1 問題的提出
中南建筑設計院西區（生活區）集中低溫熱水采暖系統于1991年完成設計及施工，并于當年年底投入運行。系統運行至今已有十年，大大改善了我院職工的生活條件。但該熱水采暖系統自運行之初起，就存在著熱力失衡問題。后隨著用戶的增加，管網作用半徑的增大，隨著燃煤蒸汽鍋爐、汽-水換熱器、熱水循環泵運行效率的降低，也隨著采暖系統閥件及沿程管道性能的弱化，采暖系統運行效率降低，熱力失衡問題越來越嚴重，具體表現在管網末端用戶的采暖效果越來越差。為配合我院沿街開發的形勢，院西區兩棟臨街多層住宅拆除，由于采暖用戶（以下均指單棟或單元建筑）減少采暖外網須相應調整，此舉可部分程度緩解采暖系統效果惡化情況，但熱力管網水力失衡問題尚未得到解決。
院西區采暖熱網布置現狀參見“圖一”。西區采暖面積約35000m2，冬季總采暖熱負荷為2230kw。采暖熱源為西區鍋爐房及換熱站；4t/h燃煤蒸汽鍋爐1臺；螺旋板式汽-水換熱器2臺；1000m3/h熱水循環泵2臺，1有1備，銘牌揚程3.2Mpa；系統由設在“中南海18單元”屋而后高位膨脹水箱定壓，換熱站內設系統被給水泵。該采暖系統共分3個樹狀供回水環路。
2 管網水力計算及平衡分析
基于上述原因，我們對院西區采暖熱網進行水力計算及分析，擬采取水力平衡閥等技術措施對該采暖熱網進行水力平衡，以期改善西區整體采暖效果。
2.1 計算條件
已知條件
（1）外網各環路管段管徑及沿程長度，各單位采暖設計熱負荷及總設計熱負荷。各環路用戶采暖熱負荷說“表1”
表一
用戶名稱 | 1～3單元 | 4～7單元 | 北大板 | 28單元 | 29單元 | 幼兒園南 | 幼兒園北 | 單元 | 單元 | 單元 |
熱負荷（kw） | 126.1 | 126.1 | 160.0 | 51.0 | 33.6 | 44.1 | 38.0 | 70.7 | 70.7 | 78.2 |
續表一
用戶名稱 | 33單元 | 34單元 | 35單元 | 23戶 | 7～10單元 | 11～14單元 | 中南海15～21單元 | 中單 |
熱負荷（kw） | 55.7 | 60.9 | 60.9 | 155.8 | 184.7 | 184.7 | 527.6 | 115.0 |
（2）各環路用戶室采暖水系統所需資用壓頭，由各單體采暖設計圖紙及資料獲得，參見“表四”及“表五”中“用戶所需資用壓頭”項。
假定條件：
（1）由于鍋爐及換熱器效率的降低，根據該系統運行經驗采暖供水溫度為80℃，供回水溫差15～18℃。采暖供回水溫度取80/60℃。
（2）由于系統運行多年外管內壁粗糙度增大，外管內壁粗糙度取K=0.5mm。
2.2 環路外網摩阻計算
1#環路負擔總熱負荷為1219kw，循環水量為52.8kg/h，其供回水總管管徑為DN125，環路外網摩阻計算說“表二”
表二
管段編號 | 流量
（t/h） | 管徑
（mm） | 流速
（m/s） | 單位摩阻
（Pa/m） | 管段長度
（m） | 管段摩阻
（Pa/m） | 累計摩阻
（Pa/m） |
L1 | 52.8 | 125 | 1.25 | 171 | 154 | 26.30 | 26.3 |
L2 | 47.3 | 125 | 1.11 | 135 | 134 | 18.10 | 44.4 |
L3 | 41.9 | 125 | 0.99 | 107 | 124 | 13.30 | 57.7 |
L4 | 31.3 | 125 | 0.74 | 60 | 10 | 0.60 | 58.3 |
L5 | 26.3 | 125 | 0.62 | 42 | 26 | 1.10 | 59.4 |
L6 | 23.3 | 125 | 0.55 | 33 | 26 | 0.86 | 60.3 |
L7 | 18.1 | 100 | 0.67 | 66 | 54 | 3.56 | 63.8 |
L8 | 13.4 | 100 | 0.50 | 36 | 20 | 0.72 | 64.6 |
L9 | 10.8 | 100 | 0.41 | 25 | 20 | 0.50 | 65.1 |
L10 | 6.5 | 50 | 0.96 | 330 | 24 | 7.90 | 73.0 |
L11 | 10.5 | 65 | 0.90 | 157 | 20 | 3.14 | 60.9 |
L12 | 9.07 | 65 | 0.70 | 116 | 20 | 2.32 | 63.2 |
L13 | 6.93 | 65 | 0.62 | 80 | 50 | 4.00 | 67.2 |
2#環路負擔總熱負荷為897kw，循環水量為22.9kg/h，其供回水總管管徑為DN125，環路外網摩阻計算詳“表三”。
表三
管段編號 | 管段流量
（t/h） | 公稱直徑
（mm） | 管段流速
（m/s） | 單位摩阻
（Pa/m） | 管段長度
（m） | 管段摩阻
（Pa/m） | 累計摩阻
（Pa/m） |
L14 | 38.8 | 125 | 0.92 | 92.4 | 200 | 18.48 | 18.5 |
L15 | 22.9 | 100 | 0.85 | 104.8 | 50 | 5.24 | 23.7 |
L16 | 22.9 | 80 | 1.26 | 300.4 | 200 | 60.0 | 83.7 |
L17 | 15.9 | 80 | 0.88 | 145.3 | 50 | 7.27 | 31.0 |
L18 | 7.94 | 80 | 0.44 | 36.4 | 130 | 4.73 | 35.7 |
3#環路目前僅負擔單一用戶，其設計熱負荷為115kw，循環水量為4.95kg/h，其供回水總管管徑為DN100，供回水總管長約80m，環路外網摩阻及局部阻力較小，總阻力約為5kpa。
2.3 環路外網水力平衡分析及平衡措施
2.3.1 1#環路外網水力平衡
1#環路最不利用戶為“23戶”，其外網沿程摩阻為73.0kpa，考慮沿程局部阻力為摩阻的10%即7.3 kpa，沿程總阻力為80.3 kpa，“23戶”資用壓頭為30 kpa，因此，1#環路所需資用壓頭為110.3 kpa，，可取值為115 kpa。各用戶之入戶管徑及所需資用壓頭不等。1#環路水力平衡計算詳“表四”。從水力平衡計算表“表四”可以看出，近端用戶入戶供水管均設數字鎖定平衡閥，閥門口徑均比相應管徑小一號，同時可以看出各平衡閥的開度均較小，尚未達到開度應在60～90%的理想范圍。最不利用戶“23戶”入口不設平衡閥。
表四
用戶名稱 | 用戶流量
（t/h） | 環路提供壓頭
（kpa） | 用戶所需資用壓頭
（kpa） | 平衡閥用壓頭
（kpa） | 入戶管徑
（mm） | 平衡閥閥徑
（mm） | 平衡閥開度
（%） |
4～6單元 | 5.42 | 83.7 | 30 | 53.7 | 50 | 40 | 30 |
1～3單元 | 5.42 | 65.6 | 30 | 35.6 | 50 | 40 | 38 |
幼兒園南 | 1.90 | 52.3 | 20 | 32.3 | 40 | 32 | 25 |
30單元 | 3.04 | 52.3 | 25 | 27.3 | 50 | 32 | 35 |
31單元 | 30.4 | 51.7 | 25 | 26.7 | 50 | 32 | 37 |
幼兒園北 | 1.64 | 50.6 | 20 | 30.6 | 40 | 32 | 23 |
32單元 | 3.36 | 49.7 | 25 | 24.7 | 50 | 32 | 42 |
18戶 | 2.75 | 46.2 | 25 | 21.2 | 40 | 32 | 38 |
33單元 | 2.41 | 46.2 | 25 | 21.2 | 50 | 40 | 33 |
34單元 | 2.64 | 45.4 | 25 | 20.4 | 50 | 40 | 38 |
35單元 | 2.96 | 44.9 | 25 | 19.9 | 50 | 40 | 40 |
23戶 | 7.79 | 30.0 | 30 | 7.0 | 50 | 不設閥 | |
28單元 | 1.44 | 49.1 | 25 | 24.1 | 50 | 32 | 23 |
29單元 | 2.11 | 46.8 | 25 | 21.8 | 50 | 32 | 29 |
北大板 | 6.88 | 42.8 | 30 | 12.8 | 50 | 40 | 50 |
2.3.2 2#環路外網水力平衡
2#環路最不利用戶為“中南海15～21單元”，其外網沿程摩阻為83.7kpa,考慮沿程局部阻力為摩阻的10%即8.4 kpa,沿程總阻力為91.7 kpa,該用戶資用壓頭為30 kpa,因此，2#環路所需資和壓頭為121.7 kpa,取值為125 kpa。各用戶之入戶管徑及所需資用壓頭不等。2#環路水力平衡計算詳“表五”。從水力平衡計算表“表五”可以看出，近端用戶入戶供水管均設數字鎖定平衡閥，閥門口徑均比相應管徑小一號。最不利用戶“中南海15～21單元”之各單元供回水管為水平同程布置，因此不設平衡閥。
表五
用戶名稱 | 用戶流量
（t/h） | 環路提供壓頭
（kpa） | 用戶所需資用壓頭
（kpa） | 平衡閥用壓頭
（kpa） | 入戶管徑
（mm） | 平衡閥閥徑
（mm） | 平衡閥開度
（%） |
7～10單元 | 7.95 | 83.7 | 30 | 90 | 50 | 40 | 30 |
11～14單元 | 7.956 | 65.6 | 30 | 85 | 50 | 40 | 38 |
中南海15～21單元 | 22.9 | 30 | 30 | 0 | DN25× 19
DN20× 6 | 不設閥 | |
2.3.3 3#環路外網水力平衡
3#環路沿程總阻力為5 kpa,用戶資用壓頭為25 kpa,因此，3#環路所需資用壓頭為30 kpa。入戶管徑DN65，而該環路外管管徑DN100相對過大，若僅靠調整在換熱站內該環路供回水管DN100口徑閥門開度難以達到環路所需較低的資用壓頭，因此建議在其用戶“中單公寓”之進水干管設口徑DN40數字鎖定平衡閥，也可為將來院內發展再增加該環路之用戶作準備。具體的平衡方案是，在換熱站內適當關小3#環路供回水總管閥門開度使環路資用壓頭為50 kpa,用戶采用DN40數字鎖定平衡閥消耗富裕壓頭20 kpa,該平衡閥開度設定為42%。
3 供熱管網改造及效果
在2000年采暖季之前，中南院西區集中供熱管網已根據上述水力平衡方案進行了改造。具體做法是：（1）對絕大多數熱用戶熱力入口處的供水干管均增設SP型數字鎖定平衡閥，并將平衡閥設定在計算所確定的開度，用戶供回水干管上原有手動截止閥或閘閥全部滿開；（2）通過調節換熱站內集分水器處各環路供回水管上的主閥，使1#，2#，3#環路的資用壓頭分別為115 kpa,125 kpa,50 kpa。
2000年入冬后，院西區集中供暖系統投入運行，長期以來困繞我院的熱力失衡問題得到了解決。例如，1#環路原采暖效果最差的用戶“23戶”室內采暖系統正常，該環路已實現熱力平衡，其水力平衡已得到體現。2#環路除“中南海15～16單元”個別室內立管外，該環路也基本正常。“中南海”各單元供暖系統為水平同程布置，系統投入運行的頭幾年各單元屬正常，“15～16單元”個別室內立管不熱的原因初步分析結果是，部分住戶近幾年裝修時對室內系統改動較大導致水流不暢，部分室內立管上回水失靈無法開啟或被雜物堵塞，目前該問題正在整改中。3#環路“中單公寓”略有過熱現象，后經過系統微調正常。
4.小結
（1）該供熱和網改造后的運行效果證明上述水力平衡的計算及分析結果是正確可靠的，為今后熱網的平衡積累了一定的經驗。
（2）平衡閥是熱力管網平衡的有力工具，借助于平衡閥可以實現水力平衡的量化。
（3）對于整個熱力管網而言，單體室內采暖系統設計的入戶管徑偏大的情況普遍存在，對樹狀管網的近端用戶尤為嚴重，值得我們在今后的設計中注意。
參考文獻
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2.曾志誠，主編，城市冷·暖·汽三聯供手冊，北京，中國建筑工業出版社，1995
3.符永正等，平衡閥的選用，暖通空調，1998（3）
