關于空調水系統同程式與異程式輸配管網適用性的探討

庾健文

（珠海華發城市運營投資控股有限公司，廣東 珠海 519000）

0 引言

中央空調系統一般會通過熱水或冷水來輸送能量，而水輸配管網有同程式和異程式兩種，主要區別在于每個末端的水流是否經過相同物理長度的路程。系統的高效節能和精準控制，離不開水力平衡的輸配系統，而管網設置的合理性是重要前提。水力平衡系統能保證冷源設備、末端設備的水流量穩定，而且能進行高效換熱，在室外溫度、室內冷熱負荷變化時，可以及時響應，最終協同冷源及末端設備為室內人員提供舒適的環境。管網的輸配形式需要結合實際情況，有適用于異程式管網的輸配形式[1]、有適用于同程式與異程式結合的輸配形式[2]、有適用于同程式管網的輸配形式[3]。本文主要探討在設計過程中同程式與異程式管網的適應性以及相關水力平衡中所遇到的一些問題。

1 水力計算

在管道里流動的過程中，流體與管壁或其他管道附件之間會有摩擦力，同時流體內部的相對流動會產生切應力，而這兩種作用力不斷地消耗流體的能量，被消耗的能量最終會轉化為熱能。不僅如此，流體在流動的過程中，還存在著位能、壓力能和動能之間的轉換。簡而言之，水力平衡就是平衡各個環路的能量消耗和能量轉換[4-5]。

沿程水頭損失的計算可用達西-魏斯巴赫公式，如式（1）所示。

局部水頭損失的計算如式（2）所示。

結合式（1）和式（2），可計算出管道和管道附件的阻力，如式（3）所示。

能量轉換的分析計算則利用伯努利方程如式（4）所示。

式中：l——管長；d——管徑；v——斷面平均流速；g——重力加速度；λ——沿程阻力系數（通過柯列勃洛克公式計算或查莫迪圖獲得）；ζ——局部阻力系數（實驗數據）；Sw——管網阻抗；p——壓強；ρ——流體密度；h——高度；C——常量。

2 同程式管網和異程式管網的適用性

空調水輸配管網同程式和異程式輸配管網主要區別在于每個末端的水流是否經過相同物理長度的路程，如圖1 所示。

圖1 空調水輸配管網

由于異程管網的末端設備是就近接入供回水管道，隨著末端的距離越遠，資用壓頭會越來越小，各個末端之間相差較小的時候，可以通過調整管段的尺寸，控制管道中的流體流速來平衡末端之間的水力；如果管路之間阻力相差太大，整個管網的水力平衡就難以靠調整管道尺寸來進行，這種情況需要串聯平衡閥增加局部阻力。

采用同程式的管網，由于水流經過的路程基本相同，管路物理長度引起的不平衡情況基本上得到解決，單從這方面考慮，采用同程式管路有著非常大的優勢，但同程式也會帶來其他的問題，所以兩種形式的管網都有各自的適用性。

2.1 從節能和節約初投資角度看

同程式管網并不能使水泵壓頭減小，因為這種方式是通過管路的布置來形成物理上的管路等長，所以往往需要增加同程管（圖1b 中的管路10），而管路的增加也會產生多方面的問題：①管道的材料和安裝費用增加；②管道的安裝會占用一定的空間，壓低凈高或者減少建筑使用面積等；③管道的加長，會增加管道與環境的接觸面，導致輸送流體與環境之間熱傳導的工作難度加大，包括供熱時的熱損失，以及供冷時的得熱。

綜上所述，異程式管路需要增加平衡閥才能控制管路的水力平衡閥，閥門的增加除了增加初投資以外，主要作用是在管路上串聯一個阻抗，平衡閥設計得過多也會不可避免地增加能耗，所以應該盡可能減少管網中的平衡閥串聯數量。

2.2 從水力平衡角度看

如果所有末端環路的壓力降都相同，輸配系統采用定流量方式供水時，同程式管路由于其管路特性的原因，不需要進行煩瑣的調試就可以達到水力平衡。當末端環路的壓力降不相同時，同程式管路就難以取得理想效果，即使末端設備型號、參數相同，管路中各個管段長度及尺寸、管路附件、管道連接方式等也不可能不完全一致，工況的變化也就不一樣。另外實際工程中，往往是多種類型的設備并聯在同一主管上，這時候就算是采用同程管路是需要考慮平衡閥的設置。

當室內冷熱負荷有變化時，末端的用水量也必然會發生變化，所以水系統需要跟著進行動態調整。如果系統采用的是定速水泵，兩種管網在定供水壓力下的變流量比較如圖2 所示。圖2 的水壓圖對應的是圖1 的管網系統，當負荷低于額定值時，隨著系統流量減小，水泵壓頭會增大，同時管路的沿程阻力和局阻力也會相應降低（hw=SwQ2），兩相疊加，這兩種管路系統的末端資用壓頭增大時，調節閥的開度就需要關小，所有末端的閥權度和閥門可調比也會隨之減小。異程式管網距離水泵近的末端所受的影響小，距離越遠的末端，由于管路阻力的減小，所受的影響就越大。而同程式管網則因為干管上的阻力干擾所有末端，所以全部末端都會受到比較大的影響。當系統采用變速水泵時，如果同程式管路的末端負荷不是按相同的比例變化，就對水力平衡的幫助不大，各末端之間的相互干擾也會與定速水泵一樣，甚至比異程系統受到的干擾要大。

圖2 兩種管網在定供水壓力下的變流量比較

目前常用的平衡方法中，只有迭代法適用于同程式管路，而異程式管路則可以采用其他比例法、補償法等[6]。

2.3 異程管網的調節

實際項目中，異程式管網的應用較為普遍，結合圖1 中的異程管路系統和表1 的條件來分析異程管網的末端調節影響，并假設管網的供水壓力為恒定值。各個末端的流量與額定工況的比值結果匯總于表2，共有6 種工況。工況1 為管網平衡后的額定工況，工況2 到工況6 分別是關閉A～B 其中一個末端。

表1 管網參數

從表2 中可以看出，末端的輸送距離越近，流量調節時對總流量的影響就越大；而流量調節對于其他末端的影響，主要是由于干管流量的變化；流量調節對于輸送距離更遠的末端的影響是等比例的；對于輸送距離更近的末端則由于干管阻力的影響，隨著干管的長度越長，影響越大。綜上，如果末端流量變化相差太多，異程管網也是難以保證動態過程中的水力平衡。

表2 結果匯總

2.4 同程式管路的實際應用

目前國內外大部分項目都采用異程式管路系統或者兩種系統混合使用，但也有些特殊的情況只適用于同程式管路系統，如大型的廠房、種植溫室（圖3）等需要用到多臺同型號末端為同一個空間服務。

圖3 某溫室空氣調節系統

2.5 同程式與異程式管路系統的適用性

同程式管路系統適用于定流量系統，以及末端設備工況變化一樣、功率參數一樣的變流量系統。異程式管路系統輔以相應的平衡措施可以滿足沒有特殊要求的水系統。根據實際項目的運行情況結合空間布局、末端設備的特性、經濟分析等方面采用干管同程支管同程、干管同程支管異程、干管異程支管異程等方式。

3 管網不平衡能否通過其他途徑來補救

當系統運行時，發現管網水力不平衡，以及未設置平衡閥或者想避免煩瑣的平衡調整，以下有一些看似可以解決平衡問題的方法。

3.1 增大水泵壓頭和流量

此方法看似可以保證每個末端流量，但如果整個系統處于額定負荷運行時，水泵壓頭和流量的增大會整個管網系統水流的增加，同時增大各個環路的阻力，但環路之間的不平衡率是不變的。此時這種方法只會增加系統運行的費用，以及由于管道水流速增加而產生的噪聲。

3.2 降低冷凍水供水溫度

供水溫度的變化是以能效降低為代價，同時供熱溫度升高，有利環路的超流量情況就更加嚴重，會導致控制閥的閥權度和可調比降低。

4 結語

管網路由的確定是空調水系統設計的第一步，需要結合設備的容量、負荷特性、建筑布局等多種因素來進行，也是確保整個系統性能的基礎前提。

（1）如果管網水力不平衡，就很難通過其他手段來保證末端的流量，因此管道設計及安裝都需保證管路水力平衡。

（2）當設備型號和負荷變化一致時，可優先考慮同程式管網，其管路的布置和安裝工藝也需盡可能保證管路阻力的一致。

（3）盡可能不將負荷變化相差太多的設備并聯在同一末端環路，就算是異程管路，也難以保障負荷動態變化相差太多時的水力平衡。

（4）運用同程式管網時，應盡可能降低同程管路中管路增多而產生的影響。