某住宅小區供暖熱水管網水力平衡計算與分析

何雪強

（福建省博意建筑設計有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

供熱工程在調試、運行過程中，室溫經常無法符合設計要求，即熱源近端用戶室內溫度過高，而遠端用戶則出現室內溫度不達標的情況。其主要原因往往是水系統各并聯環路之間出現嚴重水力失衡的情況，導致末端換熱設備的供熱量大幅偏離設計條件，進而影響室溫調節。為保證末端用戶的供熱效果，后期運維人員常采取提高二次熱水溫度，或提升水泵揚程的方法。上述做法雖能解決用戶供熱需求，卻同時帶來熱源效率降低、熱媒輸配功耗增加等一系列問題。

筆者在參與住宅供暖項目設計時發現，小區二次供熱管網設計一般都滯后于單體供暖施工圖，且由不同設計人員來完成，設計人員往往會忽視各并聯水環路的資用壓頭，僅按最大允許流速、經濟比摩阻直接確定管徑，確定單體熱力入口處平衡閥規格時，要直接按接管管徑選型。大量工程案例表明，按上述錯誤的設計做法，僅依靠后期調試很難實現水力平衡，無法使每個房間的實際散熱量與設計供熱量相匹配。因此，筆者以某住宅小區供暖工程為例，淺談設計過程中熱水管網水力平衡的計算與設計。

1 相關規范條文

文獻[1]第5.9.11 條：“室內熱水供暖系統的設計應進行水力平衡計算，并應采取措施使設計工況時各并聯環路之間（不含共用段）的壓力損失相對差額不大于15%?！碑旊p管系統并聯環路之間的壓力損失相對差額不大于15%時，最大流量偏差可控制在8%左右，平均水溫及散熱量偏差可控制在2%左右[3]，可保證供暖系統的運行效果。

文獻[2]第5.3.6 條：設計室內熱水供暖系統時，應計算水力平衡，并采取控制措施，使設計工況下各并聯環路之間（不含公共段）的壓力損失差額不大于15%；在計算水力平衡時，要計算水冷卻產生的附加壓力，其值可取設計供、回水溫度條件下附加壓力值的2/3。

2 計算公式及原理

熱水供暖系統中計算管段的壓力損失計算如下[4]。

式中：ΔP—計算管段的壓力損失，Pa；ΔPy—計算管段的沿程損失，Pa；ΔPi—計算管段的局部損失，Pa；λ—管段的摩擦阻力系數；d—管段內徑，m；l—管段長度，m；ρ—熱水的密度，kg/m3；υ—熱水流速，m/s；ζ—局部阻力系數，常用管道配件可參考文獻[3]。

熱水供暖系統中一般均為紊流狀態，采用柯列勃洛克公式[4]，通過迭代計算方式得到整個紊流區的摩擦阻力系數。

式中：Re—雷諾數；K—管壁的當量絕對粗糙度，m。室內供暖鋼管粗糙度K取0.2mm，塑料管取0.01mm，室外直埋敷設的鋼管則取0.5mm。

熱水供暖系統中并聯環路之間不平衡率的計算如下[4]。

式中：ΔP1—第一環路總壓力損失，m/s，一般取最不利環路（不含共用段）；ΔP2—第二環路總壓力損失，m/s。

對于垂直雙管系統，當重力水頭的作用高差大于10m，計算并聯環路之間水力不平衡率時，應考慮重力水頭H（Pa）[4]。

式中：h—計算環路散熱設備中心之間的高差，m；ρr—計算回水溫度下的密度，kg/m3；ρs—計算供水溫度下的密度，kg/m3；g—重力加速度，m/s2。

閥門阻力系數計算如下[4]。

式中：Kv—閥門阻力系數；G—通過流量，m3/h；ΔP—閥前、后壓力差，100kPa。

3 項目概述

該項目位于山東省濱州市，總建筑面積為15.4 萬m2，共有11 棟高層住宅，8 棟多層住宅以及2 棟配套公共建筑。供暖供回水由小區內地上獨棟換熱站提供。供暖系統豎向分為高、低2 個區，站內分別設置高、低區換熱系統。換熱站熱源由市政一次熱網提供，經板式換熱器熱交換后提供二次供暖熱水，供回水溫度為45/35℃。

該地塊1～11 層為低區，12～22層為高區，低區熱負荷為4172.3kW，高區熱負荷為2389.4kW。進出換熱站管道處至供暖系統末端最不利環路的壓力損失分別為低區161.5kPa，高區143.4kPa。

住宅樓棟內供暖主立管采用下供下回異程式，在共用立管供水管始端、回水管末端設置手動調節閥及泄水裝置。單體采用共用立管的分戶熱計量方式，樓棟熱力入口處設總熱量表作為貿易結算表，各戶設戶將熱量表作為戶用分攤表。戶內為混凝土填充式熱水地面輻射供暖系統，采用分戶溫控形式。

4 水力平衡的計算與分析

4.1 末端供暖水管的水力計算

末端供暖水管包含水平干支管、分支豎管、埋地入戶管以及戶內地暖管線。以20#樓為例，標準層單元為一梯兩戶，層高2.95m，共22 層。取左側戶型最不利計算環路，標示出各個管段的編號，見圖1。按公式（1）、（2）計算出設計工況下該環路的總阻力，其中集分水器、恒溫控制閥、Y 型過濾器、熱量表合計阻損按工程經驗值取15kPa，結果見表 1。

圖1 20#樓末端供暖水管計算管段標示圖

4.2 豎向共用立管水力平衡計算與分析

考慮水力平衡因素，宜將共用立管比摩阻控制在30Pa～60Pa。同樣以20#樓低區供暖立管為例，計算豎向水力平衡率。首先按公式（1）、（2）計算共用立管的阻力值，見表2。如圖2，該系統不平衡率最大值出現在并聯環路A-11’-B 與A-1’-B。其中最有利環路A-1’-B 的阻損為末端供暖水管總阻力，即24.1kPa。計算最不利環路A-11’-B 總阻損時，應將重力水頭從供回水立管總阻力中扣除。公式（4）計算的重力水頭為0.79kPa，進而計算最大不平衡率。

圖2 20#樓低區共用立管管段標示圖

計算結果符合水力平衡要求。由此可見，共用立管管徑不宜過小，設計時應按計算結果進行調整。由表1、表2 可知，20#樓低區樓棟內總阻力損失為55.5kPa。可求得其他所有樓棟（單元）內高、低區熱水系統的總阻力損失。

表1 20#樓標準層戶內水管水力計算表

表2 20#樓低區共用立管水力計算表

4.3 二次供暖熱水管網水力平衡計算與分析

二次熱網管道室外部分采用無補償（冷安裝）直埋熱力管道技術，室內部分則在地下一層車庫內敷設。選最遠端1#樓12-2 支環路為低區供熱水系統的最不利環路，并計算其總阻力損失，結果見表3。由表3 可見，主干管沿程比摩阻在30Pa～100Pa，符合水力平衡設計要求[4]。低區供熱總水流量為360.4m3/h，最不利環路總阻力損失為161.5kPa。現以低區供暖系統中20#樓2-4 支環路為例，計算該環路與最不利環路之間的水力不平衡率，并對該棟樓熱力入口處平衡閥進行選型。根據表3、表4 計算20#樓2-4 環路與最不利環路（不含共用管段1、2）的不平衡率。

表3 低區最不利環路水力計算表（1#樓12-2 支環路）

表4 低區20#樓2-4 環路水力計算表

2-4 環路樓棟熱力入口處選用SPF45-16 數字鎖定平衡閥，計算閥門阻力系數。

式中：取平衡閥全開時壓力損失值為5kPa。根據Kv值查廠家提供的該型號平衡閥線算圖，選取平衡閥管徑為DN80，設計工況下開度為44%，最優工作區間為30%～80%。

由上述計算過程可見，與最不利環路并聯的環路，在滿足最大水流速的條件下，支干管的設計比摩阻應盡量取大值，以平衡資用壓頭的富裕度；當受最大水流速制約而產生較大不平衡率時，應在樓棟熱力入口處設置調節平衡裝置，并校核設計工況下的閥門開度。

5 結語

與空調供冷水系統相比，供暖水系統具有供回水溫差大、水流量相對小的特點。各并聯水環路溫降偏離設計值的幅度受水力失調程度的影響大，不可以忽視其水力平衡的計算。設計支狀異程式熱力管網時，供熱半徑不宜過大，干支管環路水流量應力應該均勻對稱，干管上不宜設置過多小流量的支環路。優先調整管徑，使并聯環路之間阻力損失的計算相對差額最小，必要時可在支環路上設置靜態或動態平衡閥。根據該支環路的流量、資用壓頭進行平衡閥規格、開度的選型計算，不可以直接按接管管徑選型。