供熱運行調節及熱網平衡淺談
據相關資料顯示，我國建筑采暖能耗為同緯度發達國家建筑采暖能耗的3倍左右，采暖能耗浪費是巨大的。這里有現實的問題，更有歷史的原因，不僅涉及建筑墻體節能，更涉及供熱系統技術裝備水平、管理水平，以及供熱收費體制等社會政策方面的因素。
下面本人僅從供熱運行調節及熱網平衡控制方面對供熱節能做簡單的分析。
一、熱負荷
大家知道，建筑物采暖熱負荷同室外氣溫、濕度、風向、風速、太陽輻照等因素有關，而其中室外氣溫起著決定性作用，因此在理論上，把熱負荷只看作是室外溫度的函數，即Q=f（tw）=K•F（tn-tW）。
供熱過程就是維持建筑物室內氣溫適宜人們工作、生活，維持建筑物得熱與失熱始終處于一個動態的平衡這樣一個過程。
即有熱平衡方程式：
Q=KF（tn-tw）=G•C（tg-th）•ρ/3600（1）
Q-熱負荷W；K-建筑物傳熱系數W/m2•℃；F-建筑物外表面積㎡；tn-室內氣溫℃；tW-室外氣溫℃；C-水的比熱J/kg•℃；G-采暖循環水流量m3/h；tg-供水溫度℃；th-回水溫度℃；ρ-水的密度kg/m3。
二、供熱節能
現在我們僅從熱網與熱用戶方面來探討一下供熱節能問題。
熱網總能耗包括兩部分：一是供熱量；二是輸送熱量所消耗的電能。
在目前按供熱面積收費的體制下，熱網節能主要有以下幾個途徑。
1、盡可能減少總供熱量
熱網總熱負荷隨著室外氣溫變化而變化，每一時刻為滿足采暖建筑的基本采暖要求（設計室溫18℃）所供總熱量，為最小值，即總供熱恰好等于基本的總需求。供小于需則供熱不達標，供大于需，則用戶過熱室溫過高，用戶散熱加大，造成熱能浪費。因此在供熱運行中，需適時地對熱網進行調節，以便使供求熱量保持平衡，且始終維持在最小值。
2、熱量分配應均衡
在熱量分配上，力求熱網上各用戶室溫均衡，避免因熱網的水平失衡，用戶垂直失衡，而造成用戶冷熱不均現象。也就避免了為使冷的用戶達標，而致使熱的用戶超溫，造成熱能浪費問題。熱網的平衡是熱網節能的前提基礎，是進行供熱調節的前提條件。
不同的供熱調節方式，需要不同的熱網平衡技術。
3、熱量輸送電耗盡可能節省
熱量的輸送是一個消耗電能的過程，所耗有效功率
Ne=V•△P•ρ•g/3600（2）
可見熱量輸送所消耗有效功率Ne同流量V成正比，同系統阻力△p成正比。式中Ne-有效功率W；V-循環水流量m3/h；△p-系統阻力m；ρ-水密度kg/m3；g-常數N/Kg。
另由熱水網路的水力特性可知，
△P=S•V2（3）
將（3）式代入（2）式可得：
N=S•V3•ρ•g/3600（4）
由（4）式可見有效功率Ne只同流量V的立方成正比，其它為常數（S值在熱網閥門不操作時也為常數），減少熱網流量V將極大降低電耗。
當熱網采用水泵調速改變流量運行時（4）式也可從水泵相似理論獲得（證明從略）。
熱網循環水流量是否可以降低呢？由熱平衡方程Q=KF（tn-tW）=G•C•（tg-th）•ρ/3600可知，當室外溫度tw一定時，建筑物耗熱Q為一定值，即供熱量G•C•（tg-th）•ρ/3600為一定值，此時可以通過增大（tg-th），以此來降低熱網循環流量G，從而降低輸熱電耗。G變化應遵循供熱調節理論中關于流量G的變化規律。
三、供熱調節
散熱器供暖系統供熱調節的基本公式：
Q=Q/Qj=K•F•（tn-tw）/K•F•（tn-twj）=Ks•Fs•（tp-tn）/Ksj•Fs•（tpj-tn）=G•C•（tg-th）•ρ/3600/Gj•C•（tgj-thj）•ρ/3600
即Q=Q/Qj=（tn-tw）/（tn-twj）=（tg＋th－2tn）1+B/（tgj＋thj－2tn）1+B=G•（tg-th）•/Gj•（tgj-thj）
式中 Q-相對熱量比；
Fs-用戶系統內散熱器的散熱面積，m2；
Ks，Ksj-散熱器的供熱系數，W/m2•℃；
tp，tpj-散熱器內載熱介質的平均溫度，℃；
B-為常數，與散熱器構造有關。
其它同前（上面符號中有角標“j”者表示在室外計算溫度下的數值，沒有角標“j”者則表示在任意室外溫度下的數值）。
由此方程可知：（1）當室外溫度tw變化時，熱網上各用戶樓需求熱量及熱網總需求熱量都按同一比例變化。
（2）用戶的耗熱量Q隨著用戶室內溫度tn的升高而增加，當室內溫度tn等于設計的18℃時的耗熱量，應為建筑物的基本耗熱量，即為保證建筑物供熱質量下的最少耗熱量。
從熱網與熱用戶整體關系角度來討論熱量的供求調節關系，供熱調節共有質調節、量調節、分階段改變流量的質調節和間歇調節共四種。把上述供熱調節方法作為補充條件，代入供熱調節的基本方程式就可得到各調節方法的調節公式（公式省略）。
1、質調節-常用于熱水網。循環水流量保持不變而只改變供水溫度。適用于一、二級熱網，為目前國內普遍采用的調節方法。缺點只節熱，不節電；熱網遠、近端用戶溫度有時間差。優點，水力工程穩定，熱網易實現自動化調節。
2、量調節-常用于水熱網，也可用于汽熱網。保持供水溫度不變，而只改變循環水流量。只適用于一級熱網，且因目前熱網平衡控制方面存在很大困難，所以國內應用實例鮮見。二級熱網采用量調節在技術上更難實現，其一是因為二級熱網也存在平衡控制方面的困難；其二是隨著室外氣溫升高，網路水流量迅速地減少，常常會使室內供暖系統產生嚴重的豎向熱力失調。量調節的優點，既節熱，又節電；另因流量在管道中變化是以壓力變化來實現的，水又是不可壓縮的，傳遞速度非？，因而此種調節可消除熱網遠近兩端在調節上的時間差，達到調節上的同步。
因為收費體制的不同，北歐國家在熱網量調節方面的調節控制目標同我國是完全不同的，在此就不詳述了。
3、分階段改變流量的質調節-就是把整個供熱期按室外溫度的高低分幾個階段，在熱負荷較大時采用較大流量，在熱負荷較小時采用較小流量，一般流量變化不超過3-4個階段，而在每一個階段內是采用保持流量不變的質調節。適用于一、二級熱網，應用狀況在數量上僅次于質調節，其優缺點介于質調節和量調節之間。
即在每一個階段內，水力工況穩定，熱網遠近端用戶溫度存在時間差。在熱網平衡控制上較量調節稍易實現，比質調節稍難。流量變化不連續，只分幾段，故節熱同時只部分節電。
4、間歇調節-蒸汽熱網和熱水熱網都可以采用這種調節方式。它不改變網絡的循環水量和供水溫度，而只減少每天的供熱時間。它只能作為一種輔助調節措施，在室外氣溫較高的供暖初期和末期使用。適用于一、二級熱網。它同上述三種調節方式不沖突。
5、熱水供暖系統的最佳調節工況-質和量的綜合調節。
上述四種調節方法，都是從熱網與熱用戶整體關系的角度來討論熱量的供求調節關系。它只能保證用戶整體在某一室外溫度下的耗熱量，因而也只能保證用戶整體的平均室內溫度等于設計值，卻不能保證用戶內各個房間的室內溫度都符合設計值。從單個用戶樓室內采暖系統角度來考慮，供熱調節不僅應滿足用戶整體在某一室外溫度下的耗熱量，保證用戶整體的平均室內溫度等設計值，而且應保證用戶每個房間的室內溫度都等于設計值，即隨著室外溫度tw的變化，不但熱網總熱負荷與各用戶樓的熱負荷按相同的比例進行變化，而且應使用戶每個房間的散熱設備的放熱量也按相同的比例變化。由此可得出熱水供暖系統的最佳調節工況，公式如下（證明從略）：
雙管系統G=G/Gj=Q1/3=（tn-tw/tn-twj）1/3
tg=tn+（1/2）•（tgj+thj-2tn）•（tn-tw/tn-twj）1/1+B+（1/2）•（tgj-thj）•（tn-tw/tn-twj）2/3
th=tn+（1/2）•（tgj+thj-2tn）•（tn-tw/tn-twj）1/1+B-（1/2）•（tgj-thj）•（tn-tw/tn-twj）2/3
單管系統G=G/Gj=QB/1+B=（tn-tw/tn-twj）B/1+B
tg=tn+（tgj-tn）•（tn-tw/tn-twj）1/1+B
th=tn+（thj-tn）•（tn-tw/tn-twj）1/1+B
由公式可見，不論是單管還是雙管熱水供暖系統，其最佳調節工況均是質和量的綜合調節。隨著室外氣溫tw的升高，不但應降低供水溫度tg，而且還應該逐步減少網路的循環水流量G。同一供熱系統中，熱網循環水總流量與各用戶樓及用戶各房間的循環水流量的變化比例是一致的。（假定同一供熱系統中，各用戶樓室內采暖系統的型式完全相同）。對于二級熱水網來講，此法供熱質量最好，同時既節電又節熱，也是最節能的調節方法。
因為此種調節方法流量的變化也是連續的同量調節一樣，也存在熱網平衡控制上的困難，所以雖然近幾年國內供熱行業在二級熱網實施循環泵變頻調速變流量運行，進行質和量并調的工程實踐項目也較多，但效果不理想。流量的變化幅度不大，降不下來，運行中流量多數都是始終高于設計狀態下的計算流量，遠遠沒有達到最佳調節工況的參數狀態，而僅成為解決設備大馬拉小車的手段，節能潛力遠遠沒有挖掘出來。在供熱設備與熱網負荷匹配，同時熱網也平衡的理想狀況下，二級熱網循環泵變頻調速的節電效益是很高的（可參見本人在1998年第10期《節能》雜志上發表的《供熱循環泵變頻節能的經濟分析》一文）。正是因為熱網的不平衡，導致二級熱網循環泵變頻調速變流量運行節能效益不高，極大地阻礙了此項節能技術的推廣應用和質量并調的這一節能的調節方法的應用。
四、熱網水力特性
熱網上各用戶之間總體上來講都是并聯的。由并聯網路的熱網：
△P=S1•V12=S2•V22=S3•V32=…
得并聯網路V1：V2：V3：…=1■： 1/■：1/■：…
式中V1、V2、V3分別表示并聯段管1、2、3的流量，m3/h；
式中S1、S2、S3分別表示并聯段管1、2、3阻力系數，Pa/（m3/h）2。
由上式可知：1、并聯管段中各分支管的阻力狀況（即阻力系數S值）不變時，網路總流量增加多少倍或減少多少倍，并聯管段中各分支管段的流量也相應增加多少倍或減少多少倍。
2、當并聯管段中任一分支管段的阻力狀況（即阻力系數S值）發生變化時，網路總阻力系數必然隨著變化，而且網路總流量在各分支管段中的分配比例也相應地發生變化。
熱網的這一水力特性，恰好滿足了熱網量調節及質和量的綜合調節時水流量變化及水流量分配的需要--同一熱網上，當室外溫度tw變化時，熱網總流量及網上各用戶流量都按同一比例變化，且總流量在各用戶中的流量分配比例不變。
也就是當熱網平衡后，網上各用戶閥門不再操作，其開度固定不變（阻力系數不變），隨著室外溫度tw變化，熱網總流量再增減變化多少，網上各用戶流量也按相同的比例增減變化多少，只要熱網總流量滿足了總熱負荷變化的需要，那么熱網上各用戶流量也都能滿足其各自的需要（假定同一熱網上各用戶樓室內采暖系統型式相同），而不需要再重新對熱網平衡調節、對水流量分配比例重新進行調整。熱網始終是平衡的，熱網總流量地各用戶中的流量分配比例始終保持不變。
五、熱網的平衡技術及產品
目前國內熱網平衡技術產品主要有以下幾種：
1、手動調節閥或普通關斷閥門
兩產品結構原理相同，皆為單一手動調節孔板，不同的開度對應不同的阻力系數，只是手動調節閥比普通關斷閥線性好。調節時，每調節任一用戶閥門，由于并聯用戶間的相互耦合作用，全網總流量、各用戶流量及分配比例均發生改變，產生振蕩。因此說其調節性能很差，熱網很難平衡，但價格低，且無安裝條件要求，可應用于一、二級熱網，為目前國內熱網最廣泛采用的平衡控制產品。熱網平衡后，各閥門開度固定不變，阻力系數不變，可進行恒定流量的質調節運行，也可進行變流量（含質量并調）調節運行。
2、平衡閥
結構同手動調節閥基本相同，也為單一的手動調節孔板，只是在本閥進出口各有一測壓孔。調節時，也存在著各用戶間流量的相互耦合作用，但調節時要求邊調節邊測壓，測壓數據通過專用的儀器及軟件來處理，計算出各閥門的開度，來調節全網各用戶閥門。操作復雜，且需專用儀器設備和專業技術人員，故應用不多，安裝條件要求不高，可用于一、二級網。熱網平衡后，各閥門開度不變，即阻力系數不變，熱網可進行恒流量的質調節運行，也可以采用變流量（含質量并調）調節運行。
3、自力式流量控制閥（器）及差壓式流量控制閥
二者結構、原理相近。自力式流量控制閥是由手動孔板、自動孔板、自動調節機構、壓力控制（反饋）管路及流量設定刻度標尺等主要部分構成。其原理根據用戶設計流量，調整手動孔板開度至流量設定刻度標尺數值，閥前后壓差改變時，由壓力控制管路反饋壓差變化信號到自動調節機構，依靠壓差動力使自動調節機構自動調節自動孔板開度，從而維持手動調節孔板前后壓差不變，進而達到恒定流量的目的？杀苊鉄峋W各用戶間的相互耦合作用及產生的流量振蕩，各用戶安裝此閥的熱網可一次調節即告平衡。具有操作簡單、方便、快捷、穩定、可靠的特點；無安裝條件要求；價格高于平衡閥；適用于一、二級熱網。安此閥的熱網平衡后，只能采用恒定流量的質調節運行，而不能采用變流量調節運行（含質量并調調節）。受運行調節方式的限制其推廣不普遍，應用普及程度大于平衡閥但遠遠小于手動調節閥。
4、熱網微機控制平衡技術
國內熱網微機控制系統從控制策略上劃分大體有二種：
一種為熱網上各熱力站單獨控制，換熱站根據測出的室外溫度tw，調整一次側的電動調節閥門，以改變流過水一水熱交換器的一次側水流量。從而使二次側熱交換器出口水溫tg，達到設定值tgset。從原理上講，只要給出合理的室外溫度tw與二次網供水溫度tg之間的關系式，設計好電動調節閥門的調節算法，是能夠使用戶側采暖建筑達到要求的。但從整個熱網看，由于各換熱站與熱網皆為并聯聯接，換熱站之間存在相互的耦合作用，某一個站閥門有動作，其余的換熱站的電動閥門都將隨之動作，總熱網及各站將產生較長時間振蕩現象，尤其是當外溫tw變化較大，熱負荷變化較大，而熱源調整又不及時的時候，這種振蕩會非常嚴重甚至系統不能工作。因安裝條件要求高，造價高，因此只能用于一次網，且由于有上述缺陷，故應用不多。
另一種為熱網上各熱力站采用均勻性調節，對各個熱力站供水閥門的調節是以各個熱力站彼此間供熱效果相同為目標，實行中央控制，即通過計算機網絡將各熱力站的現場控制機連在一起，測量出各熱力站二次網側供回水溫度，計算全網調均勻后的供回水平均溫度值，將此值送到各熱力站作為設定值進行具體的調節。這種均勻調節一般不會導致系統振蕩。隨著室外氣溫的變化，各換熱站熱負荷同步升高或降低，各換熱站之間熱負荷分配比例及水流量分配比例基本不變。因此系統一旦調勻，就基本能夠保持。不需隨溫度變化進行調節，閥門動作不頻繁。
此種熱網平衡控制系統，需要在室外溫度變化時，對熱源統一進行調節，可以采用質調節，也可以采用量調節。同樣因為安裝條件要求高，造價高，而只能用于一次網，因此應用也不廣泛，國內熱網也只有幾例。
5、雙功能自力式流量控制閥
從前述的四種熱網平衡控制技術及其產品比較來看均勻性調節的熱網微機控制系統對熱網的平衡控制能力很強，熱源可以進行質調節，也可以采用量調節，但造價太高，且只能用于一次網。
而同樣具有很強的熱網平衡能力的自力式流量控制閥（器）造價同微機系統相比卻要便宜得多，且簡單，操作、維護也方便、快捷，安裝條件不受限制，既可用于一次網也可用于二次網。但采用此種平衡技術的熱網只能采用恒定流量的質調節運行，不能采用量調節運行，熱網節能潛力沒有得到最大程度挖掘。反過來，循環泵采用調速變流量運行調節技術的熱網也不能用此產品，因此此產品的應用也受到極大限制。
平衡閥具有熱網平衡能力，熱網可以采用質調節，也可用量調節。但需要專用儀器設備和專業技術人員來操作，很復雜，不易普及。用手動調節閥及普通閥門平衡控制的熱網可以采用質調節，也可采用量調節。但此類閥平衡能力很差，熱網很難平衡，也使得運行調節變得不可能。
因此說，國內熱網需要一種同時具有自力式流量控制閥和手動調節閥功能的產品。綜合兩種產品各自的優點，抑制其各自的缺點，使一個好的熱網的平衡控制技術與循環泵調速變流量調節運行技術能同時應用于同一熱網之中，組成一個穩定、可靠、經濟、節能的供熱系統。由此本人研制出了雙功能自力式流量控制閥--這一熱網平衡的新產品（已獲得國家專利）。
該產品在保留了自力式流量控制閥的自動調節孔板、自動調節機構、手動調節孔板、壓力控制（反饋）管路、流量設定的刻度標尺等全部結構基礎上，增加了一套鎖閉裝置。打開鎖閉裝置則本閥同自力式流量控制閥功能完全相同--具有恒定流量的功能。關閉鎖閉裝置，則鎖閉了本閥中的自動調節機構，自動調節孔板將不再隨本閥前后壓差變化而自動調節開度，使本閥變成了一個固定開度的閥門（孔板）-具有變流量的功能。且兩種功能切換自如。
本產品在熱網的應用中，其功能是分兩個階段實現的。在熱網運行初期，這一熱網的平衡調節階段，打開熱網上全部的本閥的鎖閉裝置，本閥按自力式流量控制閥的工作原理進行工作，具有恒定流量的功能。即當本閥手動調節門流量設定后，本閥隨其兩端壓差變化依靠壓差動力自動調控自動孔板門開度，維持手動調節孔板門前后壓差不變，維持流量恒定；消除熱網上各用戶間的相互耦合作用；能方便、快捷、可靠、自動地平衡熱網流量；可一次調節即告平衡，發揮了自力式流量控制閥在熱網平衡控制上的優勢。當熱網平衡后，關閉熱網上全部的本閥的鎖閉裝置，從而也就鎖定了本閥的自動調節孔板開度，使其變成了固定開度的孔板閥門，其通過流量將隨兩端的壓差變化而變化，實現變流量功能；滿足了各用戶流量隨采暖負荷變化而成等比例變化的要求；發揮了變流量調節運行方式的節能優勢；克服了采用此調節運行方式的熱網原來只能用手動調節閥進行平衡控制，熱網難于平衡這一劣勢；也克服了原來采用自力式流量控制閥平衡的熱網只能按恒定流量的質調節方式運行，熱網不能充分節能的劣勢。
本閥正好滿足了熱網在不同時期的不同需要，適應了熱網的特性，使一個好的熱網平衡控制技術與變流量運行調節技術能有機地結合在一起，取長補短，優勢互補，組成了一個穩定、可靠、經濟、節能的供熱系統。上述兩項技術的結合，也相互擴大了其各自的應用范圍，使其應用更加廣泛。
六、結論
1、從前述分析可以看出，一次網采用量調節、二次網采用供暖系統最佳調節工況-質和量的綜合調節，熱網運行最為經濟節能，既節熱又節電，且供熱質量最好。
2、雙功能自力式流量控制閥具有自力式流量控制閥恒定流量和手動調節閥變流量這雙重功能，綜合兩產品各自的優點，抑制其各自的缺點，使一個好的熱網平衡控制技術-自力式流量控制閥技術與一個最為經濟節能的熱網運行調節技術-循環泵調速變流量運行調節技術能有機的結合在一起，同時應用于同一熱網之中，取長補短，優勢互補，組成了一個最為穩定、可靠、經濟、節能的供熱系統。雙功能自力式流量控制閥的應用，使熱網的量調節（含質和量的綜合調節）變得可行。
參考文獻
［1］供熱工程，哈爾濱建筑工程學院等
［2］北京：中國建筑工業出版社，1985年12月第二版
［3］泵與風機，郭立君，水力電力出版社，1986年12月第一版
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