平衡阀设置问题的讨论

        0 引言
        我国建筑用能已超过全国能源消费总量的1/4，并将随着人民生活水平的提高逐步增加到1/3以上。针对当前现状，作为暖通设计工作者，我们应该做些什么呢？现在各地图纸的审查机构对节能审查都比较严格，就暖通空调专业来说，要求必须有详细的负荷计算、水力平衡计算，且均为强制性条文。在负荷计算中，有众多的专业软件，其准确度已经满足了现在的使用要求；但水力平衡的计算的软件较少，不少设计人员不进行详细的水力计算，盲目的滥用平衡阀。包括热力入口处的平衡阀、每层水平干管与立管连接处的平衡阀。
        1 规范的有关规定和理解
        （1）文献[1]中“4.9.4分户热计量热水集中采暖系统，应在建筑物热力入口处设置热量表、压差或流量调节装置、除污器或过滤器等”。文献[2]中“5.2.2集中供热系统中，建筑热力入口应安装静态水力平衡阀，并应对系统进行水力平衡调试”。文献[1]中“4.8.14采暖系统各并联环路，应设置关闭和调节装置……”
        （2）对规范的理解，根据文献[1]的规定，在热力入口处使用自力式压差控制阀或自力式流量控制阀，自力式压差控制阀安装在变流量系统中，自力式流量控制阀安装在定流量系统中。根据文献[2]的规定，所有热力入口处均安装静态的水力平衡阀。根据文献[1]中4.8.14的规定，在每层水平干管与立管连接处是否需要安装平衡阀，应根据实际要求和计算确定。此规范是明确严谨的。
        2 存在问题
        根据规范的要求，现在设计文件上都在单元热力入口设置自力式压差（流量）平衡阀，但是否有必要，一般都没有做详细的计算和研究。在一个建筑群中，热交换站（冷冻机房）要负担多个建筑，在室外管道中，多采用枝状管网，因此都有最不利的环路，在最不利环路上，是否也需要设置平衡阀呢？在每层水平干管与立管连接处，是否需要平衡阀呢？
        （1）在室外管网中在最不利环路上设置平衡阀后，水泵的扬程将增加，其他环路的平衡阀需要克服的阻力也增加，因此，建议在最不利的环路上不设置平衡阀，建议在规范上更改为“根据需要设置平衡装置”，也不是一概而论的要求所有的热力入口设置平衡装置。
        （2）在室外管网中设置静态平衡阀或自力式流量平衡阀或自力式压差平衡阀也不应该一刀切，就现在的民用建筑，特别是住宅采暖项目中，笔者认为使用静态平衡阀已经可以满足要求了，因为采暖系统中，一个热力入口所承担的户数可能12～40户之间，行为节能的情况和不使用采暖系统的情况，在这样数量的情况下，从概率的角度来说，每个热力入口的情况应该是接近的，流量变化的幅度接近，流量变化的步调接近，因此，可以在动力中心进行统一调节，如改变水泵的转速等。
        （3）在民用建筑，特别是住宅采暖项目中，一方面在每个采暖末端均设置有温控阀，当热力入口总流量稍微有变化时，可以通过温控阀调节；另一方面，采暖本身都具有热惰性，某一段时间内，采暖末端流量发生变化，不会对房间温度有较大幅度的影响，因此，没有必要要求，在各个时间，采暖末端都在设计流量下运行。
        （4）在热力入口设置自力式压差平衡阀并不能够真正起到使设备的流量稳定在设计流量。因为当流量发生变化时，自力式压差平衡阀到采暖末端设备之间的管道流量发生变化，其阻力也发生变化，进而设备进出口之间的压差发生变化，所以设备的流量也发生变化。出现过流量现象。
        （5）在某些特殊项目中是可以安装自力式压差控制阀。当系统末端较少且流量较大、使用规律性差、对温湿度要求较高时，可以在总管上设置自力式压差控制阀，如在一些医院项目，一个系统承担多个手术室空调时，建议在总管上设置自力式压差控制阀。
        3 平衡阀的位置
        建筑物内每层与立管连接的水平管是否需要设置平衡阀，应经过计算确定。此处规范是明确严谨的，但设计人员实际操作中有两种错误的做法：①在每层与立管连接的水平管均安装平衡阀；②在每层与立管连接的水平管均不安装平衡阀。现在假设几种条件，通过计算予以说明。
        （1）6层住宅楼散热器采暖，1梯2户，层高3m，每户热负荷4kW，户内阻力40kPa，供回水温度80℃/60℃，立管控制比摩阻30～60Pa/m，计算1层和6层的不平衡率。
        根据文献[4]中2.9.5规定，在双管系统中，应考虑重力作用压头的影响，重力作用压头的公式为：
        H=（2/3）×h×g（ρ1-ρ2）  （1）
        式中：H为高差产生的重力作用压头，Pa/m；
        g为重力加速度，m/s；
        ρ1为回水密度，kg/m；
        ρ2为供水密度，kg/m。
        H=（2/3）×15×9.81（983.24-971.83）=1119Pa。
        根据表1、2的数据，1层与6层的不平衡率为（1579-224-1119）/40000＝0.6%＜15%，因此，不用设置平衡阀。

表1 6层采暖立管水力计算表

表2 1层采暖立管水力计算表

        （2）18层住宅楼散热器采暖，1梯2户，层高3m，每户热负荷4kW，户内阻力40kPa，供回水温度80℃/60℃，立管控制比摩阻30～60Pa/m，计算1层和18层的不平衡率。
        H=（2/3）×51×9.81（983.24-971.83）=3805Pa。
        根据表3、4的数据，1层与18层的不平衡率为（6256-483-3805）/40000＝4.9%＜15%，因此，不用设置平衡阀。

表3 18层采暖立管水力计算表

表4 1层采暖立管水力计算表

        （3）6层住宅楼地板辐射采暖，1梯2户，层高3m，每户热负荷4kW，户内阻力40kPa，供回水温度55℃/45℃，立管控制比摩阻30～60Pa/m，计算1层和6层的不平衡率。
        H=（2/3）×15×9.81（990.25-985.73）=443Pa。
        根据表1、2的数据，1层与6层的不平衡率为（1579-224-443）/40000＝2.3%＜15%，因此，不用设置平衡阀。
        （4）18层住宅楼地板辐射采暖，1梯2户，层高3m，每户热负荷4kW，户内阻力40kPa，供回水温度55℃/45℃，立管控制比摩阻30～60Pa/m，计算1层和18层的不平衡率。
        H=（2/3）×51×9.81（990.25-985.73）=1508Pa。
        根据表3、4的数据，1层与18层的不平衡率为
        （3969-483-1508）/40000＝5%＜15%，因此，不用设置平衡阀。
        （5）6层住宅楼中央空调，1梯2户，层高3m，每户热负荷5kW，户内阻力60kPa，供回水温度7℃/12℃，立管控制比摩阻50～150Pa/m，计算1层和6层的不平衡率。
        根据表5、6的数据，1层与6层的不平衡率为（5847-1735）/60000＝6.8%＜15%，因此，不用设置平衡阀。

表5 6层空调立管水力计算表

表6 1层空调立管水力计算表

        （6）18层住宅楼中央空调，1梯2户，层高3m，每户热负荷5kW，户内阻力60kPa，供回水温度7℃/12℃，立管控制比摩阻50～150Pa/m，计算1层和18层的不平衡率。
        根据表7、8的数据，1层与18层的不平衡率为（19848-2105）/60000＝30%＞15%。

表7 18层空调立管水力计算表

表8 1层空调立管水力计算表

        根据表9、10的数据，9层与18层的不平衡率为（11113-2220）/60000＝14.8%＜15%。

表9 9-18层空调立管水力计算表

表10 9层空调立管水力计算表

        根据表11、12的数据，8层与18层的不平衡率为（11734-798）/60000＝18%＞15%。

表11 8-18层空调立管水力计算表

表12 8层空调立管水力计算表

        根据表7～12及其相关的计算，1～8层水平支管上需要设置平衡阀，9层及其以上不用设置平衡阀。需要说明的是，上面的计算与户内的阻力、立管控制比摩阻、每层冷负荷都有关系，此仅为计算方法，不能作为通用的结论使用。    
        4 结语
        根据以上的分析和计算，在热力入口处规范上可不强调一定要设置平衡阀，也不强调要求设置什么类型的平衡阀，规定选取的原则即可。设计人员应该通过详细的计算，确定哪些地方需要设置平衡阀，哪些层需要设置平衡阀，而不能一概的设置或不设置；设置哪种形式的平衡阀，应该根据工程的性质和使用情况确定。在建筑物内部各个并联环路，设计人员应该根据详细的计算，确定哪些地方需要设置平衡阀，根据所谓自己的“经验”进行盲目设置或不设置。规范上强调要进行计算的地方和一些重要的地方，设计人员要切实详细计算。只有这样才能使设计文件比较完善。 
        参考文献：
        [1]GB50019—2003，采暖通风与空气调节设计规范[S].
        [2]JGJ173—2009，供热计量技术规程[S].
        [3]GB50189—2005，公共建筑节能设计标准[S].
        [4]陆耀庆.实用供热空调设计手册（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.
        [5]中国建筑标准设计研究所.全国民用建筑工程设计技术措施—暖通空调动力[M].北京：中国计划出版社，2005.