實現供熱管網水力平衡及節能的方法研究

沈立挺 費盼峰 張軍輝

【摘 要】近幾年，我國城市集中供熱快速發展，截至2014年底我國集中供熱面積61.1億平方米，比上年增長6.9%。我國集中供熱快速發展的同時，還存在一些技術上的問題，如供熱管網水力失衡，易造成用戶側冷熱不均。在目前供熱系統中，管網水力失衡的現象十分普遍，嚴重制約供熱效果。針對供熱系統中存在的這個問題，研究并提出了一種新的解決方案：基于水力計算模型，通過自力式壓差平衡閥改造并調節，實現供熱管網水力平衡。

【關鍵詞】自力式壓差平衡閥 水力平衡 供熱節能

在國內，供熱系統中管網跨度大，結構較為復雜，難以實現水力平衡。水力失衡的普遍現象為管網近端流量較大，而末端流量不足。國內學者對小區集中供熱系統水力平衡調節的節能潛力進行了分析研究得出，水力平衡調節平均所能取得的最大節能率為6%～8%[1]。對于供熱系統而言，水力失衡就會造成近端用戶過熱，而末端用戶過冷。為保證末端用戶的供熱效果，往往需要提高供熱量，導致近端用戶嚴重過熱，造成熱量浪費。在一般情況下，因水力失衡引起冷熱不均所造成的能量浪費為20～30%[2]。

從上述的研究可以看出，實現供熱管網的水力平衡，具有顯著的節能效果。國內針對水力失衡，提出一些措施和方法。比如通過在用戶入口處加裝靜態平衡閥，對各支線的流量進行合理的分配[3]。但當管網總流量發生變化時，各支線會等比例地相應變化，產生供熱量波動，影響熱用戶供熱效果。并且，對于熱用戶可自調節供熱量的系統，當某熱用戶調節自身流量時，會對其他熱用戶產生強制性干擾，影響供熱系統的穩定性。因此，該方法還存在局限性。而且實際中，大部分供熱系統的管網僅安裝調節閥，而并未配置平衡閥，管網水力失衡的問題較為突出。

本文提出根據管網水力計算，在采用自力式壓差平衡閥基礎上，進行調節水力平衡的方法。

1 水力計算

水力計算主要計算管網干線上各管段的壓損，并為加裝自力式壓差平衡閥提供理論依據。首先對供熱管網主干線進行分段，以主干線上各個分支點為節點，對主干線進行分段。根據當地采暖熱指標及該換熱站的供回水溫差，計算出每條支線上供熱總面積所需的流量，把計算出的流量相應地累加到主干線各管段上，再根據各管段的管徑，即可計算出各管段的流速，可根據流量及管段管徑進行計算，其表達式為：

（1）

式（1）中， 為管道內流速，m/s； 為管道內流量，t/h； 為管徑，m。

其中管道內流量通過理論計算給定：

（2）

式（2）中， 為供熱面積，m2； 為采暖熱指標，W/ m2； 為二級網供回水溫差，℃。

根據流速和管道尺寸及流體粘度，可計算出雷諾數 ，再結合管壁相對粗糙度 ，查圖可得到管道阻力損失系數 ，最終則可計算出每個管段的壓降。根據每個管段的壓降，可計算出主干線上各個節點的供回水差壓，并根據該差壓進行加轉自力式壓差平衡閥的選擇。

2 自力式壓差平衡閥加裝

自力式壓差平衡閥可保持所在環路壓差恒定，可有效避免水力調節過程中各支路間的互相干擾[4]。因為，通過自力式壓差平衡閥設定熱用戶側的壓差后，用戶側的阻力不變化，其流量也就保持恒定。無論是供熱總管網的變化，還是其他熱用戶的自調節產生的變化，都不會對熱用戶產生影響。因此，自力式壓差平衡閥可在實現供熱管網水力平衡中發揮重要作用。

上一節基于各段壓降計算出供回水壓差，根據供回水壓差判定是否需要加裝自力式壓差平衡閥。考慮樓宇的資用壓頭及自力式壓差平衡閥的工作壓差范圍，可在供回水壓差達到25kpa以上的支管段加裝自力式壓差平衡閥。

以某單位的一個換熱站的支線為例對上述方法進行具體說明，如圖1所示。

圖1 換熱站某支線供熱情況

圖中換熱站一條主干線上分出4條支線，每條支線接待1棟樓宇。每棟樓宇的供熱面積及流量計算結果見下表1所示。

表1 支線上各樓宇流量計算

樓宇 供熱面積

m2 采暖熱指標

w/m2 二網供回水溫差

℃ 流量

t/h

1# 16148.6 38 8 33.0

2# 11849.2 38 8 24.2

3# 15828.6 38 8 32.4

4# 16577.6 38 8 33.9

以表1中求出的流量為基礎，計算出該主干線上各管段的壓力損失，計算結果見下表2所示。

表2 主干線各管段壓力損失計算

管段 流量 管道內徑 流速 折算長度 阻力損失系數 壓降

t/h m m/s m Pa/m pa

站—4# 123.6 0.2 1.10 179.4 0.021 11011

4#—3# 89.4 0.15 1.42 27.3 0.022 3870

3#—2# 57.3 0.125 1.31 74.1 0.023 11226

2#—1# 33.0 0.1 1.18 31.2 0.025 5200

表1中的計算結果分析得出，4#和3#樓宇處主干線的供回水壓差分別為40.6kpa和32.9kpa。因此，可在4#和3#入樓管道上加裝自力式壓差平衡閥，則2#和1#兩棟樓宇不進行加裝。即通過壓差平衡閥，控制近端3#和4#兩棟樓宇的流量在合理的范圍內，解決近端流量過大的問題。這樣就可以使管網流量更多地流入末端的1#和2#樓宇，解決末端流量過小造成欠供的問題，也就解決了末端熱用戶因欠供而產生的放水的現象。從而使管網流量實現均勻分配，并且能夠消除管網波動及其他熱用戶產生的影響，保障供熱效果并實現節能。

3實例

以某換熱站為例，該換熱站供熱面積為4.19萬m2，改造前用戶側冷熱不均較為嚴重。末端過冷的用戶長時間大量放水，造成換熱站補水率較大達到110t/d。補水率較高，不僅浪費大量水，而且浪費大量的熱量，熱耗達到0.452GJ/m2。補水率過高超過換熱站補水能力時，造成換熱站供熱能力嚴重不足，末端用戶就越冷，放水更頻繁，從而形成惡性循環。2014年下半年，根據本文的方法，在其各支路的近端樓宇的管道上加裝自力式壓差平衡閥，并對改造前后的能耗水平進行對比分析，見表3。

表3 改造前后能耗對比

指標 單位 改造前 改造后

補水率 t/d 110 20

熱耗 GJ/m2 0.452 0.316

從表2中統計的數據，該換熱站經過改造后補水率降低81.8%，熱耗降低30%。從改造前后的能耗對比分析可看出，通過加裝自力式壓差平衡閥，可有效調節水力平衡，從而有效解決用戶側放水的難題，最終降低熱耗，實現節能。

4 結語

（1）在外界擾動下，自力式壓差平衡閥也能有效維持用戶側的流量。因此，可根據各用戶熱負荷確定管段流量，在熱用戶入口處加裝自力式壓差平衡閥，并通過設置壓差進行調節，可有效實現供熱管網水力平衡。

（2）供熱管網實現水力平衡后，可有效解決熱用戶冷熱不均的問題，從而避免用戶側放水的問題，極大降低換熱站的補水率。

（3）若換熱站通過自力式壓差平衡閥加裝改造實現節水30t/d，每天不僅可節水30t，同時還可節約因放水而損失的熱量約5.02GJ，具有可觀的節能效果。

參考文獻：

[1]劉蘭斌，鄒艾娟，劉亞萌，馬麗霞.小區集中供熱系統水力平衡調節節能潛力分析[J].建筑科學，2014，30（06）：0077～0082.

[2]石兆玉.再議供熱系統的水力平衡[J].區域供熱，2010，（1）：4～8.

[3]潘雷.供熱管網改造中平衡閥的應用[J].暖通空調，2008，38（7）：120～124.

[4]高海旺.自力式平衡閥的原理及在供熱系統中的應用[J].科技情報開發與經濟，2006，16（11）：261～262.

*通訊作者：沈立挺（1988—），男，初級工程師，主要是在集中供熱領域中對智能熱網研究。