兩通高阻恒溫閥在散熱器供暖系統中的應用分析

申劍 張欣然

中國航空規劃設計研究總院有限公司

1 提出問題

為提高散熱器供熱量的精確調節，提高供暖質量，減少供熱浪費，新建或改擴建的民用、公共建筑的供暖系統，大多采用雙管系統，每個散熱器前設置兩通高阻恒溫閥。隨著《工業建筑節能設計統一標準》GB51245 的發布，根據“5.2.8 對于需要分室自動控制室溫的散熱器供暖系統，散熱器前應安裝恒溫控制閥”，工業建筑也在逐步擴大雙管供暖系統的設計，但是，很多設計者認為兩通高阻恒溫閥具有高阻力的特性，只要安裝它，就可以解決水力平衡問題而無需再進行水力平衡計算，實際情況到底如何，下面將以某算例進行具體分析。

2 算例分析

2.1 水平雙管系統

為了簡化計算，本文以一個有20 根立管的單層雙管供暖環路為算例，采用上供上回同程系統，前10 組散熱器負荷為4 kW/組，后10 組散熱器負荷為2 kW/組，具體立管圖見圖1：

圖1 水平雙管供暖系統立管示意圖

選用的恒溫閥參數參考標準圖17K408[1]，具體參數見表1：

表1 恒溫閥參數

根據軟件計算（軟件默認管路比摩阻取值范圍為40～100 Pa/m），各立管默認管徑為DN15，此時系統阻力見表2：

表2 立支管管徑為DN15 時系統阻力及不平衡率

根據表2 可以看出，如果不進行水力計算，只是簡單直接安裝高阻力恒溫閥，不僅無法解決系統的水力平衡問題，還會加劇水力失調，哪怕是在加裝恒溫閥前進行了水力平衡達到15%，而在加恒溫閥后，水力失調度也會加劇到39.38%，其原因是恒溫閥的阻力是根據閥門值和流量確定的：P=(Q/Kv)2，通常阻力較大的環路流量也較大，所以如果所有支路選擇相同的閥門Kv 值，原來阻力比較大的環路阻力就會變得更大，加劇不平衡率。而如果根據系統的阻力和每個支管的流量，經過計算選擇恒溫閥合理的Kv 值，就可以解決水力失調問題，如果在選擇恒溫閥之前，先進行系統的水力初平衡，還可以降低系統的總阻力。

由于多年的使用習慣，東北地區很多項目，甲方要求散熱器立管不得小于DN20，當立管管徑為DN20時，系統阻力見表3：

表3 立支管管徑為DN20 時系統阻力及不平衡率

由表3 可以看出，加大立支管管徑僅能降低系統總阻力，對于系統的平衡作用不大，而都采用DN20 的恒溫閥將會增加初投資。

如果根據每個立管的流量選擇不同的管徑，有利于系統的平衡，將本算例中1～10 立管采用DN20、11～20 立管采用DN15 時，系統阻力見表4：

表4 1～10 立管采用DN20、11～20 立管采用DN15 時系統阻力及不平衡率

根據以上計算可以看出兩通高阻恒溫閥的高阻力特性十分明顯，所以系統立管管徑、恒溫閥預設值的選擇，應根據外管網情況、與其它環路的平衡情況等因素綜合考慮。

2.2 垂直雙管系統

以一個6 層垂直雙管供暖系統為算例，采用上供下回系統，每組散熱器負荷為2 kW/組，具體立管圖見圖2：

圖2 垂直雙管供暖系統立管示意圖

垂直雙管系統中，由于水冷卻產生的重力作用壓力是引起垂直失調的重要原因之一，本算例按供回水溫度80/55 ℃計算，散熱器負荷為2000 W，重力作用壓力按ρgh×2/3 計算[2]，水力計算結果見表5：

表5 立管采用DN20、支管采用DN15 時各環路阻力及不平衡率（系統不進行水力平衡）

根據表5 可以計算出：無恒溫閥的系統考慮重力作用時不平衡率為120.82%，采用無預設阻力型恒溫閥的系統不平衡率為45.47%，采用帶預設阻力型恒溫閥的系統不平衡率為10.83%。本系統的平衡完全是靠增加恒溫閥阻力實現的，結果會導致系統阻力增加較大，根據文獻[3]的建議“應將高環路多得到的自然作用壓力，用以克服低環路的相對不利因素，即回水立管的管徑要小于供水立管的管徑，使回水立管的阻力大于供水立管的阻力”，現將系統改為圖三所示，其水力計算結果見表6：

表6 調整供回水立、支管管徑后各環路阻力及不平衡率

圖3 改進后垂直雙管供暖系統立管示意圖

根據表6 可以計算出：無恒溫閥的系統考慮重力作用時不平衡率為159.97%，采用無預設阻力型恒溫閥的系統不平衡率為46.49%，采用帶預設阻力型恒溫閥的系統不平衡率為12.94%。即經過人為調整，系統的總阻力約為2 kPa 就可以實現系統平衡。因此。只有經過計算確定合適的管徑和恒溫閥Kv 值（設定值），才能解決供暖系統的水力平衡問題。

3 結論

1）不經過水力計算，隨意的設置恒溫閥將加大供暖系統的水力失調，只有選擇合適的恒溫閥Kv 值，才有利于系統平衡。

2）進行系統水力平衡計算，同時選擇合適的恒溫閥Kv 值，有利于降低系統總阻力。

3）恒溫閥Kv 值是合理選擇閥門的重要參數，而每個廠家產品的Kv 值是不同的，所以應在設計中明確每個恒溫閥需求的Kv 值（或預設檔位），并保證現場安裝正確。

4）恒溫閥Kv 值的確定是因人而異的，根據表四可以看出，同樣的系統，不同的配管設計，會導致恒溫閥Kv 值選擇的不同，未經過水力平衡的系統，11～20立管預設定閥門檔位為5，而經過水力平衡的系統，11～20 立管預設定閥門檔位為6。

5）本文僅對采用兩通高阻恒溫閥的雙管系統水力平衡進行了闡述，而工業建筑的散熱器供暖系統是否都應該采用雙管加高阻力恒溫閥的設計，還需要根據廠區外網情況確定，如老舊廠區的供暖改造或新老建筑共用管網等情況。當廠區外網資用壓頭本身不富裕時，或許采用單管跨越加兩通低阻恒溫閥或單管系統加三通低阻恒溫閥是更好的選擇。