某住宅小區(qū)供暖熱水管網(wǎng)水力平衡計算與分析

何雪強(qiáng)

（福建省博意建筑設(shè)計有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

供熱工程在調(diào)試、運(yùn)行過程中，室溫經(jīng)常無法符合設(shè)計要求，即熱源近端用戶室內(nèi)溫度過高，而遠(yuǎn)端用戶則出現(xiàn)室內(nèi)溫度不達(dá)標(biāo)的情況。其主要原因往往是水系統(tǒng)各并聯(lián)環(huán)路之間出現(xiàn)嚴(yán)重水力失衡的情況，導(dǎo)致末端換熱設(shè)備的供熱量大幅偏離設(shè)計條件，進(jìn)而影響室溫調(diào)節(jié)。為保證末端用戶的供熱效果，后期運(yùn)維人員常采取提高二次熱水溫度，或提升水泵揚(yáng)程的方法。上述做法雖能解決用戶供熱需求，卻同時帶來熱源效率降低、熱媒輸配功耗增加等一系列問題。

筆者在參與住宅供暖項目設(shè)計時發(fā)現(xiàn)，小區(qū)二次供熱管網(wǎng)設(shè)計一般都滯后于單體供暖施工圖，且由不同設(shè)計人員來完成，設(shè)計人員往往會忽視各并聯(lián)水環(huán)路的資用壓頭，僅按最大允許流速、經(jīng)濟(jì)比摩阻直接確定管徑，確定單體熱力入口處平衡閥規(guī)格時，要直接按接管管徑選型。大量工程案例表明，按上述錯誤的設(shè)計做法，僅依靠后期調(diào)試很難實現(xiàn)水力平衡，無法使每個房間的實際散熱量與設(shè)計供熱量相匹配。因此，筆者以某住宅小區(qū)供暖工程為例，淺談設(shè)計過程中熱水管網(wǎng)水力平衡的計算與設(shè)計。

1 相關(guān)規(guī)范條文

文獻(xiàn)[1]第5.9.11 條：“室內(nèi)熱水供暖系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)進(jìn)行水力平衡計算，并應(yīng)采取措施使設(shè)計工況時各并聯(lián)環(huán)路之間（不含共用段）的壓力損失相對差額不大于15%?！碑?dāng)雙管系統(tǒng)并聯(lián)環(huán)路之間的壓力損失相對差額不大于15%時，最大流量偏差可控制在8%左右，平均水溫及散熱量偏差可控制在2%左右[3]，可保證供暖系統(tǒng)的運(yùn)行效果。

文獻(xiàn)[2]第5.3.6 條：設(shè)計室內(nèi)熱水供暖系統(tǒng)時，應(yīng)計算水力平衡，并采取控制措施，使設(shè)計工況下各并聯(lián)環(huán)路之間（不含公共段）的壓力損失差額不大于15%；在計算水力平衡時，要計算水冷卻產(chǎn)生的附加壓力，其值可取設(shè)計供、回水溫度條件下附加壓力值的2/3。

2 計算公式及原理

熱水供暖系統(tǒng)中計算管段的壓力損失計算如下[4]。

式中：ΔP—計算管段的壓力損失，Pa；ΔPy—計算管段的沿程損失，Pa；ΔPi—計算管段的局部損失，Pa；λ—管段的摩擦阻力系數(shù)；d—管段內(nèi)徑，m；l—管段長度，m；ρ—熱水的密度，kg/m3；υ—熱水流速，m/s；ζ—局部阻力系數(shù)，常用管道配件可參考文獻(xiàn)[3]。

熱水供暖系統(tǒng)中一般均為紊流狀態(tài)，采用柯列勃洛克公式[4]，通過迭代計算方式得到整個紊流區(qū)的摩擦阻力系數(shù)。

式中：Re—雷諾數(shù)；K—管壁的當(dāng)量絕對粗糙度，m。室內(nèi)供暖鋼管粗糙度K取0.2mm，塑料管取0.01mm，室外直埋敷設(shè)的鋼管則取0.5mm。

熱水供暖系統(tǒng)中并聯(lián)環(huán)路之間不平衡率的計算如下[4]。

式中：ΔP1—第一環(huán)路總壓力損失，m/s，一般取最不利環(huán)路（不含共用段）；ΔP2—第二環(huán)路總壓力損失，m/s。

對于垂直雙管系統(tǒng)，當(dāng)重力水頭的作用高差大于10m，計算并聯(lián)環(huán)路之間水力不平衡率時，應(yīng)考慮重力水頭H（Pa）[4]。

式中：h—計算環(huán)路散熱設(shè)備中心之間的高差，m；ρr—計算回水溫度下的密度，kg/m3；ρs—計算供水溫度下的密度，kg/m3；g—重力加速度，m/s2。

閥門阻力系數(shù)計算如下[4]。

式中：Kv—閥門阻力系數(shù)；G—通過流量，m3/h；ΔP—閥前、后壓力差，100kPa。

3 項目概述

該項目位于山東省濱州市，總建筑面積為15.4 萬m2，共有11 棟高層住宅，8 棟多層住宅以及2 棟配套公共建筑。供暖供回水由小區(qū)內(nèi)地上獨(dú)棟換熱站提供。供暖系統(tǒng)豎向分為高、低2 個區(qū)，站內(nèi)分別設(shè)置高、低區(qū)換熱系統(tǒng)。換熱站熱源由市政一次熱網(wǎng)提供，經(jīng)板式換熱器熱交換后提供二次供暖熱水，供回水溫度為45/35℃。

該地塊1～11 層為低區(qū)，12～22層為高區(qū)，低區(qū)熱負(fù)荷為4172.3kW，高區(qū)熱負(fù)荷為2389.4kW。進(jìn)出換熱站管道處至供暖系統(tǒng)末端最不利環(huán)路的壓力損失分別為低區(qū)161.5kPa，高區(qū)143.4kPa。

住宅樓棟內(nèi)供暖主立管采用下供下回異程式，在共用立管供水管始端、回水管末端設(shè)置手動調(diào)節(jié)閥及泄水裝置。單體采用共用立管的分戶熱計量方式，樓棟熱力入口處設(shè)總熱量表作為貿(mào)易結(jié)算表，各戶設(shè)戶將熱量表作為戶用分?jǐn)偙怼魞?nèi)為混凝土填充式熱水地面輻射供暖系統(tǒng)，采用分戶溫控形式。

4 水力平衡的計算與分析

4.1 末端供暖水管的水力計算

末端供暖水管包含水平干支管、分支豎管、埋地入戶管以及戶內(nèi)地暖管線。以20#樓為例，標(biāo)準(zhǔn)層單元為一梯兩戶，層高2.95m，共22 層。取左側(cè)戶型最不利計算環(huán)路，標(biāo)示出各個管段的編號，見圖1。按公式（1）、（2）計算出設(shè)計工況下該環(huán)路的總阻力，其中集分水器、恒溫控制閥、Y 型過濾器、熱量表合計阻損按工程經(jīng)驗值取15kPa，結(jié)果見表 1。

圖1 20#樓末端供暖水管計算管段標(biāo)示圖

4.2 豎向共用立管水力平衡計算與分析

考慮水力平衡因素，宜將共用立管比摩阻控制在30Pa～60Pa。同樣以20#樓低區(qū)供暖立管為例，計算豎向水力平衡率。首先按公式（1）、（2）計算共用立管的阻力值，見表2。如圖2，該系統(tǒng)不平衡率最大值出現(xiàn)在并聯(lián)環(huán)路A-11’-B 與A-1’-B。其中最有利環(huán)路A-1’-B 的阻損為末端供暖水管總阻力，即24.1kPa。計算最不利環(huán)路A-11’-B 總阻損時，應(yīng)將重力水頭從供回水立管總阻力中扣除。公式（4）計算的重力水頭為0.79kPa，進(jìn)而計算最大不平衡率。

圖2 20#樓低區(qū)共用立管管段標(biāo)示圖

計算結(jié)果符合水力平衡要求。由此可見，共用立管管徑不宜過小，設(shè)計時應(yīng)按計算結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。由表1、表2 可知，20#樓低區(qū)樓棟內(nèi)總阻力損失為55.5kPa?？汕蟮闷渌袠菞潱▎卧﹥?nèi)高、低區(qū)熱水系統(tǒng)的總阻力損失。

表1 20#樓標(biāo)準(zhǔn)層戶內(nèi)水管水力計算表

表2 20#樓低區(qū)共用立管水力計算表

4.3 二次供暖熱水管網(wǎng)水力平衡計算與分析

二次熱網(wǎng)管道室外部分采用無補(bǔ)償（冷安裝）直埋熱力管道技術(shù)，室內(nèi)部分則在地下一層車庫內(nèi)敷設(shè)。選最遠(yuǎn)端1#樓12-2 支環(huán)路為低區(qū)供熱水系統(tǒng)的最不利環(huán)路，并計算其總阻力損失，結(jié)果見表3。由表3 可見，主干管沿程比摩阻在30Pa～100Pa，符合水力平衡設(shè)計要求[4]。低區(qū)供熱總水流量為360.4m3/h，最不利環(huán)路總阻力損失為161.5kPa?，F(xiàn)以低區(qū)供暖系統(tǒng)中20#樓2-4 支環(huán)路為例，計算該環(huán)路與最不利環(huán)路之間的水力不平衡率，并對該棟樓熱力入口處平衡閥進(jìn)行選型。根據(jù)表3、表4 計算20#樓2-4 環(huán)路與最不利環(huán)路（不含共用管段1、2）的不平衡率。

表3 低區(qū)最不利環(huán)路水力計算表（1#樓12-2 支環(huán)路）

表4 低區(qū)20#樓2-4 環(huán)路水力計算表

2-4 環(huán)路樓棟熱力入口處選用SPF45-16 數(shù)字鎖定平衡閥，計算閥門阻力系數(shù)。

式中：取平衡閥全開時壓力損失值為5kPa。根據(jù)Kv值查廠家提供的該型號平衡閥線算圖，選取平衡閥管徑為DN80，設(shè)計工況下開度為44%，最優(yōu)工作區(qū)間為30%～80%。

由上述計算過程可見，與最不利環(huán)路并聯(lián)的環(huán)路，在滿足最大水流速的條件下，支干管的設(shè)計比摩阻應(yīng)盡量取大值，以平衡資用壓頭的富裕度；當(dāng)受最大水流速制約而產(chǎn)生較大不平衡率時，應(yīng)在樓棟熱力入口處設(shè)置調(diào)節(jié)平衡裝置，并校核設(shè)計工況下的閥門開度。

5 結(jié)語

與空調(diào)供冷水系統(tǒng)相比，供暖水系統(tǒng)具有供回水溫差大、水流量相對小的特點。各并聯(lián)水環(huán)路溫降偏離設(shè)計值的幅度受水力失調(diào)程度的影響大，不可以忽視其水力平衡的計算。設(shè)計支狀異程式熱力管網(wǎng)時，供熱半徑不宜過大，干支管環(huán)路水流量應(yīng)力應(yīng)該均勻?qū)ΨQ，干管上不宜設(shè)置過多小流量的支環(huán)路。優(yōu)先調(diào)整管徑，使并聯(lián)環(huán)路之間阻力損失的計算相對差額最小，必要時可在支環(huán)路上設(shè)置靜態(tài)或動態(tài)平衡閥。根據(jù)該支環(huán)路的流量、資用壓頭進(jìn)行平衡閥規(guī)格、開度的選型計算，不可以直接按接管管徑選型。