再议供热系统的水力平衡

再议供热系统的水力平衡（上）

                                               清华大学 石兆玉   

摘要：由于水力失调，引起的冷热不均，至今仍然是困扰本行业的难题。本文重点 指出：积极推广热计量收费，是实现水力平衡、消除冷热不均的关键技术措施。文中还就节流式水力平衡、有源式水力平衡技术的关键环节，进行了具体分析，提出了解决办法。

  关键词：供热系统、水力平衡、计量收费、节流、有源   供热、空调系统的水力失调进而引起的冷热不均现象，历来是困扰业内人员的老大难问题。20世纪70年代末，80年代初，我国科技人员和管理运行人员在学习国外先进经验的基础上，对这一难题从理论到技术进行了比较深入的探讨。鉴于篇幅过长，本文将分两次呈现给读者，敬请关注。

三十多年来，随着国家的改革、开放，经济发展、节能减排和环境保护，本行业也有了长足的进步。但是在供热体制改革，建筑节能和热计量收费的推广应用过程中，仍然存在着各种不同的争论。比如如何解决系统的水力平衡进而消除冷热不均？再如水力平衡与节能减排、计量收费到底有着什么样的因果关系？就是其中的一个重要的争论热点。为了进一步推动行业的技术进步，有必要在新的形势下，就这一问题进行“老话新说“，以期达到更多的共识。    

1. 推广热计量收费是消除冷热不均最有效的措施

在20世纪70年代末，80年代初，我们在研究供热系统水力工况的基础上，拓展研究了热力工况，并就水力工况与热力工况的相互关系给出了奠基性的结论：指出系统的水力不平衡，是导致系统冷热不均的重要原因；并就国内长期推行的“大流量、小温差”运行方式从理论上进行了深入的利弊分析，明确指出“大流量、小温差”运行方式虽然能自动消除系统的冷热不均，但这是一种大投入、高能耗、低产出因而是落后的运行方式。

上述结论在我的《供热系统运行调节与控制》[1]这本书中，有详细的论述。

在[1][2]文献中，对水力不平衡引起的冷热不均，进而造成的能量浪费，进行了数量分析：一般情况下，能量浪费20%-30%；如果采用“大流量、小温差”运行方式，既加大循环水泵又增加锅炉台数提高供水温度，则能量浪费可能达到40%-50%。至今，业内有人仍然不承认系统冷热不均会造成能量浪费；有的虽然承认，但往往把这部分能量的浪费，统计到管网的散热损失中。这是理念上的错误。我们应该明白 ,冷热不均、大流量运行，实际上是造成二种能量的浪费：一部分是热量浪费、一部分是电量浪费。热量浪费是由于系统近端热用户室温过热，通过开窗户等方式浪费掉的，所以把这部分热量算在管网损失里边是没有道理的。关于电量的浪费，这是由于加大循环水泵增加的电功率造成的，跟管网热损失同样没有关系。在正常情况下，如按照传统方法设计循环水泵，则水泵电耗约占供热系统总能耗的1%左右，如果采用大流量运行方式，当实际循环流量为设计循环流量的1.5倍以内时，系统能耗则要占到2%-3%，如果循环流量再增大，则电耗占系统能耗的比例将达到很不合理的程度。  分析能量浪费的原因，目的是为了了解节能的潜力和提出节能的措施。就本行业而言，在建筑节能上，主要应该抓好三方面的技术措施：一是在满足人们的基本需求下，尽量减少能耗，具体措施是改善建筑物围护结构的保温性能，进行分阶段变室温控制，实现最低的冷热负荷供给；二是尽量利用（供热）、减少（制冷）自由热（太阳能、家用电器、照明等），防止有用能的浪费；三是提高供热、空调系统的能效。前二条技术措施，有明显的节能效果，但不会提高系统能效。在第三条的提高系统能效方面，目前人们对冷、热源的能效的提高，管网热损失的降低，都有比较明确的努力目标，唯独对系统的水力失调、冷热不均的克服，缺乏统一认识。当前对计量收费究竟节不节能的争论，就说明这一点。  我坚持认为，推广计量收费是一项建筑节能的重要举措。计量收费，除了利用自由热和调动热用户的行为节能外，最主要的功能是解决了系统的水力平衡，节约了因冷热不均引起的热量浪费，提高了系统能效。有人认为上述节能只是附带效果，计量收费本身不节能。我不能赞同这样的看法。我认为，“计量收费”应该包含完整的技术内容，不能只片面地理解为安装热表。因为热计量收费是供热商品化实现公平交易的一个重要方式，因此，谁受热谁交钱和谁交钱谁享受必须皆得，也就是说，供热作为商品，一定要追求“价廉物美”，实现热价合理，供热效果好。为此，推广计量收费，必须同时即安装热表又安装调节装置，这是一对双胞胎，绝不能偏废。而安装调节装置，就是为了提高系统的可调性，实现水力平衡，消除冷热不均，改善供热效果。从节能的意义上讲，就是为了消除因冷热不均带来的热量浪费，进而提高系统能效20%-30%，这是相当可观的节能潜力，绝对不能忽视。这些年来，从国家的有关文件和计量收费的技术规程都可以看出，在规定计量措施的同时，都明确规定了系统的调节措施，其意义就在这里。多年的实践也证明，凡是计量与调节皆顾的，推广效果都比较好；凡是只注意计量不注意调节的，都走了弯路。这些经验、教训应该很好记取。我们不是常常期盼有消除冷热不均的“灵丹妙药”吗？那么全面推广计量收费就是最好的处方。

2. 完善节流式水力平衡

    供热、空调系统在运行期间，各热用户不能在设计条件下达到设计流量称为系统水力失调。系统水力失调是由于系统各环路未实现阻力平衡而导致的。因此，要实现系统水力平衡必须着手于系统的阻力平衡。达到系统阻力平衡有两种方法：一是靠调节阀通过节流改变管网阻力而实现，称为节流式水力平衡；一种是通过分布式变频水泵的变速改变管网的流通率亦即改变管网阻力而完成，称为有源式水力平衡。从纯数学的角度而言，解决水力平衡，就是已知管网设计流量求解管网的阻力配置，如果列出数学方程组，将会发现方程数大于未知数，这个方程组，将有无穷多个解。这就是说系统要实现某一个设计流量的组合，将会有无穷个管网阻力组合与之对应。我们在管网的水力计算中都有这样的体验，为达到某一设计流量的组合，往往可以选取多种管径的组合来完成，为此，常常采用经济比摩阻作为优化目标来

    选取管径。从上述分析，就会发现，由于水力平衡有无穷多个答案，而且在调节过程中管网间的相互耦合，使管网的实际阻力大小难以判断，因此系统的水力平衡是一件难度相当大的工作。

     多年来，国内外就节流式水力平衡方法进行了许多研究，我在《供热系统运行调节与控制》一书中，曾介绍了十种调节方法。近年来瑞典TA公司，在原有的比例调节法和补偿调节法的基础上，研发了CBI平衡仪，利用平衡仪进行流量测量和补偿法的程序计算，提出了TA平衡法[3]，这种调节方法比原有的补偿法更方便，更快速。我在上述一书[1]中提出的快速简易调节法，只利用超声波流量计，即可快速一次性地完成系统水力平衡，这些年，已在许多实际工程中应用，效果良好。应用的最大工程是位于北京西单路口的中国银行大楼[4]，建筑面积为17.4万平方米，即有供暖系统，又有空调系统，总共对1208个手动平衡阀进行了调节，工程验收为外方公司，调节精度达±10%，得到了验收单位和甲方的好评，该工程的水力平衡调节方法曾在《暖通空调》上进行过介绍。

     这些年，除手动平衡阀外，自力式调节阀（恒温阀，自力式平衡阀、差压调节

阀等）、电动调节阀等都得到了广泛应用，越来越被广大业内人员所认可。随着技术的进步，目前在利用调节阀进行节流调节的过程中，出现了二个比较突出的新问题，需要进一步解决。

2.1 调节阀如何正确选用

    目前存在的主要问题是调节效果不理想：系统近端的超流量没有减下来，系统末端亏缺的流量没有补起来，结果冷热不均的现象没有达到彻底解决。咎其原因，除了调节阀产品质量不过关外，大多数的情况是产品选用不当：我国产品样本，目前多数只给出口径和流量的控制范围，选用人员根据要求的调节流量就确定了调节阀型号和口径大小。这种粗糙的选用方法，存在明显的缺陷。

     首先，是忽略了调节阀的调节特性的变化。调节阀样本，一般都给出了调节阀是线性调节特性还是等百分比的调节特性。然而，这些调节曲线是在实验室里调节阀两端压差始终固定在0.1MPa(10米水柱)的条件下做出的。我们把阀门开度与流量的这种关系曲线称为调节阀的理想调节特性。但是，当任何一个调节阀安装在系统上时，阀两端很难再保持0.1MP的压差。事实上，阀端压差越大，调节阀的调节特性越差。原来是线性调节特性的将向快开特性发展；原来是等百分比特性的，将向线性特性靠拢。

    为了判断安装在系统上的调节阀的实际工作特性远离理想特性的程度，我们定义了阀权度β的概念，有时也称为阀的调节能力。阀权度是调节阀端差压力的比值，分子是该阀全开时，流量是设计流量下的压差；分母是该阀所在设备回路中，当调节阀关闭时的阀端最大压差。实验证明，当阀权度β=1.0时，调节阀的工作特性等于理想调节特性。这种情况，只有当设备回路全部压降都出现在调节阀上，设备、管路压降都为0时才能发生，这显然是理想状态，实际不可能发生。由于在实际工况中，调节阀的工作特性变坏，本来应该在某个开度下，就能把流量调到预期的数值，现在却出现流量超量，只好再关小阀门，甚至直到调节阀全关闭（调节阀与关断阀不同，全部关闭也有2-3%的泄漏量），流量仍然过大，达不到调节的目的。为了防止这种现象发生，国内外一致认为：选用调节阀，阀权度β应大于等于0.25-0.3。

     以上只就调节阀的调节特性提出了阀权度的限制范围，在实际调节阀的选用时，还应考虑配套换热设备的热特性。对于热水换热器，流量与换热量之间的热特性是一条向上突起的曲线；而蒸汽换热器，其热特性则是一条线性曲线。根据控制调节理论，为了保证调节的稳定性和一定的调节精度，调节阀与换热器的放大系数的乘积应尽量为1.0，为此，与热水换热器配套的调节阀应该是等百分比特性，即特性曲线是向下弯的曲线；与蒸汽换热器配套的调节阀应该是线性特性曲线。对于室温调节，比较合适的调节精度应为20±2℃，使室温波动在18-22℃之间，最容易满足人们舒适度的要求，为此，根据比例带的设定，调节阀的开度应工作在50-100%的范围内。而选用调节阀的阀权度不小于0.25-0.3的要求，与调节阀工作开度的要求又正好是一致的。

     为了保证调节阀阀权度能在0.25-0.3以上的范围工作，调节阀的选用必须根据Kv值的大小确定，应该逐渐改变以前只按口径、流量大小选用调节阀的做法。调节阀的Kv 值是指阀端压差为0.1MPa时各种开度下的流量值。这是产品出厂前，预先在实验台上标定好并且列在样本上的数据。

    利用Kv值选用调节阀口径的好处是在选择的过程中，要进行流量、端压的计算，并做阀权度的校核。如果发现阀权度值小于允许值（这种情况常常发生在供热、空调系统的近端），则要采取措施，提高调节阀的阀权度值。这些措施，对于恒温阀，要采取预设定值的设置；对于调节阀，则要串连适当的手动平衡阀或差压调节阀，目的是为了消除多余的资用压头，减少调节阀的端差压力，进而提高阀权度，采用这种调节阀的选用方法，其调节功能一定

能有明显改善。多年来，国外一直是这样选用的，我们也应该加以效仿。有关调节阀的阀权度及Kv值的选用方法，我在“正确选择流量调节阀是实现供热系统流量平衡的关键”一文[5]中有详细介绍，有兴趣的可以参考。

2.2  调节阀如何适应变流量调节

    这里说得变流量调节不是指局部系统的变流量调节，而是指全系统总运行流量的变流量调节。前者是因局部用户负荷需求变动进行的局部调节；后者是因室外气温变化引起负荷变化进行的全系统调节。特别是变频调速水泵的广泛应用以来，这种系统总流量的变流量调节将会越来越普遍。现在人们争论的热点是，各种调节阀如何适应这种全系统变流量调节？为适应局部负荷需求的变动，一般都是通过阀门的调节来实现，这时差压调节阀、自力式平衡阀都能发挥其调节优势。但全系统变流量调节中，随着室外气温的变化，系统要在设计总流量的50-100%的范围内进行调节。我们选用调节阀，都是按照设计流量进行的，而在整个运行期间，只有最冷时刻才满足设计流量，其他绝大多数时间里，运行流量都小于设计流量，这时差压调节阀、自力式平衡阀的端差都小于设定值，为维持设定压差，调节阀将逐渐增大开度，直至完全开启，不再发挥调节作用。有鉴于此，许多人建议在系统总流量的变流量调节中，只适合选用手动平衡阀。这样一来，自力式平衡阀、差压调节阀的销路将产生严重危机。有关这一类问题的讨论，在国外的有关文献中很少看到。因此，针对这一情况，提出简单、有效的可行方案，已成为一件相当急迫的事情。

     我们知道，无论自力式平衡阀还是差压调节阀，基本工作原理是一样的。核心理念是维持一个设定的压差恒定，借以实现调节功能，其中一个重要的技术环节，是设计一个通路，将末端压力反馈至调节阀芯。如果我们在这个通路上安装一个灵活的旋钮，随时都能很方便实现通路的开关。那么这个改装后的差压调节阀、自力式平衡阀就完全能够适应总流量的变流量调节了。具体的操作过程为：在系统初调节时，打开旋钮，让通路开通，发挥自力式平衡阀、差压平衡阀原有的自动调节功能，实现系统的初调节；等初调节完成后，关闭旋钮，使通路关断，让自力式平衡阀、差压调节阀变成一个手动平衡阀，这样就可以放心地进行系统总流量的变流量调节了。施行这样简单的改装，使一个调节阀，同时发挥手动调节和自动调节的功能，应该是两全其美的事情。