室外供热管网的设计计算

于 海 华

(山西聚仁合人力资源管理有限公司，山西 太原 030002)

为了确定供热系统的管径和热源循环水泵的流量及扬程、分析供热系统正常运行时的压力工况、保证系统内各热用户有足够的资用压头且系统不发生超压、汽化、倒空等影响供热效果的现象以及提高整个供热系统的水力稳定性，因此对供热管网的水力计算尤为重要。下面着重介绍某位于有地下水的非湿陷性黄土地区的室外二次供热管网的水力设计计算。

1 室外供热管网简介

本工程为某高等专科学校新校区二次供热管网设计，工程地点位于山西省太原市。建设场地较为开阔，北高南低，地形为长方形，东西宽807 m，南北宽664 m。新校区共分为四大功能片区。依据规划，校区划分为教学区，生活区，训练及科研交流区，共计14栋单体建筑。根据地质勘测报告，校区内地质条件为有地下水的非湿陷性黄土。总用地面积505 490 m2(约合758.23亩)，校区总建筑面积为188 353.25 m2，其中生活区总建筑面积为58 120.57 m2，中央核心教学区、训练区、体育运动区、科研交流区总建筑面积为130 232.68 m2，校区内最高建筑的高度为32.4 m，最低建筑的高度为4 m。

本工程热源为位于生活服务中心的区域锅炉房提供，热源供回水温度为70 ℃～50 ℃，单体采暖形式为散热器采暖，局部区域采用低温地板敷设供暖系统采暖，热源为经混水机组降温为50 ℃～40 ℃的低温热水。区域锅炉房配备气候补偿器，循环水泵为变频泵。管网的调节形式采用热源处集中调节、热力站及建筑引入口处的局部调节和用热设备单独调节三者相结合的联合调节方式。

2 供热管网设计

2.1 供热管网敷设形式

室外供热管道进行地下敷设时，需满足以下三点：

1)寒冷地区间断运行的供热管道，在运行时，可能会有较大的热损失或会出现管道结冰冻结的情况；

2)大型公共建筑或街区建筑的供热管道，管道地上敷设有碍环境美观的情形；

3)供热管道地上敷设在经济投资或在环境的总体规划设计中，不允许供热管线地上敷设的工程。

综合以上三点，本工程供热管网采用有补偿的直埋敷设。

2.2 系统形式

管网形式为闭式双管系统，由锅炉房引出，根据供热区域供暖划分为两个分支。为了方便运行及管理、减少金属耗量及基建投资，本工程采用枝状敷设至各单体建筑枝状管网。为了在供热管网发生故障(损坏)时，迅速消除故障，缩小事故的影响范围，需在与供热干管相连接的供热管路分支处、在与分支管路相连接的较长的供热支管上装设阀门，并根据水力平衡计算结果，确定阀门的种类及阀门开启度。其中分支一(教学训练区)供暖热负荷为4 792.2 kW，供热半径为811 m，阻力为59 kPa，分支二(生活分支)供热负荷为2 152 kW，供热半径为504 m，阻力为35 kPa。

直埋热水管道的覆土深度符合现行《城镇供热在直埋热水管道技术规程》关于直埋热水管道的最小覆土深度的规定，见表1。

表1 热水管道直埋的覆土最小深度

经结构专业对管道的埋深计算，本工程供热管道埋深确定为1.7 m。

管材选用无缝钢管,钢管材质应不低于GB 231—70国标A3。管道保温层选用聚氨酯硬质泡沫塑料，保护层为高密度聚乙烯塑料外壳。要求阀门的工作压力均不小于1.6 MPa。

3 水力设计计算

设计热水供热管网，为使系统中各分支的水流量符合设计要求，以保证流进各单体建筑的水流量满足单体的负荷需求，要对供热管网做水力计算。水力计算先后分为设计计算及校核计算，包括内容有供热管网各管段的管径计算、供热管网管路系统的压力损失计算。

3.1 水流量计算

根据各单体提供的单体热负荷计算结果，确定热水热力系统负荷，经计算得到热水热力系统水流量。

供热管网水流量计算原理：

其中，G为供热管网设计流量，t/h；Q为设计热负荷，kW；c为水的比热容，kJ/(kg·℃)；t1为运行期间管道供水温度，℃；t2为运行期间管道回水温度，℃。

3.2 管径计算

根据管段水流量确定热水热力网主干线管径时，宜采用经济比摩阻30 Pa/m～70 Pa/m；按管路系统允许压力降的值计算供热管网支干线、支线各管段的管径，管道内热的水流速的上限值3.5 m/s。供热管网的支干线按不大于300 Pa/m的比摩阻确定支干线的管段管径。分支管段管径计算见表2。

供热管网计算管段比摩阻计算原理(达西·维斯巴赫公式)：

其中，λ为摩擦阻力系数；d为管段内径，m；v为管道内介质的流速，m/s；ρ为介质的密度，kg/m3。

λ=f(Re，ε),

其中，Re为雷诺数，辨别流体流动状态的准则数(当Re<2 320时，流动为层流流动；当Re≥2 320时，流动为紊流流动);γ为热媒的运动粘滞系数，m2/s；K为管壁的当量绝对粗糙度，m；ε为管壁的相对粗糙度。

表2 分支管段管径计算表(节选)

3.3 压力损失计算

1)供热管网的压力损失包括沿程损失和局部损失。前者为当沿管道流动的热水，由于热水与管壁间及流体分子间的摩擦，损失的能量；或者为热水在流经管道附件(弯头，阀门等)时，热水的流动速度和方向发生改变时，损失的能量。

供热管网计算管段的压力损失计算原理：

ΔP=ΔPy+ΔPj=Rl+ΔPj。

其中，ΔP为计算管段的压力损失，Pa；ΔPy为计算管段的沿程损失，Pa；ΔPj为计算管段的局部损失，Pa；R为每米管长的沿程损失，Pa/m；l为管段长度，m。

2)局部阻力的计算。

工程设计中，避免复杂冗长的计算带来的大量的工作量，通常采用简化算法来计算局部阻力，其中当量局部阻力法和当量长度法，是两种常用的计算简化算法，本工程计算局部阻力时采用的是当量长度法。

UV757CRT紫外可见分光光度计,上海精科;AUW220D电子天平,SHIMADZU(岛津);UHT超高温瞬时灭菌机,上海科劳机械设备有限公司;300型饮料板式过滤机,广州市蓝垟机械设备有限公司;A-88型组织捣碎机,江苏省金坛市医疗仪器厂;WZC-300型液体灌装机,广州番禺微至包装设备厂;HH–6数显恒温水浴锅,江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司;Labonce-120PS型药物稳定性试验箱,北京蓝贝石恒温技术有限公司;WZS1型阿贝折射仪,国营上海光学仪器厂。

当量长度法，当量长度法的基本原理是将管路的局部损失折合为管路的沿程损失来计算。南北分支管段水力计算见表3，表4。

当量长度法的计算原理是当某一管段的总局部阻力系数为∑ζ，设此管段的压力损失相当于流经此管段ld长度的沿程损失，则:

其中，ld为管段中局部阻力的当量长度，m。

表3 分支管段局部阻力计算表(节选)

3)环路间不平衡率的计算。

热水供热系统进行水力平衡计算，并采取措施使各并联环路之间的压力损失相差不大于15%。南北分支间环路不平衡率计算见表5，表6。

表4 分支管段水力计算表(节选)

表5 北分支环路间水力平衡试算表

表6 南分支环路间水力平衡试算表

经试算，对不平衡率大于15%的环路通过设置阀门来进行阻力平衡，将支干线回水管的蝶阀改为平衡阀，然后对管网重新进行环路不平衡率计算，计算结果见表7，表8。

表7 北分支环路间水力平衡计算表

表8 南分支环路间水力平衡计算表

各分支环路间不平衡率小于15%，达到水力平衡计算要求。

3.4 热伸长计算

管道的受热伸长量计算公式：

ΔL=α(t1-t2)L×1 000。

其中，ΔL为管道的热伸长量，mm；α为钢材的线膨胀系数，m/(m·℃)；t1为管道工作循环最高温度，℃；t2为管道安装温度，本工程取5 ℃；L为管道长度，m。

3.5 补偿器的设置

管道温度升高时，由于热伸长或热应力而引起管道变形或管道附件破坏，需要在管道上设置用以热伸长的伸缩器，从而将管壁的应力及作用在阀件或支架上的作用力减小，从而达到保护管道及管道附件的目的。

在工程设计中，应尽量利用供热管道自身的弯曲管段(如L型或Z型等)进行自然补偿。

对自然补偿不能满足对管道热伸长补偿的供热管段，需设置补偿器。本次设计综合考虑补偿能力多少、介质流动阻力大小、占地面积多少、安装及维修的工作量大小、投资及运行的安全性高低等多方面因素，选用板盒型管道限位式大波纹补偿器。选定补偿器，需对系统水力计算进行校核。

3.6 固定支架的设置

为了限制供热管道以及供热管道的支撑结构有相对位移的管道支架，称为固定支架。为了保证补偿器的正常工作，通过固定支架将供热管道划分为若干管段进行分别补偿。

1)固定支架及基础需足够坚固，以承受热胀冷缩所引起管道的推力作用；尽量按照固定支架最大允许间距合理布置固定支架，尽量减少固定支架的管架数量，从而优化整个管网的经济性；

2)固定支架间管道的热伸长量不得超过固定支架间补偿器的允许补偿能力；作用在固定支架间的热应力值不得超过固定支架允许推力；固定支架间距离不宜过大，否则会使供热管道产生纵向弯曲。

4 结语

对热水供热管网的设计，系统形式、敷设形式及水力计算对于热水供热管网设计都是至关重要的。对于环状管网的水力计算应保证所有环线压力降的代数和为零。合理设计管段的管径、固定支架及补偿器等直接关系到整体项目的投资及运行费用。

参考文献：

[1] CJJ 34—2010,城镇管网设计规范[S].

[2] CJJ/T 81—2013,城镇供热直埋热水管道技术规程[S].

[3] 陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[4] 贺 平.供热工程[M].第4版.北京：中国建筑工业出版社，2010.