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分户供暖系统平均比摩阻的合理选用

摘要：分析了分户供暖系统中供回水温差、系统重力作用压头及户内总阻力损失对系统共用立管比摩阻选用的影响,运用基尔霍夫定律分析了下供下回异程式双立管供暖系统的水力平衡状况,得出了在没有平衡调节装置的情况下,合理选用共用立管的平均比摩阻的意义,通过计算确定了分户供暖系统共用立管设计比摩阻的影响因素和平均比摩阻的范围。
关键词:分户供暖；平均比摩阻；下供下回异程式系统；水力平衡；重力压头
0引言
分户计量供热系统在我国已实施多年，目前我国对新建住宅适合计量供热的室内采暖系统形式形成了共识，即新建住宅宜采用共用立管的分户水平式供暖系统。分户计量供暖系统可以看作是由传统垂直单管的供暖系统做90°旋转而得到的，但二者在设计、使用方式和运行上却有很大的差别，尤其是在立管及户内系统形式、设计参数选择等方面，有关新形式采暖系统尚缺乏较深入的分析与研究。设计人员在设计过程中，仅凭经验盲目依照手册上推荐的设计参数进行设计，增加了系统不平衡率，导致运行调试困难；盲目增设水力平衡元件，导致工程造价增加；增大水力平衡计算的工作量。针对上述情况，本文结合共用立管比摩阻的合理取值、系统重力作用压头影响及合理确定户内系统的总阻力损失，进行了较深入的分析计算以供设计人员参考。
1常用系统形式的推荐
分户计量供暖系统分为单元立管供暖系统和户内水平供暖系统2种。单元立管供暖系统有4种型式：上供下回同程式立管系统、上供上回异程式立管系统、下供下回异程式立管系统及下供下回同程式立管系统。户内水平供暖系统通常有4种型式：水平单管串联式系统、水平双管并联式系统、水平单管跨越式系统和水平网程式系统(即低温地面辐射供暖系统)。对单元立管供暖系统和户内水平供暖系统的型式进行组合，有16种供暖型式可适合分户计量供暖的要求。[1][2]在供暖设计时，考虑系统水平干管的安装要求和运行管理方便，通常采用下供下回式系统；考虑到自然重力压头作用与管网最不利环路阻力损失平衡，单元立管系统通常采用异程式立管系统[3][4]，考虑到户内系统的可调性与施工方便，户内供暖系统通常采用单管跨越式或低温地面辐射供暖系统[5]。
2 下供下回异程式双立管供暖系统水力平衡
2.1重力循环作用压力的影响
用于下供下回异程式立管供暖系统的各并联环路的水力不平衡主要是由于重力循环作用压力引起的，表1给出了不同供回水温度（包括传统散热器供暖系统和低温地板辐射供暖系统工程运行温度）下1 m高差的重力循环作用压力值(ΔPG)。可以看到，分户供暖系统设计过程中，不同工作温度的重力循环作用压力小于95/70℃传统散热器采暖方式的重力循环作用压力，所以它对共用立管水力平衡影响的程度会因为采暖供回水温度的不同而有所区别。
2.2下供下回异程式双立管供暖系统的水力平衡分析[6][7]
表1 不同供回水温度下1m高差产生的重力循环作用压力值
供回水温度 （℃）
重力循环作用压力ΔPG（Pa•m-1）
50～40
40.2
55～45
44.1
60～50
48.0
80～60
111.7
85～60
142.1
95～70
155.8
图1为下供下回异程式双立管供暖系统水力平衡分析简图，对于该系统，顶层用户环路是最远环路，首层用户环路为最近环路，其水力平衡是在水平分环不额外加设平衡手段(如静态平衡阀)时的水力平衡。基本判断标准是，在合理的管径匹配下，

图1为下供下回异程式双立管供暖系统水力平衡分析简图
首层与顶层水平分环系统的资用压差不平衡率≤15%，对这2个环路进行水力平衡计算，即得系统最大不平衡率表达方式为：
(2.1)
式中：为系统最大不平衡率；为第一层用户环路资用压头，Pa； 为顶层用户环路资用压头,Pa。
对这2个环路应用基尔霍夫第二定律：
第一层用户环路资用压头：
（2.2）
顶层用户资用压头：

（2.3）
式中：为第一层户内系统资用压力，Pa；为共用供水立管总阻力损失，Pa；为共用回水立管总阻力损失，Pa；为顶层户内系统资用压力，Pa；为1m高程差产生的重力循环作用压力，Pa；为供水立管平均比摩阻，Pa/m；为回水立管平均比摩阻，Pa/m；h为层高，m；n为楼层数。
将式（2.2），式（2.3）代入式（2.1），整理得：

= （2.4）
分户采暖系统各层户内系统形式基本一致，资用压力基本相同，在正常运行前,对户内系统进行预调节，设，ΔPh为户内系统资用压头；同时设， R为立管平均比摩阻，Pa/m，则有：
（2.5）
当主立管的阻力能够抵消由于温差、高差产生的重力循环作用压力时,kmax趋于0，最利于平衡。供暖期随着室外温度的变化，通过运行调节，供、回水温度都要变化,重力作用压头也会随之而变化。以质调节为例，供、回水温度差在最冷天最大，重力作用压头值也最大；相反，供暖初期或终期供、回水温度差最小，重力作用压头值也最小。在整个供暖期重力作用压头值是变化的，而设计所用的重力作用压头只能取一个定值。考虑供暖期室外温度延续时间的分布，采用供暖期室外平均温度下的重力作用压头作为设计值，即取自然作用压头的的2/3作为计算值[8]。
表2为假设楼层层高为2.9 m，户内资用压力为25 kPa，重力作用压头按工程中常见的供回水温度计算，即55℃/45℃(地板辐射采暖)、80℃/60℃、95℃/70℃时的不平衡率值（“系统高度”中括号内数值表示建筑层数）。对于不同供回水温度的供暖系统，参考表2的数值，立管的平均比摩阻较小时，由于户内资用压力ΔPh相对于立管的阻力损失较大，系统具有良好的水力平衡性。
2.3下供下回异程式双立管供暖系统共用立管平均比摩阻的取值
在95/70℃供回水温度下，重力循环作用压力值较大，适当增大立管平均比摩阻时，立管阻力增大，与重力循环作用压力相互抵消，系统的平衡性较好[9]。
但在低温水采暖系统中，重力循环作用压力仅为95/70℃供回水温度下的25%~30%，系统平衡受影响的程度大为不同，所以平均比摩阻的范围也有变化。
由表2可以看出,立管平均比摩阻如取为30 Pa/m,立管阻力和重力循环作用压力可以近似抵消，首层与最不利环路间不平衡率较小，如果平均比摩阻取较大数值，系统的不平衡率变化较大，虽然控制在15%以内，但平衡效果并不理想，如果将平均比摩阻值继续扩大，立管的平衡率将超出规定范围，所以在低温水系统中，立管的平均比摩阻不能按照散热器采暖方式推荐的60~120 Pa/m的经济比摩阻取值。
另外，随着户内资用压力的提高，不平衡率减小，即在较大的户内阻力下，系统有较好的平衡性。因此适当加大分环阻力对改善水力平衡、加强水力稳定性有利。传统的双管系统很难满足系统高阻力的要求，而共用立管的水平分环系统由于增加了锁闭阀、热量表、过滤器、温控阀等高阻力原件，较易实现较高的分环阻力。不过，由于管径规格的限制，不能无限制提高户内阻力，一般户内阻力损失不超过30 kPa。

表2 不同比摩阻、重力作用压力、高度的不平衡率
比摩阻
R(Pa/m)
重力压头
ΔPG（Pa/m）
系统高度
H（m）
不平衡率
kmax（%）
比摩阻
R（Pa/m）
重力压头
ΔPG（Pa/m）
系统高度
H（m）
不平衡率
kmax（%）
30
44.1
20.3(7)
2.48
40
44.1
20.3(7)
4.10
34.8（12）
4.26
34.8（12）
7.04
46.4（16）

5.68
46.4（16）
9.39
111.7
20.3(7)
-1.18
111.7
20.3(7)
0.45
34.8（12）
-2.02
34.8（12）
0.77
46.4（16）
-2.69
46.4（16）
1.02
155.8
20.3(7)
-3.56
155.8
20.3(7)
-1.94
34.8（12）
-6.11
34.8（12）
-3.33
46.4（16）
-8.15
46.4（16）
-4.44
50
44.1
20.3(7)
5.73
60
44.1
20.3(7)
7.34
348（12）
9.83
34.8（12）
12.61
46.4（16）
13.1
46.4（16）
16.81
111.7
20.3(7)
2.07
111.7
20.3(7)
3.69
34.8（12）
3.55
34.8（12）
6.33
46.4（16）
4.73
46.4（16）
8.44
155.8
20.3(7)
-0.32
155.8
20.3(7)
1.31
34.8（12）
-0.54
34.8（12）
2.24
46.4（16）
-0.72
46.4（16）
2.99

3 结论
3．1下供下回异程式双立管供暖系统有利于利用管路系统阻力损失平衡因重力作用压头产生的影响。相应系统不平衡率较低，在系统承压能力范围内（<50mH2O），[10]随系统高度增加最大不平衡率随之增加，但均可以满足系统平衡要求。
3．2供暖热水参数，对系统的水力平衡有很大影响，它决定了立管各层重力水头的大小。对于传统的采用较高供回水温度（95℃/70℃、80℃/60℃，温差为25℃和20℃）的散热器采暖系统比低温地板辐射供暖系统（55℃/45℃，温差为10℃）的最大不平衡率普遍偏小。
3．3共用立管的比摩阻取值范围因供回水温差而不同。对于供回水温差较低的低温地板辐射供暖系统共用立管的最大不平衡率随平均比摩阻取值增大而增大，立管的平均比摩阻不能按照散热器采暖方式推荐的60~120 Pa/m范围选取，推荐平均比摩阻值范围为20~50 Pa/m。对传统采用较大温差的散热器采暖系统推荐平均比摩阻值范围为40~60 Pa/m，并应根据户内系统阻力损失按比例选取，对较高层建筑而言户内系统阻力损失应取较高值。
3．4户内阻力损失宜取20~30 kPa，不宜低于20 kPa，不满足时应附加阻力装置。因为较大的分环阻力不仅对改善水力平衡、加强水力稳定性有利，也对削弱重力水头的影响有利。传统的双管系统显然很难满足分环系统高阻力的要求，而共用立管的水平分环系统较易实现较高的户内阻力值。
不过有一点值得注意：户内阻力损失值的确定与户内系统的管径选择有直接关系，以往户内系统管径确定是以平均比摩阻60~120 Pa/m为依据的，但以此为依据确定的系统管径规格，无法保证理想的户内阻力损失值，除非附加阻力装置，否则户内阻力损失值过小，而且过小的比摩阻取值也给室内管道系统的安装带来困难，建议户内系统平均比摩阻取值为100-150Pa/m。
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