平衡阀在水力管网中的应用及节能效益

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在集中供热或空调系统中，热水或冷水由水力管网输送到各个用户。对于一个按照设计要求理想运行的供热或空调系统，各个用户都能够获得设计水流量，满足用户室内温度的舒适性要求和系统运行的节能性要求，避免了用户投诉和能源浪费。这样的系统就是实现了水力平衡的系统，否则，就是水力不平衡或称水力失调的系统。 我国以往建成的各类建筑，在设计时大多没有考虑在集中供热和集中空调系统中设置水力平衡设备，因此比较普遍地存在水力失调现象，系统中总有室温过热或过冷的用户。近年来，随着房地产业的快速发展，各类建筑中的集中供热和集中空调面积越来越大，达到几十万平方米已不鲜见，水力失调现象变得尤为突出，这就迫使业主或物业管理单位不得不在系统上投入更多的设备和能源，以满足用户的要求。这种长期的不合理的运行，不仅不能解决供热或供冷品质不高的问题，还造成了大量的能源浪费。 在水力管网系统中，当某些环路存在剩余压头时（即某些环路的阻力过小时），这些环路的实际流量就将超过设计流量，这就必然造成其它环路的实际流量达不到设计流量。这种水力失调是管网系统的设计缺陷和施工缺陷造成的，称为静态失调。这种失调是先天性的，根本性的，如不采取措施予以纠正，其不良影响在系统中将自始至终存在。 对于建筑中大量的供热和空调系统水力失调问题，通过调研，测试和实际改造工作，我们发现，在 房屋用户对供热和空调品质强烈投诉的背后，存在着极大的能源浪费。本文通过两个管网改造的实例，说明对水力失调系统进行改造，将会取得显著的节能效益。这在当前我国建筑节能呼声日益强烈、世界性的能源供应日趋紧张的形势面前，具有重要意义。 1 应用实例1 北京东兴住宅小区是上世纪90年代建设的综合住宅小区，以多层建筑为主。小区建成后，每年都有部分用户因室温未达到北京市最低供热标准，向小区供热所投诉，部分用户拒绝交纳供热费。小区供暖所也曾采取了加装水泵变频调速器、更换锅炉、锅炉运行量化管理等多种手段,试图改善供热质量，但都没有明显效果。实行物业管理后，超额的运行费用也使供热单位不堪重负。经我们现场调研、测试后，认为该小区供热系统属于典型的管网水力失调系统，应从解决系统的水力失调问题入手，改善系统的运行状况。 1.1 改造前系统状况 1.1.1 供热面积：42.5m2。 1.1.2 设备参数：

锅 炉			循 环 水 泵
数量（台）	2	2	数量（台）	2	1
容量（t）	10	10	功率（KW）	110	75
供水温度（℃）	115	95℃	流量（m3/h）	800	486
回水温度（℃）	70	70℃	扬程（m）	43	43

1.1.3 供回水温差：5℃。 1.1.4 住户室内温度：最高26℃,最低10℃。 1.2 系统运行状况分析 根据理论计算及常规经验，在锅炉出力能够满足要求的情况下，42.5万m2的供热面积在北京地区所需的循环水量约为1100t/h左右。经调查实测，该系统的实际循环水量已高达近2100t/h，实际循环水量是所需循环水量的1.9倍。小区内住户最高室温高达26℃,最低却只能达到10℃，供回水温差只有5℃。这是典型的大流量小温差的不合理的运行状态，在这种运行状态下，锅炉效率降低，水泵功率超常。造成这一现象的主要原因就是管网系统水力失调。这种不良的运行状态，一方面加大了煤、电等能源的消耗量，造成了大量的能源浪费，另一方面仍有部分用户室温达不到北京市规定的最低供热室温要求。 1.3 系统改造方案 在对管网系统进行了全面、充分的调研分析后, 确认了系统运行中存在的主要问题和造成问题的原 因,对系统提出了以下几点改造措施: 1.3.1 在循环水泵处安装平衡阀； 1.3.2 在管网的各分支管路上安装平衡阀； 1.3.3 在各建筑入口处安装平衡阀； 1.3.4 进行全面系统的水力平衡调试，使安装了平 衡阀的各个环路的流量基本都能达到设计流量，把 室温过热的用户温度降下来，把室温不达标的用户 温度提高到能够满足供热要求。 1.3.5 经设计选型确定该系统共需安装平衡阀195 台（见安装示意图）。 1.4 改造效果

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图1 东兴小区平衡阀安装示意图

1.4.1 依据上述方案，安装了平衡阀并进行系统水 力平衡调试后，每一分支环路及每一栋楼房都基本能够按照设计流量运行。 1.4.2 提高了供热品质，消除了物业与业主的矛盾，避免了用户投诉，收到了良好的社会效益。 1.4.3 经济效益显著。下表是系统改造前后的运行状况对比：

	锅炉运行数量（台）		水泵运行数量（台）		循环水流量（m3/h）	住户室内温度（℃）
改造前	10t	4	110kW	2	2085	最高	26
			75kW	1		最低	10
改造后	10t	3	110kW	1	1285	最高	21
			75kW	1		最低	17
节省量	10t	1	110kW	1	800

从上表可以看出，系统经改造后少用了1台10t锅炉和1台110kW的水泵（流量800 m3/h）。仅水泵一项，每个采暖季就可节约用电31.7万度。两个采暖季即可收回全部用于加装平衡阀的投资。 由于住户室内的采暖设施大都在房屋装修时进行了封闭处理，无法安装平衡阀，因此上述改造措施只解决了系统的水平失调问题，垂直失调问题还无法解决。如果垂直失调现象也能够得到改变，节能效益将更为显著。 2 应用实例2 北京卡尔公寓位于北京经济技术开发区（亦庄），是2004年入住的高档住宅小区。小区内有别墅288栋；高层住宅楼12栋，住户588户。小区热力管网通过热力站与市政热力管线换热。2005年采暖季，小区开始供热后，每天都有几十户业主到物业投诉暖气不热，甚至上书开发区管委会，要求解决问题。针对严峻的形势，小区开发商已经着手准备更换更大功率的水泵，以期望能够改善供热状况。在研究确定改造方案时，我们建议不应急于更换水泵，而应首先对系统的基本运行状况进行测试分析，以找出问题的症结所在。 2.1 改造前系统状况 2.1.1 总供热面积18万m2。 2.1.2 设备参数：

换 热 器			水 泵
	一次水	二次水	开启数量（台）	流量（m3/h）	压差（MPa）
供水温度（℃）	100	74	1台	263	0.10
回水温度（℃）	73	58	2台	470	0.25
			3台	700	0.40

2.2 系统运行状况分析 2.2.1 卡尔公寓总供热面积为18万m2，按北京地区基本热指标估算，循环水量在400 m3/h左右时即能满足供热要求。通过对水泵运转的实测，结果表明，开2台水泵时流量为470 m3/h，已经达到所需流量。而现在实际运行3台水泵，流量已达700 m3/h，超出所需流量230 m3/h，超出近75%，还仍然有大量住户投诉暖气不热。 2.2.2 经过我们到现场查看测量，每户别墅的热力入口管道规格为DN40，选用的管径过大，属于先天性的设计缺陷。这种设计缺陷必然造成近端住户热力入口剩余压力过大（即管道阻力过小），导致流量过大，室温过热，而远端住户得不到应有流量，室温过低。根据上述情况可以确定，小区内部分住户暖气不热是由系统水力失调造成的，而并非是水泵功率不足造成的。 2.2.3 小区热力管网在设计时，即在各个热力入口处，按相同管径设置了自力式流量控制阀（动态流量平衡阀）。系统实际运行的情况表明，这些自力式流量控制阀没有起到任何作用，主要问题是设计选型不合理，在安装到系统上后也无法进行调整。不仅是卡尔公寓，现在已经有很多使用了自力式流量控制阀的工程项目，系统水力平衡效果不理想。 对于一般阀门而言，当阀芯开度一定时，通过阀门的流量随着压差的大小变化。而自力式流量控制阀在压差变化时，能够利用变化的压差来推动阀芯动作，改变阀门开度，以限制阀门流量的增加或减小，从而起到恒定流量的作用。 但是，自力式流量控制阀有一个工作压差范围，在这个范围之内，阀门流量基本保持恒定，超出这个范围，阀门的流量就不是恒定的。因此，如果在系统中采用自力式流量控制阀作为水力平衡设备，在管网设计时就必须认真仔细地进行水力计算，确保阀门安装位置的压差在阀门的工作压差范围内。由于卡尔公寓别墅的热力入口处管径过大，使阀门前后的压差过小，不足以推动阀芯动作，因此起不到消除近环路剩余压力，限制近环路流量过大的作用。 另外，自力式流量控制阀价格比平衡阀高，阀门阻力也比平衡阀大，如果系统在运行过程中没有动态变化，就没有必要安装自力式流量控制阀，否则，会增加不必要的投资，并且增加水泵扬程。当水泵扬程增加过多时，其多消耗的电能则有可能抵消采用平衡技术所带来的节能效益，收到适得其反的效果。 2.3 系统改造方案 2.3.1 在具备施工条件的热力入口，拆除原有的自力式流量控制阀，替换成平衡阀。经对平衡阀调试后，改善目前的近环路流量过大，远环路流量不足，住户冷热不均的状况。在采暖期间，暂时不具备改造条件的热力入口，采暖季过后再考虑安装平衡阀（见安装示意图）。

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图2 卡尔公寓平衡阀安装示意图

2.3.2 如上图所示，在别墅的入口处安装平衡阀，高层楼房除在楼的入口处安装平衡阀外，每一层住户入口的水平管也都安装了平衡阀。 2.4 改造效果 2.4.1 由于每栋别墅的热力入口在住户房间内，部分近端环路的住户不存在暖气不热的问题，拒绝配合安装平衡阀，因此在别墅区只安装了60多台平衡阀，只占别墅总户数的四分之一多。尽管如此，已经收到了明显的效果，除最末端的4、5户地下室温度不够以外，以前投诉的住户也不再投诉。 2.4.2 下表是系统改造前后的运行状况对比：

	水泵运行数量（台）	循环水流量（m3/h）			住户投诉量
改造前	3	700		改造前	60～70户
改造后	2	435		改造后	4～5户
节省量	1	265		减少量	55～65户

从上表可以看出，系统经改造后少用了1台水泵，节省流量265 m3/h，节省近40%。住户的投诉量也从60～70户减少到4～5户，大大提高了系统的水力平衡度。 由于部分近端环路的住户在采暖期拒绝配合系统的改造，没有安装平衡阀，因此仍有一些近端环路在超流量运行。待本采暖期结束后，有条件施工时，在应该安装平衡阀的部位全部安装平衡阀，就能够彻底改变系统的水力失调现象，进一步提高节能效益。 参考文献 ［1］Robert Petitjean(瑞典)等著，郎四维等译.水力管网全面平衡技术.北京：中国建筑工业出版社，1991 ［2］黄维等.平衡阀与定流量阀在水系统平衡中的不同应用.暖通空调，1999

jh2003

楼主高手啊，采暖方面也很精通啊。其实用孔板也行