冷熱源空間位置對水系統(tǒng)循環(huán)的影響

周英利 王 劍 葛鳳華

(1:中元國際(長春)高新建筑設(shè)計(jì)院有限公司,長春 120061; 2:江蘇大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,鎮(zhèn)江 212013)

在供暖系統(tǒng)中,由于供回水的密度差所引起的壓力差能產(chǎn)生重力循環(huán)壓力,可作為重力循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)動力,常應(yīng)用于小型供暖系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)無泵循環(huán).對于機(jī)械循環(huán)的雙管系統(tǒng),重力循環(huán)壓力可能產(chǎn)生垂直失調(diào),這些內(nèi)容在傳統(tǒng)的教材中有詳細(xì)表述[1].一般在熱水供暖系統(tǒng)中,熱源的位置都在系統(tǒng)的下方,但對以下情況一般工程應(yīng)用過程較少考慮:熱源與冷源布置分別在系統(tǒng)的底部與頂部時的情況;重力循環(huán)壓力的方向?qū)ο到y(tǒng)循環(huán)的影響;在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行調(diào)節(jié)過程中,即在質(zhì)調(diào)節(jié)、量調(diào)節(jié)的變化中,重力循環(huán)壓力對水系統(tǒng)失調(diào)產(chǎn)生不同的影響.本文通過供暖和空調(diào)冷熱水系統(tǒng)實(shí)例計(jì)算,分析冷熱源在系統(tǒng)不同的位置的重力循環(huán)作用方向,在質(zhì)調(diào)節(jié)與量調(diào)節(jié)運(yùn)行條件下,探討重力循環(huán)壓力對水系統(tǒng)失調(diào)的影響.

1 熱、冷源在不同位置時的重力循環(huán)壓力

1.1 熱水供暖系統(tǒng)

圖1 熱水供暖系統(tǒng)

圖1為熱源在系統(tǒng)下面的熱水供暖系統(tǒng).假定系統(tǒng)在重力循環(huán)壓力作用下水循環(huán)的方向?yàn)轫槙r針方向,則在系統(tǒng)的最底端取一點(diǎn),其左、右兩方向的重力作用壓力分別為P1，P2.供回水的密度分別為ρg,ρh,kg/m3.則有:

P1=ρhgh1+ρggh+ρggh2+ρgh0，P2=ρhgh1+ρhgh+ρggh2+ρgh0

因此,有P2-P1=(ρh-ρg)gh,對于熱水供暖系統(tǒng),由于供水密度小于回水密度,即有P2-P1>0,則順時針方向循環(huán)假設(shè)成立,如果假設(shè)重力循環(huán)方向?yàn)槟鏁r針方向,則有P2-P1<0,即假設(shè)也成立.故對于熱源在系統(tǒng)底部的熱水供暖系統(tǒng)可產(chǎn)生重力循環(huán).如該系統(tǒng)設(shè)置循環(huán)水泵,則不管循環(huán)的方向如何,重力循環(huán)壓力始終存在并且與水循環(huán)的方向一致,有利于系統(tǒng)的循環(huán).對于熱源在系統(tǒng)上部的供暖系統(tǒng),根據(jù)上述分析方法,可以看出該系統(tǒng)不能形成重力循環(huán),如設(shè)置循環(huán)泵時,不論水系統(tǒng)的循環(huán)方向如何,重力循環(huán)壓力的方向始終與水循環(huán)的方向相反,阻礙水系統(tǒng)的循環(huán).

1.2 空調(diào)冷水系統(tǒng)

如將圖1中的熱源換成冷源,則變成空調(diào)冷水系統(tǒng),當(dāng)冷源位于供冷系統(tǒng)底部時,與熱源位于供暖系統(tǒng)頂部的熱水系統(tǒng)情況類似,即系統(tǒng)存在重力循環(huán)壓力,但不能產(chǎn)生重力循環(huán).因此在機(jī)械循環(huán)系統(tǒng)中,不論水系統(tǒng)的循環(huán)方向如何,重力循環(huán)壓力的方向總是與水循環(huán)的方向相反,阻礙系統(tǒng)的水循環(huán).

當(dāng)冷源位于供冷系統(tǒng)頂部時,與熱源位于供暖系統(tǒng)底部的熱水系統(tǒng)情況類似,即系統(tǒng)重力循環(huán)壓力存在并可以產(chǎn)生重力循環(huán),對于機(jī)械循環(huán)系統(tǒng),重力循環(huán)壓力與水循環(huán)的方向一致,有利于系統(tǒng)的循環(huán).

圖2 機(jī)械循環(huán)異程式雙管熱水系統(tǒng)

2 機(jī)械循環(huán)供暖水系統(tǒng)實(shí)例分析

機(jī)械循環(huán)雙管系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)過程中,運(yùn)行調(diào)節(jié)方式、重力循環(huán)壓力將對管網(wǎng)運(yùn)行水力工況產(chǎn)生影響.

2.1 熱源在系統(tǒng)底部

以一棟十層建筑為例,圖2為熱源在系統(tǒng)底部的雙管異程式系統(tǒng),則一層環(huán)路與n層環(huán)路的重力循環(huán)壓力分別為:

ΔPz1=gh1(ρh-ρg)

(1)

ΔPzn=ghn(ρh-ρg)

(2)

(3)

式中,h1,hn分別為一層與n層的散熱器中心距熱源中心高度,m;ρg,ρh為供回水密度,kg/m3;φ為n層與1層的不平衡率,%;∑ΔP1為一層環(huán)路的阻力損失(不包括共用段),Pa;∑ΔPn為n層環(huán)路阻力損失,Pa;∑ΔPz1,∑ΔPz1為一層環(huán)路、n層環(huán)路重力循環(huán)壓力,Pa.

2.2 熱源在系統(tǒng)頂部

對于熱源設(shè)在供暖系統(tǒng)頂部的系統(tǒng),重力循環(huán)壓力阻礙水系統(tǒng)的循環(huán).考慮重力循環(huán)壓力時,n層與一層的水力不平衡率為:

(4)

在設(shè)計(jì)負(fù)荷運(yùn)行時,系統(tǒng)的供水溫度95℃,回水溫度70℃,利用公式(1)～(4),可將計(jì)算結(jié)果列于表1中.由表1可看出,當(dāng)熱源在系統(tǒng)底部時,隨著樓層的增加,各層環(huán)路的阻力損失隨著增加,重力循環(huán)壓力也隨著樓層高度的增加而增加,且兩者的增長基本相抵消.根據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》[2]規(guī)定,雙管異程式熱水供暖系統(tǒng)各并聯(lián)環(huán)路間的不平衡率不應(yīng)超過25%.表中計(jì)算數(shù)據(jù)表明,各并聯(lián)環(huán)路間的不平衡率在規(guī)定的范圍內(nèi),重力循環(huán)壓力緩解了垂直方向的水力失調(diào).當(dāng)熱源在系統(tǒng)頂部時,隨著樓層的增加,盡管各層環(huán)路的阻力損失與重力循環(huán)壓力也隨著樓層高度的增加而增加,但重力循環(huán)壓力的作用方向與水流方向相反,兩者疊加后,加劇了垂直方向的水力失調(diào),樓層越高,失調(diào)就越嚴(yán)重.

表1 各層與一層的不平衡率(φ)

2.3 供暖系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行采用質(zhì)調(diào)節(jié)方式時,只改變供暖系統(tǒng)的供水溫度,而循環(huán)水量保持不變.根據(jù)質(zhì)調(diào)節(jié)時供回水溫度的調(diào)節(jié)曲線[1],可計(jì)算出在不同的負(fù)荷下管段的阻力損失.針對熱源在管網(wǎng)底部的系統(tǒng),以十層環(huán)路與一層環(huán)路為例,計(jì)算二者在質(zhì)調(diào)節(jié)與量調(diào)節(jié)過程中的不平衡率(見圖3).

由圖3可以看出,在質(zhì)調(diào)節(jié)過程中,負(fù)荷較小時,十層環(huán)路與一層環(huán)路的不平衡率較大.這是由于供回水的溫度差較小,相應(yīng)的供回水的密度差也較小,重力循環(huán)壓力的作用較弱,但系統(tǒng)的阻力損失不變,此時系統(tǒng)更多的體現(xiàn)出異程式系統(tǒng)的特點(diǎn),出現(xiàn)“下熱上冷”的垂直失調(diào).當(dāng)負(fù)荷增大,供回水溫差逐漸增大,密度差也越來越大,重力循環(huán)壓力的作用增大并抵消了阻力損失,直到最后不平衡率控制在理想范圍內(nèi).在量調(diào)節(jié)過程中,負(fù)荷較小時,由圖3可以看到不平衡率極大,這是由于系統(tǒng)的阻力損失變小,而重力循環(huán)壓力變化不大,高樓層的重力循環(huán)壓力作用變得很大,重力循環(huán)壓力對下層的作用小,系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重垂直失調(diào).隨著負(fù)荷增大,水流量逐漸增大,阻力損失也越來越大,阻力損失與重力循環(huán)壓力相抵消.

圖3 十層與一層的不平衡率(異程式、熱源在底部)

圖4 十層與一層的不平衡率(異程式、熱源在頂部)

對于熱源設(shè)在供暖系統(tǒng)頂部的系統(tǒng),以十層環(huán)路與一層環(huán)路為例,計(jì)算二者在質(zhì)調(diào)節(jié)與量調(diào)節(jié)過程中的不平衡率(見圖4).由圖4可以看出,熱源設(shè)在系統(tǒng)上方時,重力循環(huán)壓力與阻力損失相疊加,加重系統(tǒng)的垂直失調(diào),但在質(zhì)調(diào)節(jié)和量調(diào)節(jié)運(yùn)行過程中,不平衡率的變化并不一致.質(zhì)調(diào)節(jié)時重力循環(huán)壓力變化而阻力損失不變,不平衡率隨著負(fù)荷的增大由小到大;量調(diào)節(jié)時阻力損失變化而重力循環(huán)壓力不變,不平衡率隨著負(fù)荷增大由大到小.對于異程式系統(tǒng),量調(diào)節(jié)的不平衡率大于質(zhì)調(diào)節(jié).

2.4 同程式供暖系統(tǒng)

對于熱源在系統(tǒng)底部的同程式系統(tǒng),由于重力循環(huán)壓力的存在,使原本比較平衡的系統(tǒng)產(chǎn)生垂直失調(diào),出現(xiàn)“上熱下冷”現(xiàn)象.而對于熱源在系統(tǒng)頂部的同程式系統(tǒng),重力循環(huán)壓力阻礙系統(tǒng)循環(huán),隨著樓層增加,不平衡率增大,出現(xiàn)“上冷下熱”現(xiàn)象;而熱源在系統(tǒng)底部的不平衡率大于熱源在系統(tǒng)頂部的不平衡率.在運(yùn)行調(diào)節(jié)過程中,與異程式相比,不平衡率的變化趨勢相同,且量調(diào)節(jié)的不平衡率大于質(zhì)調(diào)節(jié)的不平衡率.

3 空調(diào)水系統(tǒng)實(shí)例分析

以一棟三十層的建筑為例(見圖5),設(shè)定系統(tǒng)為同程式且每層的空調(diào)系統(tǒng)都相同,系統(tǒng)運(yùn)行采用量調(diào)節(jié)方式,管網(wǎng)水力計(jì)算按夏季工況確定,則在不考慮重力循環(huán)壓力的情況下各層環(huán)路間基本是平衡的.在夏季工況,系統(tǒng)的供回水溫度為7/12℃;層高3.6m,考慮重力循環(huán)壓力的情況下的不平衡率的計(jì)算方法同公式(4).在冬季工況,系統(tǒng)的供回水溫度為60/50℃,系統(tǒng)的流量、重力循環(huán)壓力及重力循環(huán)壓力的方向均發(fā)生變化,在運(yùn)行過程中的量調(diào)節(jié)條件下,考慮重力循環(huán)壓力的情況下的不平衡率的計(jì)算方法同公式(3).

圖5 空調(diào)水系統(tǒng)

冷熱源在系統(tǒng)頂部時,在量調(diào)節(jié)條件下,在夏季工況,一層環(huán)路與三十層環(huán)路的不平衡率基本保持不變.考慮重力循環(huán)壓力后,不平衡率有所增大,在較低負(fù)荷時,不平衡率會進(jìn)一步增大,但仍在規(guī)定范圍內(nèi).一層環(huán)路與三十層環(huán)路在系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)的各個階段都基本保持平衡.在冬季工況,重力循環(huán)壓力的存在,加重了系統(tǒng)的垂直方向的水力失調(diào),而且同熱源在系統(tǒng)底部時的情況類似,不平衡率在低負(fù)荷時更大,垂直失調(diào)加重.

表2 量調(diào)節(jié)過程中1層與30層的不平衡率(%)

4 結(jié)論

(1) 熱源在供暖系統(tǒng)底部的熱水系統(tǒng)和冷源設(shè)在供冷系統(tǒng)頂部的冷水系統(tǒng)可產(chǎn)生重力循環(huán),且在機(jī)械循環(huán)系統(tǒng)中,重力循環(huán)壓力有利于循環(huán).熱源在供暖系統(tǒng)頂部的熱水系統(tǒng)和冷源設(shè)在供冷系統(tǒng)底部的冷水系統(tǒng)不能產(chǎn)生重力循環(huán),但在機(jī)械循環(huán)系統(tǒng)中會產(chǎn)生重力循環(huán)壓力,且不論系統(tǒng)的循環(huán)方向如何,重力循環(huán)壓力的方向始終與水循環(huán)的方向相反,阻礙系統(tǒng)的循環(huán);

(2) 熱源設(shè)在供暖系統(tǒng)底部的異程式機(jī)械循環(huán)熱水系統(tǒng),重力循環(huán)壓力可以緩解系統(tǒng)的垂直失調(diào).熱源在系統(tǒng)頂部時,重力循環(huán)壓力則會加重垂直失調(diào);

(3) 對于熱水系統(tǒng),在運(yùn)行調(diào)節(jié)過程中,與設(shè)計(jì)工況比較,不平衡率加大,對于熱源位置、同程式與異程式管網(wǎng),重力循環(huán)壓力作用下的不平衡率有較大的差別,量調(diào)節(jié)的不平衡率大于質(zhì)調(diào)節(jié)的不平衡率;

(4) 對于高層建筑空調(diào)水系統(tǒng),在夏季工況,重力循環(huán)壓力的影響可以忽略;在冬季工況垂直失調(diào)變大,在量調(diào)節(jié)過程中,垂直失調(diào)會加重.

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 賀 平,孫 剛.供熱工程(第四版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009:66-69.

[2] 陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(第二版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007:379-385.