地暖系统循环水泵的合理选型

一、前言

地暖：即低温热水地面辐射供暖，以温度不高于60℃的热水为热媒，在埋置于地面以下填充层中的加热管内循环流动，加热整个地板，通过地面以辐射和对流的热传递方式向室内供热的一种供暖方式。近年来随着燃气采暖热水炉在我国分户采暖市场得到广泛使用，以及一批优质地暖管的出现，使得壁挂炉加地暖的组合形式以其安全、舒适、节能、环保、美观等特点深受广大用户喜爱，并逐渐成为一种趋势。循环水泵作为整个地暖系统的动力来源，如果选择不合理不但会造成水力失调，而且会使水泵偏离最佳工作点，效率降低，功耗增大，直接影响供暖的舒适度。

二、循环水泵选型方法和实例计算：

1 循环水泵选型方法

循环水泵选型的一般方法是根据水力计算的结果，得出地暖系统所需的水流量和克服地暖系统管网及壁挂炉本身阻力所需的扬程，综合考虑循环水泵在地暖系统中的工作效率，选择合适的循环水泵。

1.1 系统流量

G=3.6Q/C(T _g -T _h )        ⑴

G— 供暖管网所需流量，m ³ /h；

Q— 房屋所需采暖热负荷，kW；

C— 水的比热，kJ/(kg ? ℃ ) ；

T _g — 供暖出水温度，K；

T _h — 供暖回水温度，K。

Q=K ₁ ·K ₂ ·q·A        ⑵

Q— 住房供暖所需热负荷，kcal/h；

K ₁ — 考虑邻居采暖不同步的安全系数，此处取1.2；

K ₂ — 考虑间歇供暖的安全系数，此处取1.2；

q— 标准住宅热指标估算值，kcal/m ² ；

A— 标准住宅建筑面积，m ² 。

1.2 系统阻力

系统阻力分为沿程压力损失、局部压力损失及机器内阻，沿程压力损失是指在管道中连续的、一致的压力损失；局部压力损失是指管道系统中特殊的部件，由于其改变了水流方向，或使局部水流通道变窄 <比如缩径、三通、阀门、接头、过滤器等）所造成的非连续性压力损失；机器内阻是机器本身的阻力。 < pan>

1.2.1 沿程压力损失

地暖管为圆管且内壁较为光滑，属低粗糙程度，选择沿程压力损失的计算公式如下：

Hf=λ · L/D · V2/2g            ⑶

Hf— 沿程压力损失，mm/m；

λ—摩擦阻力系数（并非定值）；

L— 环路水管长度，m；

D— 管道内径，m；

V— 水平均流速m/s；

Re ＜2300为层流流动：

λ=64/Re                   ⑷

Re ＞2300为紊流流动：

λ=0.316Re-0.25            ⑸

Re=VD/γ                   ⑹

γ：动力粘度系数，m ² /s

公式⑹用于判断水流方式：层流或紊流。

表2 水温及先关水流动力粘度

1.2.2 局部压力损失

局部压力损失主要受限于一些阀门、滤网的流通能力，选择计算公式如下：

ΔP=102(G/KV0.01) ²               ⑺

ΔP；局部压力损失，mmh ₂ O

G— 供暖管网所需水流量，l/h；

KV0.01— 流通能力（压差等于0.01bar），l/h；

1.2.3 机器本身的内阻是一个实测值，由于壁挂炉行业起步较高，标准化程度较好，所以不同厂家的同一类型产品内阻相差不大。

1.3 循环水泵效率曲线

目前燃气采暖热水炉中所应用的水泵绝大部分为后向叶轮式离心泵，此种水泵效率较低，根据某水泵厂家提供资料，其效率与流量曲线如图1所示：

由图1看出，不同扬程的循环水泵效率相差不大，水泵运行的最高效率点在水泵流量为1.4m 3 /h 处，最高效率接近20%。

2 实例计算

例：这里以北京一套三室两厅总面积120m ² 的住房为例，假设其采用冷凝壁挂炉加地暖形式采暖，三个房间、一个客厅(40m ² )、一个厨房、外加一个卫生间共六条并联支路,采用ZF25F×15-6-CJ/T251型号的分集水器，设计供水温度50℃，回水温度40℃。当所有支路全部打开时，其沿程阻力最小，流量最大，当只打开其中最不利支路时，其沿程阻力最大，流量最小。

经分析可知，客厅面积最大，铺设管路最长，该支路就是我们说的最不利支路，《地面辐射供暖技术规程》建议各环路长度不宜超过120m，这里假定客厅地暖管环路长度为120m(正常计算超过120m)，再加上机器到分集水器间的主管路长度约20m，那么整个环路总地暖管长度约140m。环路共有7个阀门，预估阀门Kv0.01为669L/h <机器进出水口2个、分水器进出水口2个、集水器进出水口2个、y型过滤网一个）。 < pan>

实测冷凝壁挂炉机器内阻：3.5m2hO。

分以下两种极端情况计算：

2.1 当所有支路全部打开时，其环路阻力最小，流量最大，为最有利环路（由于管路粗细、长短不一，计算非常复杂，这里以大环路管径为25mm计算）

2.1.1 流量计算：

将各参数代入公式⑵可得供暖负荷：

Q1=1.2×1.2×60kcal/m ² ×120m ² =10368kcal/h=12kW/h

将各参数代入公式⑴可得水流量：

G1=3.6×12kW/h×4.1868×(50-40)℃=1.032m ³ /h

对应水流速为：V1=G/S=0.58m/s

2.1.2 阻力计算：

首先根据公式<6）计算雷诺数

Re=VD/γ=0.58×0.025/0.54×10-6=26852 ＞2300为紊流流动。

在根据公式⑸计算λ=0.316Re-0.25 =0.025

将各参数代入公式⑶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

将各参数代入公式⑺可得局部阻力：

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

环路总阻力=沿程阻力+局部阻力+机器内阻=0.235m+0.156m+3.5m=3.9m

2.2 当只有客厅一条支路打开时，其环路阻力最大，流量最小，为最不利环路（该环路为一个管径为15mm的管路环路）

2.2.1 流量计算：

将各参数代入公式⑵可得供暖负荷：

Q2=1.2×1.2×60kcal/m ² ×40m ² =10368kcal/h=4kW/h

将各参数代入公式⑴可得水流量：

G2=3.6×4kW/4.1868×(50-40)℃=0.344m ³ /h

对应水流速V=G/S=0.54m/s

2.2.2 阻力计算：

首先根据公式⑹计雷诺数

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

在根据公式⑸计算λ=0.316Re-0.25 =0.028

将各参数代入公式⑶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

将各参数代入公式⑺可得局部阻力：

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

环路总阻力=沿程阻力+局部阻力+机器内阻=0.388m+0.188m+3.5m=4.08m

从以上两种极端情况下的计算结果可以看出，该北京120m ² 的住房采用冷凝壁挂炉加低温地板辐射采暖系统需要的最大流量为1.032m ³ /h，需要克服的最大系统阻力为4.3mH ₂ O，理论上扬程为5m、6m、7m的循环水泵都可满足要求。

3 循环水泵选型

根据液体在管路中流动的管路特性方程：

F=K+SG2

管道阻力与流量成二项式关系，将以上计算的点（Q、H）分别代入管路特性方程可得最有利和最不利环路的管路特性方程，其对应管道特性曲线如图2所示：

曲线1为最不利管路阻力曲线，也就是单开客厅回路时的阻力曲线。

曲线2为最有利管路阻力曲线，也就是所有支路同时打开时的阻力曲线。

该套北京120m ² 房子实际工作时的管路特性在曲线1和曲线2之间，其对应的5m扬程水泵实际工作点在AB两点之间，流量区间是0.55～1.05m ³ /h，最大流速0.59m/s；对应6m扬程水泵实际工作点在C、D两点之间，流量区间是0.6～1.45m ³ /h，最大流速0.82m/s；对应7m扬程水泵实际工作点在EF两点之间，流量区间是0.65～1.8m ³ /h，最大流速1.0m/s。

参考图1的水泵效率曲线，考虑5m扬程的水泵实际工作区间效率过低，不适用于该地暖系统；《地面辐射供暖技术规程》建议地暖回路最大水流速不宜超过0.8m/s，7m扬程的水泵最大流速明显过大，不适用于该地暖系统；6m扬程的水泵最大流速虽然超过0.8m/s，但考虑随着使用时间的增长，地暖系统阻力会相应增大，一般在设计之初都会使工作点向右适当偏移，而且6m扬程的水泵在该地暖系统中提供的流量最接近其最高工作效率点，所以综合考虑：6m扬程的循环水泵最适合该套地暖系统。

三、结语

本文主要讨论了低温地板辐射采暖与循环水泵的适配性问题，地暖取暖一般采用并联方式，用户根据需要打开部分支路取暖，因此实际实用的管路特性在不断变化。文章通过分析最有利和最不利环路的情况，提出了地暖系统循环水泵的选择方法，即在选择循环水泵时应同时考虑以下四个条件：

①选择地暖系统最有利的环路来计算系统流量，循环水泵能提供的最大流量应大于该系统最有利环路的水流量；

②选择地暖系统最不利的环路来计算系统阻力，循环水泵所能提供的最大扬程应大于该系统最不利环路的系统阻力；

③在满足水流量和系统阻力的情况下，还应考虑循环水泵的工作效率，尽量使循环水泵工作在最高效率区间或接近最高效率区间。

④地暖管路中水流速不宜小于0.25m/s，不宜大于0.8m/s，但考虑随着管路使用时间的增加，阻力会相应增大，在设计之初应将设计工作点向右适当偏移。