
S----各層的阻力數
Sr----散熱器的阻力數，Sb--表示旁通的阻力數
算例1是將計算模型中的某一立管為研究對象，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節對系統的影響。
算例2中作為計算模型是一個由六根立管，每根立管上六層散熱器組成的一個單管跨越式系統，如算例2系統圖所示。在樓房的熱力入口分別安裝定流量裝置和定壓差裝置，考察用戶調節對其他用戶的影響。網路干管以及用戶的阻力數如下表所示，其它條件不變。
表1 算例2基本阻力數據表
網絡干管Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ
阻力數1.2S/361.2S/251.2S/161.2S/91.2S/41.2S
網絡立管123456
用戶阻力數6S6S6S6S6S6S
閥門阻力數6S4.8S3.6S2.4S1.2S0
總阻力數12S10.8 S9.6S8.4S7.2S6S
三．算例的計算
3．1中心對于算例1的分析
在定流量的條件下：對算例1只有單根立管的單管跨越式系統，其他條件不變，考察在系統定流量條件下，用戶的調節對其他用戶的影響。為簡化計算，本模型中各散熱器上沒有加裝溫控閥。因為溫控閥的作用是減小用戶調節對其他用戶的影響，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。本算例認為散熱器閥門只存在兩種調節狀態：全開，關
閉。在沒有調節前，散熱器都為全開狀態。并且設房間的保溫措施良好，不考慮調節后相鄰房間的換熱問題。
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節對其他用戶的影響。此算例中加裝自立式壓差控制器，保證整個系統的壓差不變。其它條件同上。
對兩種模型進行計算分析比較，計算的結果如下表所示：
表2 模型1計算結構
室溫tn6tn5tn4tn3tn2tn1
模型1.1關閉頂層19.3319.3219.2919.2619.26
單根立管
定流量情況下18關閉第5層19.3919.3719.3419.34
1818關閉第4層19.4419.4119.41
181818關閉第3層19.4919.49
18181818關閉第2層19.59
1818181818關閉底層
模型1.2關閉頂層19.1218.9718.818.6218.47
單根立管
定壓差情況下17.8關閉第5層19.0518.8718.6918.54
17.817.66關閉第4層18.9518.7718.62
17.8117.6617.54關閉第3層18.8518.7
17.8117.6617.5417.54關閉第2層18.94
17.8117.6617.5417.5417.38關閉底層
對模型1分別考慮兩種極端情況：在定流量系統中考慮極端情況，關閉上面五層散熱器，分析對底層的影響，結果造成用戶的溫度變為26.01℃；如果關閉下面五層，對第底層用戶沒有什么影響，室溫保持18℃不變。在定壓差系統考慮極端情況，當上面五層用戶全部關閉，考察對最底層用戶的影響。結果造成底層用戶的溫度變為19.66℃,溫度失調9.22%。如果最下面的五層用戶全部調節，則贊成頂層用戶的室溫為13.95℃,溫度失調為-22.5%。
比較分析：定流量條件下用戶調節，會使得該用戶下層的房間溫度升高，而上層各個房間的室溫保持不變。最極端的情況下，即關閉上面五層，底層用戶的室溫為26.01℃，可以通過其它調節方式降低室內溫度。相對而言，在定壓差調節方式中，用戶的調節，會造成所有用戶室溫的變化，結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，即關閉下面五層散熱器，則頂層用戶的室溫是13.95℃，很難滿足設計要求。該用戶只能通過其他供熱方式（比如電暖氣供熱）作為補充方來滿足其對室溫的要求。
3．2 算例2的計算分析
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，用戶調節對系統的影響。考慮三種情況，即同樣是六個用戶進行調節，考慮調節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。計算數值如下：
表3 關閉三層的六個用戶，各用戶室溫值
調節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
18.00018.00018.000關閉19．51019.500
調節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
17.91117.83817.789關閉19.19719.127
同理，可以計算出調節用戶集中于第一根立管，第六根立管的情況。結果如有4所示。
比較分析：從算例2的計算我們可以看出，在三種調節的情況下，熱力入口定流量造成的其他非調節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論。
表4 用戶調節后，流量變化最大的一根立管上各層室溫值
調節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
18.07318.10818.17318.21818.26018.340
調節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
18.00318.00718.01118.01718.01918.040
調節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
18.14018.22618.34118.43918.53418.671
調節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
18.08618.13418.21018.26718.32118.412
圖2 系統在定流量、定壓差下的溫度變化
四、結論
通過對算例的計算歸納出下幾點結論：
1．對于整個單管跨越式系統而言，入口定流量、定壓差都可以降低個別用戶調節對系統造成的影響，只是在定壓差條件下，調節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．對于單根立管定壓差系統、定流量系統來說，個別用戶的調節對于系統造成的影響是不相同的。在定流量系統中，用戶的調節造成下層室溫升，上層用戶保持不變；達到壓差系統中，用戶的調節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節）造成頂層用戶的室溫降低很多，很可能引起用戶的不滿。
3．考慮在實際的供熱系統中不僅包括用戶的個體調節還包括二次網的集中調節，所以對于熱力入口定壓差、定流量的系統還要考慮隨著室外溫度的變化適時進行量調節，采用變頻泵以節約能源。可以考慮將二次網設置成變水量系統，這樣采取定壓差的系統更能適用于主頻泵的使用。根據室外溫度的變化在一個采暖季節中適時改變流量，保持系統的壓力不變，在保證用戶滿意的條件下適時改變流量，節約能源。
參考文獻
1 伍小亭，供熱計量的幾個問題，暖通空調，2000 30（1）
2 賀平，孫剛，供熱工程（第三版），中國工業出版社，1993
