垂直单管跨越式系统水力工况分析

郭志龙，杨忠国，赵慧，郭胜杰

（黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆 163319）

垂直单管跨越式系统水力工况分析

郭志龙，杨忠国，赵慧，郭胜杰

（黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆 163319）

分别从采暖热力入口定压差和定流量两种情况下，探讨了公共建筑中常用的垂直单管跨越式采暖系统的水力工况。分析了用户自行调节过程中系统的水力工况稳定性。总结出系统入口定压差控制方式的垂直单管跨越式系统，具有近似定流量的良好特点，而且用户调节时相互影响较小，是理想的公共建筑采暖系统形式。

垂直单管跨越式系统；定压差控制；分室调节室温

人类消耗的总能耗中，建筑能耗所占有的比例竟高达三分之一。而且，这个比例随着经济发展，生活质量的提高，人们对环境舒适度要求的提高而越来越大，能源危机危机和环境污染日益加剧，中国的GDP为此损失8%～15%[1]。因此建筑节能的意义重大。

1 垂直单管跨越式系统节能方法

温控阀的使用为用户能够根据自身需求自行调节室温提供可能，这样既满足了不同用户个性化的使用要求，又能够节约能源。垂直双管系统和单管跨越式系统是配合使用温控阀的系统形式。《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736—2012中有明确规定：“公共建筑供暖系统的制式宜采用垂直双管系统，也可以采用单管跨越式系”[2]。由于双管系统相对而言成本较高，施工复杂一些，垂直单管跨越式加温控阀的系统形式在工程实践中应用较多。一些旧的建筑往往采用的都是垂直单管顺流式系统。垂直单管顺流式系统在传统的计划经济年代，按面积收费的体制下，一直都是非常常见的采暖系统形式。也有其结构简单，工程造价低，施工方便等优点。但这种系统不具备自行调节室温的能力，上游用户调节势必影响下游用户的流量，为了适应节能的需求，也改造成垂直单管跨越式系统[3]，另外加上温控阀的形式。加装跨越管与散热器并联的实现了散热器流量可调节的目的。通常在安装跨越管时选择小一号的跨越管，基本能够保证散热器的散热量为原设计的90%左右[4]。

散热器温控阀的使用实现了室内温度的自行调节，起到了节能的作用。但使用温控阀也带来了系统阻力增大，调节过程中水力工况变化的问题。对于变流量系统经常采取在采暖热力入口定压差或者定流量的控制方式[5]。这样的控制方式是非常必要的，否则会导致用户自行调节过程中，其他用户的流量变化特别大，甚至可以达到50%[6]。采用哪一种控制方式更合理，是值得思考的问题。因此拟针对这样的体统形式，采取定压差和定流量两种控制方式进行水力工况稳定性分析，找到更合理的控制方式。

2 水力工况分析

2.1 垂直单管跨越式系统形式

图1 垂直单管跨越式系统Fig.1Vertical cross-over system

采暖系统如图1所示，为垂直单管跨越式系统。系统中采用了跨越管加三通温控阀的形式，也可采用两通温控阀（温控阀接在跨越管后）的形式。温控阀是自力式的温度控制器，其内部充满液体，依靠液体热胀冷缩的原理控制阀门的开度，从而控制流量，进而达到控制室温的目的。跨越管的存在起到了吸收多余流量，稳定水力平衡的作用。每根立管上下两端设有控制阀门，以便初调节时各个立管的水力平衡。系统采用同程式，设计供回水温度为75℃/50℃，室内计算温度tn=18℃。采暖热力入口加定压差（或定流量）控制装置。

2.2 垂直单管跨越式系统进流系数选取

由于采用跨越式形式，立管的流量有一部分流经散热器，另一部分流经跨越管。流进散热器的热水流量和立管流量的比即为进流系数α。以下针对在进行初调节时进流系数选取多少更合理进行分析。

以图1所示系统中的某立管为例，假设立管的流量为G，则流经散热器的水流量为G×α；立管的总散热量为Q，设每组散热器的散热量相同，均为Q/4；进入第i组散热器的供水温度为tgi，回水温度为thi。依从上到下的顺序进行分析。

为了使分析更具有普遍意义，散热器采用工程实践中较为常用的铸铁四柱760散热器，每片散热面积为FS=0.235 m2/片。每组散热器的散热量为：QS= 0.562 0ΔT1.276，其中，ΔT=（tgi+thi）/2-tn。修正系数取β1= 1.0；β2=1.0；β3=1.02[7]。则每组散热器片数为：Ni=Q/ （4×QS）×1.02

每组散热器的流量为66 kg/h，则可计算出不同的进流系数α下的散热器总片数N值，如下图：

图2 a—N曲线图Fig.2Curve of a—N

由图2可以看出，散热器的片数随着进流系数的增加而减少，但进流系数大于0.3时，散热器的片数随进流系数的增加缓慢减小。且随进流系数增加同时散热器的流量增加，从而导致散热器的调节性能下降。所以从散热器的调节性能和经济性两方面考虑[8]，最终选取进流系数为0.3。

2.3 定压差控制和定流量控制下水力稳定性分析

设置温控阀后，温控阀可以按预先设定自行调节散热器的流量。这样会改变整个系统的阻力特性。定压差控制和定流量控制也是自力式的控制装置。定压差是保证系统的阻力特性改变的时候，采暖热力入口处资用压头保持不变，但系统流量会发生变化；定流量是当采暖系统的阻力特性改变的时候保持流量不变，这样采暖热力入口的资用压头势必会发生变化。两种控制方式都是为了当系统变化时尽可能保持水力稳定。以散热器11为例，通过调节温控阀改变其的流量。这样其他散热器流量必然发生变化，以其他管散热器流量变化平均值为参考对象，分别从定压差和定流量两个方面分析散热器11流量变化对其影响。如下图所示：

图3 流量平均变化率Fig.3Change rate of flow mean

由图3可知，当散热器11流量变化到-40%时对其他用户的影响最大只有2%，垂直单管跨越式系统在用户自行调节时水力工况相互影响较小。定压差控制下的曲线相比定流量变化更为平缓，采暖入口采用定压差控制方式优于定流量的控制方式。同时，可以实现多组散热器分别调节。假设同一立管上的散热器不同方向和不同幅度的调节。如9、10、11、12四组散热器的流量分别调整-25.3%、19.3%、24.5%、-36.4%，采用上述的同样方法进行分析，其他散热器的流量变化率仅为0.2%。也就是说在实际调节过程中，温控阀的调节方向不统一。流量有增大和减小，相互抵消，这样更有利于系统的水力稳定。

进一步分析，极端情况下假设某个房间不需要采暖，则可以把该房间散热器完全关闭。采暖入口仍然采用定压差控制的控制方式，按图1所示编号顺序逐个关断散热器，则系统的总流量变化率如下：

由图4可知，即使16组散热器完全关闭，系统的流量变化率还不到-2.5%。因此，可以视系统为“准定流量系统”，水力稳定性非常好。

可见，采暖入口加压差控制器的垂直单管跨越式系统，在用户进行分室自行调节过程中，相互之间的影响较小，水力工况耦合较小，运行平稳。

图4 关断数—系统流量变化图Fig.4Curve of close number-flux

3 结论

采暖热力入口处采用定压差控制方式的垂直单管跨越式系统，有如下优点：能够根据室内温度的变化通过温控阀自动调节进入散热器的流量，盈亏部分流量有旁通管进行平衡，能够实现分室调节室温的目的；系统在自行调节时虽然自身流量变化，但由于流量旁通作用使用户之间相互影响较小，室温保证率较高；整个系统资用压头不变，流量变化非常小，水力工况稳定，热用户和热网的水力工况耦合很小。在公共建筑中应用该系统形式，有许多其他形式所不具备的优点。同时该系统形式也具备结构简单，施工方便的优点。因此是较为理想的系统形式。

由于采用单管跨越式系统，跨越管的流量随时变化，因此每组散热器的供、回水温度不仅有别于单管串联式系统，而且变化复杂。竖向每层散热器数量布置，不仅影响到初投资，而且对室温保证率有很大影响，以后会对该部分内容进一步研究。

［1］陈思，庄卫东.大庆市平板式太阳能空气集热器的应用研究［J］.黑龙江八一农垦大学学报，2015，27（6）：55-58.

［2］GB50736-2012.民用建筑供暖通风与空气调节设计规范［S］.北京：中国建筑出版社，2012.

［3］周志华，娄承之，邢金城，等.计量供热对供热系统的要求［J］.煤气与热力，2000（5）：367-368.

［4］涂光备，冀英，贺克瑾，等.适合热计量的室内采暖系统［J］.煤气与热力，1999，19（6）：21-24.

［5］江亿.我国供热节能中的问题和解决途径［J］.暖通空调，2006，36（3）：37-41.

［6］伍小亭.供热计量中的几个问题［J］.暖通空调，2000（1）：60-62.

［7］贺平，孙刚.供热工程［M］.3版.中国建筑工业出版社，1993.

［8］涂光备.供热计量技术［M］.中国建筑工业出版社，2003.

Hydraulic Condition Analysis of Vertical Single-pipe Cross-over System

Guo Zhilong，Yang Zhongguo，Zhao Hui，Guo Shengjie
（College of Engineering Science，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319）

The common hydraulic conditions of vertical single-pipe cross-over system were discussed in public buildings from constant differential pressure and constant flow of heating supply entrance.The hydraulic condition stability in the system was analyzed in the course of control by heat consumer.It was summarized that the vertical single-pipe cross-over system for the pressure differential control mode of the system entrance was the perfect attended mode of heating supply entrance，which had better properties of approximately constant flow，and in which the mutual effects were smaller when controlled by consumers.

vertical single-pipe cross-over system;constant differential pressure control;inner room temperature control

TS202.3

A

1002-2090（2017）03-0093-03

10.3969/j.issn.1002-2090.2017.03.021

投稿日期：2016-11-10

黑龙江八一农垦大学大学生创新创业训练计划项目—户式中水系统创新设计。

郭志龙（1982-），男，工程师，哈尔滨工业大学毕业，现从事建筑环境与能源应用工程方面的教学科研工作。