摘要：本文通過對單管跨越式系統(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。而對原有單管式系統(tǒng)進(jìn)行熱計(jì)量的改造過程中，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
網(wǎng)絡(luò)干管Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ
阻力數(shù)1.2S/361.2S/251.2S/161.2S/91.2S/41.2S
網(wǎng)絡(luò)立管123456
用戶阻力數(shù)6S6S6S6S6S6S
閥門阻力數(shù)6S4.8S3.6S2.4S1.2S0
總阻力數(shù)12S10.8 S9.6S8.4S7.2S6S
三．算例的計(jì)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(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)對其他用戶的影響。為簡化計(jì)算，本模型中各散熱器上沒有加裝溫控閥。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)為散熱器閥門只存在兩種調(diào)節(jié)狀態(tài)：全開，關(guān)
閉。在沒有調(diào)節(jié)前，散熱器都為全開狀態(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tn6tn5tn4tn3tn2tn1
模型1.1關(guān)閉頂層19.3319.3219.2919.2619.26
單根立管
定流量情況下18關(guān)閉第5層19.3919.3719.3419.34
1818關(guān)閉第4層19.4419.4119.41
181818關(guān)閉第3層19.4919.49
18181818關(guān)閉第2層19.59
1818181818關(guān)閉底層
模型1.2關(guān)閉頂層19.1218.9718.818.6218.47
單根立管
定壓差情況下17.8關(guān)閉第5層19.0518.8718.6918.54
17.817.66關(guān)閉第4層18.9518.7718.62
17.8117.6617.54關(guān)閉第3層18.8518.7
17.8117.6617.5417.54關(guān)閉第2層18.94
17.8117.6617.5417.5417.38關(guān)閉底層
對模型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，對第底層用戶沒有什么影響，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℃，可以通過其它調(diào)節(jié)方式降低室內(nèi)溫度。相對而言，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。該用戶只能通過其他供熱方式（比如電暖氣供熱）作為補(bǔ)充方來滿足其對室溫的要求。
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
18.00018.00018.000關(guān)閉19．51019.500
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
17.91117.83817.789關(guān)閉19.19719.127
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
18.07318.10818.17318.21818.26018.340
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
18.00318.00718.01118.01718.01918.040
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
18.14018.22618.34118.43918.53418.671
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
18.08618.13418.21018.26718.32118.412
圖2 系統(tǒng)在定流量、定壓差下的溫度變化
四、結(jié)論
通過對算例的計(jì)算歸納出下幾點(diǎn)結(jié)論：
1．對于整個(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．對于單根立管定壓差系統(tǒng)、定流量系統(tǒng)來說，個(gè)別用戶的調(diào)節(jié)對于系統(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)問題，暖通空調(diào)，2000 30（1）
2 賀平，孫剛，供熱工程（第三版），中國工業(yè)出版社，1993
