1 問(wèn)題的提出
中南建筑設(shè)計(jì)院西區(qū)（生活區(qū)）集中低溫?zé)崴膳到y(tǒng)于1991年完成設(shè)計(jì)及施工，并于當(dāng)年年底投入運(yùn)行。系統(tǒng)運(yùn)行至今已有十年，大大改善了我院職工的生活條件。但該熱水采暖系統(tǒng)自運(yùn)行之初起，就存在著熱力失衡問(wèn)題。后隨著用戶的增加，管網(wǎng)作用半徑的增大，隨著燃煤蒸汽鍋爐、汽-水換熱器、熱水循環(huán)泵運(yùn)行效率的降低，也隨著采暖系統(tǒng)閥件及沿程管道性能的弱化，采暖系統(tǒng)運(yùn)行效率降低，熱力失衡問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，具體表現(xiàn)在管網(wǎng)末端用戶的采暖效果越來(lái)越差。為配合我院沿街開(kāi)發(fā)的形勢(shì)，院西區(qū)兩棟臨街多層住宅拆除，由于采暖用戶（以下均指單棟或單元建筑）減少采暖外網(wǎng)須相應(yīng)調(diào)整，此舉可部分程度緩解采暖系統(tǒng)效果惡化情況，但熱力管網(wǎng)水力失衡問(wèn)題尚未得到解決。
院西區(qū)采暖熱網(wǎng)布置現(xiàn)狀參見(jiàn)“圖一”。西區(qū)采暖面積約35000m2，冬季總采暖熱負(fù)荷為2230kw。采暖熱源為西區(qū)鍋爐房及換熱站；4t/h燃煤蒸汽鍋爐1臺(tái)；螺旋板式汽-水換熱器2臺(tái)；1000m3/h熱水循環(huán)泵2臺(tái)，1有1備，銘牌揚(yáng)程3.2Mpa；系統(tǒng)由設(shè)在“中南海18單元”屋而后高位膨脹水箱定壓，換熱站內(nèi)設(shè)系統(tǒng)被給水泵。該采暖系統(tǒng)共分3個(gè)樹(shù)狀供回水環(huán)路。
2 管網(wǎng)水力計(jì)算及平衡分析
基于上述原因，我們對(duì)院西區(qū)采暖熱網(wǎng)進(jìn)行水力計(jì)算及分析，擬采取水力平衡閥等技術(shù)措施對(duì)該采暖熱網(wǎng)進(jìn)行水力平衡，以期改善西區(qū)整體采暖效果。
2.1 計(jì)算條件
已知條件
?。?）外網(wǎng)各環(huán)路管段管徑及沿程長(zhǎng)度，各單位采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷及總設(shè)計(jì)熱負(fù)荷。各環(huán)路用戶采暖熱負(fù)荷說(shuō)“表1”
表一
用戶名稱(chēng) | 1～3單元 | 4～7單元 | 北大板 | 28單元 | 29單元 | 幼兒園南 | 幼兒園北 | 單元 | 單元 | 單元 |
熱負(fù)荷（kw） | 126.1 | 126.1 | 160.0 | 51.0 | 33.6 | 44.1 | 38.0 | 70.7 | 70.7 | 78.2 |
續(xù)表一
用戶名稱(chēng) | 33單元 | 34單元 | 35單元 | 23戶 | 7～10單元 | 11～14單元 | 中南海15～21單元 | 中單 |
熱負(fù)荷（kw） | 55.7 | 60.9 | 60.9 | 155.8 | 184.7 | 184.7 | 527.6 | 115.0 |
?。?）各環(huán)路用戶室采暖水系統(tǒng)所需資用壓頭，由各單體采暖設(shè)計(jì)圖紙及資料獲得，參見(jiàn)“表四”及“表五”中“用戶所需資用壓頭”項(xiàng)。
假定條件：
?。?）由于鍋爐及換熱器效率的降低，根據(jù)該系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)采暖供水溫度為80℃，供回水溫差15～18℃。采暖供回水溫度取80/60℃。
?。?）由于系統(tǒng)運(yùn)行多年外管內(nèi)壁粗糙度增大，外管內(nèi)壁粗糙度取K=0.5mm。
2.2 環(huán)路外網(wǎng)摩阻計(jì)算
1#環(huán)路負(fù)擔(dān)總熱負(fù)荷為1219kw，循環(huán)水量為52.8kg/h，其供回水總管管徑為DN125，環(huán)路外網(wǎng)摩阻計(jì)算說(shuō)“表二”
表二
管段編號(hào) | 流量
（t/h） | 管徑
（mm） | 流速
（m/s） | 單位摩阻
（Pa/m） | 管段長(zhǎng)度
（m） | 管段摩阻
（Pa/m） | 累計(jì)摩阻
（Pa/m） |
L1 | 52.8 | 125 | 1.25 | 171 | 154 | 26.30 | 26.3 |
L2 | 47.3 | 125 | 1.11 | 135 | 134 | 18.10 | 44.4 |
L3 | 41.9 | 125 | 0.99 | 107 | 124 | 13.30 | 57.7 |
L4 | 31.3 | 125 | 0.74 | 60 | 10 | 0.60 | 58.3 |
L5 | 26.3 | 125 | 0.62 | 42 | 26 | 1.10 | 59.4 |
L6 | 23.3 | 125 | 0.55 | 33 | 26 | 0.86 | 60.3 |
L7 | 18.1 | 100 | 0.67 | 66 | 54 | 3.56 | 63.8 |
L8 | 13.4 | 100 | 0.50 | 36 | 20 | 0.72 | 64.6 |
L9 | 10.8 | 100 | 0.41 | 25 | 20 | 0.50 | 65.1 |
L10 | 6.5 | 50 | 0.96 | 330 | 24 | 7.90 | 73.0 |
L11 | 10.5 | 65 | 0.90 | 157 | 20 | 3.14 | 60.9 |
L12 | 9.07 | 65 | 0.70 | 116 | 20 | 2.32 | 63.2 |
L13 | 6.93 | 65 | 0.62 | 80 | 50 | 4.00 | 67.2 |
2#環(huán)路負(fù)擔(dān)總熱負(fù)荷為897kw，循環(huán)水量為22.9kg/h，其供回水總管管徑為DN125，環(huán)路外網(wǎng)摩阻計(jì)算詳“表三”。
表三
管段編號(hào) | 管段流量
（t/h） | 公稱(chēng)直徑
（mm） | 管段流速
（m/s） | 單位摩阻
（Pa/m） | 管段長(zhǎng)度
（m） | 管段摩阻
（Pa/m） | 累計(jì)摩阻
（Pa/m） |
L14 | 38.8 | 125 | 0.92 | 92.4 | 200 | 18.48 | 18.5 |
L15 | 22.9 | 100 | 0.85 | 104.8 | 50 | 5.24 | 23.7 |
L16 | 22.9 | 80 | 1.26 | 300.4 | 200 | 60.0 | 83.7 |
L17 | 15.9 | 80 | 0.88 | 145.3 | 50 | 7.27 | 31.0 |
L18 | 7.94 | 80 | 0.44 | 36.4 | 130 | 4.73 | 35.7 |
3#環(huán)路目前僅負(fù)擔(dān)單一用戶，其設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為115kw，循環(huán)水量為4.95kg/h，其供回水總管管徑為DN100，供回水總管長(zhǎng)約80m，環(huán)路外網(wǎng)摩阻及局部阻力較小，總阻力約為5kpa。
2.3 環(huán)路外網(wǎng)水力平衡分析及平衡措施
2.3.1 1#環(huán)路外網(wǎng)水力平衡
1#環(huán)路最不利用戶為“23戶”，其外網(wǎng)沿程摩阻為73.0kpa，考慮沿程局部阻力為摩阻的10%即7.3 kpa，沿程總阻力為80.3 kpa，“23戶”資用壓頭為30 kpa，因此，1#環(huán)路所需資用壓頭為110.3 kpa，，可取值為115 kpa。各用戶之入戶管徑及所需資用壓頭不等。1#環(huán)路水力平衡計(jì)算詳“表四”。從水力平衡計(jì)算表“表四”可以看出，近端用戶入戶供水管均設(shè)數(shù)字鎖定平衡閥，閥門(mén)口徑均比相應(yīng)管徑小一號(hào)，同時(shí)可以看出各平衡閥的開(kāi)度均較小，尚未達(dá)到開(kāi)度應(yīng)在60～90%的理想范圍。最不利用戶“23戶”入口不設(shè)平衡閥。
表四
用戶名稱(chēng) | 用戶流量
（t/h） | 環(huán)路提供壓頭
（kpa） | 用戶所需資用壓頭
（kpa） | 平衡閥用壓頭
（kpa） | 入戶管徑
（mm） | 平衡閥閥徑
（mm） | 平衡閥開(kāi)度
（%） |
4～6單元 | 5.42 | 83.7 | 30 | 53.7 | 50 | 40 | 30 |
1～3單元 | 5.42 | 65.6 | 30 | 35.6 | 50 | 40 | 38 |
幼兒園南 | 1.90 | 52.3 | 20 | 32.3 | 40 | 32 | 25 |
30單元 | 3.04 | 52.3 | 25 | 27.3 | 50 | 32 | 35 |
31單元 | 30.4 | 51.7 | 25 | 26.7 | 50 | 32 | 37 |
幼兒園北 | 1.64 | 50.6 | 20 | 30.6 | 40 | 32 | 23 |
32單元 | 3.36 | 49.7 | 25 | 24.7 | 50 | 32 | 42 |
18戶 | 2.75 | 46.2 | 25 | 21.2 | 40 | 32 | 38 |
33單元 | 2.41 | 46.2 | 25 | 21.2 | 50 | 40 | 33 |
34單元 | 2.64 | 45.4 | 25 | 20.4 | 50 | 40 | 38 |
35單元 | 2.96 | 44.9 | 25 | 19.9 | 50 | 40 | 40 |
23戶 | 7.79 | 30.0 | 30 | 7.0 | 50 | 不設(shè)閥 | |
28單元 | 1.44 | 49.1 | 25 | 24.1 | 50 | 32 | 23 |
29單元 | 2.11 | 46.8 | 25 | 21.8 | 50 | 32 | 29 |
北大板 | 6.88 | 42.8 | 30 | 12.8 | 50 | 40 | 50 |
2.3.2 2#環(huán)路外網(wǎng)水力平衡
2#環(huán)路最不利用戶為“中南海15～21單元”，其外網(wǎng)沿程摩阻為83.7kpa,考慮沿程局部阻力為摩阻的10%即8.4 kpa,沿程總阻力為91.7 kpa,該用戶資用壓頭為30 kpa,因此，2#環(huán)路所需資和壓頭為121.7 kpa,取值為125 kpa。各用戶之入戶管徑及所需資用壓頭不等。2#環(huán)路水力平衡計(jì)算詳“表五”。從水力平衡計(jì)算表“表五”可以看出，近端用戶入戶供水管均設(shè)數(shù)字鎖定平衡閥，閥門(mén)口徑均比相應(yīng)管徑小一號(hào)。最不利用戶“中南海15～21單元”之各單元供回水管為水平同程布置，因此不設(shè)平衡閥。
表五
用戶名稱(chēng) | 用戶流量
（t/h） | 環(huán)路提供壓頭
（kpa） | 用戶所需資用壓頭
（kpa） | 平衡閥用壓頭
（kpa） | 入戶管徑
（mm） | 平衡閥閥徑
（mm） | 平衡閥開(kāi)度
（%） |
7～10單元 | 7.95 | 83.7 | 30 | 90 | 50 | 40 | 30 |
11～14單元 | 7.956 | 65.6 | 30 | 85 | 50 | 40 | 38 |
中南海15～21單元 | 22.9 | 30 | 30 | 0 | DN25× 19
DN20× 6 | 不設(shè)閥 | |
2.3.3 3#環(huán)路外網(wǎng)水力平衡
3#環(huán)路沿程總阻力為5 kpa,用戶資用壓頭為25 kpa,因此，3#環(huán)路所需資用壓頭為30 kpa。入戶管徑DN65，而該環(huán)路外管管徑DN100相對(duì)過(guò)大，若僅靠調(diào)整在換熱站內(nèi)該環(huán)路供回水管DN100口徑閥門(mén)開(kāi)度難以達(dá)到環(huán)路所需較低的資用壓頭，因此建議在其用戶“中單公寓”之進(jìn)水干管設(shè)口徑DN40數(shù)字鎖定平衡閥，也可為將來(lái)院內(nèi)發(fā)展再增加該環(huán)路之用戶作準(zhǔn)備。具體的平衡方案是，在換熱站內(nèi)適當(dāng)關(guān)小3#環(huán)路供回水總管閥門(mén)開(kāi)度使環(huán)路資用壓頭為50 kpa,用戶采用DN40數(shù)字鎖定平衡閥消耗富裕壓頭20 kpa,該平衡閥開(kāi)度設(shè)定為42%。
3 供熱管網(wǎng)改造及效果
在2000年采暖季之前，中南院西區(qū)集中供熱管網(wǎng)已根據(jù)上述水力平衡方案進(jìn)行了改造。具體做法是：（1）對(duì)絕大多數(shù)熱用戶熱力入口處的供水干管均增設(shè)SP型數(shù)字鎖定平衡閥，并將平衡閥設(shè)定在計(jì)算所確定的開(kāi)度，用戶供回水干管上原有手動(dòng)截止閥或閘閥全部滿開(kāi)；（2）通過(guò)調(diào)節(jié)換熱站內(nèi)集分水器處各環(huán)路供回水管上的主閥，使1#，2#，3#環(huán)路的資用壓頭分別為115 kpa,125 kpa,50 kpa。
2000年入冬后，院西區(qū)集中供暖系統(tǒng)投入運(yùn)行，長(zhǎng)期以來(lái)困繞我院的熱力失衡問(wèn)題得到了解決。例如，1#環(huán)路原采暖效果最差的用戶“23戶”室內(nèi)采暖系統(tǒng)正常，該環(huán)路已實(shí)現(xiàn)熱力平衡，其水力平衡已得到體現(xiàn)。2#環(huán)路除“中南海15～16單元”個(gè)別室內(nèi)立管外，該環(huán)路也基本正常?！爸心虾！备鲉卧┡到y(tǒng)為水平同程布置，系統(tǒng)投入運(yùn)行的頭幾年各單元屬正常，“15～16單元”個(gè)別室內(nèi)立管不熱的原因初步分析結(jié)果是，部分住戶近幾年裝修時(shí)對(duì)室內(nèi)系統(tǒng)改動(dòng)較大導(dǎo)致水流不暢，部分室內(nèi)立管上回水失靈無(wú)法開(kāi)啟或被雜物堵塞，目前該問(wèn)題正在整改中。3#環(huán)路“中單公寓”略有過(guò)熱現(xiàn)象，后經(jīng)過(guò)系統(tǒng)微調(diào)正常。
4.小結(jié)
?。?）該供熱和網(wǎng)改造后的運(yùn)行效果證明上述水力平衡的計(jì)算及分析結(jié)果是正確可靠的，為今后熱網(wǎng)的平衡積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。
?。?）平衡閥是熱力管網(wǎng)平衡的有力工具，借助于平衡閥可以實(shí)現(xiàn)水力平衡的量化。
?。?）對(duì)于整個(gè)熱力管網(wǎng)而言，單體室內(nèi)采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)的入戶管徑偏大的情況普遍存在，對(duì)樹(shù)狀管網(wǎng)的近端用戶尤為嚴(yán)重，值得我們?cè)诮窈蟮脑O(shè)計(jì)中注意。
參考文獻(xiàn)
1.陸耀慶，主編，供暖通風(fēng)設(shè)計(jì)手冊(cè)，北京，中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1987
2.曾志誠(chéng)，主編，城市冷·暖·汽三聯(lián)供手冊(cè)，北京，中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1995
3.符永正等，平衡閥的選用，暖通空調(diào)，1998（3）
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