系統(tǒng)壓力損失及流量平衡

1、管道系統(tǒng)的壓力損失和流量平衡意大利卡萊菲公司北京辦事處 舒雪松一、平衡流量指系統(tǒng)的壓頭（揚(yáng)程）改變后隨之改變的新流量。它可以通過(guò)以下公式計(jì)算： G1 = G ×（H1/H）0.525 公式（1） 其中：G1=系統(tǒng)平衡后流量（新流量） H1=系統(tǒng)新的壓頭 G=系統(tǒng)原流量 H=系統(tǒng)原壓頭注：G1，G，H1，H的單位應(yīng)該一致。比如G用m3/h為單位，則G1也應(yīng)該是m3/h。以上公式根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)的理論衍變出來(lái)，它假設(shè)在水循環(huán)系統(tǒng)中，壓力損失的總和與流量的指數(shù)為1.9的關(guān)系，即Z=P X G 1.9, Z就是系統(tǒng)流量曲線的特征系數(shù)。這個(gè)公式適合于我們?cè)谏弦粋€(gè)章節(jié)里講到的高、中、低粗糙度管道。

2、新流量與原流量的關(guān)系通過(guò)倍率F表述： F = G1 / G 公式（2）這個(gè)倍率用于確定系統(tǒng)經(jīng)過(guò)平衡后每個(gè)支路、末端的新流量。范例（1）一個(gè)傳統(tǒng)雙管系統(tǒng)的平衡流量計(jì)算方式圖1回路B匯合點(diǎn)N 回路A如圖1所示：循環(huán)回路A有四個(gè)末端，其特征為：HA=980mm水柱（揚(yáng)程）GA=550 l/h(流量)G1=160 l/h , G2=140 l/h, G3=140 l/h, G4=110 l/h循環(huán)回路B有3個(gè)末端，其特征為：HB=700mm水柱（揚(yáng)程）GB=360 l/h (流量)G5=140 l/h ，G6=120 l/h，G7=100 l/h現(xiàn)在，如果A、B回路匯合到一起，其流量及壓損特征都會(huì)產(chǎn)生

3、變化。以下我們將用3種方式進(jìn)行計(jì)算。在AB匯合后，其匯合點(diǎn)的壓差一致。這個(gè)壓差值可以選擇其中一個(gè)回路的壓差值或者重新設(shè)定一個(gè)壓差值。A， 按壓差值大的回路A為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算：即Hn=HA=980mm水柱，因此只需要平衡回路B的流量。通過(guò)公式（1）計(jì)算B回路的新流量，得出： GBn=GB×(Hn/HB) 0.525=360 ×(980/700) 0.525 = 429.5 l/h通過(guò)公式（2）得到倍率F=429.5/360=1.193因此，B回路每個(gè)末端新的流量就變?yōu)?G5=140×F=167 l/h，G6=120×F =143 l/h，G7=100×

4、F=119 l/hB， 按壓差值小的回路B為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算：即Hn=HB=700mm水柱，因此只需要平衡回路A的流量，通過(guò)公式（1）計(jì)算A回路新流量，得出： GAn=GA×(Hn/HA) 0.525=550 ×(700/980) 0.525 = 460.9 l/h通過(guò)公式（2）得到倍率F=460.9/550=0.838因此可以計(jì)算出A回路每個(gè)末端的新流量：G1=160×F=134 l/h，G2=140 ×F =117 l/h，G3=140 ×F =117 l/h，G4=110×F=92 l/hC， 按平均壓差值為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算：即Hn =（HB+

5、HA）/2 = 840mm水柱，因此A，B回路流量卻需要進(jìn)行平衡，通過(guò)公式（1）計(jì)算A，B回路新流量，得出：Gan = GA×(Hn/HA) 0.525 = 550 ×(840/980) 0.525 = 507.2 l/hGBn = GB×(Hn/HB) 0.525 = 360×(840/700) 0.525 = 396.2 l/h通過(guò)公式（2）得到倍率：FA=507.2/550=0.922，F(xiàn)B=396.2/360=1.101，因此可以計(jì)算出A和B回路每個(gè)末端的新流量：G1=160×FA=147 l/h，G2=140 ×FA =12

6、9 l/h，G3=140 ×FA =129 l/h，G4=110×FA=101 l/h，G5=140×FB=154 l/h，G6=120 ×FB =132 l/h，G7=100×FB=110 l/h結(jié)論：按大的壓差計(jì)算方法保證了最遠(yuǎn)端的熱效率，但在壓差更小的回路內(nèi)末端流量大于設(shè)計(jì)流量，因此在這個(gè)環(huán)路內(nèi)可能造成過(guò)高的流速。按小的壓差計(jì)算方法不會(huì)造成太高的流速，但是卻讓壓差值更大的回路其流量低于設(shè)計(jì)流量。按平均的壓差計(jì)算方法是前兩者的折衷。在流量及流速上卻更為接近設(shè)計(jì)值。二、系統(tǒng)流量的計(jì)算及管徑的選擇實(shí)例見圖2，這是一個(gè)典型的雙管系統(tǒng)，由8個(gè)末端組

7、成，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如下：每個(gè)末端額定流量：330 l/h每個(gè)末端壓力損失：150mm每個(gè)末端的支管長(zhǎng)度（供回水）：4m每個(gè)支路之間的立管長(zhǎng)度（供回水）：6m立管與支管連接彎頭：2個(gè) 90-計(jì)算末端到立管部分的局部壓力損失系數(shù)，見圖3：2個(gè)T型匯合口： 2 X 1.0 = 2.02個(gè)90彎頭: 2 X 1.5 = 3.0(3/8”, 1/2”); 2 X 1.0 = 2.0(3/4”, 1”)1個(gè)供水角閥(平均值): 4.01個(gè)回水角閥(平均值): 1.0共計(jì) = 10.0(3/8”, 1/2”); = 9.0(3/4”, 1”)-計(jì)算支路之間的立管部分的局部壓力損失系數(shù)，見圖4:2個(gè)T型匯合口

8、： 2 X 1.0 = 2.01個(gè)管徑擴(kuò)大接頭: 1.01個(gè)管徑縮小接頭: 0.5共計(jì)= 2.0(管徑不變時(shí)); = 3.5(管徑改變時(shí))8層7層6層5層4層3層2層1層地下室圖2T型分流T型合流圖3畫3管徑的改變T型分流管徑的改變T型合流圖4案44-計(jì)算末端8的流量、壓力損失及管徑選擇: 流量G = 設(shè)計(jì)流量 = 330 l/h支管管徑: 1/2”: 流速0.44 m/s, 不超過(guò)最高流速0.7 m/s壓力損失:l 連接末端的支管壓力損失: 長(zhǎng)度4 m, 延程壓力損失r=20.5 mm/m(1/2”管在330 l/h的流量時(shí)), 因此壓力損失=4 X 20.5 = 82mm.l 局部壓力損失

9、: 按= 10.0,流速=0.44 m/s, 根據(jù)公式 z=X X v² / 2 X 9.81, 得出 z=10X970X0.44²/2X9.81=96mml 末端壓力損失：150mml 壓力損失總和H8：82+96+150=328mm-計(jì)算末端7、8之間的立管流量、壓力損失及管徑選擇: 流量G 8-7 = G 8 = 330 l/h立管管徑: 3/4”:按最接近r=10mm/m的可選商用管道計(jì)算壓力損失:l 延程壓力損失: 長(zhǎng)度6 m, 延程壓力損失r=5 mm/m(13/4”管在330 l/h的流量時(shí)), 因此壓力損失=6 X 5 = 30mm.l 局部壓力損失: 按=

10、 2.0,流速=0.25 m/s, 根據(jù)公式 z=X X v² / 2 X 9.81, 得出 z=2X970X0.25²/2X9.81=6mml 壓力損失總和P8-7：30+6=36mm-計(jì)算末端7的流量、壓力損失及管徑選擇:就如前面的平衡流量章節(jié)講到的一樣，末端8和末端7在7層的立管分支處匯合，其可用揚(yáng)程H7=H8+P8-7=328+36=364mm根據(jù)流量平衡公式1， 流量G7 = G8 ×（H7/H8）0.525 = 330X（364/328）0.525=349 l/h流速 v7=0.47 m/s 根據(jù)不超過(guò)最高流速0.7 m/s的原則, 末端7的支管管徑選

11、擇為 1/2”.-計(jì)算末端6、7之間的立管流量、壓力損失及管徑選擇:流量G 7-6 = G 8-7 + G 7 = 330+ 349 = 679 l/h立管管徑: 3/4”:按接近r=10mm/m的可選商用管道計(jì)算壓力損失:l 延程壓力損失: 長(zhǎng)度6 m, 延程壓力損失r=18.5 mm/m(13/4”管在679 l/h的流量時(shí)), 因此壓力損失=6 X 18.5 = 111mm.l 局部壓力損失: 按= 2.0,流速=0.51 m/s, 根據(jù)公式 z=X X v² / 2 X 9.81, 得出 z=2X970X0.51²/2X9.81=26mml 壓力損失總和P7-6 =

12、 111+26=137mm-計(jì)算末端6的流量、壓力損失及管徑選擇:可用揚(yáng)程H6=H7+P7-6=364+137=501mm根據(jù)流量平衡公式1， 流量G6 = G8 ×（H6/H8）0.525 = 330X（501/328）0.525=412 l/h流速 v7=0.55 m/s 根據(jù)不超過(guò)最高流速0.7 m/s的原則, 末端6的支管管徑選擇為 1/2”.根據(jù)以上計(jì)算方式, 其余末端及立管特征數(shù)據(jù)計(jì)算如下, 見表1及圖5:表1：區(qū)域流量壓頭流速管徑超出額定流量末端8支路330 l/h328 mm0.44 m/s1/2”+0%末端7、8之間330 l/h36 mm0.25 m/s3/4”末

13、端7支路349 l/h364 mm0.47 m/s1/2”+5.7%末端6、7之間679 l/h137 mm0.51 m/s3/4”末端6支路412 l/h501 mm0.55 m/s1/2”+24.8%末端5、6之間1091 l/h131 mm0.52 m/s1”末端5支路466 l/h632 mm0.63 m/s1/2”+41.20%末端4、5之間1557 l/h74 mm0.43 m/s1 1/4”末端4支路494 l/h706 mm0.66 m/s1/2”+49.7%末端3、4之間2051 l/h100 mm0.56 m/s1 1/4”末端3支路529 l/h806 mm0.70 m/

14、s1/2”+60.3%末端2、3之間2580 l/h98 mm0.52 m/s1 1/2”末端2支路562 l/h904 mm0.42 m/s3/4”+70.3%末端1、2之間3142 l/h113 mm0.64 m/s1 1/2”末端1支路598 l/h1017 mm0.45 m/s3/4”+81.2%1層到地下3740 l/h78 mm0.47 m/s2”系統(tǒng)總特征3740 l/h1095 mm從以上數(shù)據(jù)看出，在需要滿足最末端額定流量的情況下，其余末端的流量都會(huì)超出額定流量，離熱源越近的末端,因?yàn)槠鋲侯^更高,流量超出范圍越大。因此，我們需要對(duì)每個(gè)末端支路的流量進(jìn)行平衡，平衡的方式大致分為三

15、種：同程式流量平衡，手動(dòng)平衡閥平衡，動(dòng)態(tài)流量平衡閥平衡。同程式的平衡由于其管道計(jì)算及鋪設(shè)較為復(fù)雜，在實(shí)際的工程中使用較少。我們?cè)诒菊鹿?jié)內(nèi)只對(duì)使用手動(dòng)和自動(dòng)平衡閥平衡流量的方式進(jìn)行實(shí)例的計(jì)算演示。-手動(dòng)平衡閥平衡方式：在每個(gè)末端前安裝手動(dòng)平衡閥，通過(guò)平衡閥的調(diào)節(jié)使每個(gè)末端的流量符合設(shè)計(jì)流量。因此系統(tǒng)全負(fù)荷時(shí)總流量就改變?yōu)椋? X 330 = 2640 l/h。系統(tǒng)的壓差計(jì)算為：1，最末端8的平衡閥全開，在全開狀態(tài)時(shí)，假定平衡閥的壓力損失為150 mm，通過(guò)上面的計(jì)算方式進(jìn)行同樣計(jì)算，得出系統(tǒng)數(shù)據(jù)特征如下，見表2及圖6圖5圖6表2：區(qū)域流量壓頭流速管徑平衡閥增加壓阻末端8支路330 l/h478

16、mm0.44 m/s1/2”+150mm末端7、8之間330 l/h36 mm0.25 m/s3/4”末端7支路330 l/h514 mm0.44 m/s1/2”+186mm末端6、7之間660 l/h133 mm0.50 m/s3/4”末端6支路330 l/h647 mm0.44 m/s1/2”+319mm末端5、6之間990 l/h110 mm0.47 m/s1”末端5支路330 l/h757 mm0.44 m/s1/2”+429mm末端4、5之間1320 l/h52 mm0.36 m/s1 1/4”末端4支路330 l/h809 mm0.44 m/s1/2”+481mm末端3、4之間16

17、50 l/h65 mm0.45 m/s1 1/4”末端3支路330 l/h874 mm0.44 m/s1/2”+546mm末端2、3之間1980 l/h95 mm0.54 m/s1 1/4”末端2支路330 l/h969 mm0.44 m/s1/2”+641mm末端1、2之間2310 l/h126 mm0.63 m/s1 1/4”末端1支路330 l/h1095 mm0.44 m/s1/2”+767mm1層到地下2640 l/h117 mm0.53 m/s1 1/2”系統(tǒng)總特征2640 l/h1212 mm如果通過(guò)流量曲線圖表表示未平衡流量系統(tǒng)和安裝了手動(dòng)流量平衡閥的系統(tǒng)，從圖7對(duì)比可以得出，

18、使用了流量平衡閥的系統(tǒng)曲線更陡，穩(wěn)定性高于未平衡的系統(tǒng)。以上所談到的都是系統(tǒng)全負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，也就是說(shuō)，所有的末端都開啟。但在實(shí)際運(yùn)行中，尤其是在通過(guò)電動(dòng)兩通閥自動(dòng)控制末端的系統(tǒng)中，某些末端會(huì)因?yàn)槠渌貐^(qū)域溫度達(dá)到設(shè)定值而自動(dòng)關(guān)閉。這時(shí)，系統(tǒng)的流量曲線又會(huì)發(fā)生很大的變化。比如說(shuō),當(dāng)末端3, 5, 7, 8關(guān)閉時(shí), 系統(tǒng)的流量曲線會(huì)向上移動(dòng), 但是剩余的末端1,2,4, 6的流量總和并不是理論上的2640/2=1320 l/h, 而是改變?yōu)?630 l/h, 壓頭改變?yōu)?377 mm.（這里由于篇幅的關(guān)系,有關(guān)此流量,壓頭,曲線指數(shù)的計(jì)算將不做詳細(xì)介紹,具體的計(jì)算步驟可以參考卡萊菲公司的技術(shù)手冊(cè)。

19、）圖7未平衡流量系統(tǒng)手動(dòng)流量平衡曲線圖從圖7可以看出，當(dāng)系統(tǒng)半負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，實(shí)際的流量與壓頭與理論值有偏離，偏離的結(jié)果是剩余的4個(gè)末端流量會(huì)增大。圖8則詳細(xì)計(jì)算出了半負(fù)荷時(shí)各個(gè)末端的實(shí)際流量及過(guò)流比率。-動(dòng)態(tài)流量平衡閥平衡方式：在每個(gè)末端前安裝動(dòng)態(tài)流量平衡閥，因?yàn)槊總€(gè)平衡閥設(shè)定的流量都是330 l/h，因此系統(tǒng)全負(fù)荷時(shí)流量總和為：8 X 330 = 2640 l/h。動(dòng)態(tài)流量平衡閥的特征在于其能夠在很大一段的壓差范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的流量，也就是說(shuō)，它能自動(dòng)在系統(tǒng)變化時(shí)增加或減少壓力損失以達(dá)到平衡的目的。在設(shè)計(jì)和計(jì)算上工作也比手動(dòng)平衡閥的方式更為簡(jiǎn)單。安裝了動(dòng)態(tài)流量平衡閥系統(tǒng)的壓力損失總和為：最末端8

20、的壓力損失150 mm + 動(dòng)態(tài)流量平衡閥最小工作壓差1250 mm + 由末端8至地下室的管道延程及局部損失1089 mm = 2489 mm（具體計(jì)算詳見技術(shù)手冊(cè)）。手動(dòng)平衡閥系統(tǒng)在半負(fù)荷狀態(tài)下的過(guò)流示意圖過(guò)流指數(shù)圖8表3：區(qū)域流量壓頭流速管徑平衡閥增加壓阻末端8支路330 l/h1755mm0.44 m/s1/2”+1427mm末端7、8之間330 l/h36 mm0.25 m/s3/4”末端7支路330 l/h1791 mm0.44 m/s1/2”+1463mm末端6、7之間660 l/h133 mm0.50 m/s3/4”末端6支路330 l/h1924 mm0.44 m/s1/2”

21、+1608mm末端5、6之間990 l/h110 mm0.47 m/s1”末端5支路330 l/h2034 mm0.44 m/s1/2”+1706mm末端4、5之間1320 l/h52 mm0.36 m/s1 1/4”末端4支路330 l/h2086 mm0.44 m/s1/2”+1758mm末端3、4之間1650 l/h65 mm0.45 m/s1 1/4”末端3支路330 l/h2151 mm0.44 m/s1/2”+1823mm末端2、3之間1980 l/h95 mm0.54 m/s1 1/4”末端2支路330 l/h2246 mm0.44 m/s1/2”+1918mm末端1、2之間23

22、10 l/h126 mm0.63 m/s1 1/4”末端1支路330 l/h2372 mm0.44 m/s1/2”+2044mm1層到地下2640 l/h117 mm0.53 m/s1 1/2”系統(tǒng)總特征2640 l/h2489 mm當(dāng)系統(tǒng)半負(fù)荷運(yùn)行時(shí), 就如上面所講到的, 當(dāng)末端3, 5, 7, 8關(guān)閉時(shí), 動(dòng)態(tài)流量平衡閥芯自動(dòng)吸收增加的壓差,從而使流量曲線圖與設(shè)計(jì)相符,見表4。表4：區(qū)域流量壓頭流速管徑平衡閥增加壓阻末端8支路0 l/h1/2”末端7、8之間0 l/h3/4”末端7支路0 l/h1/2”末端6、7之間0 l/h3/4”末端6支路330 l/h2746 mm0.44 m/s1/2”+2418m