刊于《暖通空調》2007年1月期某熱水采暖上供上回式垂直雙管系統的改造及其反思北京市建筑設計研究院張錫虎梁晶葛昕總參工程兵第四設計研究院劉露提要本文介紹了某熱水采暖上供上回式垂直雙管系統的設計和實際運行過程發生的問題，在分析了產生問題原因的根底上，提出了假設干個解決方法和實施方案，經采用其中便于實施的方案進行改造以后，取得了預期效果，通過反思得到了一些可供設計借鑒的經驗。關鍵詞熱水采暖上分式垂直雙管系統改造反思1工程概況北京地區某綜合商業樓，建筑面積約14500㎡，地上四層，首層和二層臨街為對外營業的商戶，三層和四層為眾多公司的營業用房。設計采暖負荷1077kW，額定流量37m3/h，處于集中供暖管網某一環路的末端，系統入口外網供回水壓差約為2m水柱。該工程于2000年設計，受工程條件所限，采用了上供上回式垂直雙管系統形式，供、回水干管設置在四層頂板下的吊頂內。系統型式如圖1。圖1采暖系統示意圖建成以后運行初期，就出現比擬嚴重的垂直水力失調，表現為四層和三層的散熱器熱，二層特別是一層根本上不熱。經仔細調節，即關小四層和三層散熱器支管上的閥門開度，情況有所改善。但是，在商戶入住、自行進行精細裝修過程中，對采暖系統進行裝飾性包覆，并作了局部改動，特別是改變了散熱器支管閥門調節后的開度，又回復到嚴重的垂直水力失調狀態。但由于干管、立管和散熱器幾乎全部被包覆，十分難以進行調節和檢修。2004年，當地供熱部門曾經在樓外增設加壓泵站進行加壓以增加流量，雖略有效果，但由于影響附近其他住宅采暖系統而無法運行，改造未獲成功。2006年初，我們接受委托對該工程進行了改造設計，經實際運行檢驗證明，改造獲得了成功。2故障原因分析這是垂直雙管系統比擬典型的垂直水力失調。主要原因是：〔1〕立管沿垂直方向各散熱器環路，即使不考慮自然作用壓力，也不能滿足《采暖通風與空氣調節設計標準》〔GB50019-2003〕條關于“各并聯環路之間的計算壓力損失相對差額不應大于15％”的水力平衡要求。以比擬典型的24#立管〔附圖2〕為例，計算壓力損失如表1。圖2該工程的24#立管表1各散熱器環路之間的計算壓力損失相對差額所在部位許用壓差散熱器環路計算壓力損失剩余壓差四層散熱器環路485.2Pa68.3Pa416.9Pa三層散熱器環路286.0Pa38.0Pa248.0Pa二層散熱器環路146,8Pa54.2Pa92.6Pa首層散熱器環路146,2Pa0〔2〕《采暖通風與空氣調節設計標準》條還規定：機械循環系統雙管熱水采暖系統和分層布置的水平單管熱水采暖系統，應考慮水在散熱器和管道中冷卻而產生的自然作用壓力的影響采取相應的技術措施。根據設計熱媒參數95/70℃計算，供、回水立管的自然作用壓力值Δγ·h＝15.83mm水柱/m＝155.8Pa/m，取其2/3，Δγ·h≌100Pa/m。樓層平均高度按照3.6m計算，每一樓層的自然作用壓力值為360Pa。以首層散熱器中心為計算基準線，水力平衡狀態如表2。表2各散熱器環路計及自然作用壓力后的剩余壓差所在部位許用壓差＋自然作用壓力散熱器環路計算壓力損失剩余壓差四層散熱器環路485.2＋1080=1565.2Pa68.3Pa1496.9Pa三層散熱器環路286.0＋720=1006.0Pa38Pa968.0Pa二層散熱器環路146.8＋360=506.8Pa54.2Pa452.6Pa首層散熱器環路146.8Pa0〔3〕增大散熱器環路支管的計算壓力損失，有利于各散熱器環路之間的水力平衡，雖然采用了阻力相對較大的截止閥，但由于管徑為DN20mm，散熱器環路的阻力損失仍然較小。最大的一個散熱器環路〔包括散熱器、連接支管和兩個截止閥〕的計算壓力損失，僅占立管總計算壓力損失的6.9％。而實際上安裝的是普通的閘閥?！?〕當采用下分式〔下供下回〕垂直雙管系統形式時，各層散熱器環路之間計算壓力損失相對差額，有條件采用自然作用壓力加以抵消。而上供上回式垂直雙管系統，各層散熱器環路計算壓力損失相對差額與自然作用壓力是疊加的。例如：在經過首層散熱器環路與經過四層散熱器環路的并聯點〔即附圖2中之2和2＇〕，經四層散熱器環路的計算壓力損失，比經首層散熱器環路小了416.9Pa，而又多得到了1080Pa的自然作用壓力，這樣，四層散熱器環路的許用壓差到達了1565.2Pa，剩余壓差到達了1496.9Pa，許用壓差是其環路計算壓力損失的22.9倍，必然會造成嚴重的水力失調。3改造方案根據現場實際條件，我們共提出了以下四種改造方案：〔1〕干管系統可以根本不變動，調整各層連接散熱器支管和閥門的直徑，旨在減少上層散熱器環路過多的剩余壓差，相應增加下層散熱器環路的流量。對本工程多數采用DN25mm立管和DN20mm散熱器支管的立管，按照計算壓力損失相對差額和自然作用壓力綜合影響，采用不等溫降方法計算，立管總流量在各層之間的概略分配比例，如表3。表3立管總流量在各層之間的概略分配比例所在層流量占立管總流量的比例四層～40％三層～30％二層～20％首層～10％如果將各層連接散熱器支管和閥門的直徑作如下改造，立管總流量在各層之間的概略分配比例變化將對平衡較為有利，如表4。表4支管和閥門變徑后立管總流量在各層之間的概略分配比例所在層供水支管及閥門回水支管及閥門流量占立管總流量的比例四層DN15DN15～25％三層DN15DN20～27％二層DN20DN20～30％首層DN25DN25～17％如果再能將一至四層散熱器供水支管閘閥，更換為高阻力的自力式溫控閥，將會得到更好的效果。〔2〕各層連接散熱器支管和閥門根本不變動，在首層頂板下增設回水水平干管，將首層〔及二層〕不熱的散熱器回水管，改為連接于該回水水平干管上，如圖3。圖3在首層頂板下增設回水干管連接首、二層散熱器的回水〔3〕利用2004年在樓外增設、已經被棄用的加壓泵站，采用混水器與室外供暖管網連接，在不改變建筑物供熱量和入口額定流量的前提下，使建筑物內部系統的循環流量增加2～3倍，相應使自然作用壓力降低2～3倍，如圖4。圖4采用混水器與室外供暖管網連接圖室內采暖系統供回水溫差如按10℃計算，系統循環流量為：上式中：1077系統的計算熱負荷〔kW〕860熱功當量〔1kW=860kcal/h〕1000水密度的近似值〔kg/m3〕10供回水溫差〔℃〕與水比熱容〔kcal/℃·kg〕的乘積并聯配置3臺室內采暖系統二次水循環泵，G=35～65m3/h，H=13.8～10m，兩用一備?！?〕在改造方案〔3〕的根底上，將三層和四層散熱器的支管上兩個DN20mm截止閥的其中一個〔散熱器支管上原有的閥門許多已經銹蝕難以轉動〕，改為DN15mm的高阻力散熱器恒溫閥，后為節省改造費用，采用了高阻力散熱器恒溫閥不帶溫控器的閥座。上述方案〔1〕和〔2〕，由于需要進入商戶的對外營業空間施工，并對已經形成的裝修有較大影響，遭眾多商戶抵抗未能實施。最后，確定并實施了對建筑內部影響較小的方案〔3〕和〔4〕。4改造后運行效果改造后的該系統于2006年11月中旬開始試運行，經過現場測試情況如下：〔1〕在室外供暖管網正常運行的條件下，由于混水器所需壓差很小，系統入口供回水壓差不小于1m水柱，就可以滿足本系統一次水37m3/h的額定流量。且一次水流量只取決于入口閥門的開度，而與二次水的循環流量無關。說明采用混水器連接不僅適合于系統入口供回水壓差較小的情況，也不會干擾室外供暖管網的水力工況?！?〕室內系統的主體水力失調現象已經根本消除，多年來從未熱過的散熱器也熱了?！?〕新安裝的室內采暖系統二次水循環泵實際出力缺乏，遠未到達室內采暖系統二次水的預期循環水量。在一次水流量調節為40m3/h條件下，銘牌參數為G=35～65m3/h、H=13.8～10m的水泵，單泵運行二次水實際循環流量僅為約52m3h，泵進出水兩端壓差約7m；兩臺并聯運行，流量約74m3/h，泵進出水兩端壓差約為12m；三臺并聯運行，流量約82m3/h，泵進出水兩端壓差為14m。如果能夠更換為性能到達銘牌技術指標的合格水泵，使之到達或接近預期的室內采暖系統循環水量，會取得更理想的效果。〔4〕仍有少量立管的首層散熱器或更少量的二層散熱器不熱，而與此幾乎完全對稱的立管那么無此現象，證明是由于局部管道堵塞所造成，經過認真沖洗以后，也已經運行正常。以下是從立管根部DN20管道清理出來的局部堵塞物圖片。5結語〔1〕上供上回式垂直雙管系統，由于各層散熱器環路計算壓力損失相對差額與自然作用壓力是疊加的，存在先天性的水力失衡不利條件，應該盡量防止在多于一層的建筑中采用?！?〕如果一定需要采用上供上回式垂直雙管系統，應該進行仔細的水力平衡計算，并采取防止垂直水力失調的可靠技術措施。〔3〕上供上回式垂直雙管系統的立管底部，容易積存污物造成阻塞，在管道被建筑裝飾所覆蓋隱蔽的條件下，很難進行沖洗排除?！?〕采暖系統的設計，不僅要進行干管環路和立管之間的水力平衡計算，對于垂直雙管系統，更重要的還應該進行同一立管各層散熱器環路之間的水力平衡計算?！?〕對任何雙管系統，適當減小散熱器環路支管的管徑和采用高阻力閥門〔或采用高阻力散熱器恒溫閥〕，以增大散熱器環路的計算壓力損失，有利于各散熱器環路之間的水力平衡?！?〕從理論上講，任何水力失調的系統都有可能采用閥門調節得以改善。但是，設置于散熱器上閥門的作用，是為用戶在一定范圍內自主選擇室溫，不應該、也不可能要求或限制用戶根據自己的需