对空调和采暖水系统阻力设定的不同考虑 ).doc

热水采暖管道的最大允许流速 管径 Dg（ mm ） 最大允许流速（ m/s ） 一般室内管道 有特殊安静要求的室内管道 热水采暖管道的最大允许流速管径Dg（mm）最大允许流速（m/s）一般室内管道有特殊安静要求的室内管道152025324050500.81.01.21.41.82.03.00.50.650.81.01.51.51.5对空调和采暖水系统阻力设定的不同考虑 0 引言 在教科书及空调手册12里，都规定了冷冻水的流速范围，比如DN50的管道，安静房间内的流速不大于1.5m/s，一般房间内的流速不大于3m/s，小于DN50的管道的上限要小于DN50，而DN50以上的管径一律参考DN50的标准，系统设计时只要控制流速在这个范围内就是正确的。但笔者在工程实践中发现，这种只强调把管道流速控制在一定范围内的做法，并不能反映系统内的水力情况，从而影响对系统运行状态的准确判断。特别是对参加工作不久的设计人员，重视对水系统研究是很必要的。控制流速的大小不是设计的目的，而不同流速下的阻力才是我们最关心的。1 管道阻力与管径在不同的系统里流速会有大有小，有时会相差很大，这么做的目的其实是要控制流动产生的阻力损失的大小。因此了解整个系统中各个部分的阻力分配情况，对设计出合理的系统或解决工程中出现的问题是相当重要的。工程上最普遍的问题是设计人员对水泵的泵压把握不准，或者在安装平衡阀与同程系统间不知如何确定。出现这些情况有很多都是与阻力相关的，只有认真地进行阻力的分析或计算，才能从根本上解决这个问题。反之在不理解的情况下，有些新的设计人员不得不照搬前辈的经验数据，但由于情况并不完全相同，因此常会出现一些问题，即使设计者本身也觉得有些不妥，但也查不到相关的资料来修改或完善。这些问题的累积也影响了设计者对其他关联知识的理解，不能把知识串联成为一个整体。针对上述这种情况，笔者提供一张国外设计人员常用的水力计算图表3，结合这张图表，具体分析水系统中的阻力分布情况，同时分析一下水泵的阻力、平衡阀的作用及同程系统的重要性，这些在空调与采暖水系统中是相当常见的。图1：冷水管道水力计算图（镀锌钢管）首先，图1给出了水温20时镀锌钢管在不同管径、不同流速下的阻力线图，与在712时水的阻力特性区别不大，当然也希望有兴趣的老师和同学作为课题研究，制作出712时的水阻力特性图表，使我们设计时的依据更准确。在图1中可以看到，国内手册中对管道的限定流速为3 m/s时，不同管径的阻力是从75Pa/m到2000Pa/m，阻力范围非常大，因此对整个系统的影响也有很大不同。除此以外上面还有两条虚线，左面一条是气泡随水移动最低流速线，右面一条是静音线。2 采暖管道的最低流速及设计原则由于温度较高，空调热水或采暖管道的气泡比空调冷水相对要多。为防止气泡聚集，最低流速就是要求气泡能够随水流动。采暖规范规定的最低流速是0.25 m/s，超过这一流速是可以不设坡度的；而空调水管的水流速度都是在这之上的，所以对水平总管的坡度也就没有要求。笔者把线图上的流速线与采暖要求的流速作个比较，发现它们有着相当大的差距，空调水管道的流速随管径的不同从0.63.0m/s，远在0.25 m/s之上，难道95或80的采暖热水与20的温水气泡的流动特性会有如此大的悬殊吗？笔者认为不是，这两条线实际反应了人们对空调和采暖的不同看法的问题，而不仅仅是气泡的问题。采暖是我国北方地区公共建筑、住宅内必须要设置的，因此必然会导致大量的安装费用的支出，所以对采暖设计来讲减少费用支出是规范制定者的重要工作，特别是减少运行费用。因此对于9570的热水采暖系统，采取大温差、低流量、低阻力成为控制运行成本的基本方法，也是设计的基本原则之一。这一条不仅以前适用，对倡导节能的今天也特别重要。规范规定热水采暖系统的阻力范围是1550kPa之间，这个阻力完全可以由区域热水循环泵克服。如果选用高流速、高阻力的设计思路，虽然可以减少管径，一次投资也会减少，但需要在每个建筑内都要考虑设置采暖增压循环水泵，运行费用大大增加。综合考虑可以判断，在管道上缩小管径省下的费用远远不够运行费用的支出，而运行费则是一直要支付出去的。所以规范强调用低阻力、大温差、低流量作为采暖的基本原则之一，具有费用低、无维护、稳定的特点，更能够满足北方广大地区的人们在冬季抵抗严寒的需求。3 空调管道的最低流速及设计原则空调水系统的流量和管径的关系更多是考虑了系统的特点及安装的便利性。首先空调和采暖的温差不同，空调的温差只有5，而不像采暖有25，这是由于制冷时受送风温差和结露点的影响，回水温度一般保持在12左右，而水在0以下就会结冰，因此空调温差能够选择的空间就很小。为保证制冷机的安全，空调水系统的温差保守的取值是5，最大是7。如果通过在水中加盐或乙二醇来降低水的结冰点，确实可以增大温差，但是又会带来环境、安全性、维护的问题，因此很少采用，只作为个案存在。正是由于受到温差的限制，相同流量条件下，空调工况时的管道只能输送相当于采暖1/41/5的冷量，因此空调需要更大的流量。如果象采暖一样保持低阻力运行，它的管道直径会变得非常巨大。由于空调管道阻力占系统总阻力的比例很小，一般不超过25%，既使管道再大，对系统总阻力的降低也起不到更大的作用。而且巨大的管道带来的不仅是安装的问题，如何在建筑物内把他们隐藏起来才是最困难的事情，普通建筑是没办法解决这个问题的，空调不能喧宾夺主，除非在某些特殊情况下，否则是不会被允许的。第二条线是静音线，在安静区房间内安装不应超过此线。这条线和手册上的噪音线有部分重合，但它有一个明显的好处是你知道它的阻力具体是多少，而不单单是流速上的限制。这根阻力线基本在300 Pa/m的标尺上，人们更习惯在这两根线之间选择管径，我们做个对比就可以发现它们的差异。比如一个50米的高层建筑，它的主管流量是2000l/min，管径选DN150还是选DN125呢？如果按照手册的要求流速不超过3m/s来选择，会选用DN125的总管，我们把两种计算结果分别放在表1里作个对比，假设供、回水总长300m，末端为空调箱和风机盘管。表1 不同管径对水泵泵压的影响(注1、注2：自控系统需要的阻力约为40kPa)结果发现它们的总阻力相差128kPa，而沿程阻力相差117kPa。水泵的泵压选310kPa是在基于两线之间做出的结果，而不是按流速的方法算出的，一些设计人员在水泵泵压上出现的问题是与按流速方法计算有关的。有的资料上给出了按流量范围选择管径的方法，但仍然不够直观，不同的选择结果对系统的影响也不能够量化。采暖受运行费用的影响较大，而空调更多是考虑安装的便利性；采暖是一个必须的、基本的选择，而空调是有条件的投资者的选择，服务对象的不同从而导致对空调和采暖的不同要求。4 平衡阀的设置条件41空调管道系统在上例中，同为末端设备的空调箱的阻力要比风机盘管大一些，但多数情况下空调箱并不在系统的最末端，所以两者的结论基本相同。系统支路的平衡主要取决于支路沿程阻力占支路总阻力的比例。一般认为不平衡率在30%以下是可以通过系统现有阀门来调节平衡的，超过则需要配平衡阀。平衡阀一般设置在回水支路总管上，支路上的设备不再设平衡阀。见表2，如果末端的阻力是64kPa（末端加控制），比摩阻取200Pa/m、局阻占30%时，第一根支管与最后一根支管的距离在525kPa之内时，不需要设置平衡阀；如果末端单是新风空调箱，那么允许距离将会达到94m。表2两种空调末端平衡阀设置条件的实例计算在实际工程中，可操作的范围会更大，因为无论立管或支管，为了达到分配的均匀，管径并不随着流量的减少而随时改变，这样比摩阻会一直小于200Pa/m，因此而使可允许的环路差值将会更高。因此在中小型的建筑里，一般是很少需要设平衡阀的。在大型有核心桶的建筑里，由于管道需沿着核心桶体转一圈，人们往往习惯作成同程式而不会额外增加管道，这样系统内最大的环路差值仅仅是高度上的不同，而一个系统的高度最大不会超过100m，因此在这样的系统里也根本不需要设置平衡阀。在没有核心桶的大型建筑里，控制路程差的办法是做平衡立管或增加立管的数量，这样不仅使整个系统更易平衡，还更安全和更易维护。不恰当的设置平衡阀会引起系统总阻力的增加，不利于节能。42采暖管道系统在采暖系统中，手册中要求的总阻力是15kPa50kPa（仅包含管道和散热器），只有空调的1/101/3，因为阻力系数是不变的，而产生的阻力大小是由流速决定的，由于流速极低，因此管道、设备的阻力也大幅降低。同样一个DN25的闸阀，全开时在空调水系统中它的阻力可能是250Pa，而在采暖系统中它的阻力却只有40Pa。见表3，散热器的阻力是100Pa左右，假设管道比摩阻是100 Pa，考虑乙字弯等在内，在一个40 m高的12层的垂直单管跨越系统里，经计算支管的末端总阻力是5500 Pa，同样不平衡率按30%计算，则允许的环路差值为23.5m，按规范要求不平衡率是15%6时差值为11.75m，比空调的允许环路差值要低很多，即使立管两端采用截止阀也仍然不能使差值增加多少，所以采暖系统里更多的是采用同程式系统，以保证系统的正常运行。表3采暖环路平衡阀设置条件的实例计算43两种系统的差别通过分析发现，空调和采暖水系统的沿程阻力所占系统的比重极不相同。空调的沿程阻力约为总阻力的1/5，而采暖的沿程阻力约为总阻力的4/5，因此系统形式对两种系统的重要程度也截然不同。采暖系统还可以通过划分多个系统来调节总阻力的大小以满足规范上的要求，所以一个建筑的空调系统可能只有一个，但采暖系统可能会有好几个。如此大的差别使阀门在两种系统中的作用也截然不同，比如闸阀在采暖系统中只起到关断维修的作用，越少设置越好。在这种情况下，任何一个阀门的设置都会对系统产生影响。随着建筑内部形式的多样，带给采暖设计者的困难也越来越大，单一的同程式已很难见到，同程、异程混合方式更加常见，清楚了解阻力的分布情况才能更好的平衡好一个系统，只在必要时采用平衡阀来解决问题。笔者在图1中增加了水泵的吸入口和出水口流速的要求，以方便设计。5 关于节能的一点思考在新颁布的公共建筑节能设计规范7里，已经对节能提出了全面的要求。由于夏季冷水系统的特殊性，暂时还没有好的节能办法出台；而对冬季空调温水系统的节能已经提出了一个方向，就是把两管制空调冬季送回水温差提升到15，而以往我们通常是10，但这一要求并不是白纸黑字写在纸上，而是出现在空调冷热水系统的输送能效比（ER）这个公式里。两管制空调冬季ER0.00434,因为只有T15你才能得到满足要求的泵压，而如果你使用15的数据比如说10而使ER0.00434，那你肯定会计算出一个很低的泵压，虽然满足了公式，但把系统总阻力降得太低需要付出极大的代价，而不单单是降低管道的阻力，还包括设备。这种暗指的方式是否说明规范制定者对空调水系统究竟是否需要全面采用15大温差设计，采用后又会带来哪些问题还没有统一的看法。也许这个问题在下一本节能规范里才会出现直接的、明确的说明。6 结语由以上的比较可以看出，空调与采暖水系统设计的核心问题就是阻力及平衡问题。在以流速为依据的采暖设计中，因为不量化阻力的大小，所以很容易出现系统不平衡问题。归纳为以下几点：1 空调与采暖设计流速的要求是不同的；2 采暖的系