垂直双管供暖系统设计要点综述

摘要：本文就如今民用建筑中经常设计的垂直双管供暖系统的一些要点进行了分析，并提出了解决方法。

关键词：排气重力失调水力平衡经济比摩阻温控阀

中图分类号：C35文献标识码： A

在平时的工程设计过程中，经常会有碰到一些需要设计集中供暖的项目。笔者通过自身在供暖设计中的实际经验及查询相关资料，总结出此文，从以下几个方面谈一下双管供暖系统中需要主要的问题。由于工程设计中经常碰到的是热源为95°C以下的热水采暖系统，因此接下来的篇幅仅局限于讨论低温热水采暖系统。

1.选择合理的供暖系统形式。垂直双管供暖系统根据供回水主管所在的位置可分为上供下回式，下供下回式，下供上回式等。下面从几个方面的因素来讨论实际工程中根据项目情况需要选择的系统类型。

1.1从排气的角度来讲。机械循环式供暖系统水流的过程中容易产生气泡，而气泡产生之后如果不及时排出会形成气塞，阻碍水流的循环，从而造成局部散热器不热的情况。因此在设计过程中需要考虑供暖系统采取有效的排气措施。上供式系统由于供水干管的立管水流是向上流动的，气泡可随立管上升至顶部，在立管顶部安装排气阀能有效的排出系统中的气泡；相比之下下供式系统中的气泡还没来得及有效排出就可能进入到立管，随着立管进入到各层的散热器中形成气塞。因此从排气的角度上讲，上供式系统优于下供式系统。其中上供下回式系统排气能力最好，下供下回式系统排气能力最差，需要在每层的散热器上加装排气阀。

1.2从水力平衡的角度上讲。热水采暖系统由于供回水因为水温不同而出现密度差，从而导致不同楼层的散热器的重力附加水头不同，以下图为例

1.散热器2.热源3.供水管4.回水管5.膨胀水箱

AA断面左侧压力为P左 = g h0ρh +ghρg +gh1ρg

AA断面右侧压力为P右 = g h0ρh +ghρh +gh1ρg

作用压力P=P左-P右=gh（ρg－ρh）（1）

起循环作用的只有散热器中心和热源中心这段高度内的水流密度差，如果取供水95℃，回水75℃；则每米垂直高差因密度差产生的作用压力为9.81x1x（977.81-961.92）=156Pa

由此可见，在双管系统中，由于各层散热器的高度不同而出现重力作用附加水头不一样的情况，以首层和顶层高差20m为例，首层和顶层散热器的重力附加水头差为156x20=3120Pa，因此在设计过程中若不考虑重力附加水头的作用，将引起很大的重力失调现象，引发上热下冷的问题。这就需要设计人员在进行系统设计时，就要考虑解决重力失调的措施。由上节中所述上供下回式双管系统重力失调最为严重，因为同一立管上每组散热器的支管长度都一样，但重力附加水头均不相同。而对于下供下回式供暖系统而言，下部散热器支管长度小阻力小，上部散热器支管长度大阻力大，重力附加的水头可由管道的阻力进行消除，有效的缓解了垂直失调的情况，但是由于下供下回式系统本身排气存在缺陷，因此需要在每层的散热器上加装排气阀。需要注意的是，下供下回系统需要在首层设置地沟，这一点在进行采暖方案探讨时要及时跟业主进行沟通。

2.保持采暖系统的水力平衡。一个设计完善的采暖系统，应保证每一户房间的温度都符合设计的要求范围，这就要求每一组散热器的热水流量尽可能的接近设计值。而其中的关键就是如何保持整个系统的水力平衡，避免水力失调的现象发生。

2.1管道系统的阻力分为沿程阻力和局部阻力两个部分，其中沿程阻力为采暖管道本身的阻力，跟管径d、流体种类、流速v都有关系。采暖系统中，管径d太小，会引起沿程阻力太大，增加系统水泵扬程，从而增加能耗；管道太大，又会导致管道量增大，浪费管材，增加工程造价；由于采暖系统为低阻力系统，因此不能像空调系统那样通过计算流速来确定管径；在工程上我们引入经济比摩阻的概念，即在管道的比摩阻控制在一定范围内，使得同时综合管道阻力和管材造价两方面，在经济上达到最优结果。采暖经济比摩阻一般控制在60~120Pa/m。

2.2在工程设计的过程中，一般优先考虑同程式系统，使得经过每组散热器环路的管程相同或者接近，避免离热源最近立管和最远立管的流量失调。而局部阻力是管道中的阀门，弯头等局部阻力部件引起的，会导致通过的流体的压降，流体的压降与通过阻力部件的局部阻力部件有关。在实际的工程应用中，通过各种阀门的节流来改变通过阀门的流量，从而使流量达到或设计值。对于供暖系统中不同的热用户而言，在热用户入口处安装自力式压差控制阀，对其进行调节并锁定，可以很好的解决不同建筑物之间的冷热不均现象。而对于不同的立管和散热器而言，在立管上安装调节性能较好的调节阀，在散热器支管上设置温控阀调节室内温度，可以有效的解决不同立管和散热器之间冷热不均的现象。

3.平衡阀和温控阀的选择。在现行的低温热水供暖系统中，根据不同时段室内外温差的不同，用户的热负荷也就不同。

3.1在国家强调节能的背景之下，现在新设计的民用供暖系统一般采用的是公用立管的垂直双管分户热计量，用户自主进行调节的方式。这种方式可以由用户根据室内热负荷的大小自主的调节温控阀，从而使室内温度达到舒适要求。若用户入口处装设自力式流量控制阀，则与散热器上装设的温控阀动作时发生矛盾，因此此种情况自力式流量控制阀不可用；如用户入口处装设调节阀，依靠末端温控阀的动作，则可以实现用户对室温的要求。在共用立管处装设自力式压差控制阀，使共用立管的压差保持恒定。有利于温控阀对末端散热器的流量调节，保持管网的稳定性。

3.2双管系统由于末端散热器为并联，为使各并联散热器机器管路阻力互相平衡，需要采用高阻力温控阀以增大末端阻力，即使这样，多数工程设计中仅依靠调整管径无法满足各并联散热器环路间的压力损失相对差额（包括垂直双管系统自然循环产生的压力）不大于15%的要求。一些温控阀厂家生产出具有预设定功能的温控阀，理想的做法是根据水力平衡所需要的压差确定魅族散热器温控阀的预设值，但是实际过程中温控阀是分级调节的，流通能力不是连续变化的，会造成没上调或者下调一档，其阻力变化相对于管道阻力变化过大，下表是以RTD-N20温控阀为例，在供回水温差为25℃时，在预设值1和N之间的阻力变化

在大多数工程设计计算中，除非选择很小的预设值，即人为增大末端阻力，才能满足系统末端支路中各并联散热器环路之间的阻力损失相对差额不大于15%的要求，但这会造成以下问题：1）温控阀相对于某一流通能力设定值时，其全行程中的线性区域为有效区域，在这个区域中阀门开度和流量近似为比例关系，调节阀体的行程为有效行程。调节阀有效调节行程对应的温度变化差值称为温控阀的比例带Xp，当实际温度偏差超过比例带时，虽然阀门继续开大，但流量基本不变，调节阀失去调节作用。改变温控阀的预设值实际是改变了温控阀的比例带Xp值，在预设值1和N之间，Xp介于0.5K和2K之间，Xp-2K表示阀门在室温高出设定值2K℃时关闭。Xp-2K为欧洲标准，它综合考虑了室温控制的稳定性和适宜的室温变化范围。如果温控阀预设值过小，Xp太小时，控制上不容易实现较好的稳定性，尤其在低负荷运行时，容易形成振荡。2）温控阀预设值选择过小，阀门压差过大，会产生噪声，且由于阀孔减小，对水质的要求更高，如果水质较差，那么阀门极易堵塞。

垂直双管系统中由于自然循环作用压力造成的垂直失调也应通过调整管径来解决，对于层高为h的建筑，各层之间散热器自然循环作用压力差随水温也是变化的，根据公式（1）的计算结果可推导出各层散热器自然循环作用压力差

Hz=2/3h（ρg－ρh）g （2）

如下图所示的下供下回双管系统，当末端阻力相差不大时，如果每层增加的管道阻力能和上式中自然循环作用压力相抵，即可解决因自然循环产生的垂直失调问题。

因此在双管系统设计过程中，均应采用将温控阀设定为N时（也就是温控阀出厂时的设定值）的流通能力计算温控阀的阻力，设计阶段不应采用通过改变温控阀的预设值来平衡各散热器环路的办法。

4.结论

4.1供暖系统要采用合适的系统形式，根据实际工程情况，对应各自的侧重点选择合适的系统形式是合理设计供暖系统的先决条件。从排气优先的角度来说，选择上供下回双管系统；从解决重力失调的角度来说，选择下供下回式双管系统，但此时要采取合理的排气措施。

4.2供暖系统的管径要通过计算合理的比摩阻来确定。供暖系统进行管路设计时，应优先考虑同程式系统，从系统设计上避免水力失调的可能性。

4.3供暖系统末端温控阀应选择高阻力温控阀，并按温控阀预设值为N时的流通能力进行水力平衡计算。散热器供暖管网应通过调整管径尽量使各并联环路水力平衡，必要时设置合适的水力平衡装置；温控阀的调节能力有限，不能代替所有控制环节。

参考文献：1.贺平《供热工程》第四版，中国建筑工业出版社

2.陆耀庆《实用供热空调设计手册》，中国建筑工业出版社

3.徐伟 邹瑜《供暖系统温控与热计量技术》，中国计划出版社