区域供热

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时间:2004-9-1 10:10:12  文章来源:中国城镇供热协会
大口径高温水直埋管道温度应力控制方法


核工业第四研究设计院　陈学营


　　摘要：本文针对大口径高温水直埋管道管壁局部屈曲的危险性，重点研究了控制管道温度应力的方法，总结了大口径高温水直埋管道的设计要点。
　　关键词：大口径高温水直埋管道　局部屈曲　温度应力控制
　　1　大口径高温水直埋管道管壁的局部屈曲
　　直埋管道可能出现的失效方式包括强度失效和稳定失效两个方面。
　　强度失效包括内压和持续外荷载引起的一次应力产生的塑性流动、温度变化引起的二次应力产生的循环塑性变形和在温度变化过程中由于应力集中在弯头、折角、大小头、三通等管件处引起的峰值应力产生的疲劳破坏。此外，当管网系统中设有阀门时，温升轴向力也可引起阀门的失效。
　　从整个管线看，管道属于杆件；从管道局部看，管道属于薄壁壳体。当热力管道处于受压状态时，将可能出现整体失稳或局部失稳。
　　当管道管径不大于DN500时，管道只会出现无限塑性流动、循环塑性变形、疲劳破坏和整体失稳，而不会有其它方式的破坏出现，文献[1]给出了防止相应方式破坏出现的强度条件和稳定条件。国内热网工程实践证明，当上述条件得到满足时，DN500以下的管道将处于安全状态。
　　当管道管径大于DN500时，除上述破坏方式外，管道局部屈曲（见图1）出现的概率将大大增加，其直接因素是温差作用下管道的轴向应力：
Δσ=εE=αEΔt（1）
　　根据经典的弹性稳定理论，文献[2]提出直埋管道局部屈曲的许用轴向临界应力为：
[σ]=0.0625E（2）
　　由上述条件可知，管壁局部屈曲的可能性与管道的截面特性有关，当轴向应变一定时，管道的直径越大，局部屈曲的可能性也越大，而管道的壁厚越大，局部屈曲的可能性越小。
　　对大口径管道，当管径和壁厚一定时，局部屈曲的可能性与其承受的轴向应变成正比，即与轴向应力成正比。而轴向应力主要取决于温度应力。为降低局部屈曲的可能性，必须对温度应力进行控制。
　　2　影响直埋管道温度应力的因素
　　直埋供热管道的温度应力取决于温度变化产生的热胀冷缩变形的大小和变形的释放程度。热胀冷缩变形大小与温度变化有关，直埋管道中的温度变化可用图2简化模型表示。
　　T1：管道工作循环最高温度，取用室外供暖计算温度下的热网设计供水温度。
　　T2：管道工作循环最低温度，供暖期运行时取10℃。
　　T0：管道整体焊接温度，冷安装取环境温度Te；预应力安装取预热温度Tp。
　　管道热胀冷缩变形的释放取决于管段中是否设置补偿装置以及所计算的管道是否在补偿装置的补偿范围内。由于土壤摩擦力对管道的约束作用，管道中将存在锚固段和滑动段。补偿装置对滑动段内管道的热胀变形起到了补偿作用，使温度应力得到一定程度的释放；而由于补偿装置对锚固段管道的热胀冷缩变形起不到补偿作用，热胀冷缩变形全部转化成温度应力。如图3所示。
　　3　直埋管道温度应力控制方法
　　3.1　无补偿冷安装
　　无补偿冷安装是一项最简单的安装技术，管道在覆土前不预热。以图4(见下页)为例，管道在首次加热、冷却和再次加热的过程中经历的最大温度循环过程如下：
　　1、在管道敷土后加热管道至130℃时，管道端点将移动δ120。
　　2、在管道冷却至敷设温度10℃时，锚固段的压应力将重新恢复为零。管道的自由端将反向移动，使摩擦力的方向改变。当正反两部分摩擦力达到平衡状态时，移动将停止，从图4可以看出，这将产生局部应力(拉应力)，其大小等于加热时压应力的一半。
　　3、管道再次加热到110℃时，管道自由端将移动δ=(1/2)δ120,返回首次加热的位置。
　　对于循环温度10℃→130℃→70℃→10℃→60℃→130℃，相对于10℃的初始位置，管道的位移见下表。
　　在位移为δ=δ120的首次加热（过程1到过程2）后，对于以后的所有最大温度循环过程，位移都为δ=±（1/4）δ120。锚固段管道的最大压应力与最大温度变化成正比：因此管壁局部屈曲的危险限定了冷安装的温度上限，只有在低于一定温度条件下采用冷安装才是安全的。
　　3.2　敞开式预热安装
　　在覆土前，管道可以进行敞开式预热。由于没有土壤摩擦力，管道的热胀变形可以提前释放，预热温度为管段内平均应力为零时的温度，该温度称为循环中间温度，以Tm表示。
Tm=（3）
　　预热管道的位移量δ按下式计算
δ=α(Tm－Ti)Lpr(4)
　　式：Ti——预热管段初始应力为零时的管道温度（℃）；
　　Lpr——预热管段长度（m）
　　管道被加热到预热温度时覆土后再冷却，使管道达到一定的平均应力水平。在首次运行加热移动后，其管端的位移与冷安装的位移大致相同，但避免了冷安装在首次移动时的较大位移。
　　图5给出了一个敞开预热的例子，设T1=130℃，T2=10℃，则Tm==70℃。对于循环温度10℃→70℃→10℃→70℃→130℃，相对于70℃的初始位置，管道位移如下表所示：
　　对于预热（从过程1到过程2）后的所有最大温度循环过程，位移都为δ=±δ60=±（1/4）δ120，其中，δ120为冷安装时的最大位移（见图5）。
　　锚固段管道的最大压应力与最大温度变化之半成正比：
　　Δσ=±αE
　　因此，与冷安装相比，管壁局部屈曲的危险性降低了，有利于大口径高温水管道直埋敷设。　　3.3　采用一次性补偿器覆土后预热
　　这种方法是在管道的直段部分，按计算的间距分段安装一次性补偿器，并仅在补偿器附近的沟槽处敞口，其余沟槽回填。一次性补偿器的补偿量在预热前调整为设计值，当管道首次加热使补偿器的伸长量到位后将一次性补偿器焊接为整体，管道的热胀变形得到了提前释放，在此以后，管道就相当于前面所介绍的预热系统。
　　覆土后预热的管段初运行时，工作循环最高温度下压应力和工作循环最低温度下的拉应力按下式计算：
　　1、 一次性补偿器处：
　　压应力δc1=Eα（T1－Tdp）（5）
　　拉应力δd1=Eα（Tdb－T2）（6）
　　2、管段与一次性补偿器相对应的另一端：
　　压应力δc2=Eα[T1－Tdp]＋FLc/A（7）
　　拉应力δd2=Eα（Tdp－T2）－FLc/A（8）
　　3、管段内应力均布后，最大压应力和最大拉应力应按下列公式计算：
　　最大压应力δc.max=Eα[T1－Tm）]（9）
　　最大拉应力δd.max=Eα[Tm－T2）]（10）
式中：Tdp——计算管段的预热温度（℃）
　　Tdp=Tm＋×10－6（11）
　　Lc——一次性补偿器到固定点或驻点的距离，即管道的分段长度：
Lc≤×10－6（12）
　　Tp.max——最高预热温度（℃），Tp.max应取小于或等于T1；
　　F——预热段土壤对管道的摩擦力（N/m）
　　由于土壤摩擦力的作用，在两个一次性补偿器之间的局部应力，将高于补偿器处的应力，然而，由于系统温度的变化，在多次变化以后，应力将均匀一致。如图6所示。
　　与冷安装相比，在最大温度循环过程中，管道的应力水平下降接近一半，因此管壁屈曲的危险性降低了；与敞开式预热相比，两者的效果是一致的，不同之处是一次性补偿器安装技术避免了敞口预热对周围环境的不利影响，不需要临时热源，但增加了补偿器的费用。
　　3.4　采用补偿弯管或补偿器
　　如果要求轴向应力值低于敞开式预热或一次性补偿器所形成的应力值，或者没有条件采用上述方法控制轴向应力，那么，可以在管道上采用补偿弯管（如图7所示），或者采用补偿器（如图8所示）。
　　如果采用L型弯管、Z型弯管或U型弯管作为补偿装置，使管道长度增加，也增加了建设费用、热损失和水泵电耗，且有时候因占地大而无法实施，这对于大口径管尤为突出。因此除管道定线形成的自然走向外，应尽可能的采用补偿器。
　　如果采用补偿器，两补偿器中间点（即驻点）到两补偿器之间的管道的摩擦力理论上大小相等，可以利用驻点自平衡采用有补偿无次固定支墩设计（如图9所示），但由于摩擦力实际上的不均匀性，推荐采用具有强力限位装置的补偿器，防止补偿器受到管道单侧不均匀膨胀变形而损坏。此外，也可在两补偿器之间设次固定支墩来保护补偿器（如图10所示），但施工难度和基建费用要相应增加。
　　管道系统安装补偿装置时，由于管道热胀变形在热态运行中得到了释放，避免了部分管线被完全锚固，因此，管道中的压应力保持在较低水平上，管壁局部屈曲的危险性最小。
　　4　直埋管道温度应力控制方法的综合比较
　　上述各种温度应力控制方法的优缺点综合比较如下：
　　5　结论
　　本文通过对影响直埋管道温度应力的因素分析，对控制温度应力、降低管壁局部屈曲危险性的方法进行了综合分析比较。本文认为，对大口径高温水管道，应积极地采用冷安装方式。如果不能满足冷安装的条件，则应采用敞开式预热或一次性补偿器覆土预热。对于敷设在郊外允许较长时间敞沟且临时热源比较方便时，应优先选用敞开式预热。对城市街道中心的管道，采用一次性补偿器是合适的。有补偿敷设增加了额外的补偿器和固定墩的费用，且管网维护工作量大，只有在安装条件不具备或对管道安全有特殊要求时才采用。

参考文献

1. 中华人民共和国行业标准，城镇直埋供热管道工　 程技术规程（CJJ/T81－98）， 中国建筑工业出版社，
　1999年
2. 陈学营等，直埋供热管道的局部稳定性分析，区域
　 供热，2003.5期
3. 皮特.兰德劳夫（丹麦），区城供热手册， 哈尔滨工
　 程大学出版社，1998年
4. 王钢等，大口径直埋供热管道设计方法初探，区域
　  供热，2000.5期
5. 高百争， 直埋供热管道与有补偿无次固定支座直
　 埋敷设方法，区域供热，1996.5期
供热系统热计量收费在
实际应用中的一些问题

沈阳第三热力供暖有限公司　孙永宏　钟延军


　　摘要：供热行业在执行热计量收费的过程中，从设计到运行管理，出现了一些人们普遍关注的技术问题。本文就计量收费的必要性及设计参数、系统形式、调节手段、变流量控制等问题，作了一些有针对性的综合阐述，以供同行讨论。
　　关键词：供热系统　计量收费　调节　控制
　　国家建设部制定的《民用建筑节能管理规定》已在全国执行。但相关的收费法规并没有健全，在2003年10月建设部已批准天津市建筑设计院做的《采暖热价确定方案》，在这个方案中提出按热收费是由基本热费和计量热费两部分构成，下面我将阐述不同供热参数、不同系统形式对这两部分价格构成的影响，供同行们讨论，指正。
　　一、供热按热计量收费是否必要？
　　这个问题，大家谈论的很多，从不同的角度，可以列出许多条款加以论述。下面结合自己工作中的具体情况，总结工作中的一些工程实例，根据自己在具体工作中的一些经验，提出以下两点理由：
　　1. 市场经济的需要
　　我们可将供热负荷分为公建负荷和民建负荷，现代公建负荷一般要求室内温度在20℃以上，与传统的室内18℃设计温度有较大区别，公建负荷中还有热制冷负荷和生活热水负荷，以上三种负荷已完全无法再适用按面积计费，供热市场要求出现热计量收费。我公司自96 年对公建用户实行按热计费，总结公建实施中的经验，我公司又在2001年在民建用户实行按热计费，该项目实施后印证许多同行的论断，充分体现价格杠杆的作用，例如许多住户白天上班前调整阀门开度，经常观察用热量。总结一下交费情况发现顶层和在山墙边的住户明显多交热费，中间住户的热费一般仅为按面积取费的70％左右，但是单层公建用户的热费一般为按面积取费的150％～200％左右。基本上反映用热和交费的正比函数关系。
　　2．计量收费促进收费仪表和供热技术进步的发展
　　96年我公司安装一台大口径的热计量表的平均费用为2万元左右，设备也较复杂，由于当时的技术水平情况还是有许多不尽人意的地方，例如采用进口的流量计对水质要求较高，国产的电子器件和软件部分很不稳定，二次表部分常出现偷停、累计热量数据丢失，必须加大打印记录量来保证数据安全。2001年安装的民用热计量表的这些方面的问题较少，同时每块热表价格仅为1千元左右，可见热计量技术的进步之快，随着热计量收费的普及，我相信性能更好、价格更廉的热表会大量出现。
　　计量收费后，自动控制技术、各种节能技术也得到大力发展，避免热能的浪费，用户也得到了好处。我相信热计量收费会促进供暖行业的飞跃发展。
　　二、供热系统设计参数对热费的影响
　　这里主要指二次网设计供回水温度的确定。我国设计规范规定在实际设计过程中往往采用以下几种温度参数形式：普通散热器的供、回水温度分别为95/70℃、Δt=25℃，风机盘管的供、回水温度分别为60/50℃、Δt=10℃，地热采暖供、回水温度分别为60/50℃、Δt=10℃，部分采用PPR管材的散热器的供、回水温度分别为80/60℃、Δt=20℃。为了讨论方便起见，室内温度按18℃考虑，房屋热指标取为50Kcal/m2·h，这样便可讨论出以上几种温度下的每平米流量结果：即当Δt=25℃时，每平方米流量为2kg/m2·h；当Δt=20℃时，每平方米流量为2.5kg/m2·h；当Δt=10℃时，每平方米流量为5kg/m2·h。由此我们即可看出，在相同热量的时候，为了提高住户的舒适程度，采用不同的供暖参数，供热系统必须提供不同的设计流量。显而易见，在相同热价、相同管理水平的情况下，对于热力公司的经营运行费用、各种管线、热力站、热源的初投资，将会因不同的供热参数有很大影响，根据我们三热公司的总结，二次网采用夹壳管，当Δt=25℃情况下，二次网每平方米造价大约在13～15元左右；而当Δt=10℃时，二次网每平方米造价应在18～21元左右，二次网将增加50％左右的造价。热力站的两种参数的初投资平米造价比较也有相同的结果；当采用低参数（Δt=10℃）供热时，每平方米将增加20％～50％的运行费用，主要是因为流量的增加引起电量增加。通过单位面积的流量就可发现，当Δt=25℃时的流量是Δt=10℃时的流量的40％，即相对来说电费得增加2.5倍。既然前面提到热量是商品，根据优质优价的原则，我认为在不同舒适条件下，其收费标准应是不一样的，具体应分别体现在基本费用和计量费用中，而现行的按热收费标准中是完全一样，这样体现不出商品本身的价值，在很大程度上不利于收费制度的改革。
　　三、室内供暖系统形式的选择对各种费用的影响
　　为了适应计量收费，传统的室内系统形式必须做比较大的变动。首先必须以户为单位设置系统。为叙述方便，把通常说的室内系统分为楼内系统和户内系统两部分。户内系统即指一户一个供暖系统的形式。楼内系统指户内系统与室外系统之间的系统连接形式。本文将主要讨论户内系统部分，该系统可分为双管同程系统、双管异程系统、单管不含跨越管系统、单管含跨越管系统。这样就可有4种不同形式的组合，我们对这4种比较常用组合进行了水力工况分析，找出其结果对运行费用的影响：
　　1、水平双管同程式。该种设计形式为理论上最合理的计量收费的设计方式，配合使用室内温度控制阀门，将室内温度控制器设定到位，控制阀可根据房间耗热量自动地调节每组散热器的水流量，按热取费是一个温度差同流量的乘积的结果，从而达到节省采暖费的目的。但是此种管道布置形式为了达到管网自然平衡，一般得多敷设管道，增加室内系统的初投资，由于温度控制阀较贵，很多开发商仅用一个普通手动控制阀代替，就很难达到节能节省采暖费的目的。
　　2、水平双管异程式。该种方式在实际工程中较多出现，也配合使用温度控制阀，由于温度控制阀可对每组散热器的流量自动控制从而达到水力平衡和节省费用的目的，此种管道布置形式不须多辅设管道，减少室内系统的初投资也节省了初期投入费用，因此在双管制的系统中较受开发商的青睐。
　　3、水平单管不需跨越管系统。这种系统短时间内在大量非高档小区内还将大量存在，此种供暖形式仅能依靠在设计过程中调节散热片多少来达到平衡室内温度，解决水平热力失调问题。仅在入口上设有一个调节装置以调节室内平均供热温度。不能根据一个住户内不同房间使用功能设定不同温度。笔者认为在小面积经济住房中还是有很大存在潜力。因为这种房间功能上都得有人居住，一个系统的某个房间基本上不存在闲置的情况，因此也就不存在能源浪费多付采暖费的情况。当然在大户型商品房中笔者并不赞成采用此种供热形式。
　　4、水平单管含跨越系统。这种系统在很多商品房中出现。由于这种形式投资少，可达到分别调节一个系统的不同房间温度的作用，被很多设计者使用。但此种形式也得结合三通温度控制阀使用，也可达到节省热费的目的。但由于部分开发商将温度控制阀改为手动控制阀，也就在很大程度上达不到分别自动控温的目的，也就达不到节省热费的目的。
　　四、不同系统形式的流量调节对运行费用的影响
　　随着现代技术进步，各种电器成本的降低，变频器已在大量热力站的循环水泵中使用。该技术的使用带来很可观的经济效益。在实际运行过程中发现有三种实际情况。大量采用冬、夏结合使用的室内系统多采用双管制形式，根据不同室内温度可进行分别调节，因此就会出现流量波动较大的情况。例如在办公楼上班时空调全部打开，突击抢温需要大量流量，温度达到要求后温控阀进入工作状态流量调节到适当数值，又有一些会议室、接待室今天一天没有会议等就很可能一天不用达到设计供暖参数，而这些办公楼到了晚上全部房间进入夜间保温防冻状态。这样流量需要较少，整个冬季供暖依次重复这样的供热循环。由此可见在不同时间内换热站应输出不同热量，在供热温度相同情况下（实际上供热温度也不可能变化很大），流量变化较大，否则就无法达到供热的要求，这就必须由变频完成，由此可见流量调节相当大地影响了运行费用。其二为单管不含跨越系统的流量调节。此种形式同原有单管垂直顺流形式差异不大。由于该系统的某一个房间的流量不可调节，但在用户离开房间上班前会对阀门进行调节，也会出现流量波动较大的情况，使用变频调节系统也会节省运行费用。其三为单管跨越管系统的流量调节，这种形式在实际调节中问题较多，在正常的设计过程中一般采用70％的分流系数，也就是流经散热器的流量只占总流量的30％左右。设计时往往理论上当水全部流经散热器、部分流经散热器部分流经跨越管、全部流经跨越管的阻力相同，但实际上往往流经散热器水越少阻力越小，相反往往流经散热器水越多阻力越大，造成大量的流量是通过跨越管直接回到热力站。此种形式只解决了不同功能不同温度的情况，相反在一定程度上带来了整个系统的水力工况的恶化，在所有房间都用热较大时，水流量大量经过散热器，跨越管流量减少，整个室内水力阻力加大，整个大网系统流量反而变小，反之在房间人少或是仅设室内留守温度时，大量水不经过散热器由跨越管直接流回热力站，室内的水力阻力反而减小，整个大网系统流量反而变大。在全系统用热趋向一致情况下可以在不同时间里出现想用热的用户要热时室内热量不够，不用热时显示热量充足，同时出现供回水温差变小，热力站中变频起不到节能的作用，只能起到维持系统稳定的作用（对相同设计温差、设计流量而言）。
　　五、热计量表未使用对各种系统形式的影响
　　由于我国现在处在计量收费和传统按面积收费的过渡时期。现在很多工程实例中往往由于热量表和温度控制阀价格较为昂贵，造成室内为分户系统而相应的调节和计量系统没有安装，由此带来的弊病也较多。
　　其一为双管制系统。此系统原设计理念很多是为计量收费才出现的，在热计量表未使用的情况下，每组散热器的实际流量基本都在最大流量下工作，这就会出现热力站中明显输出流量偏高，供回水温差恶化，从而出现了供回水温差只有5℃的情况。在此情况下，少部分用户的部分散热片出现了根本不热，外网不利环路流量严重偏小，前端用户室内过热，老百姓经常三九天打开窗户放热换气以达到为室内降温的目的。因此笔者认为此种形式必须和热计量同步实施，否则变频严重超载，在工频下超额定电流运行。热力公司维护人员只能要求住户用手关小阀门调节系统水力平衡，而不是依靠价格杠杆自动调节流量分配。
　　其二为单管系统不带跨越管系统。此系统一般在分户箱中有一个可调节阀门，由于每户调节一次，用户箱的钥匙由热力公司掌管，这样基本可以根据室内供热温度情况调节阀门。但是由于每户都得调节，涉及的工作量太大。但是在短时间内这种供热形式还是一种主流的方式，也是一种相对较为合理的供暖形式。
　　其三单管带跨越管供热系统。该系统在热表和温控阀未安装到位时住户还是将散热器的功率调到最大，此时流量往往可达到或略超过设计流量(管理较好时)，起不到节能目的，但不会对运行费用影响太大。
　　为了适应社会需求，在适当降低造价的同时，又不影响供暖系统的调节功能，笔者主张在大型公建多采用双管供热系统，在小户型的商品房的设计中多采用单管不带跨越的供热系统，在大户型的商品房的设计中多采用双管的供热系统。但过渡时期的水力工况，加大热网和热力站的调节余地，同时是否可按照不同功能进行分区，将常有人活动区放在一个水平串联系统上，客人居住区放在一个水平串联系统上，既可以节省系统的初投资又可以缓解双管水力工况恶化情况，这一方案比较符合目前国内的经济状况。
　　通过以上分析可以看出由于供热参数和室内供热形式不同对初投资、运行成本的影响较大，而我国现行的按热计费标准无法体现由于供热参数和室内供热形式不同所造成的差异，希望在新的收费标准制定过程中对不同的供热参数和不同的室内供热形式予以考虑。
分布式变频泵系统的设计与应用


唐山市热力总公司　马　健　郭　华　刘健康
　　

　　摘要：分布式变频泵系统作为一种新型的循环泵多点布置形式，与传统的供热管网循环泵单点布置相比，具有节约电能、运行成本低的特点。本文对此进行了详细介绍，并针对该系统设计及应用中应注意的若干问题提出解决办法，以期抛砖引玉，共同完善。
　　关键词：分布　变频　泵　设计　应用
　　一、分布式变频泵系统的原理
　　在传统的供热枝状管网系统中，一般是在热源处或换热站内设有一组循环泵，根据管网系统的流量和最不利环路的阻力选择循环泵的流量、扬程及台数；管网系统各用户末端设手动调节阀或自力式流量控制阀等调节设备，以消耗掉该用户的剩余压头，达到系统内各用户之间的水力平衡；个别既有热网由于用户热负荷的变化，资用压头不够，增装了供水或回水加压泵，但由于不易调节，往往对上游或下游用户产生不利的影响。
　　随着新型调节设备和控制手段的出现，使得对水泵的数字控制成为可能，这样理论上可以取消管网中的调节设备，代之以可调速的水泵，在管网的适当节点设置，以满足其后的水力工况要求。如果控制管网中适当节点的压差，该点称之为压差控制点，对于主循环泵的选择，只要能够满足流量和热源到压差控制点的阻力即可，这样可大大降低循环泵的扬程，使得主循环泵电机功率下降许多；经济控制点之后的每个用户设置相应分布变频泵，成为分布式变频泵系统，使得原来阀门节流的能量不再白白地损失，由于水泵可用变频器调速，主循环泵可大大降低电能消耗，理论上可省去调节设备，同时供热系统可工作在较低的压力水平，系统更加安全。中国城镇供热协会也已将分布式变频泵系统的研究开发列为“十五”科技规划。
　　二、分布式变频泵系统的设计
　　在分布式变频泵系统中，设计时应按以下步骤进行：
　　1、管网系统设计，计算管网的阻力。
　　2、选择压差控制点，不同的压差控制点对应不同的设备初投资和管网运行费用，应按技术经济分析进行选择。
　　3、选择主循环泵，主循环泵的选择考虑两方面：
　　A：流量要求，应能提供管网的全部循环流量；
　　B：扬程要求，应满足热源到压差控制点间管网阻力。
　　4、分布泵的选择，主要考虑满足该分支用户的阻力和流量。
　　三、分布式变频泵系统的实现
　　按照以上思想，唐山市热力总公司对所属龙东锅炉房供热系统进行了改造。本文以此为例来说明分布式变频泵系统的实现过程。
　　1、龙东供热系统由一座4×10t/h热水锅炉房和两个间供站组成，基础参数如下：
　　(1)供热建筑面积：
　　龙南站：181814.31m2
　　龙北站：139891.62m2
　　合计：321705.93m2
　　(2)设备：主循环泵两台，开一备一，ISR200－150－400，功率N为90KW，流量Q为400m3/h，扬程H为50m水柱。
　　(3)管网：
　　1－2管径DN300，沟长L=500m
　　2－3管径DN250，沟长L=536m
　　3－4管径DN250，沟长L=650m
　　根据近几年实际运行情况，取热源供回水温度105℃/65℃，锅炉房内部阻力损失10m水柱，龙北站内阻力损失10m水柱，龙南站内部阻力损失5m水柱，建筑热指标取55kcal/m2h。
　　2、由以上参数，经计算选择实验改造方案如下：
　　1锅炉房主循环泵换成H=24m，Q=480m3/h,N=45KW变频泵
　　2龙南站一次供水加一台变频泵，H=12.5m　Q=200m3/h　N=15KW
　　3龙北站一次供水加一台变频泵，H=24m　Q=240m3/h　N=22KW
　　4龙南、龙北站变频泵与原有管段并联，并在原有管段增加阀门。
　　需要指出的是，由于水泵的参数不可能完全正好满足管网的需要，在设备选择过程中均有不同程度的取整。
　　3、按照锅炉房主循环泵提供锅炉房内部和1－2点阻力损失，各站分布变频泵分别克服2－3、2－4及站内阻力损失的原则，本年度我公司对改造后的龙东供热系统进行了调试运行。在调试过程中，我们本着在满足供热要求的前提下，尽量使两个热力站的一次回水温度平衡，并且在可能的情况下尽量提高分布变频泵的负荷，减少主循环泵的负荷，以期尽可能节约电能消耗。分布式变频泵系统投运后，与原有单点设置循环泵系统相比，电流消耗实测如下：
　　系统单点循环泵一台运行时消耗电流为130A；
　　分布式变频泵多点运行时，实测数据表如下：
　　4、分布式变频泵系统投运前后主循环泵出口压力由0.6Mpa下降为0.39Mpa。
　　5、分析
　　几台泵电机的功率因数差别不大，均在0.78－0.81之间，如不考虑其差异，节能率为(130－56－17.1－26.8)/130×100％=23.15％
　　四、结论
　　分布式变频泵系统是一种新型的水泵布置型式，与传统的单点布置相比具有如下优点：
　　1、节约电能；
　　2、系统整体压力水平较低，系统更加安全。
　　五、几点体会
　　1、由于主循环泵一般布置在热源回水，对于分布泵的布置（除主循环泵以外）应在热力站的供水或尽量靠近经济控制点处的供水管。
　　2、对于补水点处的补水定压值应重新核算，由于一般情况下将分布泵布置在管网经济控制点处时有困难，当将分布泵布置在站内时，对于分支线较长时，有可能引起补水点的飘移。对于此种工况，一种办法是将补水点设在管网压力最低点，另一种办法是仍在热源总回水处集中补水，适当提高补水定压值。
　　3、在设备选择上，主循环泵技术参数应适当留有裕量。
　　4、压差控制点处压差的控制：由于供热管网距离较远，信号传输不易实现或实现成本较高，采用计算值折算到主循环泵进出口；或在压差控制点供回水管安装压力表，参考压力表数值调整主循环泵进出口的压差。
　　5、在分布式变频泵系统中，由于水泵产品的技术参数是不连续的，不可能正好满足实际需要，即使进行变频调节也不可能正好满足，系统中个别点的阀门调节仍然是有需要的。
浅析流量控制阀的降噪问题



　　　廊坊爱能供热设备有限公司　　张丙礼　王天石
　　　　廊坊管道局物业总公司热力一处　　　　王　琳　


　　摘要　通过对流体噪音的分析，结合现场使用流量控制阀后噪音的调查，利用流速、压差及多级降噪的理论生产出低噪音的产品。
　　关键词　噪声源　液体流速　空化噪声　单体流速　多级降噪
　　我公司的主导产品——自力式流量控制阀，自93年问世到目前已整整十个年头了，在这十年中供热界的同行们从不认识到认识，从片面了解到系统应用，使得自力式流量控制阀在供热方面发挥了一定的作用。
　　在这十年中我公司的自力式流量控制阀进行了两次重大的改进。从93年Ⅱ 型产品使用到98年，第一个5年里，由于老Ⅱ 型体积较大且安装位置受限制，为适应用户的需求在99年我们对老产品进行了改进。生产出即可保证控制性能又可任意角度安装，并且体积缩小了40％；到2002年第二个5年里，好多用户反映安装使用后噪音比原来增大了，特别是安装在室外架空管线上。针对这种情况我们又组织技术人员进行专题研究开发，经过近四个月上千次的试验，我们目前已生产出低噪音、带锁闭、便于调节的流量控制阀。噪音由原来的65～75dB降到45～55dB，可满足不同用户的需求。下面就我们在研制过程中得到的一点体会总结出来，供同行们参考。
　　一、 噪声源分析
　　在供热系统中离不开泵、管道和阀门，可这些又都是产生噪声源的设施。
　　先说管道，液体流经管道时，由于湍流和摩擦激发的压强扰动就会产生噪声，特别是当雷诺数Re>2400时的湍流状态，这种含有大量不规则的微小旋涡的湍流，可以说自身就处于“吵”的状态。尤其流经节流或降压阀门、截面突变的管道或急骤拐弯的弯头时，湍流与这些阻碍流体通过的部分相互作用产生涡流噪声，其声功率级（dB）随流速的变化关系可表示为：△Lw=60lg，若管路设计不当还可以产生空化噪声；再说阀门，带有节流或限压作用的阀门，是液体传输管道中影响最大的噪声源。当管道内流体流速足够时，若阀门部分关闭，则在阀门入口处形成大面积扼流，在扼流区域液体流速提高而内部静压降低，当流速大于或等于介质的临界速度时，静压低于或等于介质的蒸发压力，则在流体中形成气泡。气泡随液体流动，在阀门扼流区下游流速逐渐降低，静压升高，气泡相继被挤破，引起流体中无规则的压力波动，这种特殊的湍化现象称为空化，由此产生的噪声叫空化噪声。在流量大、压力高的管路中，几乎所有的节流阀门均能产生空化噪声，这种空化噪声顺流而下可沿管道传播很远，这种无规则噪声能激发阀门或管道中可动部件的固有振动，并通过这些部件作用于其它相邻部件传至管道表面，产生类似金属相撞产生的有调声音。空化噪声的声功率与流速的七次方或八次方成正比，因此为降低阀门噪音可采用多级串接阀门，目的是逐级降低流速。如我们经常使用的截止阀，采用的是低进高出的流向，因此当流体流经阀腔时，就会在控制阀瓣的下面（即扼流区内）形成低压高速区，产生气泡。通过阀瓣后又形成高压低速区，气泡相继被挤破产生空化噪音。
　　根据以上分析可见管道噪声、阀门噪声都与液体流动的状态有关，换句话说即与压差和流速有关。
　　二、流速、压差所产生的噪声调查
　　下面是我们实地调查的数据。天津碱厂朝阳楼小区换热站，供热面积26.5万平方米，管线敷设方式：室外架空，该换热站分四个环路供出。南区管径DN250所供面积13.2万平方米；北区管径DN250所供面积10.8万平方米；春风里管径DN200，所供面积12000平方米；34＃楼管径DN150，所供面积8012平方米。住户反映34＃楼和春风里安装控制阀后噪音较大。2003年3月3日我们到现场进行测试（设备超声波流量计、噪声计），数据如下：
　　实测室内噪声34＃楼、2、3单元57 dB；春风里1＃楼1、3单元58 dB～60 dB，而南区1＃楼1、3、5单元为45～47 dB。从以上数据看，虽然各入户单元流速都没超过设计要求，但由于相对单体流速太快、压差较大，造成在控制阀处产生空化噪声。34＃楼的压差为0.06Mpa,而南区1＃楼的压差为0.02 Mpa，形成局部流速快和压差大的另一个原因是34＃楼和春风里距换热站的距离较近。最远端用户入口距离350米左右，而南北区最远端用户达1000米左右，同是一个系统距离相差悬殊，因此造成入户压差相差很大，流速相差也大。由于管线又是架空安装这种空化噪声与支架又产生共振使得噪声传递到室内，此种情况在辽河油田曙光作业区也有发生。不单单是架空管线，埋地管线也可以产生空化和湍流摩擦噪声。如天津北辰区的一个供热小区是直埋管线。安装流量控制阀后噪声明显增加，实测室内达65 dB。询问用户说以前也有，但没现在大，将控制阀拆除后，实测室内还达58 dB，究其原因也是由于热网平衡不好，个别单体压差大、流速过快。前面说过空化噪声和声功率与流速的七次方或八次方成正比，因此，流速虽然只差一点点，但噪声却增加很大。鉴于以上的情况，对朝阳楼小区的34＃楼我们采取了逐级降压或者说逐级降低资用压头和流速的办法。首先将支干线的出口阀门（DN150）进行了调整，又将单元入户阀门进行了调整。再测34＃楼入户压差控制在0.03～0.05Mpa之间，再测室内噪音2单元102已降至35 dB，3单元101降至40 dB，已满足需求。
　　三、 降噪控制阀的产生
　　前面已经提到声功率级随流速的变化关系为△Lw=60lg，而由△P=KVS·G2又可得出V=，因此可见当流量系数（KVS）一定，流通截面积(πR2)一定时，声功率级也可表示为△Lw=60lg，而自力式流量控制阀又是基于调整压差达到控制流量的目的。那么如何既保证压差又达到降噪的目的，根据以上实测数据及理论分析，我们采用了多级降压的结构。首先将手动阀瓣改变为斜旋塞形，使得流通性能即可保证又可降低流速，这是第一级；其次将自动阀瓣改为双弧面，双阀瓣结构，流体流动时先通过上阀瓣上圆弧面，再通过下圆弧面即方便流体通过又可降低流速，这是第二级；然后流体再通过下阀瓣的上圆弧面和下圆弧面这是第三级。同时在自动阀瓣上还带有侧筋板即可导流，又可消除流体中形成的气泡。为了消除因扼流产生的低压高速区，我们开始时在控制阀入口和手动控制处增加了阻尼网降低流速，减少扼流，可经过试验不可行，因为阻尼网虽然耐腐蚀（采用了不锈钢材料），但由于网眼直径的限制很容易引起堵塞；我们又将自动阀瓣改变为梳齿形，目的是为了减少高速区内形成的气泡。但由于梳齿的形状和强度不利于长期使用，因此也没有采用。最后还是采取了多级降噪的结构。我们经过近1000多次的试验不断改进，使控制阀的噪声从原来的65～75dB降到现在的45～55 dB。
　　通过这两次技术改造使得自力式流量控制阀在使用范围上又得到了进一步扩大。目前我们的降噪阀已成批生产，并已有十多家用户定货。一种专利产品一般寿命为30～50年。自力式流量控制阀在我国已问世十多年，已逐渐成为通用产品。如何让供热用户更好地了解使用该产品是我们继续工作的方向，我们还将不断努力，开发新的产品为热用户服务。

参考文献

1.《噪声与振动控制程序手册》　机械工业出版社
2.《暖通、空调设计手册》　中国建筑出版社
3.《工程流体力学》
无补偿直埋保温管的热风预热技术


天津市管道工程集团有限公司保温管厂　严忠辰　方晓光　李建军


　　摘要　本文简要分析了在无补偿直埋保温管预热中采用空气作为预热介质相比水的优势，通过实验掌握了热风预热的参数，并在实际工程中进行了应用。
　　关键词　直埋保温管　预热　热风预热
　　一、引言
　　无补偿预热直埋是一种可靠性高、造价低的敷设方式，目前在工程应用中预热普遍以水作为介质，由于受水的热物理性质的限制，在预热中尤其对于大口径供热管道产生了诸如预热时间过长、水的自重影响热膨胀等缺点，这些缺点在一定程度上也制约了此种敷设方式在工程中的应用，而采用空气作为预热介质不仅可以较好的解决以上问题，而且对于宝贵的水资源也是一个极大的节约。
　　二、理论分析
　　作为热量的载体，水和空气只是热源向钢管传递热量的中间介质，它们利用自身在管道内的流动来实现与钢管间交换热量的目的。可见，预热介质在热量的传递过程中只是起着“二传手”的作用，因此优秀的预热方式不仅中间换热过程要少，而且其预热介质在热物性方面应具备：一、较小的比热容，以减少对预热介质本身的加热热量和加热时间；二、较小的比重，以减小预热介质本身重量对热膨胀的影响。
　　我们将预热的热量起始传递全过程作一综合分析，就会发现热风预热只有一个换热过程—在管道内热风与钢管的换热，而热水预热则有二个换热过程—在锅炉内高温烟气与水的换热以及在管道内水与钢管的换热，显然多一个换热过程既增加了换热热阻也使换热损失增多，所以热风预热具有较小的热量损失。
　　再比较一下水和空气的热物性，假设预热温度为70℃，在此温度下定压比热容分别为Cp，水=4.187KJ/kg·℃、Cp,空气=1.009KJ/kg·℃，比重分别为ρ水=977.8kg/m3，ρ空气=1.029kg/m3。
　　因此，在相同的预热参数条件下两种介质的热容之比为：
　　　n==
　　　   =≈3943
　　显然加热水和空气到同一温度的时间也必定相差悬殊，并且若以水为预热介质，则水的热容不仅相对空气庞大，即使与预热的主体—钢管相比，也相差数十倍，结果预热的绝大部分热量不是输送给了钢管而是被水所容纳，而水及其热量在预热结束后都将被舍弃，这对能源是一个极大浪费。
　　水的比重是空气的近一千倍，满管空气的重量相对预热管道可以忽略不计，而满管水的重量却是预热管道的数倍，其直接的后果就是管道与砂垫层间的摩擦力也增加了数倍，为了达到设计的膨胀量只得提高预热温度，预热温度的提高导致能源投入的增加和预热时间的延长，特别是对于较大直径的管道（如DN1000以上的管道），由于水的重量加上管材本身的重量非常大，即使较大幅度的提高预热温度，理论计算的热膨胀值也很难保证，从而造成热水预热在大直径管道的预热中难以实施。
　　三、实验研究
　　空气的比热和比重较小导致其承载的热量较少，当热风将热量传递给钢管后，自身温降较大，这样进出口预热空气存在较大的温差，从而可能造成钢管的首末端间存在较大的温度梯度，因此如何通过选择风量和风温来控制钢管进出口的温度梯度，减小其产生的残余应力并尽可能的缩短预热时间将是研究的重点。
　　在实验中我们选用了12根DN800的保温管作为试验对象，保温管焊接后敷设在砂层上，接口用海绵缠绕保温外用胶带固定，同时在接口焊缝处安装热电偶和标识杆以测量钢管壁温和位移。由燃油燃烧器提供的热量，在风箱内直接加热空气，热风再由风机送入管道，设备安装布置图如下：
　　我们分别考察了在相同预热温度下，大风量小温差、小风量大温差所产生的不同预热效果，实验数据证明大风量小温差不仅在钢管出口壁温达到预热温度时钢管进出口温度梯度最小（前者温差不到2℃，后者温差大于5℃），而且预热时间也较短。下面是两者出口壁温的数据比较：
　　通过两图的比较不难看出，当预热温度同为58℃时，前者只需120分钟，而后者耗时近200分钟，预热时间相差接近一倍。所以在工程应用中应采用大风量小温差预热工艺。
　　四、工程应用
　　2003年10月，无补偿直埋保温管的热风预热技术应用于承德双滦区集中供热工程。本工程的预热管段为供回水共3公里的DN700管线，预热温度为70℃，全管线分为两段预热，原理图如下：
　　在环境温度低于10℃的情况下，第一预热段单线717米不到5个小时即达到预热温度，实际热膨胀与理想值仅差20mm，第二预热段单线767米也只用了5个小时达到预热温度，实际热膨胀与理想值相差22mm。同时，两预热段的进出口温差小于2℃。
　　工程应用的结果再次证明了热风预热技术不仅预热时间短而且预热效果好。
　　五、结论
　　1.热风预热相比热水预热具有节约能源、预热时间短的优点。
　　2.热风预热应采用大风量小温差的工艺。
　　3.对于大直径保温管的预热宜采用热风预热技术。
关于在热水普通采暖系统中扩供地板辐射
采暖系统的处理方案的研究与探讨


唐山市热力工程设计院　刘　钦


　　摘要：本文通过调查研究，对解决在热水普通采暖系统中，扩供地板辐射采暖系统的问题进行了简要的叙述和探讨，可供设计部门与供热管理人员参考。
　　关键词：地板辐射采暖系统  普通采暖系统
　　随着我国改革开放的进行，人民生活水平不断提高，我国人均住宅面积不断扩大。住宅的供暖方式也发生了许多变化。其中，地板辐射采暖供热方式以其舒适性、占地少、便于分户控制的优点，逐渐得到各方的认可。目前，在供暖设计中存在一个问题就是在原有系统（供、回水温度一般为95／70℃）中扩供地板辐射采暖系统（供、回水温度一般为60/50℃）时，两种系统的不兼容性。如何解决上述问题，本人根据有关资料和设计经验，总结有以下几种处理方案可供选择。现就这几种方案的适用性、优缺点进行研究和探讨，以供全国同仁们商榷。
　　注意：本文中所称的地板辐射采暖系统是指需要设计地板辐射采暖的单栋建筑物或几栋建筑物或一个小区的采暖系统；普通采暖系统是指原有的采用散热器采暖的采暖系统。
　　1、 加混水泵
　　该方案是在热网供、回水间加装混水泵两台或两台以上，其中一台备用。具体接法如图1：
　　系统原理是：地板辐射采暖系统的回水回来后一部分作为热网回水回热源，另一部分被混水泵抽引和热网供水混合去供地板辐射采暖系统。
　　上图中，混水泵的设计流量Gn′按下式确定：
　　=Gn=μGnt／h
式中，—混水泵的设计流量，t／h；
　　Gn——地板辐射采暖系统采暖热负荷的热网设计流量，t／h；
　　t1——热网设计供水温度，℃；
　　θ1——地板辐射采暖系统设计供水温度，℃；
　　t2——地板辐射采暖系统设计回水温度，℃；
　　μ——混合比。
　　混水泵设计扬程按照地板辐射采暖系统最不利环路的设计压降加上一定的余量进行确定。对于单栋建筑物混水泵设计扬程一般可以按4 mH2O估算。混水泵接口处热网资用压差须大于该地板辐射采暖系统设计压降。对于一个小区的地板辐射采暖系统应建直供混水型热力站。对于单栋建筑物或几栋建筑物可以使用建筑物底层或地下室15m2以上空间作机房，也可以和给水、消防、集中空调等系统设计在一起。
　　对于大的地板辐射采暖系统（总建筑面积大于4000m2）要求有人值守； 对于小系统（总建筑面积小于4000m2）要求有专人定时监视。另外，该方案要求原有热网必须是质调节。
　　2002年，在迁安市9＃小区供暖设计中，我们做了如上设计。该小区总供热面积10万m2，是新建住宅小区，全部为地板辐射采暖，一次线设计供、回水温度为70／50℃，地板辐射采暖系统设计供、回水温度60／50℃。且该小区位于一次线热网前端，资用压头满足设计要求。按照业主节约投资的要求，我们在该小区南端设计直供混水型热力站一座，统一给该小区供热。经过2002—2003年度一个采暖期的运行，实践证明效果良好。且由于迁安市一次线供、回水温度为70／50℃（低温水供热），所以在供暖初寒期和供暖末寒期可以不开混水泵，节约电能，进一步还为业主节约了运行费用。
　　2、 加水喷射泵
　　该方案是在热网供水上加装水喷射泵一台，具体接法如图2：
　　系统原理是：地板辐射采暖系统的回水回来后一部分作为热网回水回热力站，另一部分被水喷射泵抽引和热网供水混合后去供该地板辐射采暖系统。
　　加水喷射泵方案对该接口处热网资用压差有最小资用压差要求。最小资用压差的计算如下：
　　首先，用下式计算水喷射泵的喷射系数μ：
μ=
式中，t1——热网设计供水温度，℃；
　　θ1——地板辐射采暖系统设计供水温度，℃；
　　t2——地板辐射采暖系统设计回水温度，℃；
　　μ——水喷射泵的喷射系数。
　　然后根据水喷射泵的喷射系数μ查表格1，得(ΔPg/ΔPp)opt值，最后，根据下式计算出原普通采暖系统即工作流体需要提供的最小供、回水管的资用压差值ΔPp。
ΔPp=ΔPg/(ΔPg/ΔPp)opt　MPa
　　式中，ΔPg——水喷射泵所提供的扬程，等于地板辐射采暖系统的压力损失值，Pa。
　　如果满足条件，才可以继续计算水喷射泵的相关设计参数，完成水喷射泵的设计。具体水喷射泵的设计计算在这里不再阐述。
　　该方案的特点是初投资少、运行不需电能，运行费用低廉，无人值守。如果是单栋建筑物不要求另外设机房，设计在入户井中即可。但对该入户井处热网资用压差要求较高。特别适用于距离热源较近的热用户，可以有效利用近端热用户较高的资用压差。运行稳定性差，如果设计不够合理，调节不到位，水喷射泵会出现振动和噪音。
　　同样，该方案要求原有热网必须是质调节。目前，我国应用的比较少。
　　3、 加换热器、循环泵
　　该方案占地较大，需要安装换热器、循环泵、水处理和补水泵等设备。循环泵和补水泵都须有备用泵各一台。具体接法如图3：
　　上图中，地板辐射采暖系统的补水采用热网回水直接补给。
　　系统原理是：地板辐射采暖的回水回来后经过循环泵加压和换热器加热后去供地板辐射采暖系统。热网供水流过换热器将热量传给地板辐射采暖系统回水后回热源。换热器可以选择板式、容积式、壳管式等形式。补水一般采用热网回水直接补水方式。在有的设计中要求另外设补水泵和水处理独立补水。该方案对于大系统须建间供型热力站；对于小系统（一栋楼或几栋楼）可以在建筑物底层或地下室利用20m2空间作机房，也可以和给水、消防、集中空调等系统设计在一起。大系统（建筑面积大于4000m2）要求有人值守；对于小系统（建筑面积小于4000m2）要求有专人定时监视。
　　对于较小的地板辐射采暖系统还可以选用换热机组，这样，机房占用的空间小，节约投资。设计计算如下：
　　首先，进行换热器的选择计算：
　　热网将热量传给被加热水所需的换热器换热面积F为
F=　m2
式中，Q——传热量 W；
　　K——换热器的传热系数，W/m2·℃；
　　Δtp——加热与被加热流体之间的对数平均温差，℃，按下式计算
Δtp=　℃
式中，Δtd、 Δtx——换热器进、出口端热媒的最大、最小温差，℃，见图4。
　　图4 中，T1、T2——流进和流出水－水换热器的加热水温度，℃；
　　t1、t2——流出和流进水－水换热器的被加热水温度，℃。
　　循环水泵的设计扬程按下式确定：
H=H1＋H2＋H3　MPa
式中，H——循环水泵的设计扬程，MPa；
　　H1——地板辐射采暖系统的设计压降，MPa；
　　H2——被加热水在换热器内的压降，MPa；
　　H3——被加热水在机房管道内的压降，MPa。
　　循环水泵的设计流量等于地板辐射采暖系统的设计流量。
　　如果有补水泵，补水泵设计流量可以按循环水泵的设计流量的2％估算。补水泵扬程按该地板辐射采暖系统建筑物高度加0.05MPa确定。
　　该方案的特点是初投资较大，运行费用较高，占地面积大，技术可靠，运行稳定，便于调节。
　　2002年，在唐山市69＃－3小区平改楼设计中我们使用了该方案。唐山市69＃－3小区平改楼总供热面积12万m2。全部采用地板辐射采暖，分户控制，一次线设计供、回水温度95／70℃，地板辐射采暖系统设计供、回水温度60／50℃。按照业主运行稳定和便于供热管理的要求，我们在小区中央设计间供式热力站一座，统一给该小区供热。
　　经过2002－2003年度冬季采暖期的运行，用户一致反应运行效果良好。
　　4、 用普通采暖二次线回水供地板辐射采暖
　　本方案一般应设在离热力站或其他热源较近的位置。首先，在回水管上设连通阀，然后在连通阀两侧引出地板辐射采暖系统的供、回水管。连通阀应选择截止阀或调节阀等高阻力阀门，来消耗多余的压头。具体接法见图5：
　　系统原理是：地板辐射采暖系统后端的普通采暖系统回水的一部分流过地板辐射采暖系统供热，多余的流量用连通管分流。
　　对于单栋建筑物地板辐射采暖系统室内设计资用压头一般为4 mH2O；而对于几栋建筑物的地板辐射采暖系统的设计压降应按照该地板辐射采暖系统最不利环路的设计压降加上一定的余量确定。所以，该方案要求热力站原循环水泵设计扬程须另加4 mH2O或加该地板辐射采暖系统设计压降。
　　同时，地板辐射采暖系统后端的普通采暖系统回水流量须满足该地板辐射采暖系统的流量要求。分析如下，由热水供暖系统的流量计算公式
G=S　kg/h
式中，G——热水供暖系统的设计流量，kg/h；
　　Q——热水供暖系统热用户计算热负荷，w；
　　S——漏损系数，一般取1.05；
　　C——水的质量比热，c=4187 J/kg·℃；
　　Δt——热水管网计算供、回水温差，℃。
　　流经地板辐射采暖系统的流量G地为
G地=s　kg/h
　　流经该地板辐射采暖系统后端的普通采暖系统的流量G后为
G后=s　kg/h
　　为满足该地板辐射采暖系统的水量要求，须满足如下条件
G后≥G地
　　即 S≥S
　　经简化得，≥
　　得  ≥
　　令n=
　　即n=
　　所以，地板辐射采暖系统后端的普通采暖系统热负荷最少应为地板辐射采暖系统热负荷的n倍。
　　另外，地板辐射采暖系统还可以接于水力工况较好的分支前端（该分支剩余资用压头须大于该地板辐射采暖系统设计压降），用该分支后端普通采暖用户的回水给该地板辐射采暖系统供热。同样，该地板辐射采暖系统后端的普通采暖系统热负荷最少须是该地板辐射采暖系统热负荷的n倍。
　　本方案占地小，在入户小室中安装即可，不必另设机房，可以无人值守。运行初调节工作量较大，技术难度较大，需要在专业技术人员指导下进行。
　　原则上说，本方案不能接于热网一次线上。
　　又，原普通采暖系统的回水设计温度应满足地板辐射采暖的供水设计温度要求。
　　热力站内供、回水温度的调节需要重新绘制调节曲线图。
　　结束语
　　下面对以上四种方案的特点总结如表格2：
　　随着我国供暖技术的不断发展，供暖方式会向多元化发展。根据不同用户的用热特点，必然会出现在同一个热力管网中不同的用户要求不同的参数的情况。这就要求我们供暖设计人员根据实际情况开发出不同的供暖设计方案，来更好地为广大人民群众服务。
参考资料
　　1、贺平 孙刚 《供热工程》（新一版）；
　　2、河南省建筑科学研究院 郑州市建设委员会 　　　  《地板辐射采暖及建筑给水用共聚聚丙烯(PP－　　  C)管道工程技术规程》；
　　3、秦皇岛市住友新型建材有限公司 《住友地板　　  辐射供暖系统设计手册》；
　　4、汤蕙芬 范季贤 《城市供热手册》。
两种热负荷预测方法的比较


石家庄华电供热集团有限公司　康胜文


　　摘　要　本文介绍了如何利用逐步回归分析和人工神经网络(ANN)进行建筑物逐时热负荷的预测,并对其进行了简单的比较。
　　关键词　负荷预测 逐步回归分析 人工神经网络
0　引言
　　在供热工程设计中，热负荷计算准确与否，直接决定着空气处理设备和热源的选择，进而对整个系统的初投资、运行费用及使用效果都有着至关重要的影响。准确地计算热负荷是一个优良供热工程设计的基础，是决定一个系统设计合理与否的最根本因素。但供热负荷受多种因素的影响,与诸多影响因素之间是一种多变量、强耦合、严重非线性的关系,且这种关系具有动态性,因而传统方法的预测精度不高。
　　预测方法可以分成两大类:一类是定性预测,也称为直观性预测;另一类是定量预测,也称为统计预测。在暖通领域,常采用定量预测的方法,即采用数学、概率论和数理统计的方法对历史数据进行处理。回归分析就是一种常用的定量预测方法。近年来,一门新兴的边缘学科——人工神经网络（ANN）引起人们广泛的关注,由于其独特的结构和处理信息的方法,使其在许多实际应用领域中取得了显著的成效。本文将简要介绍如何利用这两种方法预测建筑物负荷，并对其作了简单的比较。
　　1　逐步回归分析
　　对多个随机变量实验数据的分析研究有两种方法。一种方法是把多个随机变量分开，分别进行研究和分析，如统计分析、(简单)相关分析等。但由于多变量之间复杂的相关关系，分开处理不仅会丢失很多信息，而且往往难以取得较好的研究结果。另一种方法是对多个随机变量同时进行研究,来揭示这些变量内在关系和变化规律。向前选择变量法、向后删除法和逐步回归法就是同时处理多个随机变量的自变量筛选方法。在向前选择变量法中，一旦某个自变量被选入模型，它就永远留在模型之中。然而，随着其他变量的引入,由于变量之间相互传递的相关关系，一些先进入模型的变量的解释作用可能会变得不再显著。而对于向后删除变量法,一旦某个变量被删除后，它就永远被排斥在模型之外。但是,随着其他变量被删除，它对因变量的作用也可能会显著起来。因此，这两种方法都存在一定的不足。逐步回归分析法将向前选择变量法和向后删除变量法结合起来，采取边进边退的方法。对于模型外部的变量，只要它还可提供显著的解释信息，就可以再次进入模型，而对于已在模型内部的变量,只要它的偏F检验不能通过，则还可能从模型中删除。
　　可以看出：回归分析预测方法是通过回归分析，寻找预测对象与影响因素之间的因果关系，建立回归模型进行预测，该方法是通过自变量来预测响应变量，所以自变量的选取及自变量的准确性对预测结果是至关重要的。
　　2　人工神经网络
　　神经网络是有大量类似于人脑最基本的处理单元——神经元广泛相互联接而构成的非线性复杂的智能网络系统。它是在现代神经研究成果的基础上提出来的,用来模拟人脑神经系统的结构和行为。因此，它具有人脑功能的最基本特征:学习、归纳和分类。神经元是神经网络中最基本的处理单元,通常是一个多输入、单输出的非线性单元。其基本结构如图1。
　　这里,x1，x2，…，xn表示该神经元接受到的输入信息,w1，w2，…，wn表示互联的神经元之间的联接强度(或权重),θ为其阈值门限,y表示经过该神经元处理后的输出值。通常,每个神经元的输出值只有一个,但它可以联接到其它多个神经元,作为其它神经元的输入。
　　神经元的输入输出关系可表示为：
　　y=F（∑xiωi＋θ）                         （1）
　　式中:F（x）为激活函数，F（x）=1／（1＋e－x）   （2）
　　根据连接方式不同，神经网络可分成两大类：没有反馈的前向网络和相互结合型网络。前向网络由输入层、中间层（隐层）、输出层组成。隐层可有若干层，每一层的神经元只接受前一层神经元的输出，这样就实现了从输入层结点的状态空间到输出层状态空间的非线性映射。在前向网络中，误差反向传播网络（BP网络）在供热负荷计算中应用最广。图2是具有一个隐含层的BP网络结构示意图。
　　人工神经网络系统的一个最本质的特征是：它并不给出输入与输出间的解析关系，它的近似函数和处理信息的能力体现在网络中各个神经元之间的连接权值。它在给定大量的输入/输出信号的基础上,建立系统的非线性输入/输出模型,对数据进行并行处理,实质上它是把大量的数据交给按一定结构形式和激励函数构建的人工神经网络进行学习, 它能够从示范模式的学习中逐渐调整权值，使网络整体具有近似函数或处理信息的功能。然后在给出未来的一个输入的情况下,由计算机根据以往的“经验”判断应有的输出。该方法实际上是对系统的一个黑箱模拟,它主要适合短期负荷预测。
　　3　逐步回归分析与人工神经网络的比较
　　在文献[2]中王磊等人采用逐步回归法编写了程序,并以此进行了建筑物逐时热负荷的预测和预测输入参数的选择。而且基于相同的数据,又采用人工神经网络进行了建筑物逐时热负荷的预测。热负荷预测效果图如图3和图4所示。二者的预测误差见表1。其中,RMSE为均方差(或标准偏差)、CV为偏差系数、EEP为期望偏差百分数。
　　由图表可见,人工神经网络的预测准确度较高,逐步回归分析法的预测误差高于人工神经网络的预测误差。说明神经网络在处理冷负荷及其各影响因素的非线性问题上具有优势。ANN具有以下特点：1具有以任意精度逼近任意复杂的非线性函数的特性;2具有很强的适应于复杂环境和多目标控制要求的自学能力;3所有定量或定性信息分布储存于网络的各个神经单元,而且各个元上储存着不同信息的部分内容,即网络有冗余性,从而具有很强的容错性和鲁棒性;4采用信息的分布式并行处理,可以快速地进行大量的计算,但又不是简单地“以空间的复杂性为代价来求的时间上的快速性”,而是对于处理以求的满意为目标的决策非常迅速。
　　4　结束语
　　分别采用逐步回归法和神经网络法,根据相同的数据进行建筑物逐时热负荷预测表明,基于非线性模型的神经网络法优于基于多元回归模型逐步回归分析法。正因为如此,ANN的应用已渗透到HVAC的领域各个方面,成为学科的前沿阵地。近十几年,国内外的研究人员在热负荷预测方面进行了有效的尝试,取