1、高層建筑直接連接供暖系統減壓循環裝置的研究山西省建筑工程設計公司 曹天宏太原市宏佳建筑設備系統技術有限公司 王澤明關鍵詞 測壓管水頭線，汽水分界面，等壓面，直接連接，水膜流態一、現狀及存在的問題高層建筑在我國近二十年來迅速發展，與之相配套的供暖系統設計和設備技術也不斷發展，面對高層建筑管網內靜水壓力大的問題，目前也有許多方案在應用之中，見參考文獻1、2、3、4。普遍應用的是在熱源處（鍋爐房）專門設置換熱器或鍋爐的辦法，使得建筑內高區原有建筑的低區在水力系統上徹底分開，從而使高區、低區的壓力完全互不影響。但單獨為高區設置鍋爐的辦法，特別是在原有多層建筑群中建設單幢高層建筑，有時由于于室外管網的增
2、設困難較大，顯然造價較高。單獨為高區設置表面式換熱器的辦法，僅在有蒸汽或高溫水熱源時和能確實滿足供水水溫的要求，且也需要室外增加相應的高區系統輸送管線。通常綜合費用也比較高。供熱工程設計手冊中1、2推薦了雙水箱分層式系統，但其嚴重帶氣，壓力波動較大，當室外回水閥門誤關閉時有系統超壓隱患，往往不能正常使用。其他通氣立管直連方案也有與大氣相通，依然有系統的氧腐蝕因素的缺陷。二、對供暖系統連接問題的分析和解決方案將雙水箱系統的水箱去掉，同時將總回水管引到高于供水干管200mm，并在立管上安裝減壓循環裝置，可得到附圖1或附圖2。采用水壓圖分析本文附圖或附圖2的供暖和空調水系統的循環特征可知，在低區循環
3、水泵運轉時，低區管網都有確定的動態水壓線。由流體力學關于靜壓強和的測壓管水頭線的關系可知立管內水壓線水頭高度以下是充滿水的。高區系統通過安裝在總回水立管上的減壓循環裝置切斷靜壓力后直接連接到低區的回水管上。就可以實現高低區供暖系統的直接連接。由流體力學知識可知，在下流水立管中靜壓力的沿管傳遞的條件是管內的水流連續充滿。如果能實現流態的轉變，也就能實現壓力傳遞效果的改變，這就可以在立管內低區水壓線水頭高度以上適當位置安裝導流部件結合控制流量來重建立管中的水膜流動狀態，再結合供暖系統比較干凈且流量穩定的循環的特點，配置確保產管內流態穩定的水膜流動狀態，再結合供暖系統比較干凈且流量穩定的循環特點，配
4、置確保立管內流態穩定的氣體補償裝置就可以實現立管下流水靜壓力的切斷和壓力波動的消除。基于對室內供暖系統內的水流態水壓力和供熱系統的運行狀況的上述分析，1998年我提出了一個能夠切斷下流水靜壓力的立管結構方案（發明專利號98109099.0），于2000年2月20日獲得發明專利證書。2000年1月我又提出了一個帶氣循環裝置的立管結構方案（實用新型專利號01205626.1和發明專利申請號，01108338.7），在立管內將有靜壓水流轉變為無靜壓水流，進而實現高低區供暖系統直接連接。我提出的立管結構方案實質是（1）在立管內加裝一個為水流提供流動邊界條件的導流部件，所述導流部件與立管內管壁之間形成一
5、軸向通道，所述軸向通道包括中空的螺旋式通道部分或直通道部分，用以導引有壓流體管路的水流使立管內下流水流通過部件后能穩定地沿著立管內壁形成左旋水膜運動狀態，使立管內的空氣和向下流的水的邊界處于有序狀態，氣水的分界面是一個等靜壓面。（2）該方案還包括有與立管的膜流狀態形成部分相通的、用以維持穩定膜流狀態的氣體補償裝置。采用這個結構方案，強化了立管形成膜流條件，使立管內氣芯動態有條件封閉，避免氣體混入立管出口以后的工作水流，也有利于防止空氣的其它有害影響，為基本消除管內水流所涉系統的氧腐蝕問題和供暖系統的氣塞問題提供可能，并確保安全運行。本結構簡單耐用，可與系統同壽命。宜將高層建筑的六十層（按低區系
6、統的供回水壓力可以滿足系統直接連接的最高層數確定具體層數）及以下直接劃為低區，七層及能上能下可以按散熱器的承壓能力和系統的熱力及不力計算的要求劃分高區系統。這樣就可以在高導建筑高區供暖系統需要時采用水泵加壓供給高區供暖系統經過高區供暖系統散熱后，在總回水產管上安裝（減壓循環裝置）消除加壓泵增加的靜水壓力后再接入低區的回水管網上，從而使高區、低區的壓力完全互不影響，實現低區系統和高區系統合用一套室外管網和熱源。就可以實現高低區供暖系統的直接連接。三、帶減壓循環裝置的立管布置要求和工作過程立管下流水減壓循環裝置屬非標管路流體技術裝置，按高區系統的流量優化參數。一套裝置由四個部件組成。靜壓切斷裝置（
7、部件1）安裝于立管頂端下部：氣水循環裝置（部件2）安裝于低區動水壓線以下225米之間（一般在47層）：氣水分離裝置（部件3）安裝于低區動水壓線以下15米之間（一般在912層）：壓力限定裝置（部件4）安裝于低區最大允許工作壓力限值（一般為40米左右高）位置上；及相應的循環管路控制了立管內動水壓力線以上的水流為膜流狀態，變有壓水流為受控無壓水流。系統布置示意見附圖1和附圖2。附圖1采用的是立式氣水循環裝置。，附圖3有用的臥式氣水循環裝置。減壓循環裝置的工作過程是：工人時，供暖系統高區回水在進入立管下流水靜壓切斷裝置部件1后，在策略和導游裝置引發的離心慣性力作用下，即可形成左旋水膜流態，沿下流過程旋
8、轉漸減弱至穩定，直至不壓線高度處，變為滿管流態。處于水膜流態的立管中便形成位于軸線的空氣（柱）芯。下流到氣水循環裝置部件2內的工作水流，由于斷面突然擴大，流速驟減，使得深含攜帶于工作水流中的空氣隨即得以浮升到氣水循環裝置部件2上部的環流狀空間。在立管滿流段即筒內水壓力和氣水循環管的綜合作用下，該空間氣體由集氣管與集氣管中的水一起上升到氣水分離裝置部分3內進行氣水分離，分離出的水沿不循環管復回到氣水循環裝置部件2下部，形成了水的循環回路；在分離裝置部分3中分離出來的氣體經氣循環管與靜壓切斷裝置1與立管中心氣芯聯能，形成了工作水流中所含氣體的氣循環回路。這便是本減壓裝置配入系統后的一般工作情況。若
9、系統內偶然的壓力變化，超過U型水封管4的不封工作壓力，其出口可排水卸壓或吸入空氣，否則水封管將保持封閉狀態。由于立管兩端均與系統相聯，使立管中的氣體在U型水封密閉埋處于封閉狀態，其中僅有部分溶含攜帶于水流中的氣體參與自氣水循環裝置、氣水分離器，再復回立管的氣水循環裝置之中。在此循環中，原溶解攜帶于系統工作水流中的氣體也會被收集封閉于立管氣芯之中，成為立管中氣芯的一人動態組成部分。只要系統持續工作，這種立管內氣芯的封閉狀態就會被維持。顯然，因系統工作水流攜帶氣體導致的氣塞現象困擾正常供暖工作的情況將會因此而消除。同時，由于氣體長期被封閉，其氧氣必然會被耗盡，立管中氣芯便會呈現惰性組分狀態，這將為
10、配裝本例立管的系統創造無氧蝕工作狀況提供條件。四、減壓循環裝置優點和技術參數配置本專利技術裝置的優點：（1）直接使用低區（冷）熱源熱媒，充分利用熱媒參數，不須設費用較高的高區換熱器。通常造價可降低十多萬元。（2）不需為高區單獨設置熱源，使用動力源系統簡化，使高壓區和低壓區可以共享熱力儲備，降低可觀投資，提高了運行可靠性。（3）系統與大氣實現了有條件封閉，確保無氣體混入工作水流，本裝置不會帶來系統的氣塞及氧腐蝕問題，減小了維護工作量。（4）比雙水箱系統節省了建筑面積和水箱，也沒有了水箱的維護工作量。高區總回水立管管戲至少也小一號，通水能力得到合理利用。（5）高區系統的總回水立管最高點為高區的定壓
11、點。通常高區可用普通鑄鐵散熱器，高區循環泵運行時對原有低區系統壓力無影響，原有低區管網的老舊設施均可使用。減壓循環裝置按高區加壓泵的流量不大于下表推薦流量選定型號減壓循環裝置技術參數表 推薦流量（m3/H）立管管徑部件1外形尺寸部件2外形尺寸部件3外形尺寸部件4外形尺寸JYXH-DN401.2DN 40DN 40200020010001004002001500JYXH-DN502.4DN 50DN 50250025010001004002001500JYXH-DN705.2DN 70DN 70250030010001004002001500JYXH-DN808.5DN 80DN 8028003
12、2510001004002001500JYXH-DN10020.0DN 100DN 100300040010001004002001500JYXH-DN12542.0DN 125DN 125300045010001004002001500JYXH-DN15070.0DN 150DN 150300052010001004002001500JYXH-DN200140.0DN 200DN 200300066010001004002001500注：參數優選不另行告知。五、高區增壓泵的選型高區增壓泵的選型適宜，全為系統節能經濟運行創造條件，應注意要用熱水型水泵，并且按下述方法選下揚程和流量參數。高區增壓
13、泵的揚程：Hb= Hj+ Hw+V.2/2g- Hg 式中：Hb-高壓增壓泵的揚程Hj-泵與部件（系統）的最高點的標高差（M）。Hw-高區供暖管道系統的阻力（M）一般為2米左右。V.2/2g-進入部件1時的動壓頭（M）。Hg-熱網供水在增壓泵進口處的壓力水頭（M）高區產壓泵的流量：V=kl0.86Q/(t1-t2) (M3/H)式中：K-附加系數，可取1.11.2Q-高區供暖系統熱負荷（W）t1-供水溫度。t2-回水溫度。-供水密度kg /m3（通常取965.Kg /M3）加壓水泵的控制宜采用變頻設備，以達到節能目的。在低區采膨脹水箱定壓時，其動水壓線較穩定，在參數匹配時可采用工頻調和，效果也
14、很好。另外，如采用一臺（組）水泵帶多個高區系統時，可在每人高區系統的回水或供水干管上安裝自力式流量控制閥5，如附圖所示，效果也很可靠，且也可采有工頻設備。減壓循環裝置技術經推本溯源的研究和太原市工商銀行桃園四巷高層住宅（14層）；太原佳地花園華苑大廈（18層）；山西省建筑設計研究辦公樓（8層）等工程的實際運行表明本技術產品性能穩定可靠，對降低工程費用，效果顯著。本技術已獲國家知識產權局頒發的實用新新型專利證書和發明專利證書，是管路流體技術在供暖系統應用的創新技術。該技術方案已經多次成功應用，逐步得到市場的認可，歡迎各位同行給予推薦使用。我公司將提供必要的咨詢和服務，承諾對裝置的可靠性負技術經濟責任，將信守合同，確保服務，追求完美，以優質的產品和服務貢獻社會。圖1高區為下供上回系統使用減壓循環裝置示意圖2高區為上供下回系統使用減壓循環裝置示意圖3采用分戶計量的水平串聯系統使用減壓循環裝置的示意六、參考文獻1陸耀慶，供暖通風設計手冊；北京，中國建筑工業出版社，1987年12月；第335頁。2陸耀慶，實用供熱空調設計手冊；北京，中國建筑工業出版社，1993年6月；第137頁。3劉夢真；高層建筑無水箱直連供暖系統在工程上的應用；暖通空調；1998年6期，第53-56頁4李善化；康慧等；集中供熱設計手冊；北京。中國電力出版社，1996年月；第310-315頁。
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