供熱系統中動態解決水力失調的方案

摘要：本文主要針對當前供熱系統中存在的水力失調問題進行簡要的說明，在介紹水力失調的基本知識的同時，對常用的解決方案進行探討，并由此引入智能的、動態的調節方案，希望對供熱行業人員有一定的幫助。

關鍵詞：動態調節、智能調節、水力失調、建筑供熱、管網平衡

水力失調是供熱系統中經常出現的問題，由此會導致供暖效果不理想，同時由于輸送熱量的不合理也容易引起能源浪費。

在供熱系統中，水力失調是指用戶的實際流量與供熱系統的設計要求流量之間存在差異，這種狀況被稱為水力失調。水力失調一般分為靜態水力失調和動態水力失調。

靜態水力失調是系統固有的，是穩態的，主要是由系統在設計、選型、施工等過程中出現的誤差迭加而產生。本質原因是設計需要的系統阻力特性與實際系統阻力特性不相符，所造成的實際流量與設計流量不相符的狀態。

動態水力失調是在系統運行過程中產生的，是動態變化的，主要是由熱用戶對室溫的個性化定制或者是由建筑的節能需求所引起的。主要是由于配置了平衡產品，應用了變流量技術使得瞬時阻力特性與系統所需的阻力特性不相符，所造成的瞬時水力失調。

通常情況下，供熱系統的水力失調既包含靜態水力失調也包含動態水力失調。

對于靜態水力失調，可以通過在供熱系統的管道中配置靜態平衡產品（如靜態平衡閥）對管道特性阻力數值進行調整，使其能夠與設計數值達到一致，如果這時用戶末端設備中的流量達到設計要求，則認為系統實現了靜態水力平衡。

對于動態水力失調，可以選擇在管道系統中配置動態水力平衡產品，使得用戶末端設備的流量互不干擾，從而保證系統的動態水力平衡。而這類動態平衡產品通常會選用流量調節器或者壓差調節器。

理論上來講，由靜態平衡閥和動態壓差平衡閥共同組成的調節方案，可以解決建筑供熱系統出現的水力失調問題。

一般靜態平衡閥安裝于供水管主要分支管路、集水器管路，使系統實現靜態水力平衡。而動態壓差平衡閥則安裝于回水管的支管、干管、立管，使系統中的設備在運行過程中保持壓差不變。同時通過恒溫閥、溫控器等其他輔助產品共同控制入戶總流量，達到控制室內溫度的目的。恒溫閥、溫控閥都是一種安裝在散熱器上以控制溫度為目標的閥門，其可以測量環境溫度，并自主調節閥門的開度以控制通過散熱器的水量，最終實現控制溫度的目的。方案簡圖如下：

實際操作中，首先選用正確的平衡產品是前提，然后需要對系統中增設的靜態平衡產品和動態平衡產品進行調節，才能緩解系統的水力失調。沒有經過調試的平衡閥形同虛設，而調試服務的人工成本其實也是巨大的。

為什么有些供熱系統采用了常規的平衡調節閥，依然沒有改善水力失調的問題？我們先來簡單了解一下常規平衡調節閥的內部結構及工作原理。常規的平衡調節閥，閥芯屬于錐度閥芯，其與閥座之間形成一個上窄下寬的喇叭口通道。在閥體內水流方向為低進高出，假設上端窄的尺寸較小，那么略大的雜質就容易在此區域內堵塞。結構示意圖如下：

以DN65平衡閥為例，簡單計算下不同壓差下的孔徑：

供熱系統中，一般選用比較經濟的30Pa/m~70Pa/m之間的比摩，選取最大比摩阻70Pa/m，從《熱力網路水力計算表》中可以查出：流量為7.0m³/h。

目前供熱系統的實際工況，消耗5m~6m的壓差很常見，流量取7.0m³/h，根據DL/T 5054-2016中關于水管道上節流孔板孔徑的計算公式

式中：dk——節流孔板的孔徑（mm）；

G——通過孔板的流量（t/h），取7.0m³/h；

ρ——水的密度（kg/m³），取985kg/m³；

?P——孔板前后的壓差（Mpa），分別取0.05Mpa和0.06Mpa。

可以計算出DN65平衡閥，在5m和6m的壓差下（即0.05Mpa和0.06Mpa），對應的孔徑值分別為：dk₁≈20.5mm，dk₂≈19.6mm。

然后換算為閥芯對應的開啟間隙：在壓差為0.05Mpa時，設定開啟間隙為a，則有

解得    a=1.66mm。

式中：S1——DN65管道截面積；

S2——閥芯堵塞截面積；

S3——閥芯開啟間隙截面積，等于節流孔截面積。

同樣可解得，壓差在0.06Mpa時，閥芯開啟間隙b=1.51mm。

1.51mm~1.66mm的閥門間隙顯然很難調節，即使使用儀表也無法顯示出真實的數據，也就是說實際操作中增設了平衡閥也很難調節平衡。而且這么小的閥門間隙，極易因為供熱系統中的雜質造成堵塞，最后多數系統只有開大已經調節好的閥門，使得調節好的水力平衡也會被破壞。

當然通過閥芯的結構改進，可以改善常規平衡調節閥在實際操作中的缺點。不過我們今天探討另一種調節方式，一種動態調節的平衡方式。

河北百時得能源環?？萍加邢薰咎峁┝艘环N新的解決水力失調的思路——通過對供熱系統中熱媒的流量和流向進行動態、智能、實時調節，以解決供熱系統中的靜態水力失調和動態水力失調。建筑供熱機器人正是在這種思路下產生的平衡產品，圖示如下：

建筑供熱機器人集成了末端熱負荷自動識別技術和CC^?連續調試技術。末端熱負荷自動識別技術，即測量主體采集的溫度、壓差等熱媒參數，經過算法處理后得到建筑物的目標溫度。建筑供熱機器人的控制部分內置有涉及CC^?連續調試技術的算法，在安裝時進行初調試后，自學習3-5天，轉入自動、智能、精準控溫的狀態。后期即使供熱系統新增用戶或原有用戶工況發生變化，也不需要進行重新調試。

建筑供熱機器人的主體結構部分為四通換向閥，可以在0%~100%的范圍內調節系統流量使得用戶室內溫度較為舒適，并且可以通過換向改變上供下回的供熱方式，從而解決垂直失調的問題。換向后系統的下供上回方式，形成反沖洗，可以帶走管路里的腐銹，以及彎管處的存留氣泡，增大散熱器的散熱效率。

以上內容，對當前供熱系統存在的水力失調問題作了簡要的分析，主要涉及靜態水力失調和動態水力失調的含義、產生原因和常規解決方案，同時解釋了常規平衡調節閥在實際操作中沒有明顯效果的原因，最后介紹了河北百時得動態解決水力失調問題的新思路和新產品。

在此拋磚引玉，期待與廣大供熱行業人士共同探索水力平衡技術，為提高我國的供熱水平而共同努力。