对于供暖空调水系统管网,流量越大,需要提供的输送能量越大,水泵所需要的能耗越高。
在设计、施工与运维过程中,需要采取合理措施尽可能降低管网阻力,能提高系统能效,达到节能运行的目的。
在工程中,降低管网系统阻力路径主要有以下几种:
1.合理确定管径及流速
室内供暖系统管道中的热水流速,应根据系统的经济性、能耗限值、水力平衡要求以及防噪声要求等因素确定,管路的最大流速不应超过下表:
供暖管道中热媒的最大允许流速,国内尚无专门的试验资料和统一规定,一般资料中大多是参考国外有关资料并结合我国管材供应等的实际情况,作出了有关规定。
最大流速与推荐流速不同,它只在极少数公用管段中为消除剩余压力或为了计算平衡压力损失时使用,如果把最大允许流速规定得过小,则不易达到平衡要求,不但管径增大,还需要增加减压阀等装置。
苏联在关于机械循环供暖系统中噪声的形成和水的极限流速的专门研究中得出的结论表明,适当提高热水供暖系统的热媒流速不至于产生明显的噪声,其他国家的研究结果也证实了这一点。
通常,空调房间内空调水管流速限值可参照下表:
上表是对最不利环路(一般情况下为最远环路)的管道流速限值,对于非最不利环路,由于水力平衡计算的需要,不受此表的限制。但为了防止流速过高造成的噪声及对附件冲刷引起的磨损,管道中的最大流速均不应超过3m/s。
同时需要注意的是,管道中水的流速还应有下限,这是因为过低的流速会引起水中较重的颗粒滞留,造成管道因积聚而堵塞,同时低流速意味着大管径,大阀门,初投资会增加。
2.缩短管网长度(通常缩小最不利管网长度)
最不利管网在集中供暖与中央空调水系统中十分重要,其直接影响整个系统的运行效果,最不利管网的阻力特性决定了循环水泵的扬程选择,是系统水力计算的基础参数。
常用的方式是尽量保持系统各环路长度接近,可以避免因管长差异造成的不必要的阻力损失。
而通常要求的能源站设置在负荷中心一定程度上也是出于这个目的。
3.减小局部阻力
产生局部阻力的部位包括冷机、换热器、过滤器、阀门、弯头、阀件等,其占系统总阻力的20%~40%。
1)供暖水系统:
常用管道阀件的阻力系数
摘自《技术措施2022版》
热水供暖系统局部阻力当量长度
2)空调水系统:
空调水系统的比摩阻宜控制在100~200Pa/m且并联环路的干管比摩阻宜采用较低值;除管径小于DN40外,不应大于300Pa/m。
乙二醇管路(常见蓄冷系统中)比摩阻宜控制在50~200Pa/m,并应按下表加以修正:
一般阀门和其他管件局部阻力当量长度可参考表:
降低局部阻力的措施:
1)选用阻力小的阀门如用蝶阀代替阻力大的截止阀;平衡阀、调节阀布置在回水管(阻力对系统影响更小);避免在高流速管段(如水泵出口)密集布置阀门,单个管段阀门数量≤2个;阀门与设备或弯头间需留≥5倍管径的直管段,防止涡流叠加。
2)选用阻力较小的过滤器(过滤器前后安装压力表,以便运行中观察堵塞情况,提醒及时清洗)。
3)合流三通采用斜接方式
合流三通采用斜接方式,(分支管与主管水流方向夹角30°~45°),ξ=0.1~0.3,替代普通正三通(ξ=0.5~1.0),降阻50%以上;避免三通直接接弯头,需加≥5倍管径的直管段过渡,减少流态突变。
4)采用较大半径的弯头
用大曲率半径弯头(R≥3D,D为管径)替代90°直角弯头(R=1D),局部阻力系数ξ从0.3~0.9降至0.1~0.2,降阻60%~70%;
避免连续弯头(如Z型、U型布置),弯头间距≥10倍管径,减少涡流叠加;优先用45°弯头替代90°弯头(45°弯头局部阻力系数ξ=0.15~0.3,可比90°弯头降阻50%)。
5)取消管路上不必要的管件、阀门
删除不必要的阀门、接头、短管,简化管路走向(如避免“蛇形绕行”),每减少1个冗余弯头或三通,可降低局部阻力8~15kPa(在DN100管路,流速1.2m/s的情况下)。
6)变径变截面优化
用渐缩/渐扩管(长度≥3倍管径差)替代突然变径,ξ从0.5~0.8降至0.1~0.2,降阻70%以上;空调/供暖系统中,管径变化仅允许1~2级,避免多级突变(每级突变增加ξ=0.1~0.2)。
7)设备进出口优化
冷水机组、换热器、水泵等设备进出口加≥5倍管径的直管段,避免直接接弯头/三通(设备入口涡流会使局部阻力增加10%~20%);水泵进出口用偏心异径管(上平下斜),避免气囊形成(气囊会导致局部阻力骤增数倍)。
8)选用阻力小的冷机、换热器、供暖空调末端
冷机冷水侧阻力是中央空调水系统总阻力的重要组成部分(占比15%~30%),其阻力主要来源于换热器流道、进出口管路局部构件(阀门、弯头、变径)、水流分布不均及结垢及气堵等。
降低冷机的壳管式换热器阻力的措施:减少管程数(单管程→双管程,阻力降低40%~50%),优化壳程折流板(增大折流板间距至1.5~2倍管径,减少涡流,阻力降10%~20%)。
换热器:选壳管式(ξ=1~2)或板式换热器(ξ=2~3),替代高阻力套管式换热器(ξ=4~5)。
水泵:选低阻高效泵型,泵体进出口流道流线化设计,避免内部涡流(低阻泵比普通泵进出口局部阻力低15%~20%)。
4.规范施工安装
通常,施工不规范会导致“设计低阻、实际高阻”,因此,对施工质量的把控也是降低管网运行阻力的一个重要措施:
1)保证管路安装精度:降低管路里水平敷设的偏差,避免凹凸、倒坡导致流体涡流(涡流会增加10%~20%的局部阻力);管道连接可采用倒坡口后焊接(光滑过渡)代替丝接(接口粗糙,增加了内壁摩擦系数)。
2)清洁管道内壁:安装前清除内壁铁锈、焊渣、杂物(内壁粗糙度每降低10μm,摩擦系数λ降低0.01~0.02,沿程阻力降低5%~8%);完工后做水冲洗加化学清洗,避免杂质残留。
3)规范防腐工艺:内壁做环氧防腐涂层(降低粗糙度),外壁做好保温(避免温差导致内壁结垢,结垢后粗糙度翻倍,阻力甚至可以增加30%以上)。
5.运维措施
供暖与空调水系统运行中随着污垢增加,管道阻力会上升,需要在运维过程中采取一定措施,控制管道污垢系数,避免阻力增加过多: