科德铭通：供热系统水力平衡的调节

供热管网是一个复杂的水力系统，系统中各环路间水力状况的变化相互影响和制约。因此，在供热工程中，水力平衡的调节是个重要的问题。通过调节系统水力平衡，可以实现供热水力系统的舒适性和节能性。

 一、水力平衡的基本概念

  1、静态水力失调和静态水力平衡：
　　静态水力失调是系统管道特性阻力数比值与设计要求管道特性阻力数比值不一致，从而使系统各用户的实际流量与设计要求流量不一致，引起的水力失调。静态水力失调是系统本身所固有的。它是由于设计、施工、管材等原因导致的。
　　通过在管道系统中增设静态水力平衡设备，在水系统初调试时对系统管道特性阻力数比值进行调节，使其与设计要求管道特性阻力数比值一致，此时当系统总流量达到设计总流量时，各末端用户流量同时达到设计流量，实现静态水力平衡。
2、动态水力失调和动态水力平衡：
　　动态水力失调实际上是系统运行过程中当某些末端阀门开度改变引起水流量变化时，系统的压力产生波动，其它末端的流量也随之发生改变，偏离末端要求流量，引起的水力失调。动态水力失调是在系统运行过程中产生的。
　　通过在管道系统中增设动态水力平衡设备，当其它用户阀门开度改变引起水流量变化时，通过动态水力平衡设备的屏蔽作用，自身的流量并不随之变化，末端用户散热设备流量不互相干扰，实现动态水力平衡。
3、全面水力平衡：
　　全面水力平衡就是消除了静态和动态水力失调，使系统同时达到静态和动态水力平衡。

  二、定流量系统的静态水力平衡

     定流量系统是早期供热工程中常见的水力系统。
　　定流量系统是指系统不含任何调节阀门，系统在初调试完成后阀门开度无须做任何改变，系统各处流量始终保持恒定。定流量系统主要适用于末端用户无须通过流量来进行调节室内热量的系统。
　　定流量系统只存在静态水力失调，基本不存在动态水力失调，因此只需在相关部位安装静态水力平衡调节阀即可。

  三、变流量系统的全面水力平衡

   随着人们对室内温度舒适性要求、节能意识的不断提高，变流量水力系统在供热工程中占据越来越重要的位置。
　　变流量系统是指系统在运行过程中各分支环路的流量随外界负荷的变化而变化。由于近年暖冬的出现，变流量供热系统的管道流量都低于设计流量，因此这种系统是高效节能的。
　　变流量系统一般既存在静态水力失调，也存在动态水力失调，因此必须采取相应的水力平衡措施来实现系统的全面平衡。
1、静态水力平衡的实现：
　　通过在相应的部位安装静态水力平衡阀，使系统达到静态水力平衡。
　　实现静态水力平衡的判断依据是：当系统所有的自力式阀门均设定到设计参数位置，所有末端用户散热设备的控制阀均处于全开位置时，系统所有末端用户散热设备的流量均达到设计流量。
　　从上可以看出，实现静态水力平衡的目的是使系统能均衡地输送足够的水量到各个末端用户，并保证各末端用户同时达到设计流量。
   但是，大部分用户需要的流量都小于设计流量（为满足底楼用户的供热需求，楼上用户的设计流量往往大于实际需要量）。因此，系统不但要实现静态水力平衡，还要实现动态水力平衡。

  2、动态水力平衡的实现：
　　通过在相应部位安装动态水力平衡设备，使系统达到动态水力平衡。
　　实现动态水力平衡的判断依据是：在系统各末端用户的流量达到各末端用户实际瞬时负荷要求流量的同时，各末端用户流量的变化只受用户室内热负荷变化的影响，而不受系统压力波动的影响，即系统中各个末端用户流量的变化不互相干扰。
　　变流量系统的动态水力平衡在保证系统供给和需求水量瞬时一致性（这个功能是由各类调节阀门来实现的）的同时，避免了各用户流量变化的相互干扰，从而保证系统能高效稳定地将用户在各个时刻所需的流量准确地输送过去。

  四、水力平衡和水力失调系统的比较

    1、静态水力平衡与水力失调系统的比较：
     图1为静态水力不平衡系统改造图。上图为该系统在静态水力平衡前后的阻力分布线图。下图为系统流程图，其中左侧为水泵及热源，右侧为四户末端热用户散热设备，四户末端热用户的设计流量均为10m³/h；

     ⑴、静态水力失调系统的流量计算：

   在未安装静态水力平衡设备前，现场测得的末端设备流量及通过改造水泵来满足流量的计算结果如表1所示，该系统为静态失调的水力系统

   由上表可见，设计总流量为40（m3/h），但为了保证最不利环路达到设计流量，实际水泵所需的最小流量为53.75（m3/h），大于设计总流量。这样的系统既不节能，也不舒适，因此必须安装静态水力平衡设备对系统进行改造。

   ⑵、静态水力平衡系统的流量计算：
     表2为安装了静态水力平衡阀并调试合格前后的末端设备流量的实测数值。

   由上表可见，设计总流量为40（m3/h），系统静态水力平衡后的实际总流量也是40（m3/h），且各个末端设备的流量同时达到设计流量。因此这种系统实现了静态水力平衡，并且舒适节能。
    2、全面平衡水力系统与动态失调水力系统的比较：

     ⑴、动态失调水力系统（采用传统的电动调节阀调控散热设备流量的多环路并联系统）水力特性分析：
　　如图2所示，为一组多台散热设备并联环路（图中只画出2路、已实现静态平衡），每环路通过电动调节阀调节目标区域的流量来控制热用户的室内温度，其中区域一的设定温度为25℃，区域二的设定温度为27℃。

   假定区域一已调至平衡状态，即目标区域的温度T1已稳定在25℃，这时电动调节阀的开度维持在某一位置以输出一个恒定的流量。
　　区域二还处于不稳定状态，目标区域的温度T2为24℃，低于设定温度27℃，这时测量温度和设定温度在温度控制器进行比较，输出信号将电动调节阀开大以增加流过区域二散热设备的热水量，使测量温度T2升高，接近设定温度；但与此同时，系统立管C、D二点的压差会增大，一环路电动调节阀二端的压差相应增大，电动调节阀流量增大，区域一的热流量增大，导致区域一室内温度升高，偏离平衡状态。
　　由上可见，由于二环路的调节导致一环路偏离平衡状态，也就是二环路对一环路产生了干扰，因此这两个环路间存在动态水力失调。对于多环路系统，任何一个环路的调节都会对其它环路产生干扰，同时任何一个环路都会受到其它环路调节的影响，系统越大，这种影响就越明显，也就是动态水力失调的程度就越大，因此系统很难调到平衡状态，即使到了平衡状态，要想维持稳定也很难。
⑵、全面平衡水力系统（采用动态平衡电动调节阀调控散热设备流量的多环路并联系统）水力特性分析：

　　如图3所示，为一组多台散热设备并联环路（图中只画出2路）。每环路通过动态平衡电动阀来调节目标区域的热水流量，其中区域一的设定温度为25℃，区域二的设定温度为27℃。
　　假定区域一已调至平衡状态，即目标区域的温度T1已稳定在25℃，这时动态平衡电动阀的开度维持在某一位置保持不变以输出一个恒定的流量。
　　区域二还处于不稳定状态，测量目标区域的温度T2为24℃，低于设定温度27℃，这时测量温度会和设定温度在温度控制器进行比较，输出信号将动态平衡电动阀开大以增加流过散热设备二的热水量，使区域二温度T2升高，接近设定温度；与此同时，系统立管C、D二点的压差会增大，空气处理机一环路动态平衡电动阀二端压差也相应增大。但是由于动态平衡电动阀的动态平衡功能，该阀电动调节阀芯二端的压差并不发生变化，因此一环路的流量维持不变，散热量不变，相应的区域一仍处于平衡状态。

由上可见，二环路的调节没有对已经平衡的一环路产生干扰，因此这两个环路间不存在动态水力失调。对于多环路系统，任何一个环路的调节都不会对其它环路产生干扰，同时任何一个环路都不会受到其它环路调节的影响，系统越大，这种动态平衡的特性就越明显，每一个环路只受自己区域负荷变化的影响，而不受系统压力波动的影响，因此很容易达到并维持平衡状态。
　　这种全面平衡的变流量水力系统能根据各个目标区域的负荷变化适时、准确、稳定地输送所需要的水量到各个末端，因此这种系统具有更高的效率、更好的节能效果和舒适程度。

　五、结束语

通过调节系统水力平衡，为水暖供热系统高效、稳定、节能、舒适提供了一种有效的解决方案。但是，在实际的工程设计中，应根据供热工程项目的投资、规模及系统的精度要求合理地选用水力平衡方案，既要保证工程设计和规范要求，又要实现供热水力系统的舒适性和节能性。