下供下回雙管采暖系統(tǒng)水力計(jì)算分析

余太保〔甘肅省建筑設(shè)計(jì)研究院，甘肅 蘭州 730030〕

下供下回雙管采暖系統(tǒng)一般使用在頂層難以設(shè)置水平干管或標(biāo)準(zhǔn)較高的多層建筑中，它將水平供、回水干管敷設(shè)在地溝內(nèi)，形式較為靈活，但由于必須考慮自然循環(huán)壓力，水力計(jì)算較為復(fù)雜，這種形式在設(shè)計(jì)中并不普遍。《住宅設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》實(shí)施以來(lái)，下供下回雙管采暖系統(tǒng)在住宅樓內(nèi)系統(tǒng)中開(kāi)始廣泛采用。

1 計(jì)算模型設(shè)定

1）模型為普通三層建筑的散熱器和分戶熱計(jì)量下供下回共用立管。

2）溫降只存在于散熱設(shè)備中,采暖系統(tǒng)其它位置均沒(méi)有溫降。

3）每層用戶對(duì)于共用立管而言，供、回水溫度相同。及供、回水立管內(nèi)熱媒溫度總是設(shè)定值：散熱器采暖供、回水立管溫度為75oC/50oC；低溫地板輻射采暖供、回水共用立管溫度為 45oC/35oC。

4）每層散熱器阻力,及每層熱計(jì)量戶內(nèi)系統(tǒng)阻力均相同，（散熱器總阻力以符號(hào)Hs代替,分戶熱計(jì)量戶內(nèi)系統(tǒng)阻力以符號(hào)Hh代替。）立管內(nèi)流速(v)相同。

5）外網(wǎng)和室內(nèi)水平干管對(duì)于同一立管的各并聯(lián)環(huán)路,其阻力相同，以符號(hào)Hw代替。

圖1 散熱器下供下回異程式采暖立管

2 下供下回雙管異程式采暖系統(tǒng)

見(jiàn)圖1和圖2，三個(gè)并聯(lián)環(huán)路分別為：

H1：A → ① → B；H2：A → ② → B；H3：A→③→B。

由圖可見(jiàn)各環(huán)路局部阻力系數(shù)ξ分別為：一層2×1.5；二層2×2.5；三層2×3.5。

圖2 分戶熱計(jì)量下供下回異程式采暖共用立管

2.1 機(jī)械循環(huán)水力計(jì)算[1]

H1=Hw+Hs(Hh)+⊿Pm1+⊿Pi

=Hw+Hs(Hh)+2h1λρv2/2d+2×1.5ρv2/2

H2=Hw+Hs(Hh)+⊿Pm2+⊿Pi

=Hw+Hs(Hh)+2(h1+h2)λρv2/2d+2×2.5ρv2/2

H3=Hw+Hs(Hh)+⊿Pm3+⊿Pi

=Hw+Hs(Hh)+2(h1+h2+h3)λρ v 2/2d+2×3.5ρ v2/2

則H3-H2=h3λρ v2/d=2.8λρ v2/d+ρ v2

H2-H1=h2λρ v2/d=2.8λρ v2/d+ρ v2

式中H1―第一環(huán)路總阻力

H2―第二環(huán)路總阻力

H3―第三環(huán)路總阻力

⊿Pm―沿程阻力損失

⊿Pi―局部阻力損失

從機(jī)械循環(huán)的水力計(jì)算可以得出結(jié)論: 一層環(huán)路阻力最小，三層環(huán)路阻力最大，各層阻力只與所在層數(shù)有關(guān)，層數(shù)越高，阻力越大。而且阻力與樓層數(shù)一樣是疊加的，即機(jī)械循環(huán)各層的總阻力只與高度有關(guān)，高度越大，阻力越大。

2.2 自然循環(huán)水力計(jì)算[2]

假設(shè)一層散熱設(shè)備到鍋爐房熱水加熱高度中線的垂直距離為h。到一層、二層、三層環(huán)路的自然作用壓力分別為⊿P1、⊿P2、⊿P3。則：

⊿P1=gh(ρh-ρg)

⊿P2=gh(ρh-ρg)+gh2(ρh-ρg)

⊿P3

=gh(ρh-ρg)+gh2(ρh-ρg)+gh3(ρh-ρg)

⊿P3-⊿P2=gh3(ρh-ρg)

=2.8g(ρh-ρg)

⊿P2-⊿P1

=gh2(ρh-ρg)=2.8g(ρh-ρg)

⊿P3-⊿P1

=gh2(ρh-ρg)+gh3(ρh-ρg)

=5.6g(ρh-ρg)

從自然循環(huán)的水力計(jì)算可以得出結(jié)論: 到一層環(huán)路的自然作用壓力最小，到三層環(huán)路自然作用壓力最大。各層自然作用壓力只與所在層數(shù)有關(guān)，層數(shù)越高，自然作用壓力越大。而且自然作用壓力與樓層數(shù)一樣是疊加的，即自然作用壓力只與高度有關(guān)，高度越大，自然作用壓力越大。

75oC/50oC低溫?zé)崴趩挝桓叨壬系淖匀蛔饔脡毫ΘSP為：

⊿P=gh(ρh-ρg)

=9.81×1×(988.04-974.84)=136.95Pa

45oC/35oC低溫?zé)崴趩挝桓叨壬系淖匀蛔饔脡毫ΘSP為：

⊿P=gh(ρh-ρg)

=9.81×1×(994.03-990.21)=37.47Pa

2.3 總壓力損失

通過(guò)以上計(jì)算分析，在機(jī)械循環(huán)下供下回雙管異程式采暖系統(tǒng)中，機(jī)械循環(huán)產(chǎn)生的阻力和自然循環(huán)帶來(lái)的壓力，在本模型中都只隨高度變化，且隨高度的增加而增加。因此是相互抵消的。

當(dāng)某一高差內(nèi)的機(jī)械循環(huán)產(chǎn)生的阻力和自然循環(huán)帶來(lái)的壓力相等，即當(dāng)

H3-H2=h3λρ v2/d+ρ v2

=⊿P3-⊿P2=gh3(ρh-ρg)

h3λρ v 2/d+ρ v 2=gh3(ρh-ρg)時(shí) ,系統(tǒng)可達(dá)徹底的水力平衡。

由于ρ≈(ρh-ρg)/2,上式可以簡(jiǎn)化為

v 2 (λh3 / d + 1) = 2g h3

摩擦系數(shù)λ和重力加速度g是固定值，因此確定某一高差h3的兩個(gè)環(huán)路的水力平衡時(shí)，只需要調(diào)整高差間管徑d及熱媒流速v，使上式在水力平衡允許的范圍內(nèi)成立。

也可以按照單位高度自然循環(huán)的作用壓力，來(lái)控制機(jī)械循環(huán)產(chǎn)生的單位摩擦阻力損失，以達(dá)到水力平衡。即當(dāng)?shù)蜏責(zé)崴疄?5oC/50oC時(shí)，單位摩擦阻力損失應(yīng)控制在136.95/2 Pa左右；當(dāng)?shù)蜏責(zé)崴疄?5oC/35oC時(shí)，立管單位摩擦阻力損失應(yīng)控制在37.47/2Pa左右。

高于上值時(shí)，自然循環(huán)作用減弱，機(jī)械循環(huán)作用增強(qiáng)，越下層越熱，可能產(chǎn)生下層過(guò)熱的垂直失調(diào)，且越遠(yuǎn)離上值，垂直失調(diào)現(xiàn)象越嚴(yán)重；相反，低于上值時(shí)，機(jī)械循環(huán)作用減弱，相應(yīng)自然循環(huán)作用增強(qiáng)，可能產(chǎn)生上層過(guò)熱的垂直失調(diào)，且越遠(yuǎn)離上值，垂直失調(diào)現(xiàn)象越嚴(yán)重。

從立管單位摩擦阻力上看，散熱器采暖立管系統(tǒng)在正常設(shè)計(jì)取值范圍,因此很容易達(dá)到水力平衡；低溫地板輻射低于正常設(shè)計(jì)取值,因而需要增大立管管徑,但是低溫地板輻射戶內(nèi)系統(tǒng)阻力在3×104Pa上下,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于立管阻力(低溫地板輻射系統(tǒng)約111Pa),因此低溫地板輻射采暖立管按正常取值,即按散熱器采暖立管取值(散熱器系統(tǒng)約400Pa),總阻力增加也在2%范圍內(nèi),依然不影響水力平衡。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）散熱器和分戶熱計(jì)量共用立管,由于只有采用下供下回雙管異程式采暖系統(tǒng)，機(jī)械循環(huán)產(chǎn)生的阻力和自然循環(huán)帶來(lái)的壓力是相互抵消的。因此應(yīng)采用下供下回雙管異程式采暖系統(tǒng)，避免上供上回異程式系統(tǒng)及同程式采暖系統(tǒng)。

2）如果解決了系統(tǒng)底層的承壓和熱媒的沿程溫降問(wèn)題，下供下回雙管異程式采暖立管可以并聯(lián)無(wú)窮多個(gè)樓層，也就是說(shuō)，高層建筑可不必分區(qū)。

3）注意遵循“干管宜大，支管宜小”的選管原則。

[1]黃艷 關(guān)于集中采暖住宅分戶熱計(jì)量采暖設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)體會(huì)［J］.區(qū)域供熱》.2006年06期：12-15