节约能源和环境保护已经成为了我国的基本国策。近年来分布式集中供热和热电联产项目的不断建设，有力地提高了供热系统的热能利用率。当前国家对节能问题的重视，不仅在于产品本身，供热系统的节能运行也受到越来越多的关注。

    根据中国节能协会最新发布的2017年《中国建筑能耗研究报告》表明全国建筑总能耗为8.57亿吨标煤，其中采暖占比50%，城镇单位能耗强度为12.9 kg标煤/m2, 供热方式中三分之一来自于热电联产，三分二来自于锅炉，这些供热管网中都存在不同程度的热量损耗。

    供热管网能耗主要由水力失调所产生，克服水力失调，实现供热管网的水力平衡，提高管网的经济性、安全性和可靠性，改善供热质量，是供热行业需要达到的目标。

本文将对供热管网水力失调的原因和平衡的调节方法进行简单的探讨和数学分析

1、水力失调产生的原因

     水力失调的定义：在热水供热系统中各热用户（各锅炉）的实际流量与设计要求流量之间的不一致性。在供热学中，水力失调的程度可以用实际流量与设计要求流量的比值来衡量。

（1）、水力失调的根本原因

    水力失调产生的根本原因就是供热管网在运行状态下的动力特性不能够与在用户所需要的流量下产生的各用户间阻力完美匹配，从而产生阻力不平衡的情况，就会直接导致供热系统中热用户的实际流量与要求的流量不一致，也就是水力失调。

（2）、水力失调的客观原因

   客观原因一，供热管网系统较为复杂，有很多不规则的设施和多种规格的管道，这些设备和管道都需要人为的进行调节，才能够调节水力的平衡，不过在实际操作中，对于这些设施和管道的调节难度很大，很难达到完美的水力平衡调节效果。同时，在设计供热管网时，一般都遵循满足最不利点所必需的资用压头的原则。这样其他管道用户资用压头都会出现富裕的情况，各管道用户的流量分配就会产生差异，导致水力失调。

   客观原因二，供热管网系统的循环水泵选择不合理，流量、扬程与供热管网系统的要求不相符，导致实际工作点不符合设计要求的技术条件，所以就产生了水力失调的情况。

   客观原因三，供热系统中发生了用户量增减的情况，这时候供热管网中的节点数量发生了变化，各管道流量也会重新进行分配，阻力参数也随之产生变化，这时候就会使水力失调。

2、供热管网水力失调分析及其危害

（1）供热管网水力失调分析

      当某个用户调节其流量时，其他用户的流量也发生变化。从设计思路来说，所有用户的总流量之和应与锅炉的流量保持一致，但实际使用过程中，用户侧的使用并不能保证同步，所以大多数情况下，一次侧流量都会大于二次则流量；

从另一个角度来说，用户之间离一次侧的距离不同，所以各用户的管网阻力不同，流量分配也因阻力的原因而不相同。如上图示，实际使用中，最靠近锅炉侧的用户1会出现过热现象，而锅炉侧最远处的用户n会出现温度达不到要求的现象；在实际运行中，供热公司一般只能采用，增大一次侧流量或者提高供热温度的方法来解决远端用户不热的问题，但这种做法是通过牺牲管网能耗来实现的，存在很多弊端，严重的会出现水泵过载造成停机。

（2）一次热网水力失调的危害

  ◢  “烧”泵，使水泵超出其工作范围。

  ◢  “盗用”，使水泵不能提供要求的特性。

  ◢  造成反向水流，使水泵没有工作环路的末端仍 然加热。

  ◢  使系统工作条件与设计条件不相符，即有别于最佳工作条件。

       水力平衡具有一网中各个热源在其他热源流量改变时保持本身流量不变的能力。供热管网是一个复杂的流体网络系统，不管是热源和热用户，它的运行工况受工作条件、环境、时间、制造和施工等多方面的影响。

（3）、 二次热网水力失调的危害

      从节约能源的角度，通过合理的二次网水力平衡调节，可以有效降低水、电、热的单耗，节约水、电、热的运行成本，为供热企业节省成本支出，提高企业效益。在二次网水力工况存在不平衡的情况下，有的楼栋尤其是近端住户，室内温度偏高，远端住户室温偏低不达标。这时会产生以下几种情况：

     一方面，为了保证上述住户室温达标，供热企业要提高整个二次网供热温度参数，普遍提高住户室内温度，热的用户室温更加热，冷的用户室温接近达标，浪费了大量的热 能；

     另一方面，供热企业加大二次网循环泵的流量，使管网趋于平衡，浪费了大量的电能；同时，不达标住户在散热器各末端私接水龙头泄放供热系统水，也导致系统热能和水的流失。如果能够做好二次网水力平衡调节，将消除供热系统的水力失调，节省水、电、热的单耗，避免通过简单提高供热温度参数和循环泵流量或在用户端加水龙头的方法来应付解决。从而减少二网的水平和垂直失调程度。

3、水力不平衡问题的解决方案

      供热管网中存在水力不平衡问题长期以来都是供暖行业必须面临的一个问题，随着行业的发展，大家都进行了不同程度的研究并提出了不同的解决方案，有采用变流量系统的，也有采用流量调节阀的，最终目标都是为了实现水力平衡。我们今天要提出的是一种更简单直接的解决方案，那就是在一次侧和二次侧之间安装均压罐（又名去耦罐）。

     在详细介绍去耦罐前，我们先建立一个数学模型从原理上来分析一下供热管路。

（1）带均压罐的水利系统模型

     无论是外网还是内网，热水管路都是由许多串联和并联管段组成的，热水管路系统中各管段的压力损失和流量分配，取决于各管段的连接方法——串联或并联连接，以及各管段的阻力数S值。

    电学中所接触的电流定律（基尔霍夫第一定律）和电压定律（基尔霍夫第二定律）同样适用于供暖系统的水力计算。

（一）  基尔霍夫流量定律：

    流入节点与流出节点的流量代数和为0；

（二）  基尔霍夫压降定律：

    供暖系统任意一个回路，各管段的压降代数和为0。

    由此，我们构建一个数学模型，将热源或者热用户等效为“电阻”1,2,3；支路阻力数用S表示，流量用G表示。

    分析可得：在运行工况和设计工况一致时，所有支路阻力均为S0时，流量比G1：G2：G3=3:1:1，流量在1处“抄近道”，即出现水平失调；当降低红色管段阻力至为原来的1/10时，水力失调度出现大幅下降。然而在用户或者热源位置确定的情况下，管段阻力跟长度和直径有关，无法一味降低管段长度来降低水力耦合度，增加直径等提高了管网成本，也不现实。

（2）均压罐的定性分析

      因此在一网采用均压罐，消除水力耦合是一个经济且容易实现的方法；而在二网采用阀间的相互配合调节流量等是一种快速使用户获得舒适供热的途径，以及采用分布式输配理念特别是在高层供暖时。

     同时，当用户流量变化时，锅炉流量也将发生变化。

    均压罐避免了不同循环水路的水泵相互干扰的现象，我们注意到这些现象尤其存在于老系统中，一次侧流量（Q1）和二次流量（Q2）相比通常有三种状态，即：Q1=Q2、Q1>Q2、Q1<Q2。 从图示的分析中可以看出，三种情况下循环系统内流量都能通过均压罐实现平衡。

4、均压罐实现水力平衡的项目验证

      下面为北京某集中25万平米供暖项目采用的均压罐水力平衡系统，该项目采用5台ELCO的R3410冷凝燃气锅炉，每台制热量为2MW，为了得到一手数据来验证均压罐的作用，我们对安装均压罐前后的流量都做了检测和统计。

       采用均压罐后，流量波动很大程度得到了缓解，流量振幅偏差收窄，节能效果大大提升。

在供热系统中使用均压罐能有效缓解水力不平衡现象从理论分析上是正确的，实际应用也很好地验证了这个理论。

      ELCO冷凝锅炉采用独特的全预混燃烧技术，根据负荷需求自动调节燃烧所用的空气和燃气比例，使空气和燃气始终保持在最佳的混合比，实现完全燃烧。同时锅炉配备的专业燃烧控制系统，具有气候补偿功能。可以根据外界气候变化，自动调节锅炉出水温度以及运行数量，达到最佳节能的目的。

冷凝锅炉采用ELCO专业开发的水冷式热交换器，不锈钢管外部带有螺旋形翅片，热导性能非常好，换热充分。管内流动的冷水能够迅速降低火焰的温度，抑制有害物的生成，与表面辐射式燃烧相比，在不牺牲热效率的同时，达到低氮排放的要求。

     在输配系统方面，在一网采用水力去耦理念，配备了均压罐，使每台锅炉实现自助式流量分配，大大减少了水力失调带来的泵耗。