我国面临能源长期紧张的严峻形势，居住建筑和公共建筑供暖能源消耗大、增长快、浪费严重、节能潜力大。我国建筑的单位面积供暖能耗达到气候条件相近的发达国家的建筑的2～3倍，甚至更高，普及计量供热势在必行。

蒙古国利用国际融资大规模地改造供热系统，采用终端用户混水回路技术扩大热网温差以降低系统能耗。欧洲采用均压罐技术，即在一根两头封口的直立管子两侧分别连接热网和用户系统，管内流体方向与两侧流量大小有关，用户侧设置循环泵，均压罐内混合换热^[1]。

随着我国供热技术的发展和国外供热设备和技术的引进，设计一种适合我国国情的供水温度分栋可调的供热系统，并采用适宜的调节方式是十分必要的。

双向混水器主体由一个封闭的短管构成，内部设有可调节的导流叶片，其左右两侧分别与热网和楼内系统的供回水管道连接，热网的供水可以同时向用户系统的供水管及热网的回水管流动，用户的回水可以同时向热网的回水管及用户的供水管流动，通过混水器内水的双向流动和调节实现供水温度的调控。双向混水器内的热媒流向示意图如图1所示，采用双向混水器的供热系统形式如图2所示。

图1 双向混水器内热媒流向示意图

图2 双向混水器供热系统示意图

由热源输出的高温水通过一级网与换热器连接，而被加热热媒通过二级网与双向混水器连接，二级热网热媒与热用户系统热媒在混水器内掺混。与以往采用的水喷射器、混水泵和均压罐混水方式不同，该供热系统的特点是能实现双向混水。

整个热网可看成3个回路，管网的调节应根据每个回路系统的特点和供热需求有针对性地进行。一、二级热网与用户供热系统需要分别设置循环水泵，一、二级网采用变频泵。

1)用户侧供水温度分栋可调，可以适应散热器、地板辐射等不同供暖方式对水温的要求；

2)用户个体或群体调节时，通过用户的流量改变，流经混水器的流量和混水过程也相应改变，但混水器内的压力分布没有显著变化，对热网而言用户阻力不变，热网稳定性大大提高。

随着计量供热系统的广泛发展，要求用户必须实现分户控制和调节，温控阀是实现分户控制和调节的一种普遍设备，用户通过调节温控阀来改变流量，适应自身用热需求。当众多用户调节流量后，整个热网的流量和供热量将发生变化，使热网流量具有波动性，应用双向混水器减少了以楼为单位的热用户在调节时的相互影响以及对二级网水力工况的影响，从而提高了热网的稳定性。

计量供热系统实现按需供热是节约能源、实现用户用热商品化的保证。同时在这种体制下，理想的运行状态是迅速满足用户的热需求。但是热媒传输滞后等因素阻碍了及时性，因此采用合适的运行调节方式就显得尤为重要。

在计量供热时，用户自行决定所需热量，热源必须通过调整供热参数去适应用户的负荷变化，并及时地将热量输送至各个用户。对于各种变流量调节方式，可以近似地以通式表示，其中φ为待定系数。显然当φ＝1时，流量的变化等于负荷的变化，由供热调节基本公式可知这种调节方式下供回水温差恒定不变，因此称为等温差调节。使用等温差的调节方式，一方面可以根据流量的变化准确反映负荷变化，使热源能够准确调整供热参数，同时避免了热量输送的滞后，使用户用热需求迅速得到满足；另一方面，充分发挥了供热系统中建筑入口双向混水器的调节优势，最大限度地减少了热媒输送电耗。

传统质调节方法下系统运行期间流量始终保持设计值，意味着在低负荷下仍消耗较多的电量。量调节方法下系统循环水供水温度始终保持设计值，随室外温度上升，循环水量将迅速减少，回水温度迅速降低，温差大于设计值。分阶段改变流量的质调节方法综合了质调节和量调节两种方法的优点，但是当用户负荷变化时不能及时准确升温或降温。等温差调节克服了以上3种调节方法的不足，流量随负荷等比变化，热源保持供水温度恒定，用户通过混水保持热网回水温度恒定，流量的变化体现了热负荷的变化，消除了热网回水温度变化的时间延迟。于是在保证供水温度恒定的条件下，通过改变水泵转速的方式改变供热量。由于流量和水泵转速的改变使耗电量大大降低，远低于分阶段改变流量的质调节方法的耗电量。计算机监控手段给变流量调节的实施提供了必要的保证。

实现计量供热，楼内各用户有自主调节流量的措施，这种调节依赖于用户的行为规律，以及室内自由热引起的温控阀的微调，这种动态负荷的随机性在本文不予讨论。

为避免变流量导致的失调问题，用户侧宜采用集中质调节，即调节供水温度使之适应室外温度引起的热负荷变化，表达式为^[2]

(1)

(2)

其中

式(1)～(4)中 ——热负荷比，即实际工况与设计工况下的散热量之比；

    t'_n，t_n——分别为设计室内温度、实际室内温度，℃；

    t'_w，t_w——分别为设计室外温度、实际室外温度，℃；

    ∆t'_s——散热器的对数平均计算温差，℃；

    ∆t'_j——设计供回水温差，℃，∆t'= t'_g3－t'_h3；

    t'_g3，t_g3——分别为设计供水温度、实际供水温度，℃；

    t'_h3，t_h3——分别为设计回水温度、实际回水温度，℃。

二级网与热用户通过混水器连接，对于双向混水器有如下热平衡关系式：

    Q₂=G₂c(t_g2－t_h2)    (5)

    Q₃=G₃c(t_g3－t_h3)    (6)

在设计工况下的各参数上标加符号“'”，以区别于运行工况下的相应参数。于是在网路稳定运行情况下，有

式(5)～(8)中t'_g2，t'_h2——分别为二级网设计供、回水温度，℃；

    t_g2，t_h2——分别为二级网实际供、回水温度，℃；

    c——热水的比热容，c＝4. 187 kJ/(kg·℃)；

    G₂——二级网流量，kg/h；

    G₃——用户侧流量，kg/h；

    ——二级网的相对流量比；

    Q₂——二级网传输的热量，W;

    Q₃——用户侧传输的热量，W。

用户侧的供、回水温度t_g3，t_h3及流量比根据用户侧不同的调节方式可求，那么式(8)只有1个独立方程，但含有3个未知量t_g2，t_h2和，要想求出确切的解必须附加约束条件。由热力学第零定律可知二级网回水温度t_h2≥t_h3。假设室外温度达到5℃时(t_h2= t_h3(5))，设计工况点t'_w=－26℃时回水温度已知，为t'_h2，由以上两点可确定回水温度随室外温度变化的关系式：

式中t_h3(5) ——室外温度为5℃时用户侧的回水温度，℃。

当二级网采用等温差调节时，，可得

    t_g2=t_h2+( t'_g2－ t'_h2)    (10)

一、二级网之间通过换热器间接连接，在忽略管网热损失和换热器热损失的情况下，可以确立下列热平衡式：

    Q₁=G₁c(t_g1-t_h1)    (12)

    Q₂=G₂c(t_g2-t_h2)    (13)

在网路稳定运行情况下有

将式(11)～(14)代入式(15)可得

式(11)～(16)中Q₁——一级网传输的热量，W;

    Q_h——换热器换热量，W;

    t'_g1，t'_h1——分别为一级网设计供、回水温度，℃；

    t_g1，t_h1——分别为一级网实际供、回水温度，℃；

    G₁——一级网流量，kg/h；

      ——一级网的相对流量比；

    K——换热器传热系数，W/(m²·℃)；

     ——换热器相对传热系数比；

    ∆t'，∆t ——分别为换热器设计、运行工况下平均传热温差，℃；

    F——换热器换热面积，m²。

换热器的传热系数K主要取决于管内、管外的流体速度。对于结构型式一定的换热器，流体的流速与换热器加热流体和被加热流体的流量有关。在此，采用沙科洛夫推导的近似公式：。

对逆流壳管式换热器，其平均传热温差∆t， ∆t'由式(17)，(18)计算。

将∆t， ∆t'代入式(16)得

(19)

当一、二级网均采用等温差调节时，有以下补充条件：

将上述补充条件代入式(19)可得

(22)

令 ，则可求得

以哈尔滨地区为例，室外计算温度取t_w=－26℃，室内设计温度取t_n=18℃，一级网设计供回水温度取t'_g1=130℃，t'_h1=85℃，二级网设计供回水温度取t'_g2=95℃，t'_h2=70℃，用户侧设计供回水温度取t'_g3=80℃，t'_h3=55℃。一、二级网采用等温差调节即   ，用户侧采用质调节。将上述条件代入调节公式中可得一、二级网调节曲线如图3所示。

图3 一、二级网及用户侧调节曲线

随着室外温度的升高，用户侧及一、二级网供回水温度均降低，一、二级网采用等温差调节方式时供回水温度以相同的速率下降，换热器平均温差保持不变，换热器相对传热系数比与一、二级网相对流量比相等，即   。热用户负荷变化通过一、二级网流量变化迅速得到满足，消除了滞后，避免了水力工况、热力工况之间的耦合。

仍以上述供热系统为例，一级网循环水泵设计工况下的参数分别为G'₁=278m³/h，H'₁=30 m，η₁=85%；二级网循环水泵设计工况下的参数分别为G'₂=500 m³/h，H'₁=52 m，η₂=86.5%。哈尔滨地区供暖期总时间N_p=179天，b=0.910，β=0. 705；取电价为0.5元/(kWh)，一、二级网不同调节方式组合与一、二级网均质调节时循环水泵能耗对比的计算结果如表1所示。

表1 能耗对比

由表1数据可知，一、二级网均采用等温差调节相对均采用质调节而言节能65. 37%，年节省运行费用15. 74万元，节能效果显著。

4.1 一、二级网采用等温差调节，热负荷的随机变化能够通过流量变化同比反映，热源能够准确调整其他供热参数，同时通过流量的变化消除了热媒输送的延迟，解决了水力工况与热力工况之间的耦合问题；另外保持温差不变时，系统部分负荷运行可以同步降低供回水温度，减少了管道热损失，对管道及设备的耐压要求降低，提高了安全性，延长了使用寿命。

4.2 为了充分发挥变流量系统的优势，一、二级网的热力系统宜选用变频泵。通过本文的算例可见，应用变频泵的一、二级网采用等温差方式时，节能达65. 37%，效果显著。

[1]李锐．供热系统中均压罐的运行机理简析[J].建筑科学，2004，20(3)：61- 64

[2]贺平，孙刚．供热工程[M].北京：中国建筑工业出版社，1993