冷热源空间位置对水系统循环的影响

周英利 王 剑 葛凤华

(1:中元国际(长春)高新建筑设计院有限公司,长春 120061; 2:江苏大学能源与动力工程学院,镇江 212013)

在供暖系统中,由于供回水的密度差所引起的压力差能产生重力循环压力,可作为重力循环系统的循环动力,常应用于小型供暖系统中,实现无泵循环.对于机械循环的双管系统,重力循环压力可能产生垂直失调,这些内容在传统的教材中有详细表述[1].一般在热水供暖系统中,热源的位置都在系统的下方,但对以下情况一般工程应用过程较少考虑:热源与冷源布置分别在系统的底部与顶部时的情况;重力循环压力的方向对系统循环的影响;在系统实际运行调节过程中,即在质调节、量调节的变化中,重力循环压力对水系统失调产生不同的影响.本文通过供暖和空调冷热水系统实例计算,分析冷热源在系统不同的位置的重力循环作用方向,在质调节与量调节运行条件下,探讨重力循环压力对水系统失调的影响.

1 热、冷源在不同位置时的重力循环压力

1.1 热水供暖系统

图1 热水供暖系统

图1为热源在系统下面的热水供暖系统.假定系统在重力循环压力作用下水循环的方向为顺时针方向,则在系统的最底端取一点,其左、右两方向的重力作用压力分别为P1，P2.供回水的密度分别为ρg,ρh,kg/m3.则有:

P1=ρhgh1+ρggh+ρggh2+ρgh0，P2=ρhgh1+ρhgh+ρggh2+ρgh0

因此,有P2-P1=(ρh-ρg)gh,对于热水供暖系统,由于供水密度小于回水密度,即有P2-P1>0,则顺时针方向循环假设成立,如果假设重力循环方向为逆时针方向,则有P2-P1<0,即假设也成立.故对于热源在系统底部的热水供暖系统可产生重力循环.如该系统设置循环水泵,则不管循环的方向如何,重力循环压力始终存在并且与水循环的方向一致,有利于系统的循环.对于热源在系统上部的供暖系统,根据上述分析方法,可以看出该系统不能形成重力循环,如设置循环泵时,不论水系统的循环方向如何,重力循环压力的方向始终与水循环的方向相反,阻碍水系统的循环.

1.2 空调冷水系统

如将图1中的热源换成冷源,则变成空调冷水系统,当冷源位于供冷系统底部时,与热源位于供暖系统顶部的热水系统情况类似,即系统存在重力循环压力,但不能产生重力循环.因此在机械循环系统中,不论水系统的循环方向如何,重力循环压力的方向总是与水循环的方向相反,阻碍系统的水循环.

当冷源位于供冷系统顶部时,与热源位于供暖系统底部的热水系统情况类似,即系统重力循环压力存在并可以产生重力循环,对于机械循环系统,重力循环压力与水循环的方向一致,有利于系统的循环.

图2 机械循环异程式双管热水系统

2 机械循环供暖水系统实例分析

机械循环双管系统运行调节过程中,运行调节方式、重力循环压力将对管网运行水力工况产生影响.

2.1 热源在系统底部

以一栋十层建筑为例,图2为热源在系统底部的双管异程式系统,则一层环路与n层环路的重力循环压力分别为:

ΔPz1=gh1(ρh-ρg)

(1)

ΔPzn=ghn(ρh-ρg)

(2)

(3)

式中,h1,hn分别为一层与n层的散热器中心距热源中心高度,m;ρg,ρh为供回水密度,kg/m3;φ为n层与1层的不平衡率,%;∑ΔP1为一层环路的阻力损失(不包括共用段),Pa;∑ΔPn为n层环路阻力损失,Pa;∑ΔPz1,∑ΔPz1为一层环路、n层环路重力循环压力,Pa.

2.2 热源在系统顶部

对于热源设在供暖系统顶部的系统,重力循环压力阻碍水系统的循环.考虑重力循环压力时,n层与一层的水力不平衡率为:

(4)

在设计负荷运行时,系统的供水温度95℃,回水温度70℃,利用公式(1)～(4),可将计算结果列于表1中.由表1可看出,当热源在系统底部时,随着楼层的增加,各层环路的阻力损失随着增加,重力循环压力也随着楼层高度的增加而增加,且两者的增长基本相抵消.根据《实用供热空调设计手册》[2]规定,双管异程式热水供暖系统各并联环路间的不平衡率不应超过25%.表中计算数据表明,各并联环路间的不平衡率在规定的范围内,重力循环压力缓解了垂直方向的水力失调.当热源在系统顶部时,随着楼层的增加,尽管各层环路的阻力损失与重力循环压力也随着楼层高度的增加而增加,但重力循环压力的作用方向与水流方向相反,两者叠加后,加剧了垂直方向的水力失调,楼层越高,失调就越严重.

表1 各层与一层的不平衡率(φ)

2.3 供暖系统的运行调节

当系统运行采用质调节方式时,只改变供暖系统的供水温度,而循环水量保持不变.根据质调节时供回水温度的调节曲线[1],可计算出在不同的负荷下管段的阻力损失.针对热源在管网底部的系统,以十层环路与一层环路为例,计算二者在质调节与量调节过程中的不平衡率(见图3).

由图3可以看出,在质调节过程中,负荷较小时,十层环路与一层环路的不平衡率较大.这是由于供回水的温度差较小,相应的供回水的密度差也较小,重力循环压力的作用较弱,但系统的阻力损失不变,此时系统更多的体现出异程式系统的特点,出现“下热上冷”的垂直失调.当负荷增大,供回水温差逐渐增大,密度差也越来越大,重力循环压力的作用增大并抵消了阻力损失,直到最后不平衡率控制在理想范围内.在量调节过程中,负荷较小时,由图3可以看到不平衡率极大,这是由于系统的阻力损失变小,而重力循环压力变化不大,高楼层的重力循环压力作用变得很大,重力循环压力对下层的作用小,系统出现严重垂直失调.随着负荷增大,水流量逐渐增大,阻力损失也越来越大,阻力损失与重力循环压力相抵消.

图3 十层与一层的不平衡率(异程式、热源在底部)

图4 十层与一层的不平衡率(异程式、热源在顶部)

对于热源设在供暖系统顶部的系统,以十层环路与一层环路为例,计算二者在质调节与量调节过程中的不平衡率(见图4).由图4可以看出,热源设在系统上方时,重力循环压力与阻力损失相叠加,加重系统的垂直失调,但在质调节和量调节运行过程中,不平衡率的变化并不一致.质调节时重力循环压力变化而阻力损失不变,不平衡率随着负荷的增大由小到大;量调节时阻力损失变化而重力循环压力不变,不平衡率随着负荷增大由大到小.对于异程式系统,量调节的不平衡率大于质调节.

2.4 同程式供暖系统

对于热源在系统底部的同程式系统,由于重力循环压力的存在,使原本比较平衡的系统产生垂直失调,出现“上热下冷”现象.而对于热源在系统顶部的同程式系统,重力循环压力阻碍系统循环,随着楼层增加,不平衡率增大,出现“上冷下热”现象;而热源在系统底部的不平衡率大于热源在系统顶部的不平衡率.在运行调节过程中,与异程式相比,不平衡率的变化趋势相同,且量调节的不平衡率大于质调节的不平衡率.

3 空调水系统实例分析

以一栋三十层的建筑为例(见图5),设定系统为同程式且每层的空调系统都相同,系统运行采用量调节方式,管网水力计算按夏季工况确定,则在不考虑重力循环压力的情况下各层环路间基本是平衡的.在夏季工况,系统的供回水温度为7/12℃;层高3.6m,考虑重力循环压力的情况下的不平衡率的计算方法同公式(4).在冬季工况,系统的供回水温度为60/50℃,系统的流量、重力循环压力及重力循环压力的方向均发生变化,在运行过程中的量调节条件下,考虑重力循环压力的情况下的不平衡率的计算方法同公式(3).

图5 空调水系统

冷热源在系统顶部时,在量调节条件下,在夏季工况,一层环路与三十层环路的不平衡率基本保持不变.考虑重力循环压力后,不平衡率有所增大,在较低负荷时,不平衡率会进一步增大,但仍在规定范围内.一层环路与三十层环路在系统运行调节的各个阶段都基本保持平衡.在冬季工况,重力循环压力的存在,加重了系统的垂直方向的水力失调,而且同热源在系统底部时的情况类似,不平衡率在低负荷时更大,垂直失调加重.

表2 量调节过程中1层与30层的不平衡率(%)

4 结论

(1) 热源在供暖系统底部的热水系统和冷源设在供冷系统顶部的冷水系统可产生重力循环,且在机械循环系统中,重力循环压力有利于循环.热源在供暖系统顶部的热水系统和冷源设在供冷系统底部的冷水系统不能产生重力循环,但在机械循环系统中会产生重力循环压力,且不论系统的循环方向如何,重力循环压力的方向始终与水循环的方向相反,阻碍系统的循环;

(2) 热源设在供暖系统底部的异程式机械循环热水系统,重力循环压力可以缓解系统的垂直失调.热源在系统顶部时,重力循环压力则会加重垂直失调;

(3) 对于热水系统,在运行调节过程中,与设计工况比较,不平衡率加大,对于热源位置、同程式与异程式管网,重力循环压力作用下的不平衡率有较大的差别,量调节的不平衡率大于质调节的不平衡率;

(4) 对于高层建筑空调水系统,在夏季工况,重力循环压力的影响可以忽略;在冬季工况垂直失调变大,在量调节过程中,垂直失调会加重.

参 考 文 献

[1] 贺 平,孙 刚.供热工程(第四版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2009:66-69.

[2] 陆耀庆.实用供热空调设计手册(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2007:379-385.