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                              我国分户热计量采暖系统的特性

                              时间:2014-07-25 11:21来源:未知阅读:

                              中国市政工程西北设计研究院有限公司   陈亮

                              摘  要:本文根据分户热计量采暖系统末端散热器的热工特性,定性分析热媒流量、参数等对散热器可调性的影响,推荐适合分户热计量系统的采暖系统形式和热媒参数等,同时提出了消除系统水力失调的重要性,供设计人员在设计时参考。

                              关键词:变流量  可调性  双管系统  变速泵

                              按需供热,按热量计量是建筑节能的一项基本措施,是我国集中供热发展趋势。而设计建造分户热计量采暖系统是实现按需供热,按热量计量的前提。装备有分户热计量采暖系统的用户可以根据自己的需求通过调节调节装置来控制室内温度,最大可能的利用室内自由热,同时可以实施行为节能。分户热计量采暖系统与传统的非分户热计量采暖系统相比,除了具有可以依据室外温度的变化来调节供热量外,用户还有了一定的自主调节手段,从而使供热系统的流量具有一定的不可确定变化性。这种用户通过调节调节装置控制室内温度的变化本质上是通过控制流经散热器流量的大小来调节散热器供热量的多少,从而达到控制室温的目的。因此一个运行良好的分户热计量采暖系统就必须具备可调性,以保证用户的自主调节和供热效果。

                              1 分户热计量系统的运行特性

                              由于安装于散热器上控制装置的自主及自动调节,使得流经分户热计量采暖系统散热器的水流量是变化的,从而导致整个供热系统负荷侧是变流量运行。分户热计量采暖系统的主要运行特性就是用户可以对室温的自主调节和对用热量的控制,采暖热计量的根本就是采暖系统的可调性。
                              鉴于上述分户热计量采暖系统的运行特性,本文从分析散热器的热工工况出发,分析热媒的流量、供回水温差以及供水温度对散热器散热量可调性的影响,同时根据各种采暖系统的特点,选择适应分户热计量采暖系统特性的采暖系统形式,满足用户调节和热计量的要求。

                              2 散热器的热力工况

                              2.1 流量对散热量的影响

                              图1是某一散热器相对散热量与相对流量关系曲线图,图中横坐标为以设计流量为准的相对流量,纵坐标为以设计散热量为准的相对散热量,供水温度85℃。图中曲线150kg/h、100kg/h、50kg/h分别表示流经散热器的流量。我们分析图中流量为100Kg/h的曲线,当流量下降为设计流量的65%时,此时散热量与设计散热量相比只减少了5%;当流量减少50%时,散热量只减少10%;当流量减少到20%时,散热量减少35%;当流量减少10%时,散热量只减少55%。通过以上数据说明当流经散热器的流量有较大幅度的减少时,散热量才有明显的下降。我们再比较图中流量150kg/h、50kg/h的两条曲线,流经散热器流量大的曲线斜率大,因此可以得出散热器在小流量条件下的调节特性好,曲线接近线性;流经散热器的流量大时散热器的调节性能较差。
                              我国分户热计量采暖系统的特性
                                      
                              图2为某一散热器在流经散热器的流量大于设计工况流量时的相对散热量与相对流量关系曲线图。从图中我们可以看到,散热器的散热量随流量的增大而增加,而且设计工况流量越大,其散热量随流量增大而增加的幅度愈小;设计工况流量愈小,其散热量随流量增大而增加的幅度就愈大。如流量增加到设计流量的160%,分析Δt=10℃的曲线,此时由于流经散热器的流量大,散热器的散热量仅增加到设计工况值的105%,而对于Δt=20℃的曲线,此时流经散热器的流量相对较小,散热器的散热量增加到设计值的110%,而Δt=40℃时,此时流经散热器的流量最小,其散热量也不过增加到设计值的125%,但流经散热器的越小,其散热量增加幅度越大。
                              我国分户热计量采暖系统的特性

                              从图2分析中可知,当系统供水温度一定时,散热器的散热量将随流量的增加而增加,但随着流量的增加,散热器的散热能力在变差,也就是说随着流经散热器流量增加,散热器的散热能力趋于饱和,其调节性变差。 
                              对于分户热计量采暖系统来说,用户是通过调节温控阀来调整流经散热器的流量实现调节散热器的散热量,从而达到调节室内温度。从上分析可知流经散热器设计工况的流量越大,散热器的调节性越差,所以具有流量调节性能好的小流量采暖系统适宜于分户热计量采暖系统。

                              2.2 供回水温差对散热器特性的影响 

                              我国分户热计量采暖系统的特性
                                 为说明流经散热器热媒的不同温差对散热器散热特性的影响,图3给出了某一散热器的以相对流量为横坐标,相对热量为纵坐标的散热器调节曲线图。图3中供水温度均为90℃,曲线1,2,3,4分别表示温差为10℃,20℃,30℃,40℃。比较图3中的曲线1、2、3、4会发现随着温差的变化,流经散热器流量变化所引起散热量的变化速率是不同的。当流量减少50%时,曲线1、2、3、4的散热量分别下降了10%、18%,25%和30%。这说明随着流量的变化,热媒温差大的散热器散热量变化大,温差小则散热量变化小。当供回水温差为10℃时,控制流经散热器流量在0%~20%的范围内变化时,散热器的散热量变化从0%到70%,这意味着要控制低于70%设计值的散热量,就要对20%以内的流经散热器的流量进行调节,此时流量微小的变化就会引起散热量的巨变;而流量在20%~100%这段范围内变化时,散热器的散热量变化只有30%,这充分说明小温差系统的调节性能差。当热媒供回水温度差小于10℃的情况,既当系统在小温差大流量下运行时,调节流经散热器流量在20%~100%范围内变化,其散热器的散热量最多只有30%的变化幅度,其调节性将会更差。从图中我们可以看到,随着流经散热器的热媒温差加大,其曲线趋于线性,在整个流量变化范围内,流量的变化引起的散热量相对变化明显,曲线4表示流经散热器的流量在±20%内变化时,其散热器散热量的变化幅度可达到±10%的变化范围。所以,在分户热计量采暖系统中,应尽量避免大流量小温差的运行方式。这就进一步说明在分户热计量采暖系统中,大温差小流量供热系统运行方式更适应用户的调节。

                              2.3 供水温度对散热量的影响

                              为了考察热媒的不同供水温度对散热器散热量的影响,以某种型号的散热器为例进行计算得出不同供水温度条件下散热器的调节曲线,如图4所示。从图中看到,热媒供水温度高时散热器的调节性能好。随着热媒温度的降低,调节曲线越来越平缓,说明散热器的调节性能变差。当流经散热器的流量大于120kg/h以后,不同的供水温度的散热器调节曲线趋于平行,变化率基本相同。也就是说,当流经散热器的大于120kg/h后,无论供水温度多少,散热器已不具备调节性能。而当流经散热器的流量小于70kg/h时,在流量变化20%的范围内,随着供水温度的不同,散热量变化在10~20%的范围内。而供水温度越大,散热量的变化幅度也越大,同时该曲线图也充分说明了在使用散热器作为散热设备的分户热计量系统中,随着流经散热器流量的增加,散热器散热量的调节性变差。
                              我国分户热计量采暖系统的特性

                              通过上述对流经散热器热媒流量、温差及温度对散热器调节性能影响的分析,我们知道散热器的散热特性在热工性能图上表现为一上拱曲线,散热器的散热量不仅与供水温度有关,还与流经散热器的水流量和供回水温差等因素有关。为保证散热器的散热量具有一定的可调性,应使流经散热器的介质温度高,流量小和进出散热器的介质温差大。因此,在设计工况下应保证进入散热器的热媒温度大于85℃,进出散热器的热媒温差大于10℃,流经散热器的流量小于70kg/h。

                              3 适合分户热计量的采暖系统

                              为了适应分户热计量和用户调节的要求,分户热计量室内采暖系统形式与非分户热计量不可调控采暖系统相比发生了比较大的变化。首先是以户为单位设置系统的出现,其次是系统散热器的散热量是可自主调节或手动调节的,室内温度由用户自己决定。目前以户为单位的采暖系统在使用散热器作为散热设备时,可采用的采暖系统大体可分为双管系统、单管系统、单管跨越系统三种形式的采暖系统。下面对这三种采暖系统形式的可调性分别加以分析。

                              3.1 双管采暖系统

                                  双管采暖系统热媒进入每组散热器热媒温度一致,一般可以认为其就为热源的供水温度,目前我国民用建筑室内采暖系统热水热媒的最高设计温度为95℃,为系统中的最高温度。如前所述,从热媒供水温度对散热器散热量可调性的分析可知,供水温度高,散热器的散热量调节性能好。同时该系统供回水温差最大,国内绝大多数双管采暖系统的设计工况供回水温差均为25℃,由于温差大,在满足同等的散热量的情况下,流经散热器的流量是三种采暖系统中属于最小。双管采暖系统具有散热器均处于最高供水温度、最大温差和小流量的工作工况,同时双管采暖系统流经每组散热器的流量可以分别调节,且其调节对其他散热器的影响最小,散热器的调节性最好,采暖系统是一个变流量系统。 

                              3.2 单管采暖系统

                              在单管采暖系统中,由于每组散热器的进水温度是逐组降低的,流经每组散热器的供回水温差小,一般在5~15℃之间,系统的流量是全部经过每组散热器,流经每组散热器的流量一般是双管采暖系统的2~4倍,在同等散热量的条件下,流经散热器的流量在三种采暖系统形式中最大。如前所述有关流量、温差及进水温度等对散热器可调性影响分析可知,在单管采暖系统中由于流经散热器的流量最大,温差最小,温度逐渐降低,因此单管采暖系统可调节性在三种采暖系统中属于最差,而且越接近系统末端的散热器,其调节性越差。同时处于下游的未调节散热器总是要受到其上游其他散热器调节行为的影响,为了保证用户的供热效果,减少用户间的调解耦合性,一般单管采暖系统采用定流量质调节,该调节方式的节能效果最差。因此,在设计分户热计量采暖系统时,一般不宜采用单管采暖系统。

                              3.3 单管跨越采暖系统

                              单管跨越采暖系统流经每组散热器的进水温度也是逐组降低的,但每组散热器的进水温度要比单管采暖系统高,而且流经每组散热器的流量可以在0~100%之间调节,每组散热器流量的调节受其他散热器调节的影响相比单管系统要小,而流经散热器的介质温差介于双管采暖系统和单管采暖系统之间,但每组散热器的调节将对其下游散热器的进水温度产生耦合作用。因此单管跨越采暖系统的可调性是介于双管采暖系统和单管采暖系统之间。为了增大单管跨越采暖系统的可调性,在设计单管跨越采暖系统时应根据加大散热器进出口温差,减少散热器的进流量,提高散热器的调节性来设置旁通管,保证旁通管具有0.7的分流系数,根据目前已运行的单管跨越采暖系统实际状况,一般旁通管(或跨越管)管径宜与立管同径。目前国内绝大数既有建筑的采暖系统为单管采暖系统,为了对既有建筑采暖系统进行分户热计量改造,同时为降低工程改造投资,减少对原有系统的影响,单管顺流式采暖系统改造宜首先选用增加旁通的跨越管系统。因此,单管跨越采暖系统是既有建筑单管顺流采暖系统改造的首选系统。

                              4 水力失调对系统调节性的影响

                              热水采暖系统各用户或各散热设备中的实际流量与设计流量不相符,称为该用户或该散热设备水力失调。而供热系统特别是室外管网的水力失调是其先天性的弊病,由于受管网管径规格的限制,以及设计、施工等各方面的影响,供热系统各段管网的阻力值与设计状况不可能一致,且绝大多数室外管网是异程布置。异程布置管网系统热源循环水泵提供的资用压力呈现两极分化的趋势,最不利环路的距离最远,阻力最大,所需的资用压力最大,却处在管网中最不利的位置,末端用户的流量通常情况下达不到设计流量的一半;而距离热源越近的用户其环路阻力也就越小,反而处在离循环水泵最近处、管网提供的资用压力最大的位置,其流经用户的流量往往是设计流量数倍,从而由水力失调引起了供热系统用户室温的不均匀性。根据图2、图4分析可知,随着流经散热器流量增加,散热器的散热能力接近饱和,散热器的散热性能下降。而目前为了减少水力失调对用户室温不均匀性的影响主要是通过增大系统流量的方法予以解决。通过增大系统流量的目的就是使末端用户流量接近设计流量,提高末端用户散热器的散热能力,同时抑制近端用户散热器的散热能力来达到消除用户室温不均匀的现象。系统大流量运行并没有消除系统的水力失调,而是抑制了用户的调节性,此时还需配置较大的水泵,并增加了能耗,加大了工程的投资和运行费用。这与设置分户热计量采暖系统的目的不一致,这是因为分户热计量采暖系统可调节性是热计量的根本。因此,为了保证系统的可调性和消除用户室温不均匀性的现象,就必须尽可能减少管网的水力失调,设计时做好管网的水力平衡,在管网及热力入口增加必要地流量平衡装置,同时须做好供热管网的初调节,而初调节的目的就是要使每一热用户或散热设备的实际流量与设计流量相一致,即满足用户的实际热负荷需求的流量。

                              5 系统变频循环水泵使用的重要性

                              分户热计量采暖系统就是用户可以随时自主的调节所需的室内温度,用户这种根据自己的需求调节温控阀来控制室内温度,本质上是通过调节流经散热器的流量,即调节散热器的散热量而控制室温。由于用户的自主调节,使热网水力工况变化很大。如系统中某一用户进行调节关小阀门,系统流量将会减少。我们可以通过分析供热管网的水压图可知,系统中除这一用户流量减少外其他用户流量均增加,这一热用户管网上的上游各用户成一致不等比水力失调,而下游各用户成一致等比水力失调。如前所述,流量的增大这将会降低其他用户散热器的可调性,从而影响其他用户的供热质量。为了消除分户热计量采暖系统用户自主调节对其他用户散热器可调性的影响,减少系统调节的耦合性,适应的用户由于自主调节引起系统流量变化的特性,供热管网系统的循环水量也应随之变化。因此分户热计量采暖系统的循环水泵应采用调速水泵,其应该根据系统的流量的变化调整其转速来满足系统流量的变化,从而保证用户系统的调节性不受其他用户调节的影响。

                              6 结论

                                 根据以上分析,我们得出分户热计量采暖系统应该具备以下特性:
                              (1)分户热计量采暖系统采用双管采暖系统;
                              (2)在热负荷一定条件下采用大温差小流量运行;
                              (3)消除管网的水力失调;
                              (4)系统循环水泵采用变速泵。


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