在建筑物暖通空調(diào)工程中，水力平衡的調(diào)節(jié)是個(gè)重要的課題。本文通過(guò)對(duì)暖通空調(diào)水系統(tǒng)流量變化特性的分析，以及對(duì)空調(diào)系統(tǒng)末端設(shè)備負(fù)荷變化規(guī)律的分析,探討安裝水力平衡閥后水系統(tǒng)流量變化與負(fù)荷變化趨勢(shì)的協(xié)調(diào)一致性，以及采用水力平衡閥調(diào)節(jié)水系統(tǒng)流量變化與負(fù)荷變化趨勢(shì)的優(yōu)勢(shì)和局限性。
一、暖通空調(diào)水系統(tǒng)流量變化趨勢(shì)分析：
對(duì)于靜態(tài)的暖通空調(diào)水管路系統(tǒng)（不含動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)元件），包括串聯(lián)系統(tǒng)和并聯(lián)系統(tǒng)二大類。
1、串聯(lián)水系統(tǒng)流量特性分析：
串聯(lián)管道系統(tǒng)中各個(gè)部件的流量是一致的，即
Q1= Q2= Q3= Q4= -------------= Qn= Q0
（Q1----------- Qn : 系統(tǒng)中第1----------n個(gè)支路的流量 Q0 ：系統(tǒng)中各個(gè)支路的總流量）
2、并聯(lián)水系統(tǒng)流量特性分析：
并聯(lián)管道系統(tǒng)中各個(gè)部件的流量與相應(yīng)的管道特性阻力數(shù)開(kāi)根號(hào)的倒數(shù)成正比，即：
Q1：Q2：-------：Qn = 1/(Sp1)0.5：1/(Sp2)0.5： -------1/(Spn)0.5
Q0= Q1+ Q2+ Q3+-------+Qn
（Q1----------- Qn ：系統(tǒng)中第1----------n個(gè)支路的流量 Q0 ：系統(tǒng)中各個(gè)支路的總流量 Sp1 -----------Spn : 系統(tǒng)中第1----n個(gè)支路的管道特性阻力數(shù)）
3、串并聯(lián)組合水系統(tǒng)流量變化趨勢(shì)分析：
絕大多數(shù)的管道系統(tǒng)均為串并聯(lián)組合系統(tǒng)，對(duì)于任何串并聯(lián)復(fù)合系統(tǒng)，均可按電路模擬法將其簡(jiǎn)化成并聯(lián)系統(tǒng)。
簡(jiǎn)化水系統(tǒng)管道采用如下公式：
a．串聯(lián)水系統(tǒng)：
Sp= Sp1+ Sp2+ Sp3+---------+ Spn
Sp：串聯(lián)系統(tǒng)總的管道特性阻力數(shù)
Sp1 -----------Spn ：系統(tǒng)第1----n個(gè)串聯(lián)部件的管道特性阻力數(shù)
b．并聯(lián)水系統(tǒng)：
1/(Sp)0.5 = 1/(Sp1)0.5+1/(Sp2)0.5-------+1/(Spn)0.5
將水系統(tǒng)簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)單的并聯(lián)系統(tǒng)后，按管道特性阻力數(shù)對(duì)流量進(jìn)行分配，然后逐級(jí)按同樣的方式對(duì)各支路計(jì)算分配流量。
綜上所述：
1、串并聯(lián)組合系統(tǒng)各分支路的管道特性阻力數(shù)Sp不變時(shí),網(wǎng)路的總流量在各分支管段中的流量分配比例不變,管道總流量增加或減少多少倍,各分支管道上的流量也相應(yīng)的增加或減少多少倍；
對(duì)于不含任何動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)元件的空調(diào)水系統(tǒng)，均可視為串并聯(lián)組合系統(tǒng)，其各個(gè)環(huán)路的管道特性阻力數(shù)Sp為定值，因此在這些系統(tǒng)中，當(dāng)管路的總流量發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)各個(gè)分支環(huán)路的流量等比例的發(fā)生變化，并且流量分配比值保持不變，
2、在串并聯(lián)組合系統(tǒng)中，當(dāng)某一個(gè)管段的管道特征阻力數(shù)發(fā)生變化時(shí)，網(wǎng)路的總管道特性阻力數(shù)也會(huì)隨之變化，總流量在各管段中的分配比例也隨之發(fā)生變化。
因此對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)，應(yīng)在管路系統(tǒng)初調(diào)試時(shí)將各個(gè)支路的管道特性阻力數(shù)比值調(diào)至一個(gè)合適的比例，并且在運(yùn)行的過(guò)程中保持不變，以保證空調(diào)水系統(tǒng)流量的合理分配。
二、暖通空調(diào)系統(tǒng)末端設(shè)備負(fù)荷變化趨勢(shì)分析：
1. 影響暖通空調(diào)系統(tǒng)末端設(shè)備負(fù)荷變化的因素有以下幾種:
⑴、大氣環(huán)境溫度變化的影響：
大氣環(huán)境溫度變化是影響空調(diào)系統(tǒng)末端設(shè)備負(fù)荷的主要因素。
由大氣環(huán)境溫度變化引起的末端設(shè)備負(fù)荷由以下公式計(jì)算：
Q大=A*k*Δt
Q大：由大氣環(huán)境溫度變化引起的末端設(shè)備負(fù)荷；
A：傳熱面積；k：傳熱系數(shù)；Δt：室內(nèi)外溫差
由上式可見(jiàn)，大氣環(huán)境溫度引起的末端設(shè)備負(fù)荷與傳熱面積、傳熱系數(shù)、室內(nèi)外溫差成正比。對(duì)于處于穩(wěn)態(tài)過(guò)程的空調(diào)系統(tǒng)，由于在某一時(shí)刻的室內(nèi)外溫差對(duì)所有的空調(diào)區(qū)域都是相同的，因此由大氣環(huán)境溫度變化而引起的各個(gè)末端設(shè)備負(fù)荷比值僅與各自的傳熱面積和傳熱系數(shù)有關(guān)，而與室內(nèi)外溫差無(wú)關(guān)，即：
Q大1 ：Q大2。。。。。。。。。。。。。Q大n＝A1k1：A2k2：A3k3………Ankn
也就是說(shuō)，不管大氣環(huán)境溫度如何變化，各個(gè)末端設(shè)備的負(fù)荷比值保持不變。這是大氣環(huán)境溫度對(duì)末端設(shè)備負(fù)荷變化影響的重要特性，也是供暖制冷系統(tǒng)中通過(guò)調(diào)質(zhì)法和調(diào)量法調(diào)節(jié)供熱制冷量以滿足空調(diào)區(qū)域舒適度要求的主要依據(jù)。
⑵、建筑物內(nèi)冷熱源變化的影響：
空調(diào)區(qū)域人員的發(fā)熱量、電器設(shè)備的散熱量、食物的散熱量等都會(huì)對(duì)末端設(shè)備負(fù)荷產(chǎn)生影響，而且這些影響會(huì)隨著時(shí)間、區(qū)域的不同有很大的差異，比如餐館在中午時(shí)這種影響就非常大，反之對(duì)于賓館客房這種影響就非常小。所以對(duì)于不同區(qū)域的末端設(shè)備，冷熱源在不同的時(shí)間對(duì)于負(fù)荷的影響差異很大。
⑶、人為因素的影響：
由于人開(kāi)關(guān)門、窗戶等因素也會(huì)造成末端設(shè)備負(fù)荷的增加，從而造成能量的流失。人為因素對(duì)不同末端負(fù)荷變化影響的差異也很大，且是隨機(jī)的。
⑷、內(nèi)墻傳熱的影響：
對(duì)于室內(nèi)的有些內(nèi)墻，如隔壁為過(guò)道和樓梯間的，還存在著內(nèi)墻傳熱問(wèn)題。這些傳熱損耗也會(huì)對(duì)末端設(shè)備的負(fù)荷產(chǎn)生影響。
綜上所述，空調(diào)系統(tǒng)末端設(shè)備的負(fù)荷由以下部分組成：
Q總= Q大+ Q內(nèi)源+ Q人+ Q內(nèi)墻
（Q總:末端設(shè)備總負(fù)荷； Q大:大氣環(huán)境溫度引起的末端負(fù)荷；
Q人:人為因素引起的末端負(fù)荷； Q內(nèi)墻:內(nèi)墻傳熱引起的負(fù)荷)
在不同的空調(diào)區(qū)域,以上四種因素在總的末端設(shè)備負(fù)荷中所占的比例不同。一般情況下，對(duì)于大部分的空調(diào)區(qū)域，由大氣環(huán)境溫度差異所引起的末端設(shè)備負(fù)荷在總負(fù)荷中占絕大部分比例。
因?yàn)橛纱髿猸h(huán)境溫度變化引起的各個(gè)末端設(shè)備之間負(fù)荷的比值是恒定的，不隨室內(nèi)外溫差的變化而變化，而大氣環(huán)境溫度引起的負(fù)荷在末端設(shè)備總負(fù)荷中占很大的比例，因此在大部分空調(diào)區(qū)域（飯店、桑那房和浴室除外），我們可以近似地認(rèn)為各個(gè)末端設(shè)備之間所需負(fù)荷的比值是恒定的，也就是各個(gè)末端設(shè)備所需冷（熱）水量是近似等比例變化的。
三、水力平衡閥調(diào)節(jié)水系統(tǒng)流量變化與負(fù)荷變化趨勢(shì)的協(xié)調(diào)一致性：
如上所述，對(duì)于靜態(tài)的暖通空調(diào)水系統(tǒng)，各個(gè)分支環(huán)路的流量是隨著總流量變化而等比例的增加或減少的，也就是各個(gè)環(huán)路的流量比值是恒定的；而由于在大部分空調(diào)區(qū)域，各個(gè)末端設(shè)備負(fù)荷變化也是近似等比例的，也就是末端設(shè)備所需要的流量比值是近似恒定的。
一般情況下，這兩種比例關(guān)系是不相同的，這就導(dǎo)致靜態(tài)水力失調(diào)。
1、靜態(tài)水力失調(diào)和靜態(tài)水力平衡：
由于設(shè)計(jì)、施工、設(shè)備材料等原因?qū)е碌南到y(tǒng)管道特性阻力數(shù)比與設(shè)計(jì)要求管道特性阻力數(shù)比值不一致，從而使各個(gè)末端設(shè)備的實(shí)際流量比值與設(shè)計(jì)要求流量比值不一致，引起水系統(tǒng)的水力失調(diào)，叫做靜態(tài)水力失調(diào)。
靜態(tài)水力失調(diào)是穩(wěn)態(tài)的、根本性的，是系統(tǒng)本身所固有的，是當(dāng)前我國(guó)暖通空調(diào)水系統(tǒng)中水力失調(diào)的主要因素。
通過(guò)在管路系統(tǒng)中安裝水力平衡閥，并在系統(tǒng)的初調(diào)試時(shí)按照一定的步驟進(jìn)行調(diào)節(jié)，使各個(gè)環(huán)路的流量分配比值與末端設(shè)備所需的流量比值相同，從而實(shí)現(xiàn)靜態(tài)水力平衡。
實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)水力平衡的系統(tǒng)，由于管道系統(tǒng)的流量分配比例與各個(gè)末端設(shè)備負(fù)荷的比例基本一致，因此當(dāng)外界環(huán)境溫度發(fā)生變化引起各個(gè)末端設(shè)備所需負(fù)荷近似等比例變化時(shí)，只需調(diào)節(jié)空調(diào)水系統(tǒng)總流量（調(diào)量法），就可使各個(gè)末端設(shè)備流量同時(shí)等比例變化，從而使各個(gè)末端設(shè)備同時(shí)滿足負(fù)荷變化要求。這種方法是代價(jià)低廉而效率很高的。
2、水力平衡閥調(diào)節(jié)水系統(tǒng)流量變化與負(fù)荷變化趨勢(shì)的優(yōu)勢(shì)和局限性：
通過(guò)水力平衡閥調(diào)節(jié)水系統(tǒng)流量變化與負(fù)荷變化趨勢(shì)的協(xié)調(diào)一致性，可以使系統(tǒng)根據(jù)各個(gè)末端設(shè)備負(fù)荷的變化很方便地進(jìn)行調(diào)節(jié)，極大地簡(jiǎn)化了變流量系統(tǒng)調(diào)節(jié)的復(fù)雜性。
但是這種調(diào)節(jié)方式僅僅適用于對(duì)調(diào)節(jié)精度要求不高、大氣環(huán)境溫度引起的末端設(shè)備負(fù)荷在總負(fù)荷中占較大比例的空調(diào)系統(tǒng)。
對(duì)空調(diào)精度要求較高、或者大氣環(huán)境溫度引起的末端設(shè)備負(fù)荷在總負(fù)荷中比例較小的系統(tǒng)，可以采用二步調(diào)節(jié)法，即把靜態(tài)平衡閥作為系統(tǒng)初調(diào)節(jié)的一種方式，通過(guò)它的平衡作用消弱系統(tǒng)水力失調(diào)的程度，然后在相關(guān)的部位或者末端設(shè)備處安裝各種動(dòng)態(tài)或電動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的精調(diào)。
四、水力平衡閥在水系統(tǒng)中的安裝：
下表為水力平衡閥在采暖空調(diào)系統(tǒng)中的安裝位置
水力平衡產(chǎn)品 | 典型應(yīng)用區(qū)域 | 備注 |
靜態(tài)水力平衡閥 | 采暖、空調(diào)集水器回水主管
回水總管
空調(diào)主分支回水管
采暖垂直立管回水管
采暖水平支管回水管
空調(diào)水平支管回水管
各回水分支管道
地暖分集水器回水管
船用液壓管道系統(tǒng)
消防噴淋管道
太陽(yáng)能管道系統(tǒng)等 | |
四、結(jié)論：
暖通空調(diào)工程中水力平衡閥的使用，為調(diào)節(jié)各個(gè)分支管道系統(tǒng)的流量比值與末端設(shè)備所需流量比值的一致性、使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)靜態(tài)水力平衡提供了一種有效的途徑。在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)工程投資和系統(tǒng)的精度要求合理地選用水力平衡設(shè)備，既要滿足工程設(shè)計(jì)和技術(shù)規(guī)范要求，同時(shí)又應(yīng)采用合理的方案，為甲方節(jié)約資金。
參考文獻(xiàn)：
1、陸耀慶 等主編—實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)。北京，中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1993年
2、賀平、孫剛主編—供熱工程。北京，中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1990年
作者簡(jiǎn)介
王曉松，男，1969年7月生，學(xué)士、總工程師（010）
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