浅谈如何实现高层建筑采暖系统的热力平衡

李君　李春鹏　张志国

（中建-大成建筑有限责任公司　北京　100048）

浅谈如何实现高层建筑采暖系统的热力平衡

李君李春鹏张志国

（中建-大成建筑有限责任公司北京100048）

本文通过实际案例重点分析了建筑采暖系统热力不平衡的原因，并对动态流量平衡阀和静态流量平衡阀的特点、原理等进行详细分析，探讨了热力系统的调节措施。

高层建筑；采暖系统；热力平衡

在我国经济不断发展下，城市建设快速发展。建筑对能耗的需求不断增加。供暖系统节能主要从运行管理、用户使用、系统设计等方面进行控制。在高层建筑系统使用过程中，常会出现系统末端热能不达标，系统热力不平衡现象，导致了能源的大量浪费。为了达到节能的目的，首先要实现高层建筑采暖系统的热力平衡。

1　案例介绍

某住宅小区的总建筑面积为85621m2，其中高层住宅总28层，建筑面积为12000m2。住宅小区主要使用锅炉房直供的方式供暖。供水管主要分为高区和低区两个支路进行供暖。室内安装散热器系统。一共设计了11台燃气锅炉同时进行供暖，一台锅炉大约可以提供45万大卡的热量。锅炉房中设置了4台循环水泵，分别供高区低区使用，水泵的扬程如下：Q=100m3/h，H=32m。

2　供暖系统产生能耗的原因

在供暖系统使用过程中，由于管道材料、系统施工情况存在差异，各个支路管道的设计比摩阻和管道比摩阻存在一定的差异性，支路的设计流量和实际流量存在一定的差异。致使供暖系统热力无法平衡。在室内冷热负荷或室外温度产生变化时，为了保证供暖系统低能耗运行，需要对供水温度和供暖流量进行调整，此时会再次对供暖系统的热流量进行分配，出现热力失调的情况[1]。所以，从运行调节的角度来看，热力失调是一种必然存在的情况。为了保证建筑物包括管路末端在内的室内温度都可以达到要求，可以使用以下方法进行解决：①增加供暖系统总循环水流量，进而使末端室内温度满足设计要求；②当供暖系统的总循环流量无法改变时，为了使建筑物的室内温度满足设计要求，要增加供水的温度。但是不管是增加水的温度，还是提高供暖系统的总循环流量，和热源比较近的楼层受到的供热量都比较大，楼层室内的温度也比较高。本工程供暖系统的设计如表1所示。

表1　供暖系统实际工况和设计工况对比

根据表1来看，供暖系统的实测总流量为90m3/h，超出设计流量7.1％。一号用户和二号用户的室内热流量均大于设计流量，而三号用户和四号用户的流量均未达到设计流量。将一号用户的流量调整为35m3/h时，二号用户的实测流量为30m3/h，三号用户实测流量为22.5m3/h，四号用户的实测流量为20m3/h。经过调整后，虽然所有用户的室内温度均达标，但是调整后能耗增加了27.9％左右。在供暖系统中，这种设计流量和用户实际流量不一致的情况就表示此用户热力失调，可以利用热力失调度来评价热力失调的程度。表示公式如下：

在公式中，用户的设计流量为QJ，用户的实际流量为Qs。热力平衡指的是保证其他用户流量发生变化时，用户自身的流量可以保持不变。一般可以使用热力稳定系数进行体现：

在公式中，用户的最大流量为Qmax，使用公式1对没有调整时系统和用户的水力失调度和对本工程供暖系统的工况进行了计算，如表2所示。随着水力失调度的不断增加，采暖系统对能源的效果也会增加。由于供暖系统的热媒是利用闭式管路系统输入到每一个用户室内的。理想状态下，一个设计合理的管网系统是可以保证所有用户都达到设计流量的。也只有在这种情况下，才能在达到热负荷要求的同时，不浪费能源[2]。所以，要在保证室内温度的基础上，尽量减少系统热力失调的情况，从而达到节约能源的目的。

表2　水力失调度的计算结果

3　高层建筑热力平衡调节元件

供暖系统的热力平衡的调节离不开热力平衡元件。当前，主要使用流量平衡阀进行调节。而流量平衡阀又分为动态流量平衡阀和静态流量平衡阀，在使用功能和使用特点上是不同的。

3.1动态流量平衡阀

动态流量平衡阀主要是用来保持管路流量和阀门流量的恒定。通过将动态流量平衡阀应用到管网中，可以按照设计要求对流量进行设定。在水压力的影响下，阀门可以自动将压力波动和管线剩余压力引起的流量偏差消除。如图1所示。以流体力学的角度来看，动态流量平衡阀是一个可以改变局部阻力的节流件。通过对阀芯的过流面积进行调整，来适应阀门前后的压力差，从而达到控制流量的目的。动态流量平衡阀可以根据实际需要对流量进行设定，并利用阀门将流量保持在一个相对稳定的状态[3]。动态流量平衡阀主要是为了对最大流量进行限制。主要由自动平衡阀和手动调节阀构成。其中自动平衡阀主要是为了保持流量稳定不变，手动调节阀主要是为了对流量进行设定。

图1　动态流量平衡阀示意图

3.2静态流量平衡阀

静态流量平衡阀主要是对阀座和阀芯之间的间隙来达到调节阀门阻力的目的。利用静态流量平衡阀可以使建筑的所有环路的热力都达到平衡，保证所有支路的热量都满足设计要求。当阀门的开度发生变化时，管段压力和管段流量也会呈现出线性变化。一般可以在供水管路或者回水管路上安装静态平衡阀。为了便于调节，提高平衡阀的使用年限，最好将平衡阀安装在水温比较低的回水管路上。在利用静态平衡阀调整流量时，要对调节阀前后的压力进行测量，保证调节和测量的准确性，并尽量在直管段安装平衡阀。供暖系统的热力调节平衡后，不能在供暖系统运行时随意调节静态平衡阀的开度。

3.3流量平衡阀的主要作用

动态流量平衡阀可以根据具体的工况对阻力系数进行调整，而静态流量平衡阀可以对每个关联平衡供暖系统的阻力进行调整。使各个环路的阻力达到平衡。当系统运行过程中循环水量降低，如果使用静态流量平衡阀，可以根据设计计算比例对系统支路的流量进行调节。如果使用动态平衡阀，虽然可以根据系统负荷的变化情况对循环水流量进行调整，但是安装有平衡阀的环路流量变化不大，还是会出现供水热力失调的情况。所以，动态平衡阀和静态平衡阀的工作特点是不同的，在实际运用过程中，不能随意对两者进行替换。

4　建筑采暖系统热力平衡的实现

经过上述分析，本工程在热力管网的环路末端用户入口、分支管、支管等均安装了静态平衡阀。并使用如下公式对不同区域的热水流量和耗热量进行了计算，建筑的供暖热负荷使用下述公式计算：

在公式中，建筑物面积热指标为W：q，单位为W/m2；建筑物供暖热负荷为Q，单位为W，建筑物的总建筑面积为F，单位为m2。

建筑物的供暖热流量使用下述公式进行计算：

在公式中，建筑供暖热负荷为Q，单位为W；建筑供暖热流量为G，单位为kg/h。回水温度为ttg，供水温度为tg，单位为℃。

在设计压差情况无法准确了解时，平衡阀可以根据接管的大小进行选择，并根据平衡阀厂家提供的选型表确定选型的正确性。安装好平衡阀后，经过检测发现，系统不同区域存在严重的欠流情况，只有少部分建筑达到了计算流量的设计要求。在这种情况下，根据系统的实际运行情况，对各个静态平衡阀的开度进行了设定，确保系统的水力分配达到平衡。调试好平衡阀后，利用平衡中回路的阻力使管网环路阻力和设计工况相协调。

5　结论

综上所述，在安装并调试好平衡阀后，合理的对热力进行了分配，所有的住户都得到了同样的采暖效果，有效提高的热力的使用率，提升了用户住房的舒适度。并且所有回路的阻尼比例处于稳定状态。当天气变化时，随着总量的增加，阻力比例也会随着增加或减少，并根据不同回路的流量情况，重新分配热力，使各个回路之间的回水温度相同，可以更加准确的对锅炉进行调节。

[1]于晓明.对平衡阀功能与技术特点及其应用等问题的探讨[J].暖通空调，2007（37）：271～275.

[2]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].中国建筑工业出版社，2003：32～33.

[3]周毅峰，黄木新.平衡阀在建筑住宅空调系统中的应用[J].中国住宅设施，2008（08）：45～46.

TU832

A

1673-0038（2015）04-0061-02

2015-1-8

李君（1980-），女，河北人，中级，本科，从事建筑行业工作。

李春鹏（1979-），男，河北人，中级，本科，从事建筑行业工作。