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【摘 要】本文通过对同程热水系统在不同时段下的运行分析，运用流体力学能量方程，解析水力失调的原因，运用工程实例佐证，并提出解决办法。
【关键词】同程热水系统；循环流量；能量；水力失调
为提高舒适度，现在越来越多的建筑安装了生活热水系统，而在热水的使用过程中发现，经常会出现忽冷忽热、长时间不出热水的现象，系统不能完全按照设计的意图给用户提供理想舒适的热水供应。系统为什么会出现此问题以及如何解决呢？
1.热水系统各运行时段分析
1.1运行时段1：无用户用水时段：见假定同程热水系统运行时段1图示，水的流向图所示，因热水经1到8和经2、3、4到8所走过的路径长度相同，系统部件亦相差不多，即水头损失相同，故图中每一竖向管段的流量相同。
1.2运行时段2：a处用水而其他点不用水：见假定同程热水系统运行时段2图示，因a点处用水，1-5管道同时承担输送循环回水与供水的双重任务，导致1-5管段的流量Q1-5增大，在水流的携裹作用下Q5-6随之增大。因循环水泵选定后，循环水的流量已为定值，故Q2-6，Q3-7，Q4-8减小。
1.3运行时段3：a处用水后，e处用水：见假定同程热水系统运行时段3图示，经运行时段2分析，在a用水发生时，Q1-5>Q2-6，若在此时e处用水，则因5-6管段内的水比2-6管段内的水流量更大，将有可能使6至e间管段的流向发生变化，进而使5-6管段内的水即回水配给e使用，同时e以下管段水逆向流动，使2-6管段输送回水任务中断。
2.深入解析
2.1对运行时段3进行深入解析： 见假定同程热水系统运行时段3’图示，点6处的可分为两部分，一部分是流经5-6管段的，一部分是流经2-6管段的，流经5-6管段的水的能量为：C5-6，流经2-6管段的水的能量为：C2-6，因处在同一水平位置，Z相同，等式右侧其他值亦为常数或基本相同，故若5-6远大于2-6，则C5-6亦将远大于C2-6，如此来自5-6管段的水流将吞噬来自2-6管段水流进而导致2-6管段内的水在6点处逆向流动，此时段系统水力失调。可以推断，在此状态下运行一段时间后，在2-6管段与e用水点相交处的Ⅰ点处，来自5-6管段的水流与来自1-2管段的水流能量将相同，取I点以上极近点（Ⅰ-6）及I点以下极近点（2-Ⅰ），CⅠ-6= C2-Ⅰ，此时Ⅰ点以下至2点处水流静止。等式中，因Z相同，而Ⅰ-6>2-Ⅰ，则PⅠ-6 2.2经以上分析可知，热水系统的配水管越多（即假定同程热水系统运行时段1的竖向管道数量很多），通过各配水管的循环流量就越少，用水器具用水引起的水量变化就越有可能引起系统内水流的再分配，而如果用水器具用水量与各配水管的循环流量相差非常大，在运行时段3时将会使2点下游处的供水停止流动形成死水，从而在后续时段供水时出现先配给有热量的回水，再配给不流动已有一段时间的被冷却的供水，最后配给设计预想供水的非正常不舒适供水。
2.3按照现行的设计标准，热水系统在确定循环流量时，无论是采用《全国民用建筑工程设计技术措施 给水排水》取单体建筑取设计小时流量的25%-30%，小区取设计小时流量的30%-35%，还是依据《建筑给水排水设计规范》根据配水管道的热损失及配水管道的热水管道温度差计算，系统的循环流量都和系统的配水管数量无关，因此在实际工程中，配水管路偏多的建筑将发生水力失调。
3.工程实例
3.1设计概况：
工程名称：朝阳区百子湾南二路92号医院养老院项目，热水系统为同程系统，四层及以下为低区，五层以上为高区。低区、高区分别设置循环水泵两台，一用一备，单泵流量均为1.8m3/h。低区热水系统共有32根配水立管，高区共12根配水立管。
3.2出现问题：低区部分房间打开用水器具供水龙头初期是热水，但热水供应维系一段时间后变成冷水，冷水流结束后转变为热水，就此系统正常供应热水，但第二日该位置的热水供应仍要重复上述过程。
3.3问题分析及解决：
3.3.1问题分析：本工程中低区各配水管的循环流量为，q=1.8/3600/32×1000=0.016L/S，查《建筑给水排水设计规范》表3.1.14“卫生器具的给水额定流量、当量、连接管公称管径和最低工作压力”，淋浴器的额定流量为0.10 L/S，单个淋浴器的额定流量约为各配管内循环流量的6.4倍。具体分析系统的实际使用发现，现只有如下编号房间入住：221 325 326 327 328 329 526 527 528 529 532 535 601 602 603 609 610 611。其中12户为低区（因编号中舍去了4，故526即为实际的4层26号房间），6户为高区。低区入住的房间所占用的配水立管数为6根，公共用水占用的配水立管数为4根，另有12根配水立管未使用，如同时开启同一根配水立管上的多处用水点和另一根配水立管上的某一配水点，而其他配水点未在此时段使用，如2.1条的分析，即为水力失调。
3.3.2问题解决：
（1）短期：关闭没有入住部分的配水立管主阀门共12个，增大使用中的配水立管的循环水流量，现开通低区配水立管共10根，包括所有入住房间和公共用水占用的配水立管，系统正常运转，未接到投诉。
（2）长期：入住率提高后，开启新入住部分的配水立管阀门供水，如各配水立管用水均衡，水力失调现象将不会发生，但若不能保证用水均衡，在系统不做大的改动的前提下，水力失调现象将不可避免。
4.解决方案
经2.2条分析可知，只有在系统配水管数量较多时，用水器具的用水才会对配水管的流向产生影响，进而导致水力失调；而系统配水管数量较少时，不存在此问题。现就配水立管偏多的问题提出解决方案如下：
4.1在各配水立管顶部接入回水管处改装压差平衡阀，见回水控制图1及回水控制图2。
设置热水回水的目的是尽量减少热水初始使用阶段的冷水量，假使用户持续使用，将不存在初始阶段供应冷水的情况，而在此阶段也不需要此部分管路回水。在1.1条所述的时段1时，压差平衡阀开启，正常回水，如系统回水控制图1所示。在1.2条所述的时段2时，见系统回水控制图2，因a处用水，a用水点三通处至1点管段流量增大，随之流速增大，亦即水头损失加大，压差平衡阀X前点的压力将减小，此时压差平衡阀X关闭，而其他管路压力变化不大，这些配水立管内的回水会正常流动。再扩展到时段3，因5-6管段内的水已不流动，不会形成6至Ⅰ管段的逆流现象，且在压差平衡阀的控制下，该配水立管内的回水功能亦会被暂时停止。无论是时段2还是时段3，在配水立管上不再有用水點泄水时，压差平衡阀会再次开启，恢复配水立管的回水功能。如此，压差平衡阀将有效的解决同程热水系统的水力失调问题。
4.2更改现行规范。如2.3条所述，热水系统的回水与配水立管根数无关，亦即在依据现行规范确定了回水量后，无需再根据系统内配水管数量的多少调增或调减该水量。因此规范中应增加现行计算方法适用的最大配水管数标准，或配水管内最小循环水量标准。从而在设计阶段的管路布置时尽量控制配水管数量，而当用水点在平面上过于分散时，通过校核最小循环水量调整循环水泵的需求流量。
5.结语
经上述分析，如在同程系统内加入正确的阀件，能有效的解决水力失调问题，但一次性投入也将增大。而若能更改现行规范，如4.2所述增加一些复核要求，亦能避免水力失调。然而修改现行规范，调整循环水流量的计算方法，将配水管的循环水流量控制在既不过小而引起水力失调，又不过大而引起能源的浪费，需要大量的实际运行数据，需要大量的调查研究，这给我们提出了一个新的课题。
【关键词】同程热水系统；循环流量；能量；水力失调
为提高舒适度，现在越来越多的建筑安装了生活热水系统，而在热水的使用过程中发现，经常会出现忽冷忽热、长时间不出热水的现象，系统不能完全按照设计的意图给用户提供理想舒适的热水供应。系统为什么会出现此问题以及如何解决呢？
1.热水系统各运行时段分析
1.1运行时段1：无用户用水时段：见假定同程热水系统运行时段1图示，水的流向图所示，因热水经1到8和经2、3、4到8所走过的路径长度相同，系统部件亦相差不多，即水头损失相同，故图中每一竖向管段的流量相同。
1.2运行时段2：a处用水而其他点不用水：见假定同程热水系统运行时段2图示，因a点处用水，1-5管道同时承担输送循环回水与供水的双重任务，导致1-5管段的流量Q1-5增大，在水流的携裹作用下Q5-6随之增大。因循环水泵选定后，循环水的流量已为定值，故Q2-6，Q3-7，Q4-8减小。
1.3运行时段3：a处用水后，e处用水：见假定同程热水系统运行时段3图示，经运行时段2分析，在a用水发生时，Q1-5>Q2-6，若在此时e处用水，则因5-6管段内的水比2-6管段内的水流量更大，将有可能使6至e间管段的流向发生变化，进而使5-6管段内的水即回水配给e使用，同时e以下管段水逆向流动，使2-6管段输送回水任务中断。
2.深入解析
2.1对运行时段3进行深入解析： 见假定同程热水系统运行时段3’图示，点6处的可分为两部分，一部分是流经5-6管段的，一部分是流经2-6管段的，流经5-6管段的水的能量为：C5-6，流经2-6管段的水的能量为：C2-6，因处在同一水平位置，Z相同，等式右侧其他值亦为常数或基本相同，故若5-6远大于2-6，则C5-6亦将远大于C2-6，如此来自5-6管段的水流将吞噬来自2-6管段水流进而导致2-6管段内的水在6点处逆向流动，此时段系统水力失调。可以推断，在此状态下运行一段时间后，在2-6管段与e用水点相交处的Ⅰ点处，来自5-6管段的水流与来自1-2管段的水流能量将相同，取I点以上极近点（Ⅰ-6）及I点以下极近点（2-Ⅰ），CⅠ-6= C2-Ⅰ，此时Ⅰ点以下至2点处水流静止。等式中，因Z相同，而Ⅰ-6>2-Ⅰ，则PⅠ-6
2.3按照现行的设计标准，热水系统在确定循环流量时，无论是采用《全国民用建筑工程设计技术措施 给水排水》取单体建筑取设计小时流量的25%-30%，小区取设计小时流量的30%-35%，还是依据《建筑给水排水设计规范》根据配水管道的热损失及配水管道的热水管道温度差计算，系统的循环流量都和系统的配水管数量无关，因此在实际工程中，配水管路偏多的建筑将发生水力失调。
3.工程实例
3.1设计概况：
工程名称：朝阳区百子湾南二路92号医院养老院项目，热水系统为同程系统，四层及以下为低区，五层以上为高区。低区、高区分别设置循环水泵两台，一用一备，单泵流量均为1.8m3/h。低区热水系统共有32根配水立管，高区共12根配水立管。
3.2出现问题：低区部分房间打开用水器具供水龙头初期是热水，但热水供应维系一段时间后变成冷水，冷水流结束后转变为热水，就此系统正常供应热水，但第二日该位置的热水供应仍要重复上述过程。
3.3问题分析及解决：
3.3.1问题分析：本工程中低区各配水管的循环流量为，q=1.8/3600/32×1000=0.016L/S，查《建筑给水排水设计规范》表3.1.14“卫生器具的给水额定流量、当量、连接管公称管径和最低工作压力”，淋浴器的额定流量为0.10 L/S，单个淋浴器的额定流量约为各配管内循环流量的6.4倍。具体分析系统的实际使用发现，现只有如下编号房间入住：221 325 326 327 328 329 526 527 528 529 532 535 601 602 603 609 610 611。其中12户为低区（因编号中舍去了4，故526即为实际的4层26号房间），6户为高区。低区入住的房间所占用的配水立管数为6根，公共用水占用的配水立管数为4根，另有12根配水立管未使用，如同时开启同一根配水立管上的多处用水点和另一根配水立管上的某一配水点，而其他配水点未在此时段使用，如2.1条的分析，即为水力失调。
3.3.2问题解决：
（1）短期：关闭没有入住部分的配水立管主阀门共12个，增大使用中的配水立管的循环水流量，现开通低区配水立管共10根，包括所有入住房间和公共用水占用的配水立管，系统正常运转，未接到投诉。
（2）长期：入住率提高后，开启新入住部分的配水立管阀门供水，如各配水立管用水均衡，水力失调现象将不会发生，但若不能保证用水均衡，在系统不做大的改动的前提下，水力失调现象将不可避免。
4.解决方案
经2.2条分析可知，只有在系统配水管数量较多时，用水器具的用水才会对配水管的流向产生影响，进而导致水力失调；而系统配水管数量较少时，不存在此问题。现就配水立管偏多的问题提出解决方案如下：
4.1在各配水立管顶部接入回水管处改装压差平衡阀，见回水控制图1及回水控制图2。
设置热水回水的目的是尽量减少热水初始使用阶段的冷水量，假使用户持续使用，将不存在初始阶段供应冷水的情况，而在此阶段也不需要此部分管路回水。在1.1条所述的时段1时，压差平衡阀开启，正常回水，如系统回水控制图1所示。在1.2条所述的时段2时，见系统回水控制图2，因a处用水，a用水点三通处至1点管段流量增大，随之流速增大，亦即水头损失加大，压差平衡阀X前点的压力将减小，此时压差平衡阀X关闭，而其他管路压力变化不大，这些配水立管内的回水会正常流动。再扩展到时段3，因5-6管段内的水已不流动，不会形成6至Ⅰ管段的逆流现象，且在压差平衡阀的控制下，该配水立管内的回水功能亦会被暂时停止。无论是时段2还是时段3，在配水立管上不再有用水點泄水时，压差平衡阀会再次开启，恢复配水立管的回水功能。如此，压差平衡阀将有效的解决同程热水系统的水力失调问题。
4.2更改现行规范。如2.3条所述，热水系统的回水与配水立管根数无关，亦即在依据现行规范确定了回水量后，无需再根据系统内配水管数量的多少调增或调减该水量。因此规范中应增加现行计算方法适用的最大配水管数标准，或配水管内最小循环水量标准。从而在设计阶段的管路布置时尽量控制配水管数量，而当用水点在平面上过于分散时，通过校核最小循环水量调整循环水泵的需求流量。
5.结语
经上述分析，如在同程系统内加入正确的阀件，能有效的解决水力失调问题，但一次性投入也将增大。而若能更改现行规范，如4.2所述增加一些复核要求，亦能避免水力失调。然而修改现行规范，调整循环水流量的计算方法，将配水管的循环水流量控制在既不过小而引起水力失调，又不过大而引起能源的浪费，需要大量的实际运行数据，需要大量的调查研究，这给我们提出了一个新的课题。