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某热水采暖上供上回式垂直双管系统的改造及其反思

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刊于《暖通空调》2007年1月期
某热水采暖上供上回式垂直双管系统的改造及其反思
北京市建筑设计研究院 张锡虎 梁晶 葛昕
总参工程兵第四设计研究院 刘露

提要 本文介绍了某热水采暖上供上回式垂直双管系统的设计和实际运行过程发生的问题，在分析了产生问题原因的基础上，提出了若干个解决办法和实施方案，经采用其中便于实施的方案进行改造以后，取得了预期效果，通过反思得到了一些可供设计借鉴的经验。
关键词 热水采暖 上分式垂直双管系统 改造 反思

1 工程概况
北京地区某综合商业楼，建筑面积约14500 ㎡，地上四层，首层和二层临街为对外营业的商户，三层和四层为众多公司的营业用房。设计采暖负荷1077kW，额定流量37m3/h， 处于集中供暖管网某一环路的末端，系统入口外网供回水压差约为2m水柱。
该工程于2000年设计，受工程条件所限，采用了上供上回式垂直双管系统形式，供、回水干管设置在四层顶板下的吊顶内。系统型式如图1。

图1 采暖系统示意图
建成以后运行初期，就出现比较严重的垂直水力失调，表现为四层和三层的散热器热，二层特别是一层基本上不热。经仔细调节，即关小四层和三层散热器支管上的阀门开度，情况有所改善。但是，在商户入住、自行进行精细装修过程中，对采暖系统进行装饰性包覆，并作了局部改动，特别是改变了散热器支管阀门调节后的开度，又回复到严重的垂直水力失调状态。但由于干管、立管和散热器几乎全部被包覆，十分难以进行调节和检修。
2004年，当地供热部门曾经在楼外增设加压泵站进行加压以增加流量，虽略有效果，但由于影响附近其他住宅采暖系统而无法运行，改造未获成功。
2006年初，我们接受委托对该工程进行了改造设计，经实际运行检验证明，改造获得了成功。
2 故障原因分析
这是垂直双管系统比较典型的垂直水力失调。主要原因是：
（1）立管沿垂直方向各散热器环路，即使不考虑自然作用压力，也不能满足《采暖通风与空气调节设计规范》（GB 50019-2003）4.8.6条关于“各并联环路之间的计算压力损失相对差额不应大于15％”的水力平衡要求。以比较典型的24#立管（附图2）为例，计算压力损失如表1。

图2 该工程的24#立管
表1 各散热器环路之间的计算压力损失相对差额
所在部位
许用压差
散热器环路计算压力损失
剩余压差
四层散热器环路
485.2Pa
68.3Pa
416.9Pa
三层散热器环路
286.0Pa
38.0Pa
248.0Pa
二层散热器环路
146,8Pa
54.2Pa
92.6Pa
首层散热器环路

146,2Pa
0
（2）《采暖通风与空气调节设计规范》4.8.9条还规定：机械循环系统双管热水采暖系统和分层布置的水平单管热水采暖系统，应考虑水在散热器和管道中冷却而产生的自然作用压力的影响采取相应的技术措施。
根据设计热媒参数95/70℃计算，供、回水立管的自然作用压力值Δγ·h＝15.83mm水柱/m＝155.8Pa/m，取其2/3，Δγ·h≌100Pa/m。
楼层平均高度按照3.6m计算，每一楼层的自然作用压力值为360 Pa。
以首层散热器中心为计算基准线，水力平衡状态如表2。
表2 各散热器环路计及自然作用压力后的剩余压差
所在部位
许用压差＋自然作用压力
散热器环路
计算压力损失
剩余压差
四层散热器环路
485.2＋1080=1565.2Pa
68.3Pa
1496.9Pa
三层散热器环路
286.0＋720=1006.0Pa
38 Pa
968.0Pa
二层散热器环路
146.8＋360=506.8Pa
54.2Pa
452.6Pa
首层散热器环路

146.8Pa
0
（3）增大散热器环路支管的计算压力损失，有利于各散热器环路之间的水力平衡，虽然采用了阻力相对较大的截止阀，但由于管径为DN20mm，散热器环路的阻力损失仍然较小。最大的一个散热器环路（包括散热器、连接支管和两个截止阀）的计算压力损失，仅占立管总计算压力损失的6.9％。而实际上安装的是普通的闸阀。
（4）当采用下分式（下供下回）垂直双管系统形式时，各层散热器环路之间计算压力损失相对差额，有条件采用自然作用压力加以抵消。而上供上回式垂直双管系统，各层散热器环路计算压力损失相对差额与自然作用压力是叠加的。例如：在经过首层散热器环路与经过四层散热器环路的并联点（即附图2中之2和2＇），经四层散热器环路的计算压力损失，比经首层散热器环路小了416.9Pa，而又多得到了1080 Pa的自然作用压力，这样，四层散热器环路的许用压差达到了1565.2 Pa，剩余压差达到了1496.9Pa，许用压差是其环路计算压力损失的22.9倍，必然会造成严重的水力失调。
3 改造方案
根据现场实际条件，我们共提出了以下四种改造方案：
（1）干管系统可以基本不变动，调整各层连接散热器支管和阀门的直径，旨在减少上层散热器环路过多的剩余压差，相应增加下层散热器环路的流量。
对本工程多数采用DN25mm立管和DN20mm散热器支管的立管，按照计算压力损失相对差额和自然作用压力综合影响，采用不等温降方法计算，立管总流量在各层之间的概略分配比例，如表3。
表3 立管总流量在各层之间的概略分配比例
所在层
流量占立管总流量的比例
四层
～40％
三层
～30％
二层
～20％
首层
～10％
如果将各层连接散热器支管和阀门的直径作如下改造，立管总流量在各层之间的概略分配比例变化将对平衡较为有利，如表4。
表4 支管和阀门变径后立管总流量在各层之间的概略分配比例
所在层
供水支管及阀门
回水支管及阀门
流量占立管总流量的比例
四层
DN15
DN15
～25％
三层
DN15
DN20
～27％
二层
DN20
DN20
～30％
首层
DN25
DN25
～17％
如果再能将一至四层散热器供水支管闸阀，更换为高阻力的自力式温控阀，将会得到更好的效果。
（2）各层连接散热器支管和阀门基本不变动，在首层顶板下增设回水水平干管，将首层（及二层）不热的散热器回水管，改为连接于该回水水平干管上，如图3。

图3 在首层顶板下增设回水干管连接首、二层散热器的回水
（3）利用2004年在楼外增设、已经被弃用的加压泵站，采用混水器与室外供暖管网连接，在不改变建筑物供热量和入口额定流量的前提下，使建筑物内部系统的循环流量增加2～3倍，相应使自然作用压力降低2～3倍，如图4。

图4 采用混水器与室外供暖管网连接图
室内采暖系统供回水温差如按10℃ 计算，系统循环流量为：

上式中：
1077 系统的计算热负荷（kW）
860 热功当量（1kW = 860kcal/h）
1000 水密度的近似值（kg/m3）
10 供回水温差（℃）与水比热容（kcal/℃·kg）的乘积
并联配置3台室内采暖系统二次水循环泵，G =35～65m3 /h，H =13.8～10m，两用一备。
（4）在改造方案（3）的基础上，将三层和四层散热器的支管上两个DN20mm截止阀的其中一个（散热器支管上原有的阀门许多已经锈蚀难以转动），改为DN15mm的高阻力散热器恒温阀，后为节省改造费用，采用了高阻力散热器恒温阀不带温控器的阀座。
上述方案（1）和（2），由于需要进入商户的对外营业空间施工，并对已经形成的装修有较大影响，遭众多商户抵制未能实施。最后，确定并实施了对建筑内部影响较小的方案（3）和（4）。

4 改造后运行效果
改造后的该系统于2006年11月中旬开始试运行经过现场测试情况如下：
（1）在室外供暖管网正常运行的条件下，由于混水器所需压差很小，系统入口供回水压差不小于1m水柱，就可以满足本系统一次水37m3/h的额定流量。且一次水流量只取决于入口阀门的开度，而与二次水的循环流量无关。说明采用混水器连接不仅适合于系统入口供回水压差较小的情况，也不会干扰室外供暖管网的水力工况。
（2）室内系统的主体水力失调现象已经基本消除，多年来从未热过的散热器也热了。
（3）新安装的室内采暖系统二次水循环泵实际出力不足，远未达到室内采暖系统二次水的预期循环水量。在一次水流量调节为40m3/h条件下，铭牌参数为G =35～65m3/h、H =13.8～10m的水泵，单泵运行二次水实际循环流量仅为约52m3h，泵进出水两端压差约7m；两台并联运行，流量约74m3/h，泵进出水两端压差约为12m；三台并联运行，流量约82m3/h，泵进出水两端压差为14m。如果能够更换为性能达到铭牌技术指标的合格水泵，使之达到或接近预期的室内采暖系统循环水量，会取得更理想的效果。
（4）仍有少量立管的首层散热器或更少量的二层散热器不热，而与此几乎完全对称的立管则无此现象，证明是由于局部管道堵塞所造成，经过认真冲洗以后，也已经运行正常。以下是从立管根部DN20管道清理出来的部分堵塞物图片。

5 结语
（1）上供上回式垂直双管系统，由于各层散热器环路计算压力损失相对差额与自然作用压力是叠加的，存在先天性的水力失衡不利条件，应该尽量避免在多于一层的建筑中采用。
（2）如果一定需要采用上供上回式垂直双管系统，应该进行仔细的水力平衡计算，并采取防止垂直水力失调的可靠技术措施。
（3）上供上回式垂直双管系统的立管底部，容易积存污物造成阻塞，在管道被建筑装饰所覆盖隐蔽的条件下，很难进行冲洗排除。
（4）采暖系统的设计，不仅要进行干管环路和立管之间的水力平衡计算，对于垂直双管系统，更重要的还应该进行同一立管各层散热器环路之间的水力平衡计算。
（5）对任何双管系统，适当减小散热器环路支管的管径和采用高阻力阀门（或采用高阻力散热器恒温阀），以增大散热器环路的计算压力损失，有利于各散热器环路之间的水力平衡。
（6）从理论上讲，任何水力失调的系统都有可能采用阀门调节得以改善。但是，设置于散热器上阀门的作用，是为用户在一定范围内自主选择室温，不应该、也不可能要求或限制用户根据自己的需要，对阀门自行进行调节，采用散热器阀门调节作为解决水力失调的设计措施，是不合理的。
（7）在建筑物采暖系统入口采用混水器与室外供暖管网连接，在不改变建筑物供热量和入口流量的前提下，增加建筑物内部系统的循环流量和降低自然作用压力因素对水力平衡的不利影响，虽乃无奈之策，但对存在缺陷、而散热器配置较多系统的改造，也是一种有效的办法。
（8）某些水泵的性能达不到额定指标，在一些工程中屡见不鲜，应该引起设计选型和工程采购的重视。
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