运用计算机分析复杂供热室外管网的调节与控制

对于计量供热而言，其实际系统是一个由多个串并联环路组成的复杂供热系统，内部包括许多的热力入口。并且这些热力入口内既可能是单管系统，又可能是双管系统。在这种混合系统中由于单管系统与双管系统的调节特性不完全相同，所以调节造成的水力工况变化比较复杂。由于单管顺流系统，无法实现用户的自主调节，则需将单管顺流系统改造成为单管跨越系统。单管跨越系统的特点是，一部分热媒流经跨越管，这样即便是热力入口内的所有用户全部进行关断调节，也有一部分热媒流经该系统。这与双管系统的情况是不一致的，就双管系统而言，也考虑极端情况，热力入口内的所有用户全部进行关断调节则该室内系统的热媒流量为零。

在上述系统中，用户调节，以及系统中任何一个调节装置(流量调节器或压力调节器)的工作参数发生变化，必然引起供暖系统内部各个室内采暖系统流量的重新分配引起水力失调，使得某些热用户的供热量达不到要求。室外供暖网络中水力工况发生变化时，网络上各建筑物热力入口的流量及压差如何变化；热力入口的调节装置的工作参数与波动范围如何确定；设计中应考虑哪些原则使系统的水力失调度减小；二次网中包含的单双管系统的比例、位置对于水力平衡有什么影响等等，解决上述疑问就必须分析系统的水力工况。 字串6

在实际工程的计算中，常采用水力计算公式进行计算，其计算过程过于繁琐。利用计算机模拟计算分析网络的水力工况，以指导系统进行初调节以及运行调节，不但能大大的减轻工作量，同时也能提高分析的准确性。

2 热水供热网络的热水流动的基本规律

2.1 系统压力平衡问题以及流量平衡问题 字串3

节点质量流量平衡方程是指管网内流经任意节点的质量流量的代数和为零。回路压力平衡方程是指管网的任何回路内，各分支压力的代数和为零。 ^[1]

2.2 泵的特性曲线问题分析

泵的压头随着流量的变化发生变化，其计算的实质是将水泵的特性曲线用的函数式的表示出来，然后根据已知的热水网路水力特性曲线公式，两个公式联合求解，得出循环水泵工作点G、。

水泵的特性曲线，通常可用下列函数式表示：

（1） 字串8

式中 a、b、c、d--------------根据水泵的特性曲线数据所拟和的函数式中的数值。本文章中参考ITT水泵 1500RPM性能曲线图^[2]，拟合出泵的曲线为：

3 计算机模拟分析

复杂计量供暖系统的计算机程序就是根据上书的压力平衡原理、流量平衡原理，以及系统的流量变化导致水泵压头的变化的原理进行模拟计算的。

3.1 假定条件

（1） 各组散热器的阻力数相同，用户调节采用关断调节，即散热器只存在开、关两种状态。未调节前，散热器状态为开；调节后，散热器状态为关。 字串1

（2） 计算算例的水压图和各个热力入口的流量如图1所式。根据正常工况下的流量和压降，求网络干管和各热用户的阻力数s。具体数值见表1。

（3） 各个热力入口没有采取定压或定流控制

图1算例附图

3.2 计算机分析 字串3

由于系统较为复杂，通过人工计算很难进行分析，所以应用计算机分析混合系统，计算图如图2所示，初始压差、流量条件如图1给出的算例附图所示。

图2 计算机模拟界面

如图2所示，系统中包含7个热力入口。各个热力入口可以选择不同的室内系统形式。选择“单管”即室内系统为单管跨越系统，选择“双管”即室内系统为双管系统。为了得到可靠得分析结论，本程序中放大用户对散热器的调节程度，即用户调节为关断调节，所有居民用户全部关闭散热器。同时，从图2可以明显看出，由于系统中存在7个热力入口可以选择不同的室内系统形式，这样就存在许多种的组合形式，为了更好的说明问题，本文中只对几种有代表性的组合方式进行分析。 字串7

3.2.1 组合形式1

组合形式1的是图2中所显示的系统形式，即热力入口7为双管系统，其他各个热力入口都为单管跨越系统。

从上表可以看出，当系统中大部分单管系统的情况下，系统的稳定性很好，各热力入口内部用户的调节对于系统网络的影响很小。如果系统中双管系统增加，那么情况将怎么样呢？我们来看看组合形式2的情况。

3.2.2 组合形式2的情况

组合形式2 代表的系统形式为：热力入口1为双管系统、热力入口2为单管系统、热力入口3为双管系统、热力入口4为单管系统、热力入口5为双管系统、热力入口6为单管系统、热力入口7为双管系统。用户调节造成系统流量的变化如表3所示。 字串6

从表3可以看出，系统中存在较多的双管室内采暖系统的情况下，各用户的调节造成系统的流量变化较大。两种系统组合形式相比较，当同样为用户（热力入口）1~6进行调节时，系统的总流量变化分别为5.8%和33.9%。可以看出随着系统中双管采暖形式的增加，系统整体的稳定性变差。

通过进一步的分析、计算，我们可以得出这样的结论，当系统中绝大部分为双管系统时，用户调节造成系统流量的变化随之增大。在极端情况下，如系统中2~6的热力入口内都为双管系统，则1~7内的所用用户全部调节的情况下，调节后的总流量为99.49m3/h，变化幅度为85.8%。那么如果系统中单、双管系统比例相同，只是位置不同，那调节造成系统流量变化的情况是否完全一样呢？我们来看看下面的分析。

3.2.3 相同的组合形式、不同的位置的影响 字串2

当管网中单管系统、双管系统的数量相同时，各个系统在管网中的位置不同，那么用户调节造成的情况是否一样呢？这里考察供热管网中只存在一个单管系统，其他都为双管系统的极端情况，并且管网中的双管系统全部进行调节。

图3 其它热力入口内用户全部调节情况下单管系统流量变化程度

从图3可以明显看出，随着单管系统所在位置的不同，其他用户调节对其造成的影响也是不同的，其位置越远离水泵，则变化的程度越大。

4 分析与总结

通过计算机模拟再现复杂供热室外管网的调节与控制，能够直观、准确的看出系统水力特性的变化，反映出其变化规律。通过上述的分析，可以看出如下的结论:

4.1 由于一个二次网系统往往包括单管系统也包括双管系统，这样的混联系统中，各个热力入口内部用户的调节将造成整个供暖系统的波动。并且波动的程度与供热管网的组合形式、内部的单双管室内系统的比例有关。单管系统越多，系统的稳定性越好，用户调节造成的系统流量变化越小。反之，则变化较大。在同等的比例下，单管系统在供热管网中的位置的不同，调节造成系统的流量变化也不完全相同，并且随着单管系统距离循环水泵的距离的增加，流量变化增大。 字串3

4.2 对于单管系统而言，由于单管跨越式系统为准定流量系统^[2]，用户调节造成系统的水力工况变化不大。所以在考虑单管系统热力入口合理控制方式的时候，除了要考虑室内管网的水力特性以外，还要考虑外网的水力特性变化情况。考虑到定流量阀的工作原理，当压差小于阀门正常工作范围时，由于它毕竟不能提供出额外压头，此时即便阀门全开，流量仍将低于规定流量，不能起到控制作用^[3]。所以在对二次网内的单管跨越式采暖系统选取合理的控制方案的时候也要充分考虑考二次网内单、双管系统的比例；单管系统在二次网中的位置，以及定流量阀的控制范围等等因素。如果在单管系统上安装定流量阀，则建议同时安装平衡阀，以保证系统的水力平衡。

参考文献

[1] 冯小平，复杂热水供热网络水力工况的计算机模拟分析，江南学院学报，1999.9：62~66

[2] 刘树森、涂光备、李建兴，单管跨越式计量供热系统调控方法的探讨，全国暖通空调制冷2002年学术年会论文集:47~50

[3] 涂光备等 编着, 供热计量技术 ，北京 ：中国建筑工业出版社 ,2003