城市熱網平衡技術理論的研究

摘要: 近10年來，我國的建筑事業蓬勃發展，集中供暖事業也在迅猛發展。而管網的水力平衡問題人們尤為關注。考慮到城市遠景設計，也根據節能及控制污染的原則，住宅建設現在多采用小區規劃，相應的供暖方式采用熱電廠或區域鍋爐房集中供熱方式，而供熱管網的水力失調現象是目前亟待解決的一個重要問題，它會給人們的生活、工作和學習帶來極大的不便。所以保證供熱管網的水力平衡是供暖設計工作中的一項重要環節。本文僅從熱網平衡控制方面對供熱節能做簡單的分析。

關鍵詞: 熱網;平衡;技術;產品

據相關資料顯示，我國建筑采暖能耗為同緯度發達國家建筑采暖能耗的3倍左右，采暖能耗浪費是巨大的。這里有現實的問題，更有歷史的原因，不僅涉及建筑墻體節能，更涉及供熱系統技術裝備水平、管理水平，以及供熱收費體制等社會政策方面的因素。

一、熱負荷

大家知道，建筑物采暖熱負荷同室外氣溫、濕度、風向、風速、太陽輻照等因素有關，而其中室外氣溫起著決定性作用，因此在理論上，把熱負荷只看作是室外溫度的函數，即Q=f(tw)=K·F(tn-tw)。

供熱過程就是維持建筑物室內氣溫適宜人們工作、生活，維持建筑物得熱與失熱始終處于一個動態的平衡這樣一個過程。

即有熱平衡方程式:"Q=K·F(tn-tw)=G·C(tg-th)·ρ/3600 (1)

Q—熱負荷W;K—建筑物傳熱系數W/m2·℃;F—建筑物外表面積m2;tn—室內氣溫℃;tw—室外氣溫℃;C—水的比熱J/kg·℃;G—采暖循環水流量m3/h;tg—供水溫度℃;th—回水溫度℃;ρ—水的密度kg/m3。

二、熱網水力特性

熱網上各用戶之間總體上來講都是并聯的。由并聯網路的熱網:

△P=S1·V12=S2·V22=S3·V32=…

得并聯網路V1:V2:V3:…=1/:1/:1/:…

式中V1、V2、V3分別表示并聯段管1、2、3的流量，m3/h;

式中S1、S2、S3分別表示并聯段管1、2、3阻力系數，Pa/(m3/h)2。

由上式可知:

1、并聯管段中各分支管的阻力狀況(即阻力系數S值)不變時，網路總流量增加多少倍或減少多少倍，并聯管段中各分支管段的流量也相應增加多少倍或減少多少倍。

2、當并聯管段中任一分支管段的阻力狀況(即阻力系數S值)發生變化時，網路總阻力系數必然隨著變化，而且網路總流量在各分支管段中的分配比例也相應地發生變化。

熱網的這一水力特性，恰好滿足了熱網量調節及質和量的綜合調節時水流量變化及水流量分配的需要——同一熱網上，當室外溫度tw變化時，熱網總流量及網上各用戶流量都按同一比例變化，且總流量在各用戶中的流量分配比例不變。

也就是當熱網平衡后，網上各用戶閥門不再操作，其開度固定不變(阻力系數不變)，隨著室外溫度tw變化，熱網總流量再增減變化多少，網上各用戶流量也按相同的比例增減變化多少，只要熱網總流量滿足了總熱負荷變化的需要，那么熱網上各用戶流量也都能滿足其各自的需要(假定同一熱網上各用戶樓室內采暖系統型式相同)，而不需要再重新對熱網平衡調節、對水流量分配比例重新進行調整。熱網始終是平衡的，熱網總流量地各用戶中的流量分配比例始終保持不變。

三、熱網的平衡技術及產品

目前國內熱網平衡技術產品主要有以下幾種:

1、手動調節閥或普通關斷閥門

兩產品結構原理相同，皆為單一手動調節孔板，不同的開度對應不同的阻力系數，只是手動調節閥比普通關斷閥線性好。調節時，每調節任一用戶閥門，由于并聯用戶間的相互耦合作用，全網總流量、各用戶流量及分配比例均發生改變，產生振蕩。因此說其調節性能很差，熱網很難平衡，但價格低，且無安裝條件要求，可應用于一、二級熱網，為目前國內熱網最廣泛采用的平衡控制產品。熱網平衡后，各閥門開度固定不變，阻力系數不變，可進行恒定流量的質調節運行，也可進行變流量(含質量并調)調節運行。

2、平衡閥

結構同手動調節閥基本相同，也為單一的手動調節孔板，只是在本閥進出口各有一測壓孔。調節時，也存在著各用戶間流量的相互耦合作用，但調節時要求邊調節邊測壓，測壓數據通過專用的儀器及軟件來處理，計算出各閥門的開度，來調節全網各用戶閥門。操作復雜，且需專用儀器設備和專業技術人員，故應用不多，安裝條件要求不高，可用于一、二級網。熱網平衡后，各閥門開度不變，即阻力系數不變，熱網可進行恒流量的質調節運行，也可以采用變流量(含質量并調)調節運行。

3、自力式流量控制閥(器)及差壓式流量控制閥

二者結構、原理相近。自力式流量控制閥是由手動孔板、自動孔板、自動調節機構、壓力控制(反饋)管路及流量設定刻度標尺等主要部分構成。其原理根據用戶設計流量，調整手動孔板開度至流量設定刻度標尺數值，閥前后壓差改變時，由壓力控制管路反饋壓差變化信號到自動調節機構，依靠壓差動力使自動調節機構自動調節自動孔板開度，從而維持手動調節孔板前后壓差不變，進而達到恒定流量的目的。可避免熱網各用戶間的相互耦合作用及產生的流量振蕩，各用戶安裝此閥的熱網可一次調節即告平衡。具有操作簡單、方便、快捷、穩定、可靠的特點;無安裝條件要求;價格高于平衡閥;適用于一、二級熱網。安此閥的熱網平衡后，只能采用恒定流量的質調節運行，而不能采用變流量調節運行(含質量并調調節)。受運行調節方式的限制其推廣不普遍，應用普及程度大于平衡閥但遠遠小于手動調節閥。

4、熱網微機控制平衡技術

國內熱網微機控制系統從控制策略上劃分大體有二種:

一種為熱網上各熱力站單獨控制，換熱站根據測出的室外溫度tw，調整一次側的電動調節閥門，以改變流過水一水熱交換器的一次側水流量。從而使二次側熱交換器出口水溫tg，達到設定值tgset。從原理上講，只要給出合理的室外溫度tw與二次網供水溫度tg之間的關系式，設計好電動調節閥門的調節算法，是能夠使用戶側采暖建筑達到要求的。但從整個熱網看，由于各換熱站與熱網皆為并聯聯接，換熱站之間存在相互的耦合作用，某一個站閥門有動作，其余的換熱站的電動閥門都將隨之動作，總熱網及各站將產生較長時間振蕩現象，尤其是當外溫tw變化較大，熱負荷變化較大，而熱源調整又不及時的時候，這種振蕩會非常嚴重甚至系統不能工作。因安裝條件要求高，造價高，因此只能用于一次網，且由于有上述缺陷，故應用不多。

5、雙功能自力式流量控制閥

從前述的四種熱網平衡控制技術及其產品比較來看均勻性調節的熱網微機控制系統對熱網的平衡控制能力很強，熱源可以進行質調節，也可以采用量調節，但造價太高，且只能用于一次網。

而同樣具有很強的熱網平衡能力的自力式流量控制閥(器)造價同微機系統相比卻要便宜得多，且簡單，操作、維護也方便、快捷，安裝條件不受限制，既可用于一次網也可用于二次網。但采用此種平衡技術的熱網只能采用恒定流量的質調節運行，不能采用量調節運行，熱網節能潛力沒有得到最大程度挖掘。反過來，循環泵采用調速變流量運行調節技術的熱網也不能用此產品，因此此產品的應用也受到極大限制。

平衡閥具有熱網平衡能力，熱網可以采用質調節，也可用量調節。但需要專用儀器設備和專業技術人員來操作，很復雜，不易普及。用手動調節閥及普通閥門平衡控制的熱網可以采用質調節，也可采用量調節。但此類閥平衡能力很差，熱網很難平衡，也使得運行調節變得不可能。

因此說，國內熱網需要一種同時具有自力式流量控制閥和手動調節閥功能的產品。綜合兩種產品各自的優點，抑制其各自的缺點，使一個好的熱網的平衡控制技術與循環泵調速變流量調節運行技術能同時應用于同一熱網之中，組成一個穩定、可靠、經濟、節能的供熱系統。