基于管网分区的水力平衡研究

基于管网分区的水力平衡研究

刘锦 黄晓英

河北建筑工程学院， 河北省 张家口市， 075000

摘要：采暖能耗是建筑能耗的主要部分，也是节能潜力最大的部分。虽然供热企业对供热二次网流量失衡这一引起供热能耗上升的关键问题有不同程度的认识和关注，但由于多数二次网系统不具备安装自力式流量平衡装置的条件，部分中小型企业又缺乏方便可靠的水力平衡调节方法，“大流量、小温差”的供热问题还普遍存在。本文采用分区调节的方法，对二次网流量平衡调节有关问题进行了分析，并对一种操作简便、效果良好的调节方法进行探讨。

关键字：水力失调 平衡供热 分区调节

1.引言

近20年来，随着我国城市工业化速度加快，城市集中供暖事业也在迅猛发展，我国总能耗中约有30%为建筑能耗，采暖的能耗约占其中的一半以上，而且呈现出总量不断上升的趋势^[1]。而热网管网的水力失调，导致冷热不均是导致采暖能耗高的一个主要问题，水力失调一方面导致热用户热需求得不到保障，另一方面供热企业热能大量浪费，这种现状，不仅给人们的生活、工作和学习带来极大的不便，而且也给供热企业造成了经济损失。

所谓“水力失调”是指二次网水力工况存在不平衡的情况，各个分支管路中热水的流量匹配不合理，达不到当初的设计要求，从而造成有的近端住户流量大、供热多、室内温度偏高，远端用户流量小、供热少、室温偏低，由此形成的供热系统的冷热不均现像。有相关文献指出，由系统冷热不均造成的能量浪费约在20%~30%左右^[2~3]，这种能源浪费主要体现在两个方面：一是热网近端用户过热，开窗散热造成热量无故流失；二是末端用户过冷，加大循环水泵功率造成电量浪费。因此，如何使供热管网达到水力平衡，消除供热不均运行状况，提高供热效率，满足所有热用户采暖需求，就成为目前亟待解决的问题。

2.传统的水力失调解决方法

对于集中供热系统的水力平衡调节，目前相关研究人员已提出了多种方式的调节方法，如比例法、阻力系数法、模拟分析法等^[4]，这些方法均具备一定的优点和适用范围，但无一例外的都存在一定的局限性。此外，这些方法均属于初调节的范畴，其目的是使得供热系统实际运行水压图与理想工况下的水压图尽可能的相似，同时使各热用户的流量达到设计流量，简而言之，这是一种供热系统的均匀性流量调节。进行初调节的默认前提是当热用户获得设计流量时，室内可达到设计温度，即以热用户实际流量与设计流量的趋近程度来判定实际供热效果。这种判定方式可以较为简便直接的判断供热系统的水力状况，但仍然过于粗放，不够精确和细致。因此需要探索和研究更为合理的供热系统输配平衡调控方式，找出可精确判定热用户实际供热效果的变量。^[5]

3.基于管网分区的水力平衡研究

3.1管网分区进行水力平衡调节的思路为：

（1）首先计算各个热用户的水力失调度，将系统根据水力失调度分为两个部分，每个部分利用一个总阀门进行开断控制。

（2）记水力失调度＞1的用户为过热用户，对过热用户进行间断供热。记水力失调度＜1的用户为过冷用户，当过热用户供热时，对过冷用户正常供应，当过热用户停止供热时，对过冷用户超额供应。

（3）过热用户的停供时间和过冷用户在这段时间内需要提高的流量由下文介绍。

3.2过热用户的停供时间计算

当向建筑物间断供热时，室内空气温度将会随着时间的推移而降低，由于建筑物一般都有较好的蓄热能力，这种温度的降低是缓慢的，但是若停供的时间过长，会导致过热用户打不到设计温度，因此应根据建筑物的蓄热能力计算过热用户可承受的停供时间。

设房间的设计热负荷为Q_oj，设计室内空气温度为t_nj，室外空气计算温度为t_wj，Z’时刻室内空气温度为t’_n，从Z=Z’时刻起由于某种原因使得供给房间的热量发生变化，房间的空气温度也将随之变化，任一时刻Z供给房间的热量变为Q(Z)时，房间的热平衡关系式为:

(1)

(2)

_{式中 Qq——外墙的散热损失，W， Qq=KqFqθ；}

_{Qc——外窗的散热损失，W， Qc=KcFcθ；}

_{Qij——冷风渗透耗热量，W，Qij=0.278 CpVn nkρwθ；}

_{I——房间的热容量，J/℃；}

_{Q(Z)——向房间的瞬态供热量，W；}

_{Fq——外墙的面积，m2；}

_{Kq——外墙的传热系数，W/(m2，℃)；}

_{Fc——外窗的面积，m2；}

_{Kc——外窗的传热系数，W/(m2，℃)；}

_{nch——建筑物的朝向修正系数，对北向房间，nch=0；}

_{Cp——冷空气定压比热，可取Cp=1KJ/(kg.℃)；}

_{Vn——房间的内部体积m3；}

_{nk—房间的换气次数，次/h；}

_{ρw—室外空气密度，kg/m3；}

_{θ——室内空气相对温度，Q(Z)=tn(Z)-tw；}

_{tw——室外空气温度，℃；}

_令，

₍₃₎

_{称A为单位温差传热量，单位为W/℃，将（3）式带入（2）式有，}

(4)

上式中，A、I取决于房间的结构、尺寸。对于某一给定房间，二者皆可认为是常数。

令：

_{T=I/A (5)}

_{称T为房间的热储备系数，单位为S，显然T也主要取决于房间的结构。}

_{当对房间完全停止供热时，Q(Z)=0，对于(4)式有：}

或 (6)

_{对(6)式进行积分得：}

(7)

_{由上式可计算在某一室外空气温度tw下停止供热时，房间空气温度由tn’降到最低允许值tmin所需要的时间：}

₍₈₎

暖通设计规范中规定民用建筑主要房间冬季室内计算温度为16—20℃，考虑到过热用户恢复热量供应之后需要一段时间温度才能上升，为了不影响热用户的供热效果，房间空气温度最低值t_min按照18℃来计算，即过热用户可以停供的时间为：

₍₉₎

3.3 停供时间段向过冷用户超额提供的流量

_{系统超额向过冷用户采暖系统所提供的热量与过冷用户计算热负荷的比值称为超额供热系数，用}β表示，当给热用户进行超额供应时，由于

(10)

所以当超额供应时，过冷用户需要系统提供的流量为

(11)

对于上式(4)，有

₍₁₂₎

_{设(10)式的解为：}

₍₁₃₎

_{将(11)式代入(10)式，有：}

₍₁₄₎

_积分得：

(15)

_则有：

(16)

_{将(14)式代入(11)式，有：}

(17)

_{上式中，当Z=Z’时，易推出}

(18)

式(16)表明由于供热量的波动变化将会造成室内温度的变化。

因为:

₍₁₉₎

_{代入(15)式，有：}

(20)

由以上可知，在某一室外空气温度t_w下超额供热时，房间空气温度在时间Z_s内，由t_n’升到所需最高室温t_max需要的超额供热系数为：

(21)

_{其中，Zs应满足：}

(22)

_其中，

(23)

式中 Z_s——过冷用户室温升高到最高温度tmax的时间；

Z_j——过热用户室温降低到最低温度tmin的时间；

Z_c——流量从热源处流向最末端用户的时间；

V_i——热源到最远用户不同管段i的流速，m/s；

L_i——热源到最远用户不同流速所对应的管段i的长度，m；

——热源到最远用户不同流速所对应的管段i的直径，mm；

——管网流量，m³/s。

_因为

(22)

所以当超额供应时，过冷用户需要系统提供的流量为

(23)

4.结论

（1）采用此种方法，避免了过热用户开窗散热和整个供热管网大流量、小温差的运行方式带来的能源浪费，节约了能源。

（2）这种调节方式基本上保证各用户按需供热，提高了用户的热舒适度，是一种优良的解决水力失调的方式。

参考文献

1. 谷立静，郁聪. 我国建筑能耗数据现状和能耗统计问题分析[J]. 中国能源，2011，02：38-41.

2. 石兆玉. 流体网络分析与综合[M]. 北京：清华大学出版社，1993：157-168.

3. 石兆玉. 提高供热系统能效是建筑节能的重要途径[J]. 中国建设信息(供热制冷专刊)，2005，12：31-35.

4. 石兆玉. 供热系统运行调节与控制[M]. 北京：清华大学出版社，1994：177-211.

5. 苗高扬 供热管网水力分区及平均温度调节法的研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学学位论文，2015

校级研究生创新基金项目，XB201937