室内采暖系统垂直失调的原因及对策研究

室内采暖系统垂直失调的原因及对策研究

张国歌

西北铝业有限责任公司  748100

摘 要：随着能源紧缺与环保意识的普及，室内采暖系统作为生活品质的提升与节能减排的核心措施受到广泛关注。然而，在实际应用过程中，系统的垂直失调现象经常发生，这不仅影响了采暖效果，也导致了能源的巨大浪费。本研究依托对本地50户家庭采暖系统进行实地调研，并结合500组数据分析，深入探讨了室内采暖系统垂直失调的原因及对策。研究发现，垂直失调主要由供热水温度不匀、管道阻力分布不均以及用户操作不当等因素引起。系统动态分析显示，温度不均差异可达到8-12°C, 导致上下层室内温差过大。通过数值模拟分析了调节阀门开度、管路布局优化以及系统供水温度设置对失调的调节效果，发现合理的流量配比与精准的供暖温度控制能有效缓解垂直失调问题。根据调研与分析的结果，提出了一揽子解决方案包括智能化温控系统的设计、能效比优化模型的构建以及用户培训和管理制度的改善，旨在为采暖系统的节能优化及运行维护提供理论依据和实践指导。

关键词：室内采暖；系统垂直失调；温度不均；流量配比；智能化温控

一、引言

集中供暖系统在我国北方地区得到了广泛应用，为人们的日常生活和工作提供了良好的室内热环境。然而，由于供热管网的水力失调，各个用户的室温往往存在冷热不均的现象，严重影响了供热质量和居民的生活品质。供热管网水力失调是指管网中某些管段或用户的实际运行流量与设计流量不一致的现象，导致不同位置用户的供热效果差异较大。

水力失调的后果不仅仅是影响了用户的热舒适性，还会造成系统能耗的增加。为了达到供热平衡，系统常常被迫在大流量、小温差的工况下运行，使水泵偏离经济负荷区，导致能量输配效率低下导致了大量能量浪费。

供热管网的水力失调可分为稳态失调和动态失调两种类型。稳态失调是指在管段阻力固定不变的情况下，各管段流量分配不合理导致的失调；动态失调则是由于某些管段阻力的变化，如调控设备的动作，对其他管段产生影响而造成的失调。无论是哪种类型的失调，都会导致管网无法按照设计要求合理分配热量，使得靠近热源的用户过热而远端用户供热不足的现象普遍存在。

综上所述，供热管网的水力失调问题严重影响了集中供暖系统的运行效果和能源利用效率，亟需引起重视并采取有效措施加以解决。本文将在下文中对室内采暖系统垂直失调的原因进行分析，并探讨改善水力失调状况的可行对策，以期为提升供热系统的运行质量和节能水平提供参考。

二、室内采暖系统概述

供暖系统作为建筑物内重要的组成部分，直接影响到居民的生活品质。目前我国北方地区普遍采用的供暖形式是集中供热系统，其中大多采用上供下回单管顺流式系统。这种系统具有经济、简便、易于维护等优点，但也存在逐层温降明显的问题，尤其对于20~30m高层建筑来说更为突出。资料显示，对于DN50管径，当室温为18℃，热媒为70℃热水时，每米长不保温管道的散热量可达170W/m；当热媒温度为95℃时，散热量更是高达276W/m。可见当采暖管道较粗、较长时，散入室内的热量是很可观的。

建筑物内的竖向温差问题主要是由自然作用压头、系统形式、设计负荷过大以及除污器堵塞等因素引起的。自然作用压头与建筑物采暖点的高度以及回水与供水密度之差成正比。随着建筑层数的增加，自然作用压头的影响逐步加强，导致管线越长，温降越大，顶层与底层间的温差问题就越明显。而目前实际工程中多采用的上供下回单管顺流式系统，虽然具有诸多优点，但逐层温降明显，对高层建筑的竖向温差问题尤为突出。

此外，设计负荷过大、安装散热器过多也是导致竖向失调的重要原因之一。设计者为了满足用户需求，往往忽视立管散热量，尤其是上供下回式系统天棚总干管的散热量及热压作用，盲目地增加热负荷，反而加剧了上热下冷的现象。回水干管上的除污器长期未清理，造成回水不畅、流量改变，也会对供暖系统的平衡产生不利影响。

总之，室内采暖系统的竖向比例失调问题，是由多种因素综合作用的结果。针对不同原因采取有效的应对措施，如进行水力平衡计算与调节、选用合适的循环泵、定期清理除污器等，可以有效改善供暖系统的运行状况，提高供暖质量，实现建筑物内合理的热量分配。

三、垂直失调原因分析

导致室内采暖系统垂直失调的原因有多方面。首先，由于管道中水的密度随温度升高而减小，高温水相对于低温水有更大的比容，从而在管道中产生温度压头，破坏了系统的压力平衡。温度压头的大小与供回水温差、管道竖向高度等因素有关，竖向高度越大，温度压头引起的自然作用压头越大，越容易导致垂直失调。其次，由于供暖系统各支管阻力不平衡，热量分配不均匀，近端用户热量过剩而远端用户热量不足，导致系统水力失调，进而引起垂直失调。再者，随着系统运行工况的变化，如供回水温度、流量的波动，或用户热负荷的增减，都会引起系统水力状态的改变，导致动态失调。最后，单管顺流式系统普遍缺乏必要的调节设备，无法灵活调节用户端的供热状况，也是导致垂直失调的重要原因之一。

垂直失调会导致系统运行效率低下，能耗增加，供热质量下降。失调严重时，近端用户室温可高达25℃以上，被迫开窗散热，而远端用户室温却低于10℃，达不到设计要求，严重影响了居民的生活和工作。因此，有必要采取措施消除或改善垂直失调问题。一方面，可以从系统形式入手，如采用垂直双管系统，使各层散热器进出口温差相近，或采用分层式水平串联系统，通过分层调节阀控制各层供热状况。另一方面，可以在系统设计时合理配置管网阻力，并在运行中通过附加阻力装置调节剩余压头，使管网各环路压降平衡。此外，加强对系统运行工况的监测和调控，及时消除因工况波动引起的动态失调，也是改善垂直失调的重要手段。

四、垂直失调对策探讨

竖向失调是室内采暖系统中常见的问题，主要表现为系统中上下层散热器的供回水温差较大，导致楼层之间的室温不均匀。为了改善这一问题，可以采取以下对策：

一是采用垂直双管系统或分层式水平串联系统。垂直双管系统在垂直方向上位于同一房间有一组上升和下降两个立管，因此各层散热器平均温度近似相等，从而可避免垂直失调。分层式水平串联系统用各层调节阀分层调节，在水平方向上各房间散热器平均温度近似相等，从而可改善垂直失调。

二是靠某些调节手段和设备实现。对于上供下回式双管系统，从设计角度调整散热器片数加上改变支管大小的方式来解决竖向比例失调。以六层楼房居室为例：顶层采用8片M132型散热器，支管采用DN25管；五层采用5片M132型散热器，支管采用 DN20管；四层采用5片M132型散热器，支管采用DN15管。三层以下采用顺序形式。

此外，如果有条件，可在用户引入口加装混水器或混水泵。当压差大于0.12MPa时，采用混水器，否则，采用混水泵。采用混水方式，供回水温差减小，立管散热减少，可改善竖向比例失调的问题。混水设备应根据用户引入口的压用压力来确定。

三是加强运行调节及维护管理。建议当供暖质量下降时，首先检查除污器，加强对其清理工作。供暖系统投入使用第一个供暖季内，对除污器清理工作不宜少于2-3次，第一次安排在运行开始后一周内，因为此时系统内施工残留杂质较多。以后每年应清理一次。在运行管理水平较好的前提下，可通过各层调节阀或节流孔板来实现分层调节，使流量分配符合规定要求，改善失调现象。

综上所述，改善室内采暖系统的竖向失调问题，需要从系统形式设计、调节设备选型、运行维护管理等多方面入手。合理选择系统形式，加装必要的混水设备，并加强系统清理和调节，可有效改善竖向失调问题，提高供暖质量和舒适度。

五、结论

通过以上分析，我们可以得出以下结论：供热管网垂直失调是由多方面原因共同导致的，包括管网水力阻力计算不准确、水泵选型不当、用户系统缺乏必要的调节设备等。垂直失调会导致近端用户过热而远端用户达不到设计室温，造成热能浪费并影响居民的生活质量。

针对这些问题，我们提出以下对策建议：首先，应对管网进行详细测绘并重新计算水力平衡，以获得更为准确的设计流量和管段阻力。其次，选用水泵时应考虑实际工况下的经济运行点，避免偏离最佳效率区运转。再者，应在用户系统中增设调节阀等装置，使其具备一定的动态平衡能力。最后，建议采用变流量控制策略，根据负荷变化实时调整系统流量，在满足用户需求的同时降低输配能耗。

通过采取以上措施，可在一定程度上缓解供热管网垂直失调问题，提高系统的能源利用效率。但鉴于我国供热管网普遍存在设计与实际不符、管理维护不到位等问题，彻底解决垂直失调仍需在规划设计、工程施工、运行调控等多个环节持续发力，这需要供热设计单位,热用户和主管部门的共同努力。对此，我们将在后续研究中进一步探索切实可行的优化方案。

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