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通过对空调系统水力及负荷变化特性的分析探讨水力平衡阀使用的合理性

发布时间:2009/7/28 文章来源:本站
在建筑物暖通空调工程中,水力平衡的调节是个重要的课题。本文通过对暖通空调水系统流量变化特性的分析,以及对空调系统末端设备负荷变化规律的分析,探讨安装水力平衡阀后水系统流量变化与负荷变化趋势的协调一致性,以及采用水力平衡阀调节水系统流量变化与负荷变化趋势的优势和局限性。
一、暖通空调水系统流量变化趋势分析:
对于静态的暖通空调水管路系统(不含动态调节元件),包括串联系统和并联系统二大类。
1、串联水系统流量特性分析:
串联管道系统中各个部件的流量是一致的,即
Q1= Q2= Q3= Q4= -------------= Qn= Q0
(Q1----------- Qn : 系统中第1----------n个支路的流量 Q0 :系统中各个支路的总流量)
2、并联水系统流量特性分析:
并联管道系统中各个部件的流量与相应的管道特性阻力数开根号的倒数成正比,即:
Q1:Q2:-------:Qn = 1/(Sp1)0.5:1/(Sp2)0.5: -------1/(Spn)0.5
Q0= Q1+ Q2+ Q3+-------+Qn
(Q1----------- Qn :系统中第1----------n个支路的流量 Q0 :系统中各个支路的总流量 Sp1 -----------Spn : 系统中第1----n个支路的管道特性阻力数)
3、串并联组合水系统流量变化趋势分析:
绝大多数的管道系统均为串并联组合系统,对于任何串并联复合系统,均可按电路模拟法将其简化成并联系统。
简化水系统管道采用如下公式:
a.串联水系统:
Sp= Sp1+ Sp2+ Sp3+---------+ Spn
Sp:串联系统总的管道特性阻力数
Sp1 -----------Spn :系统第1----n个串联部件的管道特性阻力数
b.并联水系统:
1/(Sp)0.5 = 1/(Sp1)0.5+1/(Sp2)0.5-------+1/(Spn)0.5
将水系统简化成简单的并联系统后,按管道特性阻力数对流量进行分配,然后逐级按同样的方式对各支路计算分配流量。
综上所述:
1、串并联组合系统各分支路的管道特性阻力数Sp不变时,网路的总流量在各分支管段中的流量分配比例不变,管道总流量增加或减少多少倍,各分支管道上的流量也相应的增加或减少多少倍;
对于不含任何动态调节元件的空调水系统,均可视为串并联组合系统,其各个环路的管道特性阻力数Sp为定值,因此在这些系统中,当管路的总流量发生变化时,系统各个分支环路的流量等比例的发生变化,并且流量分配比值保持不变,
2、在串并联组合系统中,当某一个管段的管道特征阻力数发生变化时,网路的总管道特性阻力数也会随之变化,总流量在各管段中的分配比例也随之发生变化。
因此对于空调系统,应在管路系统初调试时将各个支路的管道特性阻力数比值调至一个合适的比例,并且在运行的过程中保持不变,以保证空调水系统流量的合理分配。
二、暖通空调系统末端设备负荷变化趋势分析:
1. 影响暖通空调系统末端设备负荷变化的因素有以下几种:
⑴、大气环境温度变化的影响:
大气环境温度变化是影响空调系统末端设备负荷的主要因素。
由大气环境温度变化引起的末端设备负荷由以下公式计算:
Q=A*k*Δt
Q由大气环境温度变化引起的末端设备负荷;
A:传热面积;k:传热系数;Δt:室内外温差
由上式可见,大气环境温度引起的末端设备负荷与传热面积、传热系数、室内外温差成正比。对于处于稳态过程的空调系统,由于在某一时刻的室内外温差对所有的空调区域都是相同的,因此由大气环境温度变化而引起的各个末端设备负荷比值仅与各自的传热面积和传热系数有关,而与室内外温差无关,即:
Q大1 :Q大2。。。。。。。。。。。。。Q大n=A1k1:A2k2:A3k3………Ankn
也就是说,不管大气环境温度如何变化,各个末端设备的负荷比值保持不变。这是大气环境温度对末端设备负荷变化影响的重要特性,也是供暖制冷系统中通过调质法和调量法调节供热制冷量以满足空调区域舒适度要求的主要依据。
⑵、建筑物内冷热源变化的影响:
空调区域人员的发热量、电器设备的散热量、食物的散热量等都会对末端设备负荷产生影响,而且这些影响会随着时间、区域的不同有很大的差异,比如餐馆在中午时这种影响就非常大,反之对于宾馆客房这种影响就非常小。所以对于不同区域的末端设备,冷热源在不同的时间对于负荷的影响差异很大。
⑶、人为因素的影响:
由于人开关门、窗户等因素也会造成末端设备负荷的增加,从而造成能量的流失。人为因素对不同末端负荷变化影响的差异也很大,且是随机的。
⑷、内墙传热的影响:
对于室内的有些内墙,如隔壁为过道和楼梯间的,还存在着内墙传热问题。这些传热损耗也会对末端设备的负荷产生影响。
综上所述,空调系统末端设备的负荷由以下部分组成:
Q= Q+ Q内源+ Q+ Q内墙
(Q:末端设备总负荷; Q:大气环境温度引起的末端负荷;
Q:人为因素引起的末端负荷; Q内墙:内墙传热引起的负荷)
在不同的空调区域,以上四种因素在总的末端设备负荷中所占的比例不同。一般情况下,对于大部分的空调区域,由大气环境温度差异所引起的末端设备负荷在总负荷中占绝大部分比例。
因为由大气环境温度变化引起的各个末端设备之间负荷的比值是恒定的,不随室内外温差的变化而变化,而大气环境温度引起的负荷在末端设备总负荷中占很大的比例,因此在大部分空调区域(饭店、桑那房和浴室除外),我们可以近似地认为各个末端设备之间所需负荷的比值是恒定的,也就是各个末端设备所需冷(热)水量是近似等比例变化的。
三、水力平衡阀调节水系统流量变化与负荷变化趋势的协调一致性:
如上所述,对于静态的暖通空调水系统,各个分支环路的流量是随着总流量变化而等比例的增加或减少的,也就是各个环路的流量比值是恒定的;而由于在大部分空调区域,各个末端设备负荷变化也是近似等比例的,也就是末端设备所需要的流量比值是近似恒定的。
一般情况下,这两种比例关系是不相同的,这就导致静态水力失调。
1、静态水力失调和静态水力平衡:
由于设计、施工、设备材料等原因导致的系统管道特性阻力数比与设计要求管道特性阻力数比值不一致,从而使各个末端设备的实际流量比值与设计要求流量比值不一致,引起水系统的水力失调,叫做静态水力失调。
静态水力失调是稳态的、根本性的,是系统本身所固有的,是当前我国暖通空调水系统中水力失调的主要因素。
通过在管路系统中安装水力平衡阀,并在系统的初调试时按照一定的步骤进行调节,使各个环路的流量分配比值与末端设备所需的流量比值相同,从而实现静态水力平衡。
实现了静态水力平衡的系统,由于管道系统的流量分配比例与各个末端设备负荷的比例基本一致,因此当外界环境温度发生变化引起各个末端设备所需负荷近似等比例变化时,只需调节空调水系统总流量(调量法),就可使各个末端设备流量同时等比例变化,从而使各个末端设备同时满足负荷变化要求。这种方法是代价低廉而效率很高的。
2、水力平衡阀调节水系统流量变化与负荷变化趋势的优势和局限性:
通过水力平衡阀调节水系统流量变化与负荷变化趋势的协调一致性,可以使系统根据各个末端设备负荷的变化很方便地进行调节,极大地简化了变流量系统调节的复杂性。
但是这种调节方式仅仅适用于对调节精度要求不高、大气环境温度引起的末端设备负荷在总负荷中占较大比例的空调系统。
对空调精度要求较高、或者大气环境温度引起的末端设备负荷在总负荷中比例较小的系统,可以采用二步调节法,即把静态平衡阀作为系统初调节的一种方式,通过它的平衡作用消弱系统水力失调的程度,然后在相关的部位或者末端设备处安装各种动态或电动调节装置,从而实现对系统的精调。
四、水力平衡阀在水系统中的安装:
下表为水力平衡阀在采暖空调系统中的安装位置
水力平衡产品
典型应用区域
备注
静态水力平衡阀
采暖、空调集水器回水主管
回水总管
空调主分支回水管
采暖垂直立管回水管
采暖水平支管回水管
空调水平支管回水管
各回水分支管道
地暖分集水器回水管
船用液压管道系统
消防喷淋管道
太阳能管道系统等
 
四、结论:
暖通空调工程中水力平衡阀的使用,为调节各个分支管道系统的流量比值与末端设备所需流量比值的一致性、使系统实现静态水力平衡提供了一种有效的途径。在实际的工程设计中,应根据工程投资和系统的精度要求合理地选用水力平衡设备,既要满足工程设计和技术规范要求,同时又应采用合理的方案,为甲方节约资金。
参考文献:
1、陆耀庆 等主编—实用供热空调设计手册。北京,中国建筑工业出版社,1993年
2、贺平、孙刚主编—供热工程。北京,中国建筑工业出版社,1990年
作者简介
王晓松,男,1969年7月生,学士、总工程师(010)13910116597
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