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膨脹水箱
發布時2015-10-12 12:3225
國家相關部門推進建筑節能力度的逐步加大引起了建筑設備專業人員的深入思考:在科技如此發達的今天,建筑設備系統這個建筑耗能大戶的節能必須依靠“變頻”“數碼”這些吸引眼球的字眼嗎?我們是不是過分地期盼“COP”“EER”等近乎極限的提高了?節能的技術和措施必須是高科技新技術嗎……
  在種類繁多的閉式循環水系統定壓設備中,一種看似落后的設備——高位膨脹水箱又重新被我們重視起來。比起電接點壓力表、變頻補水泵、罐式定壓補水機組等穿著新技術自動化外衣的定壓設備,高位膨脹水箱具有造價低廉、水力穩定性好的優點,其最大的優點是運行費用低,這是由其容積惰性大的結構特性決定的。但其最大的缺點是水箱安放高度需要高出系統最高點,一根定壓水管必須穿過重重樓板把最高處的水箱與設備機房的循環水泵吸入口連接,但在大力倡導節能減排的當今社會,付出這點代價取得降低運行費用的目的是值得的。
  與早期高位定壓膨脹水箱廣泛使用的時期相比,新建建筑采暖形式有了很大的變化——在節能政策和新建材、新技術的推動下,采用低品位熱能的低溫熱水地面輻射采暖形式得到廣泛應用,特別是居住建筑。翻開新出版的《實用供熱空調設計手冊(第二版)》(以下稱文獻[1]),并沒有找到適合低溫熱水地面輻射采暖形式的60℃以下熱水供暖系統膨脹水箱計算方法。本文試圖從最基本的膨脹量計算公式入手,推導出適合工程使用的低溫熱水地面輻射采暖用定壓膨脹水箱計算及選型方法。
  低溫熱水地面輻射采暖用定壓膨脹水箱計算
  查閱文獻[2],動力循環供熱工程膨脹水箱容積計算公式如式1。
  Vp=αΔtmax·Vc 式1
  式中:Vp——膨脹水箱有效容積(即信號管到溢流管之間的容積),L;
  α ——水的體積膨脹系數,α=0.0006,1/℃;
  Vc——系統內的水容量,L;
  Δtmax——考慮系統內水受熱和冷卻時水溫最大波動值,一般以20℃水溫算起。
  文獻[4]規定低溫熱水地面輻射采暖供水溫度不超過60℃。實際工程中,一般按照文獻[5][6]采取節能措施的建筑采暖供回水溫度一般為45℃~35℃,未采取節能措施的建筑采暖供回水溫度一般為55℃~45℃。這樣按照最高溫度55℃和45℃計算,式1可以簡化為式2(節能建筑)和式3(非節能建筑)。
  V=0.015Vc 式2
  V=0.021Vc 式3
  這樣,主要矛盾就集中在系統水容量Vc上了。文獻[1]把散熱器采暖系統中,管道和散熱器水容量換算為供給1kW熱量所需的水容量,并將不同型號的散熱器水容量制成表格,供設計人員查詢使用。低溫熱水地面輻射采暖系統散熱末端設備為敷設于地面墊層的盤管。選型方法采用的是文獻[4]提供的單位散熱面積,散熱盤管的使用量是和埋管面積直接聯系的。為適應工程使用,我們也應該把Vc與總熱負荷或采暖面積聯系起來。
 工程上最為常見的地板埋管規格為de20×2.0,其內徑為16mm。得出單位管長的水容量為0.201L/m。確定整個工程地埋管道的長度就成為關鍵問題。下面我們以節能建筑采暖系統為研究對象,推導低溫熱水地面輻射采暖散熱盤管和采暖面積的關系。表1為本文設定的采暖系統標準工作狀態參數。
在以上方法中,影響實際管長面積比偏離理論值的主要原因有:

  (1)管道轉彎處管長不等于管道間距。由于目前常用管材彎管半徑為管道直徑6倍,de20×2.0管道轉彎半徑為120mm,精確制圖可知,管道間距300mm的時候,管道轉彎的方磚中的管道比理論值多16%,其他幾種典型管間距情況下實際管道均小于理論值。每個房間,管道轉彎的個數為二倍的房間短邊方磚個數。
  (2)房間內部分區域敷設管道不規則。多數工程中房間邊長是不一定能被管間距整除的,即圖1中方磚個數不一定是整數,以回形布置管道的房間為例,無論是設計還是施工埋管的順序都是由外及里的,這就導致了非整數矛盾集中在房間中心區域的少部分的管道處理上。由于彎管半徑所限,實際管道長度是比理論值小的。這就使得通過式4計算得出的管長結果趨于保守。
  (3)盤管外緣管道距內墻的100mm間距包含于采暖面積An,但在實際布置盤管時這一塊面積中是不埋設管道的。無論這個間距內面積累加后有多大,這部分地面是不含有管道的。所以采用房間采暖面積計算管長,比實際情況又多出一小部分管道。從整棟建筑來說,這種冗余正比于房間個數,反比于單個房間的面積。
  (4)建筑采暖面積和使用面積的差別。例如,從整棟建筑來看,采暖房間的隔墻是包含在采暖面積An中的,而實際情況墻內是不布置盤管的。這又使計算結果趨于安全。
  由此可知,我們采用采暖面積計算采暖房間地埋盤管的水容量是既合理又使計算結果趨于安全的。在整體采暖系統的計算中,我們可以使用系統總采暖面積A進行計算,即:
  再來看看系統的管長面積比λ。如表2,在單個房間中根據管道的標準間距,管長面積比λn是具有確定的值的。但一個龐大的供熱系統一般由若干單體建筑構成,單體建筑又由不計其數的房間組成,這就使得λn在整個供熱系統中失去意義。嚴格的說,整個采暖系統的管長面積比等于系統中各房間的λn在采暖面積上的加權平均值。
工程上進行這么精確的計算既不現實也沒必要。我們可以采用系統中常用的管長面積比值,乘以管長修正系數β,即:
  λ=β·λn 式7
  節能建筑中的絕大多數管間距都采用300mm,這對上述思路的應用提供了更便捷的條件。筆者對工作所在地區的采暖工程進行總結,實際采暖系統的λ闕值為(10/3,4.0),而且偏向于下限,本文提倡β取值范圍為1.05~1.10。單體β值與建筑的體形系數有關系,有條件的讀者可以進行推導。本文采用β取值為經驗值,建議讀者采用時根據各地不同情況對β值進行試算總結。
  結論(一級標題)
  綜上,我們可以得到節能建筑埋地盤管水容量所引起的膨脹量公式:
  V1=0.003015β·λn·A 式8
  式中:V1——地埋盤管內的水量引起的水膨脹量,L;
  β——管長修正系數,闕值1.05~1.10,1;
  λn——管長面積比,取值10/3,m-1;
  A——供熱系統的采暖面積,㎡。
  除了供熱末端盤管,系統還有管道和其它設備的水容量。低溫熱水地面輻射采暖的管路的工作狀態與空氣調節水系統冬季工況非常相似,文獻[7]提供了空氣調節水系統的管路水膨脹量的計算方法,摘錄如下,本文不再贅述。
  V2=0.015[(Vg1+Vg2+Vg3)Q+Vn] 式9
  式中:V2——供熱管道內水量引起的水膨脹量,L;
  Vg1——10℃溫差下,室內機械循環的單位負荷水容量,一般取15.6,(按400m流程考慮,差別較大時,可線性修正。)L/Kw;
  Vg2——10℃溫差下,室外機械循環的單位負荷水容量,一般取11.6,(按600m流程考慮,差別較大時,可線性修正。)L/Kw;
  Vg3——系統熱源設備的水容量,鍋爐取2~5,換熱器取1,L/Kw;
  Vn——系統中其它設備的水容量,如水處理設備、儲水罐等附屬設備,體積不大時可忽略不計,取值詳見設備規格參數表,L;
  Q——供熱總熱負荷,kW。
  非節能建筑低溫熱水地面輻射采暖供熱系統的膨脹量計算與節能建筑相比,區別在水溫和水容量上,式3體現了水溫差別,水容量可采用調整β值的方法來近似得出。于是得出非節能建筑埋地盤管水量所引起的膨脹量公式:
  V1=0.004221β·λn·A 式10
  式中:V1——地埋盤管內的水量引起的水膨脹量,L;
  β——管長修正系數,λn取10/3的前提下,建議取值范圍1.10~1.60,1;
  λn——管長面積比,取值10/3,m-1;
  A——供熱系統的采暖面積,㎡。
  管道及其它設備水容量公式如式11。
  V2=0.021[(Vg1+Vg2+Vg3)Q+Vn] 式11
  式中參數意義及單位同式9。
  對低溫熱水地面輻射采暖系統膨脹水箱計算方法的總結,本文得出的結論及選用的數值不一定適用于所有地區所有情況。但這一思路是值得參考的,讀者可以根據各地區不同情況和使用習慣總結出合適的計算公式和參數取值范圍。也希冀高位膨脹水箱這一節能特點突出的定壓設備得到廣泛應用。
 
一. 膨脹水箱的作用
膨脹水箱的主要作用是容納系統中受熱后膨脹的水量,并可作為小型熱水網路的定壓裝置。對自然循環采暖系統,還可以起排氣作用。
  膨脹水箱選擇的關鍵是水箱有效容積的計算。
V=a.△t.Vs  (L)
式中,V-膨脹水箱的有效容積 L;
a-水的體積膨脹系數  0.0006;
△t-系統中水溫的最大波動,按最不利情況考慮  95-20=75℃
Vs -系統的總水量,包括熱源(鍋爐或換熱器),室內外管網和散熱器或暖風機中水容量之和
二. 膨脹水箱有效容積計算
  膨脹水箱選擇的關鍵是水箱有效容積的計算。
            V=a.△t.Vs  (L)
     式中,V-膨脹水箱的有效容積 L;
           a-水的體積膨脹系數  0.0006;
           △t-系統中水溫的最大波動,按最不利情況考慮  95-20=75℃
           Vs –系統的總水量,包括熱源(鍋爐或換熱器),室內外管網和散熱器或暖風機中水容量之和。
    對于,90/70℃的采暖系統,將a、△t(95-20=75)帶入上式,則可簡化為 V=0.045t.Vs  (L)
    對于,110/70℃的采暖系統,將a、△t(110-20=90)帶入上式,則可簡化  V=0.054t.Vs  (L)
三.采暖系統設備水容量估算表
   系統中總容量Vs值一般采用估算的方法。系統中各不同設備的每1kW放熱量所需要的水容量估算值見下表13-1。
      每1kW熱量所需設備水容量                    表13-1
采暖設備名稱 水容量(L/kW) 采暖設備名稱 水容量(L/kW)
散熱器 長翼型(大60) 18.96 空氣加熱器 暖風機 0.43
長翼型(小60) 17.3 熱水管路 室內自然循環 13.8
四柱813 9.85 室內機械循環 6.9
四柱760 9.01 室外機械循環 5.16
四柱640 11.20 熱交換設備 5.16
二柱M132 10.67 鍋爐 RSL250-7/95-A 0.8
二柱700 13.95 SH.DZ.SZ.熱水鍋爐 2.6
園翼型D75 6.55 RSD.RSG.RSZ立式水管 1.0
閉式對流串片型150x80 1.35 有鼓風設備的火管鍋爐 13.8
單板扁管帶對流片520x1000 3.93 無鼓風設備的火管鍋爐 25.8
鋼板扁管帶對流片600x1000 3.84 考克蘭(LH型) 9.46
鋼柱式600x120x45 12.54 M型、火焰式鍋爐 3.9
 
四. 空調系統設備水容量估算表
系統初始水容量可按表13-2確定。但是應注意空調水系統采用冷水、熱水共用的雙管系統時。膨脹水箱有效容積的大小應按冬季工況確定。
   系統初始水容量/(L/m2建筑面積)               表13-2
項  目 全空氣系統 空氣-水系統
供冷時 0.40-0.55 0.70-1.30
供熱時 1.25-2.00 1.20-1.90
注:供熱時的數值是指使用熱水鍋爐的情況;如使用換熱器時可以取供冷時的數值。

五. 膨脹水箱設計中的問題
 1、膨脹水箱的安裝位置,應考慮防止水箱內的水的凍結問題。若水箱安裝在非采暖房間內時,應考慮保溫。
  2、膨脹管、溢流管和循環管上嚴禁安裝閥門,排水管和信號管上應設置閥門。信號管上的閥門應設于人們容易觀察檢查的房內,閥門離地1.5-1.8米。
  3、設在非供暖房內的膨脹管、循環管和信號管均應保溫。
  4、水箱下部應做支座。支座長度應超出底板100-200mm,其高度應大于300mm。
  5,水箱間外墻應考慮安裝預留孔。

六.膨脹水箱 的設計實例
一個6000平米的 空氣-水空調系統怎樣計算 膨脹水箱的容積
首先 我們要確定 系統 是什么系統 估算出 系統的水容量 
他的 系統是  空氣-水系統 按照我上面給出的表格 可以計算
6000平米*1.30=7800升水 
然后 按照系統 溫度升高 水會膨脹 計算水的膨脹量  這個量 就是 膨脹水箱 需要 容納的 水量 對不對?


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