摘要：计量供热是对集中供热系统形式和水力计算方法的双重变革,原有的水力计算软件不再适用.本文针对适合计量供热的几种系统形式,对室内系统水力计算方法进行了研究,提出了一些不同于传统水力计算的方法,编制了适合于计量供热的水力计算软件。
引言
计量供热的实现要求对系统形式进行变革,相应的水力计算方法也与传统系统略有不同;散热器恒温阀、压差控制器等设备的引入加大了设计人员的设计工作量;与传统的采暖系统相比,新双管系统是适合于计量供热的主要系统形式,但管路平衡和计算工作量比传统单管系统大得多,给设计工作增加了难度;同时,原有的采暖系统水力计算软件也已不能适应计量供热系统设计的需求。作者对适合于计量供热系统的水力计算方法进行了较深入的研究，针对单管跨越式、垂直双管和新双管（双-双管）三种系统形式，利用可视化软件开发工具Visual Basic编制了水力计算程序，希望能为计量供热的系统设计提供参考依据。
数学模型
1．各管段阻力损失的计算
本程序参考有关设计手册建立了局部阻力管件的数据库。程序在初始条件输入时，要求用户选择各管段存在的局部阻力管件名称及相应的数目，程序在水力计算的过程中通过调用数据库查询的子程序可得到各局部阻力管件的局部阻力系数ζ值，结合相对应的管件数目，计算出管段决的局部阻力系数。
2．平均比摩阻的确定
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传统的热水采暖系统α一般取0.5，适合计量供热的采暖系统由于加入了一些高阻力的管件和阀门，与传统的采暖系统有所不同。适合计量供热的采暖系统最不利环路的散热器恒温阀压降一般为500Pa（多层建筑），传统计量供热总压降一般为10000～20000Pa，若按20000 Pa计，加上恒温阀压降则系统总压降为25000 Pa（只计算系统的室内部分），其中沿程压力损失应为20000×0.5=10000 P，则沿程损失占总压力损失的估计百分数应为10000/25000=0.4。
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对于垂直双管式系统，上层散热器管路通过与下一层散热器管路的平衡关系确定该管路的资用压力，得到管路的平均比摩阻，进而确定管路的管径。图1是上下两层散热器管路示意图，A-B-D和A-C-D为并联管路，管路A-B-D可通过与管路A-C-D的平衡关系进行水力计算确定管径。下面 来估算管路A-B-D沿程损失占管路压力总损失的百分数。管路的沿程比摩阻按照经济比摩阻90Pa/m进行估算，则管路A-B-D总阻力损失为（3+5）×90=720Pa，传统采暖系统中α按0.5取值。这里局部阻力（不计散热器恒温阀的阻力）按照传统采暖系统的方法来估算，等于沿程阻力，也为720Pa，散热器恒温阀压降按照5000Pa估算，则管路A-B-D的总阻力损失为6440Pa，散热器恒温阀压降按分数为720/6440=0.112。由此可见，α的值依具体情况是变化的。初始条件输入过程若用户已输入了资用压力，软件计算时α取0.4，按式（12）计算出最不利环路的平均比摩阻；各个小环路根据平衡确定管径时，先不计入恒温阀的阻力α取0.5按式（12）计算平均比摩阻，管径平衡计算后再计入恒温阀的阻力。若发现用户没有输入资用压力的数值，则软件默认平均比摩阻为经济比摩阻60～120Pa/m。
3．重力循环作用压力的计算
热水计量供热循环作用压力的大小，取决于：机械循环提供的作用压力，水在散热器内冷却所产生的作用压力和水在循环环路中因管路散热而产生的附加作用压力。机械循环系统中，水在循环环路中冷却产生的附加作用压力，占机械循环总循环压力的比例很小，在进行系统总资用压力计算时可忽略不计。
对机械循环双管系统，水在各层散热器冷却所形成自然循环作用压力不相等，在进行各立管散热器的并联环路水力计算时，应计算在内。自然循环作用压力的计算公式为：
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对于双管系统，通过上层散热器环路的作用压力比通过底层散热器的大，其相邻两层重力循环作用压力的差值为。
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4．散热器恒温调节阀Kv值的计算
Kv值是散热器恒温阀选型的依据：
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用于双管系统的散热器恒温阀具有高阻力的特性，用于单管系统的散热器恒温阀阻力系数也比普通阀门高。恒温阀的设计压降临恒温阀选型的重要因素，它的高与低直接影响着采暖系统的运行工况及其经济性。取值过高，除增加循环水泵能耗外，在无压差控制的情况下，还有出现噪声的危险，而且由于此时预设值过小易发生堵塞现象。相反，取值过低，会降低恒温阀的阀权度，同时也不利于克服高层建筑的垂直失调。丹麦Danfoss公司用于双管系统的散热器恒温阀产品样本上建立恒温阀压降取0.1～0.3bar，结合我国的具体情况，散热器恒温阀压降的取值方法如下：
双管系统（包括垂直双管和双-双管系统）：对于多层建筑，最不利环路的散热器恒温阀压降按5000Pa选取，对于高层建筑，最不利环路的散热器恒温阀压降按10000Pa选取，其余各个环路散热器恒温阀的压降根据环路之间平衡的需要来确定。
单管跨越式系统：根据跨越管和散热器支路的阻力平衡，保证散热器一定的分流系数来确定恒温阀压降。
5．单管跨越式系统散热器分流系数的确定
由散热器的热力特性分析可知，在一定供水温度下，散热量和流量之间的关系为一上抛曲线。图2为一典型散热器（B=1.302）相对散热量和相对流量之间的关系，三条曲线分别表示设计工况下三种不同的散热器进出口温差：5℃、15℃、20℃。由图可知，进出口温差大，流量变化对散热量改变明显。对于给定的散热器来说，在设计工况下，进出口温差是由散热器进流量决定的。恒温阀也是通过改变散热器的进流量调节散热量实现对室温控制的，散热器的调节性是恒温阀正确工作的必要条件。对双管系统，散热器进出口温差可近似为系统设计温差，散热器具有较好的可调节性；对单管系统，散热器具有较好的可调节性；对单管系统，散热器的温降一般都比较小，可调节性差，对单管跨越式系统，通过减小散热器支路流量可以加大散热器的进出口温差，改善其调节特性。
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从可调节性的角度讲，进流量越小，进出口温差越大，但同时为保证房间负荷的要求，进流量减小又会使散热面积增加、散热器选型加大、使用的经济性变差。因此，对单管跨越式系统必须合理确定散热器的分流系数。由图2可看出分流系数处于0.3以下的区域是单管跨越式系统散热器调节灵敏区。下面以四柱813铸铁散热器为例，建立立管模型，来分析散热器面积与分流系数的关系。
设计工况：供水温度95℃；回水温度70℃；室内设计温度18℃；立管共六组散热器，散热量均假设为1500W。下面给出了不同分流系数散热器面积增加百分比的对比表。
表1 不同分流系数散热器面积增加百分比（%）
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由上表可以看出，散热器面积各层增加情况不同，依楼层的递增而递减，最底层面积增加百分数最大。分流系数大于0.3(含0.3)，散热器面积增加并不明显（最大为12.9%）：分流系数小于0.15（含0.15），散热器面积剧增（最大达到73.9%）。
综上所述，为了保证散热器可调的情况下，同时散热器面积增加不会太大，本软件计算中散热器设计分流系数选取0.3。
软件调试
软件的测试工作在应用软件的开发过程占有很重要的作用，一般应占软件项目开发工作量的40～50%。软件完成后，作者进行了一系列的测试工作，发现并解决了一些问题，但由于时间有限，大量的工作还有待进一步完成。通过某工种实例的计算，结论如下：
1．应用本软件的计算所得结果与设计人员手工计算的结果基本相符，验证了本设计计算软件的合理性；
2．用于双管系统的散热器恒温阀具有高阻力特性和预设置功能，可有效解决双管系统由于自然循环作用压力产生的垂直失调问题，使双管系统楼层限制的问题基本得到解决。限于篇幅，软件计算实例及结果分析从略。
结论
1．本文介绍的双管系统的水力计算方法中，考虑了自然循环作用压力，并在设计阶段通过散热器恒温阀的不同预置档数消除自然循环作用压力的影响。用于双管系统的散热器恒温阀具有高阻力特性和预设置功能，可有效解决双管系统由于自然作用压力产生的垂直失调问题，使双管系统楼层限制的问题基本得到解决，但实际设计时考虑到用户系统用热设备及其管道构件的承压能力，楼层较高时还应该进行系统的分区；
2．双管系统恒温阀的设计压降（最不利环路散热器的压降）是恒温阀选型的重要因素，它的高与低直接影响着采暖系统的运行工况及其经济性。取值过高，除增加循环水泵能耗外，在无压差控制的情况下，还有出现噪声的危险：取值过低，会降低系统稳定性。本软件在水力计算中结合我国的具体情况，对散热器恒温阀压降的进行了合理取值；
3．传统的热水采暖系统水力计算时，沿程损失占总损失的估计百分数一般取0.5，适合计量供热的采暖系统中由于加入了一些高阻力的管件和阀门，与传统的计量供热有所不同。在处理沿程损失占总压力损失估计百分数的取值问题时，应该针对不同的情况区别对待；
4．对于单管跨越式系统，必须保证旁通管有足够的过流量，才能增大散热器进出口温差，使散热器处于流量调节的灵敏范围内，增强散热器可调性。同时为了不使散热器面积比单管顺流式系统增加秀多，必须合理确定散热器的分流系数。
------论文作者：王毅 涂光备 李建兴
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