山东省建筑设计研究院      朱彦波   邵洪波

山东省千佛山医院      李钰楠

摘   要：本文对同程式供暖系统的优势及存在的问题，通过流体力学理论对其根源进行了分析，建议采用不等温降进行水力计算，推荐了比摩阻的选择范围，并对分户同程式供暖系统进行了应用分析。

关键词：供暖；同程式系统；不等温降；分户供暖系统

       0   引言

       供暖系统有同程式、异程式系统之分。近年来异程式供暖系统越来越普遍，同程式系统越来越少。其中一个主要原因是如果设计不合理，同程式系统会出现中间不热的现象，而且很难调试^[1]，而异程式则不会出现这种问题，调试过程较为简单，但异程式系统资用压头浪费严重，不节能，即使安装温控阀，仍无法从理论上实现突破。相反，同程式系统节能潜力巨大。

       图1为同程式、异程式供暖系统水压图。a为供水管道水压曲线，b为同程式系统回水管道水压曲线，c为异程式系统回水管道水压曲线。可见，在满足最不利用户相同资用压头时，异程式系统所需系统供回水压力明显大于同程式系统，因此，在当同程式系统设计合理，节能效果明显。本文就目前同程式系统存在的问题，从理论的角度进行分析，提出解决方案，并通过案例进行应用分析。

图1   同程式、异程式供暖系统水压图

       1   问题阐述

       图2为同程式散热器供暖系统原理图。假设散热器1的资用压头是H₁，则散热器2的资用压头H₂=H₁-(H_b-H_f)，同理，H₃=H₂-(H_c-H_g)=H₁-(H_b-H_f)-(H_c-H_g)……可以看出，当(H_b-H_f)>0，则H₂<H₁，同理，当(H_c-H_g)>0，则H₃<H₂。当这种差值是有害差值时，随着差值的不断累加，后面散热器的资用压头会越来越小，导致流量也会越来越低，直至出现差值累加大于H₁，此时该处的散热器资用压头变为负值，即出现倒流现象，其水压曲线如图3所示。可见，只要个别散热器的资用压头过小甚至为负值，就会出现该处散热器不热的现象，而且很难调试。因此，必须进行理论分析，在设计阶段从根本上杜绝问题的发生。

图2   同程式供暖系统原理图

图3   同程式供暖系统中间不热时的水压图

       2   理论分析

       根据H₂=H₁-(H_b-H_f)可知，要保证后面散热器2的资用压头H₂满足要求，有两种方式，一是提高H₁，二是降低H_b-H_f。提高H₁，则需要关小散热器1处的阀门，则散热器1的流量减小，即流经f管段的流量减小，而流经管段b处的流量增加，则H_f降低，H_b增大，H_b-H_f增大，这与H₁增大相矛盾，可见，方法一效果并不明显。

       公式为压头损失H的计算公式^[3]，在室内热水供暖系统中，绝大部分流动处于紊流过渡区，因此，λ可通过莫迪公式^[4]求得，如式（2）所示。

 

       可见，压头跟流量并不是单一的平方关系，还与管径有关，基于此，列出了不同管径在不同流量下的比摩阻，并绘制、拟合了曲线，如下图所示，纵坐标为比摩阻，横坐标为流量。对曲线进行幂指数拟合，得到拟合曲线，如图中虚线所示，拟合公式如表1所示。可见，在管径确定的条件下，流量与压头约为1.8次方关系。

图4   不同管径流量与比摩阻关系曲线

表1   不同管径与比摩阻的拟合公式

       不难推断，当流量变化时，管径越大，其阻力损失波动越小，但变化率基本相同，因为不同管径的阻力损失拟合公式的指数基本一致。因此，对于不同管径，在相同的流量变化率下，其阻力损失变化率也是相同的。这就给同程式供暖系统的设计提供了理论支持。

       在设计条件下，只要保证对应的供、回水管段的阻力损失基本相等，那么，在实际运行工况下，保证系统阻力不变，供水管、回水管的流量变化是成比例关系的，这样二者的阻力损失变化也是成比例关系，而设计阻力损失二者是相等的，也就是说，实际流量变化时，二者的阻力损失变化基本一致。可见，方法二是可行的。

图5   压头损失随流量的变化

       当然，考虑到管径大小是离散的，不能保证供回水管的比摩阻绝对相等，而且，在实际运行过程中，由于目前普遍采用了温控阀，导致系统运行过程中阻力是不断变化的，这就很难保证供回水管的流量按比例变化，因此，在设计之初就应该考虑到这些因素，建议在选择管径时，供水管比摩阻应按推荐范围60~120Pa/m的下限选择，回水管按上限选择。这样虽然导致后面的散热器资用压头会越来越大，但一方面保证了系统运行的可靠性，避免出现中间不热的现象，另一方面仍比异程式系统节能，毕竟在异程式系统中，总供回水压头是供水管和回水管的阻力损失之和。

       因此，在进行同程式供暖系统设计时，应仔细进行水力计算，不应采用等温降的计算方法，建议采用不等温降的水力计算方法，使设计水力工况与实际水力工况尽可能一致。

       3   分户同程式供暖的应用

       在分户供暖系统中，由于散热器都是按房间布置，而受房间面积的限制，散热器的设计流量较小，导致同程式系统中前半段回水管的流量较小，这样即便回水管采用最小的管径DN15，其比摩阻仍然很小。只能采取关小前半段系统散热器的阀门，才能保证后面散热器的资用压头，同时还需增大前半段散热器片数，才能保证前半段的散热量保持稳定，但有时关小阀门也难以满足。以图6为例，图6为一分户同程式供暖系统。

图6   分户同程式供暖系统

       工况一：若严格按照推荐比摩阻60~120Pa/m进行管径选择，则除了入户供回水管段为DN20，其它管段均为DN15，这种工况下的水压图如图7所示，可见散热器2、3资用压头几乎为0，假定保证最不利散热器处的资用压头为300Pa，则需将散热器1处的阀门局部阻力系数调至200，阀门开度与局部阻力系数的关系如图8所示^[5]，可见，此时阀门开度很小，基本处于关闭状态，也就是说散热器1的流量很小，而要保证散热量，需要散热器1的片数很大，这显然是不合理的。

图7   工况一水压图	图8   阀门开度与局部阻力系数关系

       工况二：如果将前半段供水管管径均调大至DN25，后半段为DN20，回水管管径均调至DN15，则得到的水压图如图9所示，此时，阀门保持全开状态，最不利散热器2的资用压头大于300Pa，最有利散热器6的资用压头约为1800Pa，整个分户系统的资用压头约为2200Pa，不平衡率为83.3%。可见，为保证最不利散热器的压头，采用供水管小比摩阻、回水管大比摩阻，虽然保证了系统运行的可靠性，但在一定程度上会加大各散热器之间资用压头的不平衡率。

图9   工况二水压图

       工况三：如果采用异程式系统，则水压图如图10所示。最不利用户资用压头为300Pa，最有利用户资用压头为3600Pa，整个分户系统的资用压头约为3600Pa，不平衡率为91.7%。不论整个分户系统的资用压头还是散热器间的不平衡率，均显著大于同程式系统。

图10   工况三水压图

       在此条件下，单从运行角度上看，在分户供暖系统中，同程式系统不平衡率明显低于异程式系统，更重要的是，前者要比后者节能38.9%。况且，由于户内布局的特点，在分户供暖系统中，同程式系统所耗管材并不比异程式大多少。可见，在设计合理的条件下，分户供暖系统采用同程式优势巨大。

       4   结论

     （1）同程式供暖系统如果设计不合理，会出现中间用户资用压头不够，甚至为负值，导致出现中间不热现象。

     （2）在同程式供暖系统中，建议在选择管径时，供水管比摩阻应按推荐范围60~120Pa/m的下限的选择，回水管按上限选择。这样虽然增加了供回水的不平衡率，但增强了系统运行的稳定性。

     （3）在进行同程式供暖系统设计时，应仔细进行水力计算，不应采用等温降的计算方法时，建议采用不等温降的水力计算方法，使设计水力工况与实际水力工况尽可能一致。

     （4）对于分户供暖，在同程式系统中，供水管按小比摩阻选择，采用DN20或DN25管径，回水管采用大比摩阻选择，采用最小管径DN15，尽管增大了各散热器间的不平衡率，但仍比异程式要低，而且整个分户系统的供回水压力明显低于异程式系统，比其节能38.9%.

参考文献

       [1] 曲秋波.分户计量户内双管同程式供暖系统水力失调问题分析[J].暖通空调,2008,38(7):141–142.

       [2] 吴怡青.同程式垂直单管热水供暖系统浅析[J].暖通空调,2011,41(5):50–51.

       [3] 贺平等.供热工程[M].北京：中国建筑工业出版社,2009:93–96.

       [4] 付祥钊等.流体输配官网[M].北京：中国建筑工业出版社,2010:80–81.

       [5] 伍悦滨.给水管网中阀门阻力实验研究[J].哈尔滨工业大学学报,2003,35(11):1311–1313.

备注：本文收录于《建筑环境与能源》2017年3月刊总第3期。
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