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一、前言

地暖：即低溫?zé)崴孛孑椛涔┡?，以溫度不高?0℃的熱水為熱媒，在埋置于地面以下填充層中的加熱管內(nèi)循環(huán)流動，加熱整個地板，通過地面以輻射和對流的熱傳遞方式向室內(nèi)供熱的一種供暖方式。近年來隨著燃氣采暖熱水爐在我國分戶采暖市場得到廣泛使用，以及一批優(yōu)質(zhì)地暖管的出現(xiàn)，使得壁掛爐加地暖的組合形式以其安全、舒適、節(jié)能、環(huán)保、美觀等特點深受廣大用戶喜愛，并逐漸成為一種趨勢。循環(huán)水泵作為整個地暖系統(tǒng)的動力來源，如果選擇不合理不但會造成水力失調(diào)，而且會使水泵偏離最佳工作點，效率降低，功耗增大，直接影響供暖的舒適度。

二、循環(huán)水泵選型方法和實例計算

1 循環(huán)水泵選型方法

循環(huán)水泵選型的一般方法是根據(jù)水力計算的結(jié)果，得出地暖系統(tǒng)所需的水流量和克服地暖系統(tǒng)管網(wǎng)及壁掛爐本身阻力所需的揚程，綜合考慮循環(huán)水泵在地暖系統(tǒng)中的工作效率，選擇合適的循環(huán)水泵。

1.1 系統(tǒng)流量

G=3.6Q/C(Tg-Th) （1）

G—供暖管網(wǎng)所需流量，m3/h

Q—房屋所需采暖熱負荷，kW

C—水的比熱，kJ/(kg?℃)

Tg—供暖出水溫度，K

Th—供暖回水溫度，K

Q=K1K2qA （2）

Q—住房供暖所需熱負荷，kcal/h；

K1—考慮鄰居采暖不同步的安全系數(shù)，此處取1.2；

K2—考慮間歇供暖的安全系數(shù)，此處取1.2；

q—標(biāo)準(zhǔn)住宅熱指標(biāo)估算值，kcal/㎡；

A—標(biāo)準(zhǔn)住宅建筑面積，㎡；

1.2 系統(tǒng)阻力

系統(tǒng)阻力分為沿程壓力損失、局部壓力損失及機器內(nèi)阻，沿程壓力損失是指在管道中連續(xù)的、一致的壓力損失；局部壓力損失是指管道系統(tǒng)中特殊的部件，由于其改變了水流方向，或使局部水流通道變窄（比如縮徑、三通、閥門、接頭、過濾器等）所造成的非連續(xù)性壓力損失；機器內(nèi)阻是機器本身的阻力。

1.2.1 沿程壓力損失

地暖管為圓管且內(nèi)壁較為光滑，屬低粗糙程度，選擇沿程壓力損失的計算公式如下：

Hf=λ?L/D?V2/2g （3）

Hf—沿程壓力損失, mm/m

λ—摩擦阻力系數(shù)（并非定值）

L—環(huán)路水管長度，m

D—管道內(nèi)徑,m

V—水平均流速m/s

Re<2300為層流流動：

λ=64/Re （4）

Re>2300為紊流流動:

λ=0.316Re-0.25 （5）

Re=VD/γ （6）

γ：動力粘度系數(shù), m2/s

公式（6）用于判斷水流方式：層流或紊流

1.2.2 局部壓力損失

局部壓力損失主要受限于一些閥門、濾網(wǎng)的流通能力，選擇計算公式如下：

ΔP=102(G/KV0.01)2 （7）

ΔP；局部壓力損失，mmh2o

G—供暖管網(wǎng)所需水流量，l/h

KV0.01—流通能力（壓差等于0.01bar）, l/h

1.2.3 機器本身的內(nèi)阻是一個實測值，由于壁掛爐行業(yè)起步較高，標(biāo)準(zhǔn)化程度較好，所以不同廠家的同一類型產(chǎn)品內(nèi)阻相差不大。

1.3 循環(huán)水泵效率曲線

目前燃氣采暖熱水爐中所應(yīng)用的水泵絕大部分為后向葉輪式離心泵，此種水泵效率較低，根據(jù)某水泵廠家提供資料，其效率與流量曲線如圖1所示：

由圖1看出，不同揚程的循環(huán)水泵效率相差不大，水泵運行的最高效率點在水泵流量為1.4m3/h處，最高效率接近20%。

2 實例計算

例：這里以北京一套三室兩廳總面積120m2的住房為例，假設(shè)其采用冷凝壁掛爐加地暖形式采暖，三個房間、一個客廳(40m2)、一個廚房、外加一個衛(wèi)生間共六條并聯(lián)支路,采用ZF25F×15-6-CJ/T251型號的分集水器，設(shè)計供水溫度50℃，回水溫度40℃。當(dāng)所有支路全部打開時，其沿程阻力最小，流量最大，當(dāng)只打開其中最不利支路時，其沿程阻力最大，流量最小。

經(jīng)分析可知，客廳面積最大，鋪設(shè)管路最長，該支路就是我們說的最不利支路，《地面輻射供暖技術(shù)規(guī)程》建議各環(huán)路長度不宜超過120m，這里假定客廳地暖管環(huán)路長度為120m(正常計算超過120m)，再加上機器到分集水器間的主管路長度約20m，那么整個環(huán)路總地暖管長度約140m。環(huán)路共有7個閥門，預(yù)估閥門Kv0.01為669L/h（機器進出水口2個、分水器進出水口2個、集水器進出水口2個、Y型過濾網(wǎng)一個）。

實測冷凝壁掛爐機器內(nèi)阻：3.5m2ho。

分以下兩種極端情況計算：

2.1 當(dāng)所有支路全部打開時，其環(huán)路阻力最小，流量最大，為最有利環(huán)路（由于管路粗細、長短不一，計算非常復(fù)雜，這里以大環(huán)路管徑為25mm計算）

2.1.1 流量計算：

將各參數(shù)代入公式（2）可得供暖負荷：

Q1=1.2×1.2×60kcal/m2×120m2=10368kcal/h=12kW/h

將各參數(shù)代入公式（1）可得水流量：

G1=3.6×12kW/h×4.1868×(50-40)℃=1.032m3/h

對應(yīng)水流速為：V1=G/S=0.58m/s

2.1.2 阻力計算：

首先根據(jù)公式（6）計算雷諾數(shù)

Re=VD/γ=0.58×0.025/0.54×10-6=26852>2300為紊流流動

再根據(jù)公式（5）計算λ=0.316Re-0.25 =0.025

將各參數(shù)代入公式（3）可得沿程阻力：

H1=λ?L/D?V2/2g =0.025×140m×(0.58m/s)2/0.025m×2×9.8=0.235m

將各參數(shù)代入公式（7）可得局部阻力：

ΔP1=7×102(G/Kv0.01)2=7×102×（1032/669）2=156mm=0.156m

環(huán)路總阻力=沿程阻力+局部阻力+機器內(nèi)阻=0.235m+0.156m+3.5m=3.9m

2.2 當(dāng)只有客廳一條支路打開時，其環(huán)路阻力最大，流量最小，為最不利環(huán)路（該環(huán)路為一個管徑為15mm的管路環(huán)路）

2.2.1 流量計算：

將各參數(shù)代入公式（2）可得供暖負荷：

Q2=1.2×1.2×60kcal/m2×40m2=10368kcal/h=4kW/h

將各參數(shù)代入公式（1）可得水流量：

G2=3.6×4kW/4.1868×(50-40)℃=0.344 m3/h

對應(yīng)水流速V=G/S=0.54m/s

2.2.2 阻力計算：

首先根據(jù)公式（6）計雷諾數(shù)

Re=VD/γ=0.54×0.015/0.54×10-6=15000>2300為紊流流動

再根據(jù)公式（5）計算λ=0.316Re-0.25 =0.028

將各參數(shù)代入公式（3）可得沿程阻力：

H2=λ?L/D?V2/2g=0.028×140m×(0.54m/s)2/0.015m×2×9.8=0.388m

將各參數(shù)代入公式（7）可得局部阻力：

ΔP2=7×102(G/Kv0.01)2=7×102×（344/669）2=188.8mm=0.188m

環(huán)路總阻力=沿程阻力+局部阻力+機器內(nèi)阻=0.388m+0.188m+3.5m=4.08m

從以上兩種極端情況下的計算結(jié)果可以看出，該北京120m2的住房采用冷凝壁掛爐加低溫地板輻射采暖系統(tǒng)需要的最大流量為1.032m3/h，需要克服的最大系統(tǒng)阻力為4.3mH2O，理論上揚程為5m、6m、7m的循環(huán)水泵都可滿足要求。

3 循環(huán)水泵選型

根據(jù)液體在管路中流動的管路特性方程：

F=K+SG2

管道阻力與流量成二項式關(guān)系，將以上計算的點（Q、H）分別代入管路特性方程可得最有利和最不利環(huán)路的管路特性方程，其對應(yīng)管道特性曲線如圖2所示：

曲線1為最不利管路阻力曲線，也就是單開客廳回路時的阻力曲線。

曲線2為最有利管路阻力曲線，也就是所有支路同時打開時的阻力曲線

該套北京120m2房子實際工作時的管路特性在曲線1和曲線2之間，其對應(yīng)的5m揚程水泵實際工作點在AB兩點之間，流量區(qū)間是0.55～1.05m3/h，最大流速0.59m/s；對應(yīng)6m揚程水泵實際工作點在C、D兩點之間，流量區(qū)間是0.6～1.45m3/h，最大流速0.82m/s；對應(yīng)7m揚程水泵實際工作點在EF兩點之間，流量區(qū)間是0.65～1.8m3/h，最大流速1.0m/s。

參考圖1的水泵效率曲線，考慮5m揚程的水泵實際工作區(qū)間效率過低，不適用于該地暖系統(tǒng)；《地面輻射供暖技術(shù)規(guī)程》建議地暖回路最大水流速不宜超過0.8m/s,7m揚程的水泵最大流速明顯過大，不適用于該地暖系統(tǒng)；6m揚程的水泵最大流速雖然超過0.8m/s，但考慮隨著使用時間的增長，地暖系統(tǒng)阻力會相應(yīng)增大，一般在設(shè)計之初都會使工作點向右適當(dāng)偏移，而且6m揚程的水泵在該地暖系統(tǒng)中提供的流量最接近其最高工作效率點，所以綜合考慮：6m揚程的循環(huán)水泵最適合該套地暖系統(tǒng)。

三、結(jié)語

本文主要討論了低溫地板輻射采暖與循環(huán)水泵的適配性問題，地暖取暖一般采用并聯(lián)方式，用戶根據(jù)需要打開部分支路取暖，因此實際實用的管路特性在不斷變化。文章通過分析最有利和最不利環(huán)路的情況，提出了地暖系統(tǒng)循環(huán)水泵的選擇方法，即在選擇循環(huán)水泵時應(yīng)同時考慮以下四個條件：

①選擇地暖系統(tǒng)最有利的環(huán)路來計算系統(tǒng)流量，循環(huán)水泵能提供的最大流量應(yīng)大于該系統(tǒng)最有利環(huán)路的水流量；

②選擇地暖系統(tǒng)最不利的環(huán)路來計算系統(tǒng)阻力，循環(huán)水泵所能提供的最大揚程應(yīng)大于該系統(tǒng)最不利環(huán)路的系統(tǒng)阻力；

③在滿足水流量和系統(tǒng)阻力的情況下，還應(yīng)考慮循環(huán)水泵的工作效率，盡量使循環(huán)水泵工作在最高效率區(qū)間或接近最高效率區(qū)間。

④地暖管路中水流速不宜小于0.25m/s，不宜大于0.8m/s，但考慮隨著管路使用時間的增加，阻力會相應(yīng)增大，在設(shè)計之初應(yīng)將設(shè)計工作點向右適當(dāng)偏移。

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