供暖水力計算模型開發(fā)與教學(xué)實踐

張健 董昕玥 李炎 孫三祥

蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院

建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)學(xué)生無論在專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，還是在課程設(shè)計及畢業(yè)設(shè)計等實踐環(huán)節(jié)的執(zhí)行過程中都離不開水力計算這一重要內(nèi)容[1-4]。所謂的水力計算就是流量分配計算，確定系統(tǒng)管路各管段管徑及各管段的阻力損失，同時需要對并聯(lián)環(huán)路進行阻力平衡計算，使系統(tǒng)中各分支環(huán)路分配的水流量符合用戶所需的流量要求。水力計算在該專業(yè)教學(xué)過程中既是重點也是難點。水力計算在整個課程設(shè)計或是畢業(yè)設(shè)計中所占用的工作量約占整個實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的1/4 到1/3。大型的管網(wǎng)系統(tǒng)，甚至占用更多的時間。水力計算耗時費力。而且按照目前傳統(tǒng)的水力計算方法進行水力計算，在管網(wǎng)水力平衡中也不盡如人意。往往由于管道規(guī)格不是連續(xù)變化的，導(dǎo)致無法選取理想的管徑規(guī)格，使管網(wǎng)水力計算不平衡率遠遠超出設(shè)計規(guī)范要求值，則系統(tǒng)出現(xiàn)水力失調(diào)現(xiàn)象，水力失調(diào)的實質(zhì)是管路實際流量不能滿足設(shè)計流量要求。對于一個供暖系統(tǒng)而言，最直接的影響是造成熱用戶冷熱不均，嚴重影響供暖質(zhì)量，同時造成能源的極大浪費[5]。因此，供暖系統(tǒng)中水力計算顯得格外重要，是供暖系統(tǒng)設(shè)計最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)[6]。面對傳統(tǒng)水力計算繁雜的計算步驟和超大的計算量，往往使學(xué)生望而卻步，不能認真完整的進行整個管網(wǎng)的水力計算任務(wù)。找到一種省時省力，方法簡單可靠，突破傳統(tǒng)的新的水力計算方法是一個焏待解決的重要問題。本文針對傳統(tǒng)水力計算方法的不足，另辟蹊徑，通過比例縮放，使各種規(guī)格管道，管件，設(shè)備及附件模型化。并且在模型上記錄其各種水力參數(shù)。然后根據(jù)管路阻抗與流量之間存在的數(shù)學(xué)關(guān)系，按設(shè)計管網(wǎng)采用實物模型，使之滿足計算水力要求[7]。

1 水力計算理論分析

1.1 并聯(lián)管路流量分配原理

如圖1 所示的并聯(lián)管路，管路的總流量等于各并聯(lián)管路流量之和。各分支管段的流量分配與其通導(dǎo)數(shù)成正比。各分支管段阻力數(shù)S 值不變時，管段的總流量在各分支管段上的流量分配比例不變。管路的總流量增加或減少多少倍，并聯(lián)環(huán)路各分支管段的流量也相應(yīng)增加或減少多少倍[8]。

圖1 并聯(lián)管路

式中：G 為管路總流量，kg/h；ΔP 為計算管段的阻力損失，Pa；G1、G2、G3為各并聯(lián)分支管路的流量，kg/h；S1、S2、S3為各并聯(lián)分支管路的阻力數(shù)，Pa/(kg/h)2；a1、a2、a3為各并聯(lián)分支管路的通導(dǎo)數(shù)，(kg/h)/Pa1/2。

1.2 計算管段的阻力損失ΔP

計算管段的阻力損失ΔP 等于該管段沿程阻力損失和局部阻力損失之和。即滿足下式。

1.3 針對S 中的兩部分Sy、Sj 分別研究

1）計算管段沿程阻力損失所占阻抗Sy

定義Sy：

式（7）中l(wèi) 為計算管段管長，現(xiàn)管長l 取1 m，則式（7）可寫為：

式（8）中d 為管子內(nèi)徑，單位為m，如果單位取mm，則式（8）變?yōu)槿缦滤荆?/p>

對于室內(nèi)供暖系統(tǒng)常用焊接鋼管規(guī)格見表1：

表1 焊接鋼管規(guī)格參數(shù)

式（9）中ρ 為熱水供暖系統(tǒng)中熱水的密度。在水力計算中一般取冬季供暖熱水平均溫度為60 ℃來計算，其相應(yīng)水的密度ρ=983.248 kg/m3。

式（9）中λ 為管段的摩擦阻力系數(shù)。摩擦阻力系數(shù)λ 值一般是用實驗方法確定的。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)整理的曲線，按照流體流動時所處的不同流動型態(tài)，通過數(shù)學(xué)方法整理的一些經(jīng)驗公式用于摩擦阻力系數(shù)λ 值的計算。對于室內(nèi)熱水供暖系統(tǒng)，熱水在管路內(nèi)的流動型態(tài)，幾乎都是處于紊流過渡區(qū)內(nèi)。由此可以確定λ值。對于室內(nèi)熱水供暖系統(tǒng)，各種不同管道規(guī)格的摩擦阻力系數(shù)λ 值見表1。

通過上述對四個參數(shù)的分析計算，可以得到室內(nèi)熱水供暖系統(tǒng)中各種不同管道規(guī)格1 米管長時，沿程阻力損失所占阻抗Sy1值，見表1 所示。

為了便于水力計算模型實物化，對表1 得到的Sy1擴大（106/4）倍，并取整，則得到Sy1k見表1。

2）計算管段局部阻力損失所占阻抗Sj

式（10）中d 為管內(nèi)徑，單位為m，如果單位取mm，則式（10）變?yōu)槭剑?1）所示。

各種不同管徑規(guī)格的管件、閥門的Sj值具體見表2 所示。

表2 管件、閥門規(guī)格參數(shù)

同樣，為了便于水力計算模型實物化，對表2 中得到的Sj擴大（106/4）倍，并取整得到Sjk，其值見表2。

2 建立模型

根據(jù)上述各種規(guī)格管段、管件計算參數(shù)Sy1、Sj，建立實物模型。模型管徑寬度和厚度均取25 mm，長度尺寸比例按1:25 取值。同時將管徑規(guī)格和Sy1k、Sjk值標注于模型。

室內(nèi)供暖系統(tǒng)最不利環(huán)路，是指從供暖入口起點至最遠散熱設(shè)備所在的環(huán)路，通常管路最長，比摩阻R值最小，按水力計算要求，水力計算一般從最不利環(huán)路開始計算。最不利環(huán)路管徑的選擇，一般采用參考經(jīng)濟比摩阻通常取60～120 Pa/m。由此得出用于最不利環(huán)路的各種規(guī)格管徑所能承擔(dān)的流量、熱負荷的范圍，見表3。表中數(shù)據(jù)由熱水供暖系統(tǒng)供、回水平均溫度取60 ℃，K=0.2 mm 計算。

表3 最不利環(huán)路管徑選取

根據(jù)表3，對最不利環(huán)路各管段管徑的確定，可依據(jù)每個計算管段承擔(dān)的熱負荷或流量值，選定所需模型管徑規(guī)格。使最不利環(huán)路水力計算直觀、快捷。

3 實驗驗證

確定圖2 所示某公共建筑機械循環(huán)垂直單管順流異程式熱水供暖系統(tǒng)管路的管徑。熱媒參數(shù)：供水溫度tg=75 ℃，回水溫度th=50 ℃。系統(tǒng)與室外管網(wǎng)連接。散熱器內(nèi)的數(shù)字表示熱負荷（W）。層高為3 m。圖中小圓圈內(nèi)的數(shù)字表示管道編號。羅馬字符表示立管編號。

圖2 供暖系統(tǒng)圖

通過傳統(tǒng)水力計算可以看出，供暖系統(tǒng)兩個并聯(lián)環(huán)路，其中通過立管Ⅱ的并聯(lián)環(huán)路，經(jīng)計算其不平衡率達到35.9%，遠遠大于規(guī)范規(guī)定不大于15%的要求。其中通過立管Ⅰ的并聯(lián)環(huán)路，經(jīng)計算其不平衡率為-3.4%，滿足規(guī)范規(guī)定的要求。

2）應(yīng)用模型

根據(jù)最不利環(huán)路參數(shù)圖表確定的最不利環(huán)路各管段管徑與傳統(tǒng)水力計算得到的最不利環(huán)路各管段管徑進行對比，發(fā)現(xiàn)各對應(yīng)管段管徑規(guī)格完全相同。

通過新模型水力計算可以看出，供暖系統(tǒng)兩個并聯(lián)環(huán)路，其中通過立管Ⅱ的并聯(lián)環(huán)路，經(jīng)計算其不平衡率達到-7.7%。其中通過立管Ⅰ的并聯(lián)環(huán)路，經(jīng)計算其不平衡率為-3.4%，兩個并聯(lián)環(huán)路不平衡率均滿足規(guī)范規(guī)定的要求。

3）兩種水力計算所用時間對比

隨機選取8 位同學(xué)，讓他們分別用傳統(tǒng)水力計算方法和新模型對上述管網(wǎng)進行計算。采用傳統(tǒng)水力計算方法平均所用時間為11.75 h，而采用新模型進行水力計算僅耗時半小時左右。提高工作效率近20 倍。

4 結(jié)論

使用傳統(tǒng)水力計算方法部分并聯(lián)環(huán)路水力計算不平衡率不能滿足規(guī)范要求。而使用模型方法，不平衡率全部達到了規(guī)范要求。與傳統(tǒng)水力計算相比，新模型將原計算管段（由若干米同一管徑構(gòu)成）可拆分1米為單元的兩種管徑，可隨時變更兩種管徑所占長度，更易水力平衡。利用最不利環(huán)路計算簡表及各規(guī)格管道模型參數(shù)，可快速完成水力計算。省時省力，效果顯著。

新的水力計算方式徹底改變了傳統(tǒng)水力計算所存在的耗時耗力，且水力不平衡率偏高的不足，極大的減少學(xué)生水力計算的工作量，提高了工作效率，同時新方法降低了水力不平衡率，使系統(tǒng)設(shè)計性能更加優(yōu)越。新模型既可用于實驗教學(xué)，也可用于工程實踐，具有較強的應(yīng)用價值[9]。