摘要 本文對計量供熱中建議要用的新雙管系統進行了深入分析，回答了困擾計量供熱室內系統設計中的若干問題，包括：1.最佳的主立管形式；2.在不額外設置水力平衡元件時，主立管可以負擔的合理最多層數；3.重力水頭、戶內系統的總阻力及主立管比摩阻的合理取值。本文獲得的研究成果被天津市工程建設標準《集中供熱住宅計量供熱設計規程》采用。
①' ②
②' ③
③' ④
④' ⑤
⑤' 流量kg/h 2580 2064 1548 1032 516 管徑mm DN50 DN50 DN40 DN32 DN25 摩阻Pa/m 31.56 20.98 43.72 38.2 43 當量長度*m 1.9 1.9 1.1 0.8 0.6
主立管的形式確定后，另一個工程實踐中關心的問題是一對立管究竟可以負擔多少層水平分環系統，換句話說，一對主立管負擔多少層水平分環系統是合理的？研究這一問題的基本出發點是，在滿足系統水力平衡要求，不設置額外水力平衡元件（如分層平衡閥），保證底層散熱器不超壓以及避免戶內采用塑料管材時，因壓力過高而產生選型困難、壽命縮短等問題的前提下，盡量提高立管可以負擔的層數，因為這樣可以節省寶貴的建筑空間，簡化管道系統。
以下從三方面入手對這一問題進行分析：
（一）、主立管的水力平衡
這里所討論水力平衡是在水平分環不額外加設平衡手段（如靜態平衡閥）時的水力平衡，基本判斷標準，在合理的管徑匹配下，首層與頂層水平分環系統的資用壓差不平衡率≤15%。
①分析簡圖見圖（二）。
圖（二）
②部分數據同本節"1"中算例。
③根據水力計算原理有下列各式：
（2）
（3）
令 （4）
并整理得：
（5）
（6）
以上各式中：N-層數
R-立管平均比摩阻Pa/m
B-重力水頭系數
ΔPuser--分環系統額定資用壓頭Pa
143-85/60℃條件下的重力水頭Pa/m
由式（6）可知N是一個關于ΔPuser、B、R的多變函數，將ΔPuser、B、R設定為不同數值，代入式（6），結果列入表-2。
表-2 ΔPuser =15KPa R 30 35 40 50 60 70 N 22
14 14
11 11
8 7
6 5
5 5
4 ΔPuser =20KPa R 30 35 40 50 60 70 N 29
18 19
14 14
11 9
8 7
6 6
5 ΔPuser =25KPa N 36
23 24
8 17
21 11
14 9
11 8
10 ΔPuser =30KPa N 44
27 29
21 21
17 14
12 11
9 9
8
圖（三）
圖（四）
引言：隨著我國社會主義市場經濟改革的變化，逐步實現計量供熱勢在必行，而實現計量供熱必須有與之相適應的室內采暖系統形式，目前我國供熱界對新建住宅適合計量供熱的室內采暖系統形式形成了共識，即新建住宅宜采用新雙管系統，以適應計量供熱的需要。然而，有關新雙管系統尚缺乏較深入的分析與研究，主要內容涉及：1.最佳的主立管形式；2.在不額外設置水力平衡元件時，主立管可以負擔的合理最多層數；3.重力水頭、戶內系統的總阻力及主立管比摩阻的合理取值。本文就上述問題進行了較深入的分析與研究，其結論和數據已成功應用于工程實踐，并被地方相關設計規程采用。
一、主立管形式：
可能采用的主立管系統形式如圖（一）所示，其中（a）、（b）、（c）、（c）依次為上行下給異程式、上行上給異程式、下行下給異程式及下行下給同程式。
在這種系統形式中我們判斷其優劣的標準是：在不額外設置阻力平衡元件的情況下，系統易于克服重力水頭的影響而實現較好的水力平衡。理論分析不在此贅述，下面僅就三種形式在同樣的條件下進行水力平衡計算，對每一種形式首層并聯環路與頂層并聯環路進行不平衡度計算，即：計算A
(1)
圖（一）
首先假定：①每層的總阻力均相等，設為ΔPuse=20kPa。
②每層總負荷15kW.
③系統參數95/70℃，重力水頭取標準值的2/3。
④每層用戶垂直高度2.8m。
⑤進化論何種系統形式，水量相同的管段，則管徑相同。
計算過程略，計算結果如下：
（一）、上從下回異程系統及下行下給同程系統，圖（一）（a）、（b）
（二）、上供上回系統，圖（一）（b）
（三）、下供下回系統，圖（一）（c）
計算數據取值表 表-1
①' ②
②' ③
③' ④
④' ⑤
⑤' 流量kg/h 2580 2064 1548 1032 516 管徑mm DN50 DN50 DN40 DN32 DN25 摩阻Pa/m 31.56 20.98 43.72 38.2 43 當量長度*m 1.9 1.9 1.1 0.8 0.6
*直流三通對應管徑下的當量長度
計算結果表明，在同等條件下，下行下給的立管形式在水力平衡方面具有明顯的優勢，同時也減少了工程設計中水力平衡計算的工作量。
主立管的形式確定后，另一個工程實踐中關心的問題是一對立管究竟可以負擔多少層水平分環系統，換句話說，一對主立管負擔多少層水平分環系統是合理的？研究這一問題的基本出發點是，在滿足系統水力平衡要求，不設置額外水力平衡元件（如分層平衡閥），保證底層散熱器不超壓以及避免戶內采用塑料管材時，因壓力過高而產生選型困難、壽命縮短等問題的前提下，盡量提高立管可以負擔的層數，因為這樣可以節省寶貴的建筑空間，簡化管道系統。
以下從三方面入手對這一問題進行分析：
（一）、主立管的水力平衡
這里所討論水力平衡是在水平分環不額外加設平衡手段（如靜態平衡閥）時的水力平衡，基本判斷標準，在合理的管徑匹配下，首層與頂層水平分環系統的資用壓差不平衡率≤15%。
①分析簡圖見圖（二）。
圖（二）
②部分數據同本節"1"中算例。
③根據水力計算原理有下列各式：
（2） （3）令
（4）并整理得：
（5） （6）以上各式中：N-層數
R-立管平均比摩阻Pa/m
B-重力水頭系數
ΔPuser--分環系統額定資用壓頭Pa
143-85/60℃條件下的重力水頭Pa/m
由式（6）可知N是一個關于ΔPuser、B、R的多變函數，將ΔPuser、B、R設定為不同數值，代入式（6），結果列入表-2。
表-2 ΔPuser =15KPa R 30 35 40 50 60 70 N 22
14 14
11 11
8 7
6 5
5 5
4 ΔPuser =20KPa R 30 35 40 50 60 70 N 29
18 19
14 14
11 9
8 7
6 6
5 ΔPuser =25KPa N 36
23 24
8 17
21 11
14 9
11 8
10 ΔPuser =30KPa N 44
27 29
21 21
17 14
12 11
9 9
8
*上（下）行數據為B=2/3（1/2）時的計算結果
并由表-2數據繪制出圖（三）、圖（四）
圖（三）
圖（四）
表-2的計算結果及圖（三）、圖（四）的直觀圖示說明影響N值的主要因素包括：①采暖熱水參數，對系統的水力平衡有影響，因為它決定了立管各層重力水頭的大小，重力水頭的大小對N值有較明顯的影響，而且重力水頭的大小，重力水頭的大小對N值有較明顯的影響，而且重力水頭系數B值宜選取下限值，因為在實際上過程中，重力水頭是變量，且多數情況下，低于理論計算值（即：低于設計工況下的重力水頭值），如果B值選取過高，將會使在大部分運行時間內，重力水頭對系統水力平衡實際影響嚴重偏離設計工況，從而惡化非設計工況時的水力平衡，結果是可能導致多數運行時間內出現"下熱上冷"現象，所以我們在《規程》中規定B的取值范圍為1/2～2/3。②立管平均比摩阻R的取值對N值影響較大，且當R≤50Pa/m時，其影響更明顯，理論的推導的結果表明一般室內系統管道比摩阻取值60～80Pa/m的作法，不適合下行下給的新雙管系統，對新雙管系統R值的合理取值范圍應為30～40Pa/m，且當采用上限值時，ΔPuser的取值也應是上限值，這一點非常關鍵。③各層分環系統的水力損失ΔPuser，在其他條件確定時，對N值的影響非常明顯，如表-3所示，當R=35Pa/m時，對應于ΔPuser =15KPa和ΔPuser =30KPa的N值分別為14和29，相差達50%。可見欲使一對立管負擔的層數較多時，ΔPuser應取的較大一些，工程計算的實踐證明一般宜取ΔPuser =25～30kPa，這一結論不難理解，因為較大的分環阻力不僅對改善水力平衡、加強水力穩定性有利，也對消費重力水頭的影響有得。傳統的雙管系統顯然很難滿足分環系統高阻力的要求，而共用立管的水平分環系統較易實現較高的ΔPuser值，不過有一點值得注意：ΔPuser值的確定與戶內系統的管徑選擇有直接關系，以住戶內系統管徑確定是以平均比摩阻60～80Pa/m為依據的，但以此為依據確定的系統管徑規格，無法保證理想ΔPuser值，除非附加阻力裝置，否則ΔPuser過小，而且過小的比摩阻取值也給室內管道系統的安裝帶來困難，建議戶內系統平均比摩阻取值為100～150Pa/m。
本節分析證明，單純從立管系統水力平衡角度，一對立面管所負擔的水平分環系統層數宜≤16層。此時對應的各參數值范圍為B=1/2～1/3，ΔPuser =20～30kPa，R=30～60Pa/m，且各參數的確切取值應通過計算確定。
（二）、關于散熱器承壓：
由于材料科學的發展、制造工藝的進步，我國生產的鑄鐵散熱器承壓能力從以往的不超過0.4MPa，提高到≥0.6 MPa，而其它類型的散熱器，如鋼制散熱器、鋁制散熱器、銅鋁復合散熱器的平均承壓能力均可實現≥0.8 MPa。
由采暖系統的水壓分布規律可知，系統底層散熱器承受的水壓通常最高，其數值接近系統的定壓值，而系統的定壓值由系統最大壓差加2～3m水柱安全量確定（對于從水溫度≤95℃的系統。）如果我們假定某個采暖系統底層散熱器承受的水壓小于0.6 MPa，則根據前述的系統定壓值確定原則，該系統的最高點距底層散熱器的垂直高度h≤0.6x100-(2～3)=58～57m。一般住宅建筑的層高為2.8～3.0m，則h/2.8～3.0=19～21層，即：即便散熱器承壓只有0.6 MPa，理論上它所在采暖系統的總層數亦可達19～21層，考慮25%的承壓值安全余量，對于承壓能力分別為0.6 MPa和0.8MPa的散熱器，其所在采暖系統的層數分別為N≤15和N≤24。
（三）關于塑料管材與采暖系統層數的關系：
由常規金屬管材與金屬管件組成的戶內管道系統的承壓能力高于散熱器的承壓能力，因此當戶內采暖系統采用常規金屬管材時，一般不會對采暖系統的定壓值提出限制性要求，即，不會因采暖系統層數的增加而對管材壁厚提出特殊要求，導致投資加大，然而在計量供熱系統中，由于多種原因，戶內系統采用塑料管材的情況日漸增多，塑料管材的特性與金屬管材有較大區別，其管材規格的確定與采暖熱水溫度、管材承受的工作壓力有密切關系，有關塑料管材具體特性的分析將有專門論述，這里僅做一簡單說明。對于塑料管材當熱水溫度確定后，在保證管材使用壽命的前提下，管材承受的工作壓力越高，所要求的管材壁厚就愈厚，如對于PP-R管材，當工作壓力為0.6 MPa和0.8MPa時，所選管材的最小壁厚分另為1.9m和2.8mm，而且當工作壓力超過0.8MPa時將很難選擇到適合計量供熱系統使用的塑料管村。因此當戶內系統采用塑料管材時，不希望其管內熱水工作壓力超過0.6MPa。對應于住宅建筑的采暖系統，這一數值代表著一個立管所負擔的水平分環層數N≤19～20。
三個方面的分析表明：在計量供熱系統中，一對立管所負擔水平分環層數不宜大于15層。
結論：以上分析表明：1.最佳的主立形式為下行下給式，如圖（一）（c）所示：2.在不額外設置水力平衡元件的前提下，主立管可以負擔的合理最多層數為≤16層；3.為了更加有利于新雙管系統的水力平衡，主立管比摩阻的取值應為R=30～60Pa/m，且宜取下限值，而不是傳統室內采暖系統形式所建議的R=60～80Pa/m。重力水頭系數應為1/2～1/3，戶內系統水力損失宜取為20kPa～30kPa，且不宜低于20kPa。
