某住宅小区供暖热水管网水力平衡计算与分析

何雪强

（福建省博意建筑设计有限公司，福建 厦门 361000）

0 引言

供热工程在调试、运行过程中，室温经常无法符合设计要求，即热源近端用户室内温度过高，而远端用户则出现室内温度不达标的情况。其主要原因往往是水系统各并联环路之间出现严重水力失衡的情况，导致末端换热设备的供热量大幅偏离设计条件，进而影响室温调节。为保证末端用户的供热效果，后期运维人员常采取提高二次热水温度，或提升水泵扬程的方法。上述做法虽能解决用户供热需求，却同时带来热源效率降低、热媒输配功耗增加等一系列问题。

笔者在参与住宅供暖项目设计时发现，小区二次供热管网设计一般都滞后于单体供暖施工图，且由不同设计人员来完成，设计人员往往会忽视各并联水环路的资用压头，仅按最大允许流速、经济比摩阻直接确定管径，确定单体热力入口处平衡阀规格时，要直接按接管管径选型。大量工程案例表明，按上述错误的设计做法，仅依靠后期调试很难实现水力平衡，无法使每个房间的实际散热量与设计供热量相匹配。因此，笔者以某住宅小区供暖工程为例，浅谈设计过程中热水管网水力平衡的计算与设计。

1 相关规范条文

文献[1]第5.9.11 条：“室内热水供暖系统的设计应进行水力平衡计算，并应采取措施使设计工况时各并联环路之间（不含共用段）的压力损失相对差额不大于15%。”当双管系统并联环路之间的压力损失相对差额不大于15%时，最大流量偏差可控制在8%左右，平均水温及散热量偏差可控制在2%左右[3]，可保证供暖系统的运行效果。

文献[2]第5.3.6 条：设计室内热水供暖系统时，应计算水力平衡，并采取控制措施，使设计工况下各并联环路之间（不含公共段）的压力损失差额不大于15%；在计算水力平衡时，要计算水冷却产生的附加压力，其值可取设计供、回水温度条件下附加压力值的2/3。

2 计算公式及原理

热水供暖系统中计算管段的压力损失计算如下[4]。

式中：ΔP—计算管段的压力损失，Pa；ΔPy—计算管段的沿程损失，Pa；ΔPi—计算管段的局部损失，Pa；λ—管段的摩擦阻力系数；d—管段内径，m；l—管段长度，m；ρ—热水的密度，kg/m3；υ—热水流速，m/s；ζ—局部阻力系数，常用管道配件可参考文献[3]。

热水供暖系统中一般均为紊流状态，采用柯列勃洛克公式[4]，通过迭代计算方式得到整个紊流区的摩擦阻力系数。

式中：Re—雷诺数；K—管壁的当量绝对粗糙度，m。室内供暖钢管粗糙度K取0.2mm，塑料管取0.01mm，室外直埋敷设的钢管则取0.5mm。

热水供暖系统中并联环路之间不平衡率的计算如下[4]。

式中：ΔP1—第一环路总压力损失，m/s，一般取最不利环路（不含共用段）；ΔP2—第二环路总压力损失，m/s。

对于垂直双管系统，当重力水头的作用高差大于10m，计算并联环路之间水力不平衡率时，应考虑重力水头H（Pa）[4]。

式中：h—计算环路散热设备中心之间的高差，m；ρr—计算回水温度下的密度，kg/m3；ρs—计算供水温度下的密度，kg/m3；g—重力加速度，m/s2。

阀门阻力系数计算如下[4]。

式中：Kv—阀门阻力系数；G—通过流量，m3/h；ΔP—阀前、后压力差，100kPa。

3 项目概述

该项目位于山东省滨州市，总建筑面积为15.4 万m2，共有11 栋高层住宅，8 栋多层住宅以及2 栋配套公共建筑。供暖供回水由小区内地上独栋换热站提供。供暖系统竖向分为高、低2 个区，站内分别设置高、低区换热系统。换热站热源由市政一次热网提供，经板式换热器热交换后提供二次供暖热水，供回水温度为45/35℃。

该地块1～11 层为低区，12～22层为高区，低区热负荷为4172.3kW，高区热负荷为2389.4kW。进出换热站管道处至供暖系统末端最不利环路的压力损失分别为低区161.5kPa，高区143.4kPa。

住宅楼栋内供暖主立管采用下供下回异程式，在共用立管供水管始端、回水管末端设置手动调节阀及泄水装置。单体采用共用立管的分户热计量方式，楼栋热力入口处设总热量表作为贸易结算表，各户设户将热量表作为户用分摊表。户内为混凝土填充式热水地面辐射供暖系统，采用分户温控形式。

4 水力平衡的计算与分析

4.1 末端供暖水管的水力计算

末端供暖水管包含水平干支管、分支竖管、埋地入户管以及户内地暖管线。以20#楼为例，标准层单元为一梯两户，层高2.95m，共22 层。取左侧户型最不利计算环路，标示出各个管段的编号，见图1。按公式（1）、（2）计算出设计工况下该环路的总阻力，其中集分水器、恒温控制阀、Y 型过滤器、热量表合计阻损按工程经验值取15kPa，结果见表 1。

图1 20#楼末端供暖水管计算管段标示图

4.2 竖向共用立管水力平衡计算与分析

考虑水力平衡因素，宜将共用立管比摩阻控制在30Pa～60Pa。同样以20#楼低区供暖立管为例，计算竖向水力平衡率。首先按公式（1）、（2）计算共用立管的阻力值，见表2。如图2，该系统不平衡率最大值出现在并联环路A-11’-B 与A-1’-B。其中最有利环路A-1’-B 的阻损为末端供暖水管总阻力，即24.1kPa。计算最不利环路A-11’-B 总阻损时，应将重力水头从供回水立管总阻力中扣除。公式（4）计算的重力水头为0.79kPa，进而计算最大不平衡率。

图2 20#楼低区共用立管管段标示图

计算结果符合水力平衡要求。由此可见，共用立管管径不宜过小，设计时应按计算结果进行调整。由表1、表2 可知，20#楼低区楼栋内总阻力损失为55.5kPa。可求得其他所有楼栋（单元）内高、低区热水系统的总阻力损失。

表1 20#楼标准层户内水管水力计算表

表2 20#楼低区共用立管水力计算表

4.3 二次供暖热水管网水力平衡计算与分析

二次热网管道室外部分采用无补偿（冷安装）直埋热力管道技术，室内部分则在地下一层车库内敷设。选最远端1#楼12-2 支环路为低区供热水系统的最不利环路，并计算其总阻力损失，结果见表3。由表3 可见，主干管沿程比摩阻在30Pa～100Pa，符合水力平衡设计要求[4]。低区供热总水流量为360.4m3/h，最不利环路总阻力损失为161.5kPa。现以低区供暖系统中20#楼2-4 支环路为例，计算该环路与最不利环路之间的水力不平衡率，并对该栋楼热力入口处平衡阀进行选型。根据表3、表4 计算20#楼2-4 环路与最不利环路（不含共用管段1、2）的不平衡率。

表3 低区最不利环路水力计算表（1#楼12-2 支环路）

表4 低区20#楼2-4 环路水力计算表

2-4 环路楼栋热力入口处选用SPF45-16 数字锁定平衡阀，计算阀门阻力系数。

式中：取平衡阀全开时压力损失值为5kPa。根据Kv值查厂家提供的该型号平衡阀线算图，选取平衡阀管径为DN80，设计工况下开度为44%，最优工作区间为30%～80%。

由上述计算过程可见，与最不利环路并联的环路，在满足最大水流速的条件下，支干管的设计比摩阻应尽量取大值，以平衡资用压头的富裕度；当受最大水流速制约而产生较大不平衡率时，应在楼栋热力入口处设置调节平衡装置，并校核设计工况下的阀门开度。

5 结语

与空调供冷水系统相比，供暖水系统具有供回水温差大、水流量相对小的特点。各并联水环路温降偏离设计值的幅度受水力失调程度的影响大，不可以忽视其水力平衡的计算。设计支状异程式热力管网时，供热半径不宜过大，干支管环路水流量应力应该均匀对称，干管上不宜设置过多小流量的支环路。优先调整管径，使并联环路之间阻力损失的计算相对差额最小，必要时可在支环路上设置静态或动态平衡阀。根据该支环路的流量、资用压头进行平衡阀规格、开度的选型计算，不可以直接按接管管径选型。