庾健文

（珠海华发城市运营投资控股有限公司，广东 珠海 519000）

0 引言

中央空调系统一般会通过热水或冷水来输送能量，而水输配管网有同程式和异程式两种，主要区别在于每个末端的水流是否经过相同物理长度的路程。系统的高效节能和精准控制，离不开水力平衡的输配系统，而管网设置的合理性是重要前提。水力平衡系统能保证冷源设备、末端设备的水流量稳定，而且能进行高效换热，在室外温度、室内冷热负荷变化时，可以及时响应，最终协同冷源及末端设备为室内人员提供舒适的环境。管网的输配形式需要结合实际情况，有适用于异程式管网的输配形式[1]、有适用于同程式与异程式结合的输配形式[2]、有适用于同程式管网的输配形式[3]。本文主要探讨在设计过程中同程式与异程式管网的适应性以及相关水力平衡中所遇到的一些问题。

1 水力计算

在管道里流动的过程中，流体与管壁或其他管道附件之间会有摩擦力，同时流体内部的相对流动会产生切应力，而这两种作用力不断地消耗流体的能量，被消耗的能量最终会转化为热能。不仅如此，流体在流动的过程中，还存在着位能、压力能和动能之间的转换。简而言之，水力平衡就是平衡各个环路的能量消耗和能量转换[4-5]。

沿程水头损失的计算可用达西-魏斯巴赫公式，如式（1）所示。

局部水头损失的计算如式（2）所示。

结合式（1）和式（2），可计算出管道和管道附件的阻力，如式（3）所示。

能量转换的分析计算则利用伯努利方程如式（4）所示。

式中：l——管长；d——管径；v——断面平均流速；g——重力加速度；λ——沿程阻力系数（通过柯列勃洛克公式计算或查莫迪图获得）；ζ——局部阻力系数（实验数据）；Sw——管网阻抗；p——压强；ρ——流体密度；h——高度；C——常量。

2 同程式管网和异程式管网的适用性

空调水输配管网同程式和异程式输配管网主要区别在于每个末端的水流是否经过相同物理长度的路程，如图1 所示。

图1 空调水输配管网

由于异程管网的末端设备是就近接入供回水管道，随着末端的距离越远，资用压头会越来越小，各个末端之间相差较小的时候，可以通过调整管段的尺寸，控制管道中的流体流速来平衡末端之间的水力；如果管路之间阻力相差太大，整个管网的水力平衡就难以靠调整管道尺寸来进行，这种情况需要串联平衡阀增加局部阻力。

采用同程式的管网，由于水流经过的路程基本相同，管路物理长度引起的不平衡情况基本上得到解决，单从这方面考虑，采用同程式管路有着非常大的优势，但同程式也会带来其他的问题，所以两种形式的管网都有各自的适用性。

2.1 从节能和节约初投资角度看

同程式管网并不能使水泵压头减小，因为这种方式是通过管路的布置来形成物理上的管路等长，所以往往需要增加同程管（图1b 中的管路10），而管路的增加也会产生多方面的问题：①管道的材料和安装费用增加；②管道的安装会占用一定的空间，压低净高或者减少建筑使用面积等；③管道的加长，会增加管道与环境的接触面，导致输送流体与环境之间热传导的工作难度加大，包括供热时的热损失，以及供冷时的得热。

综上所述，异程式管路需要增加平衡阀才能控制管路的水力平衡阀，阀门的增加除了增加初投资以外，主要作用是在管路上串联一个阻抗，平衡阀设计得过多也会不可避免地增加能耗，所以应该尽可能减少管网中的平衡阀串联数量。

2.2 从水力平衡角度看

如果所有末端环路的压力降都相同，输配系统采用定流量方式供水时，同程式管路由于其管路特性的原因，不需要进行烦琐的调试就可以达到水力平衡。当末端环路的压力降不相同时，同程式管路就难以取得理想效果，即使末端设备型号、参数相同，管路中各个管段长度及尺寸、管路附件、管道连接方式等也不可能不完全一致，工况的变化也就不一样。另外实际工程中，往往是多种类型的设备并联在同一主管上，这时候就算是采用同程管路是需要考虑平衡阀的设置。

当室内冷热负荷有变化时，末端的用水量也必然会发生变化，所以水系统需要跟着进行动态调整。如果系统采用的是定速水泵，两种管网在定供水压力下的变流量比较如图2 所示。图2 的水压图对应的是图1 的管网系统，当负荷低于额定值时，随着系统流量减小，水泵压头会增大，同时管路的沿程阻力和局阻力也会相应降低（hw=SwQ2），两相叠加，这两种管路系统的末端资用压头增大时，调节阀的开度就需要关小，所有末端的阀权度和阀门可调比也会随之减小。异程式管网距离水泵近的末端所受的影响小，距离越远的末端，由于管路阻力的减小，所受的影响就越大。而同程式管网则因为干管上的阻力干扰所有末端，所以全部末端都会受到比较大的影响。当系统采用变速水泵时，如果同程式管路的末端负荷不是按相同的比例变化，就对水力平衡的帮助不大，各末端之间的相互干扰也会与定速水泵一样，甚至比异程系统受到的干扰要大。

图2 两种管网在定供水压力下的变流量比较

目前常用的平衡方法中，只有迭代法适用于同程式管路，而异程式管路则可以采用其他比例法、补偿法等[6]。

2.3 异程管网的调节

实际项目中，异程式管网的应用较为普遍，结合图1 中的异程管路系统和表1 的条件来分析异程管网的末端调节影响，并假设管网的供水压力为恒定值。各个末端的流量与额定工况的比值结果汇总于表2，共有6 种工况。工况1 为管网平衡后的额定工况，工况2 到工况6 分别是关闭A～B 其中一个末端。

表1 管网参数

从表2 中可以看出，末端的输送距离越近，流量调节时对总流量的影响就越大；而流量调节对于其他末端的影响，主要是由于干管流量的变化；流量调节对于输送距离更远的末端的影响是等比例的；对于输送距离更近的末端则由于干管阻力的影响，随着干管的长度越长，影响越大。综上，如果末端流量变化相差太多，异程管网也是难以保证动态过程中的水力平衡。

表2 结果汇总

2.4 同程式管路的实际应用

目前国内外大部分项目都采用异程式管路系统或者两种系统混合使用，但也有些特殊的情况只适用于同程式管路系统，如大型的厂房、种植温室（图3）等需要用到多台同型号末端为同一个空间服务。

图3 某温室空气调节系统

2.5 同程式与异程式管路系统的适用性

同程式管路系统适用于定流量系统，以及末端设备工况变化一样、功率参数一样的变流量系统。异程式管路系统辅以相应的平衡措施可以满足没有特殊要求的水系统。根据实际项目的运行情况结合空间布局、末端设备的特性、经济分析等方面采用干管同程支管同程、干管同程支管异程、干管异程支管异程等方式。

3 管网不平衡能否通过其他途径来补救

当系统运行时，发现管网水力不平衡，以及未设置平衡阀或者想避免烦琐的平衡调整，以下有一些看似可以解决平衡问题的方法。

3.1 增大水泵压头和流量

此方法看似可以保证每个末端流量，但如果整个系统处于额定负荷运行时，水泵压头和流量的增大会整个管网系统水流的增加，同时增大各个环路的阻力，但环路之间的不平衡率是不变的。此时这种方法只会增加系统运行的费用，以及由于管道水流速增加而产生的噪声。

3.2 降低冷冻水供水温度

供水温度的变化是以能效降低为代价，同时供热温度升高，有利环路的超流量情况就更加严重，会导致控制阀的阀权度和可调比降低。

4 结语

管网路由的确定是空调水系统设计的第一步，需要结合设备的容量、负荷特性、建筑布局等多种因素来进行，也是确保整个系统性能的基础前提。

（1）如果管网水力不平衡，就很难通过其他手段来保证末端的流量，因此管道设计及安装都需保证管路水力平衡。

（2）当设备型号和负荷变化一致时，可优先考虑同程式管网，其管路的布置和安装工艺也需尽可能保证管路阻力的一致。

（3）尽可能不将负荷变化相差太多的设备并联在同一末端环路，就算是异程管路，也难以保障负荷动态变化相差太多时的水力平衡。

（4）运用同程式管网时，应尽可能降低同程管路中管路增多而产生的影响。