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自力式压差阀在城市供热计量系统中的调控和节能降耗 

如何在满足用户舒适度的基础上，将用户自主调控所节约的热量真正转化为供热系统降低的能耗，是我们需要解决的首要问题。

一、前言

我国既是能源短缺国家，又是能源消耗大国，其中采暖能耗占社会总能耗的10%左右。因此供热节能对国家实施节能减排战略意义重大，国家推行供热计量改革的主要目的就是实现供热系统节能减排，为建立资源节约型、环境友好型社会奠定基础。

“十一五”期间北方十五省（区、市）超额完成了国务院规定的1.5亿平米的节能改造任务，形成了良好的工作局面。“十二五”期间，财政部、住房城乡建设部将加大供热改革和供蒸汽流量计，蒸汽流量表，蒸汽计量表，蒸汽表，涡街流量计计量工作力度，建立了住房城乡建设、财政、物价、供热、房产等主管部门参加的议事协调机制，加速推进供热计量改革。

在国家政策的大力支持下，供热计量节能技术也得到迅猛发展，相关产品应运而生，其中自力式压差阀就是针对供热计量系统管网动态运行、调节需要而研发的实用新型调控设备，属于供热系统热计量水力平衡技术范畴。分析、论证此项技术的原理及应用对系统运行和节能有着重要意义。 

二、供热计量与供热系统能耗的关系

在供热计量系统中，热源生产热量、热网输配热量和热用户消耗热量仍然要保持平衡关系。在热用户所需热量不断变化的情况下，热网应输配与之相匹配的热量，热源生产的热量需作相应调节。总供热量的决定权由非计量时的热源变成了计量后的热用户，实现热量按需供应，减少能耗浪费。

1、实现供热计量的前提

供热计量的主要内容：首先，热源、热力站应安装供热量计量及自动控制装置，热网应配置变速循环水泵；其次，新建建筑室内供热系统应安装计量和调控装置；既有建筑实行计量节能改造，室内供热系统需要达到分户计量要求；最后，制定合理的供热计量收费机制。

从上面的供热计量改革内容中可以看出，热计量不仅仅是用计量设备来计热收费，更根本的目的是实施推广供热系统相关节能技术。单独的计量并不能实现节能，需要靠诸多节能技术来支撑蒸汽流量计，蒸汽流量表，蒸汽计量表，蒸汽表，涡街流量计计量体系，才能达到根本性的节能。

2、供热系统的主要能耗

供热负荷包括热负荷和热媒的输送负荷，与之对应的是供热系统的热量消耗和输送电耗，可以视为供热系统的主要能耗。供热计量根本目标是通过用户的节能行为减少整个供热系统的热量浪费和循环电耗。每个热用户可根据自己不同的舒适度要求，自行调节所需热量来满足室温需要。热用户的热量消耗如式2-1所示：

Q=C·G·△t（2－1）

式中：Q——热量消耗；

G——流量；

Δt——供回温差；

C——比热容。

在供热计量系统中，调节室温实质上是调节一段时间内进入热用户室内散热器的总流量。目前最普遍的调节方式是控制每户热力入口阀门的开/关时间。当某一时间段室温变化不大，气温相对稳定的情况下，换热站二次供水温度在气候补偿器控制下保持不变。为了方便分析，我们可以认为：“当某户热力入口阀门打开时，室内散热器的运行工况基本不变，该户热力入口的供、回温度基本不变。”那么，根据公式2-1，我们可以将热量消耗与循环流量视为正比例关系，在分析供热系统热量消耗时，只需考虑循环流量即可。同时循环流量也是供热系统输配能耗的决定因素。供热系统输配能耗如式2-2所示：

W=k·G·△P（2－2）

式中：W——管网输配能耗；

G——流量；

ΔP——压降；

k——常数系数。

上式中的△P可以由式2-3表示：

G=■（2－3）

式中：G——流量；

△P——压降（资用压头）；

S——阻抗（安装静态调控设备的热网阻抗为常数，安装动态调控设备的热网阻抗是变化的）。

因此，式2-2可以写成式2-4的形式：

W=a·G3（2－4）

式中：W——热网输配能耗；

G——流量；

a——与热网阻抗有关的系数。

由式2-4可知，热网的输送能耗与循环流量的三次方成正比，根据前面的分析，热量消耗与循环流量成正比，因此，可以说供热系统的主要能耗取决于循环流量，降低系统循环流量是供热计量达到节能的根本途径。

三、供热计量热网运行工况及能耗分析

实施供热计量后，热源的循环水泵需要具备调速功能，热用户的自主调节使得热网一直处于动态变化的水力工况下运行。我们可以通过热网水压图和循环水泵运行工况图来分析循环流量的变化规律和系统能耗。本文仅分析双管分户采暖计量系统，室外热网示意图如图3-1所示，满负荷运行水压图如图3-2所示。

由上图可知，热源给五栋建筑物集中供热，采用调控设备消除水力失调，达到设计运行工况，此时系统基本上已无节能空间。下面我们讨论当用户自主调节后，系统处于部分负荷运行状态下的水力工况、供热能耗。

针对图3-1室外热网示意图，为了方便分析，假设在某一时段内，2、3用户建筑由于某种原因（可能是白天上班，建筑处于无人状态）90%以上用户通过温控器关闭户阀，停止供热，循环流量降低到10%以下。因为循环水泵具备调速功能，为了降低水泵电耗，供热系统通常采用恒压差供热方式，该状态下热网水压图如图3-3所示。

下面我们分析在图3-1运行工况下，传统静态调控设备和自力式压差阀的运行工况和能耗。

1.在恒压差供热运行方式下应用传统静态调控设备的热网运行工况

通过图3-3可知，由于2、3建筑流量降低，使得热网水压图呈现曲线B的状态，因此，1、4、5建筑热力入口的资用压头高于满负荷运行状态下的资用压头，由于应用传统静态设备使得建筑物热力入口内部阻抗不变，根据式2-3可知，1、4、5建筑循环流量增加，总循环流量的减少值要小于2、3建筑用户自主调低的流量值，循环水泵运行工况如图3-4所示。

由图3-4可知，由于2、3建筑减少的循环流量，有一部分分配到1、4、5建筑中，在循环水泵恒压差的控制下，水泵运行工况点由M1转移到M2，输送能耗根据式2-2可知，在不考虑水泵效率的前提下，可以视为运行工况点与坐标轴围城的面积，那么节约的输配能耗为矩形M1M2Q2Q1的面积，结合之前得出得到热耗与循环流量之间的关系，不考虑水泵效率的情况下，理想化的节能率ξ1=（Q1-Q2）/Q1。

2.应用自力式压差阀的热网运行工况

（1）自力式压差阀的工作原理

自力式压差阀属于动态调控设备，阀体内部装有压差平衡装置，利用供回水的压力差作为驱动力，自动消除由于外网压力、流量波动对被控环路的干扰，保持被控环路的自用压差恒定。

（2）自力式压差阀的应用功能

在热计量系统中，自力式压差阀需要安装在建筑物热力入口或者单元热力入口，恒定双管系统公共管的供回压差。因为楼内公共供回管的阻抗相对室内采暖散热系统阻抗较小，可以忽略，那么每个用户的室内热力入口资用压头保持恒定。所以，当有部分用户通过温控器关闭进户阀的时候，公共供回管上的其他用户资用压头仍然保持恒定。由于用户室内采暖散热系统阻抗不变，因此用户的循环流量保持恒定，供热品质不会因其他用户的调节造成影响。那么安装自力式压差阀的建筑物或单元热力入口的循环流量就与打开进户阀的用户数量成正比，例如有50%用户通过温控器关闭进户阀时，该建筑物热力入口的循环流量将变为50%，为供热热计量系统降低热量消耗和热媒输送电耗提供了前提条件。

（3）在恒压差供热运行方式下应用自力式压差阀后的热网运行工况

由于建筑物或单元热力入口安装了自力式压差阀，调试完成后，能够消除每个建筑物或单元热力入口的剩余压头。当热计量系统处于部分符合运行状态时，如图3-1所示，由于2、3建筑流量降低，使得热网水压图呈现曲线B的状态，因此，1、4、5建筑热力入口的资用压头高于满负荷运行状态下的资用压头，自力式压差阀能够自动消除消除这部分增加的资用压头，热源循环水泵运行工况可如图3-5所示。

图3-5能够清晰地反映出安装静态调控设备和安装自力式压差阀的热网系统运行工况。在热网恒压差供热的情况下，安装自力式压差阀的热网系统相比安装静态调控设备的热网系统，热源循环水泵的循环流量和转速更低，更接近于理想运行状态。通过M1、M2、M3点与坐标轴围城的矩形面积可知，安装自力式压差阀的热网输送能耗更低，理想化的节能率ξ2=（Q1-Q3）/Q1﹥ξ1，节电、节热效果更明显。

（4）在变压差供热运行方式下应用自力式压差阀后的热网运行工况

对于供热系统的热源，变流量变压差的供热方式更加节能，但对于安装静态调控设备的热网系统，通过图3-3可知，处于热源最近的1号建筑物，其资用压头增加很少，如果降低热源的供回压差，1号建筑物将出现循环流量不足的状态，较难实现变压差变流量的运行方式。

自力式压差阀属于动态变阻力调控设备，其自身阻力能够根据热力入口的剩余压头自动调节，以满足所需的资用压头。因此当热源供回压差降低时，只要最不利用户5号建筑热力入口能够满足资用压头，其余用户建筑热力入口均能保证资用压头，如图3-6所示。

由图3-6可知，当热源供回压差根据热负荷的减少而降低，达到水压曲线C状态时，最不利用户5号建筑物热力入口供回压差等于资用压头，满足供热需求。热源最近端用户1号建筑的供回压差降低，仍然存在剩余压差，自力式压差阀阻力剩余压差自动平衡，满足供热需求。此时循环水泵运行工况如图3-7所示。

由图3-7可知，在热网系统安装自力式压差阀后，热源通过变压差供热仍能满足所有建筑物的供热需求，此时与图3-5对比可以发现，H2＜H1，n3’＜n3，水泵运行工况点M3’与坐标轴围城的矩形M3’H2OQ3面积小于M3与坐标轴围城的矩形M3H1OQ3面积，说明变压差供热方式的输配能耗小于恒压差供热方式，循环水泵电耗更低，节能效果更加明显。

涡街流量计