热水采暖系统：机械循环与自然循环的区别

热水采暖系统根据水循环动力不同，可分为自然循环系统和机械循环系统。自然循环系统是利用热水散热冷却过程中所产生的自然压头促使水在系统中循环，这种系统由于自然压头小，作用半径不大，因而只适用于低层小型建筑。机械循环系统则是利用水泵进行热媒强制循环，因而作用半径大，管径小，但是需要消耗电能。

（一）自然循环热水采暖系统

1.自然循环热水采暖系统工作原理

在系统启动之前，先由冷水管向系统内充满水，然后锅炉开始加热。当水温升高后，它的密度变小，经过散热器中散热后温度降低，密度增大，驱使热水通过回水干管流回热源。同时，使得热水沿着供水干管上升流向散热器，如此循环往复。

2.自然循环热水采暖双管和单管系统

自然循环热水采暖系统通常分为双管系统和单管系统，见图4-1。单管系统与双管系统的工作过程基本相同，它们的主要区别是热水流向散热器的顺序不同。在双管系统中，热水并列地流经各组散热器，而单管系统热水按顺序依次流经各组散热器。

图4-1　自然循环采暖系统

1-总干管；2-供水干管；3-供水立管；4-散热器供水支管；5-散热器回水支管；6-回水立管；7-回水干管；8-膨胀水箱连接管；9-充水管；10-泄水管；11-止回阀

（1）双管系统。双管系统是指连接散热器的供水主管和回水主管分别设置。双管系统每组散热器可以组成一个循环管路，每组散热器的进水温度基本上是一致的，各组散热器可自行调节热媒流量，互不影响，便于使用、检修。由于各层散热器与锅炉间形成独立的循环，因而随着从上层到下层，散热器中心与锅炉中心的高差逐渐减小，各层循环压力也出现由大到小的现象，上层作用压力大，因此流过上层散热器的热水流量大于实际需求量，流过下层散热器的热水流量小于实际需求量，这样会造成失调现象。

（2）单管系统。单管系统是指连接散热器的供水立管和回水立管用同一根立管。单管系统的特点是立管将散热器串联起来构成一个循环环路，各楼层间散热器进水温度不同，离供水干管越近温度越高。离回水干管越近温度越低。这种系统每组散热器热水流量不能单独调节，而单管跨越式在每组散热器前面安装阀门，并用跨越管连通散热器的进口及出口支管，使进入散热器的热水分成两部分，一部分进入散热器，另一部分进入跨越管内与其回水混合，从而进入下一层散热器，这种系统称单管跨越式热水采暖系统。

（二）机械循环热水采暖系统

机械循环热水采暖系统形式与自然循环热水采暖系统形式大体相似，机械循环系统除了膨胀水箱的连接位置与自然循环系统不同外，系统中还增加了循环水泵和排气装置。循环水泵使系统循环压力升高，水流速度加快，循环范围加大。

1.机械循环上分式热水采暖系统

机械循环上分式热水采暖系统如图4-2所示。

图4-2　机械循环上分式热水采暖系统

1—锅炉　2—循环水泵　3—集气罐
Ⅰ、Ⅱ—双管式　Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ—单管式图

机械循环上分式热水采暖系统与自然循环采暖系统相比，不仅增加了水泵，还增加了排气设备。

在机械循环系统中，水的流速快，超过了水中分离出的空气的浮升速度。为了防止空气进入立管，供水干管应设置沿水流方向向上的坡度，使管内气泡随水流方向运动，聚集到系统最高点，经由排气设备排到大气中去，坡度值为0.002～0.003，回水干管按水流方向设下降坡度，使系统内的水能够顺利地排出。

上分式双管系统中自然压力仍起作用，由于各层散热器与锅炉的高差不同，虽然进入和流出各层散热器的供、回水温度相同（不考虑管路沿途冷却的影响），但仍将形成上层作用压力大，下层压力小的现象。如选用不同管径仍不能使各层阻力达到平衡，由于流量分配不均，必然要出现上冷下热的现象；而且楼层数越多，上下层的作用压力差值越大，这种现象就会越严重。在建筑物内，同一竖向的各层房间的室温不符合设计要求的温度，而出现上、下层冷热不均的现象，通常称作系统垂直失调。双管式系统由于各散热器独立，便于分户热计量。

2.机械循环下供下回式双管热水采暖系统

机械循环下供下回式双管热水采暖系统的供水干管和回水干管皆敷设在系统所有散热器之下，如图4-3所示。下分式双管热水采暖系排除空气较困难，排除空气的方式主要有两种：通过顶层散热器的冷风阀手动分散排气，或通过专设的空气管手动或自动集中排气。为避免立管中的水通过空气管串流，集气装置的连接位置，应比水平空气管低h米以上，即应大于图中a和b两点在采暖系统运行时的压差值。

图4-3　机械循环下分式热水采暖系统

1—锅炉　2—循环水泵　3—集气罐　4—膨胀水箱　5¬—空气管　6—手动放气阀

下分式与上分式相比较，上分式系统干管敷设在顶层天棚下，适用于顶层有天棚的建筑物；而下分式系统供水干管和回水干管均敷设在地沟中，适用于平屋顶的建筑物或有地下室的建筑物。

3.机械循环下供上回式热水采暖系统

下供上回式采暖系统包括单管和双管两种形式，其特点是供水于管敷设在所有的散热器之下，而回水干管敷设在系统所有散热器之上。热水自下而上流过各层散热器，与空气气泡向上运动相一致，系统内空气易排除，通常用于高温热水采暖系统。下供上回式热水采暖系统如图4-4所示。

图4-4　机械循环下供上回式热水采暖系统

1—锅炉　2—循环水泵　3—膨胀水箱

4.机械循环水平式热水采暖系统

机械循环水平式热水采暖系统按供水管与散热器的连接方式可分为顺流式和跨越式，如图4-5所示。这种形式构造简单，管道少穿楼板，便于施工，而且有较好的热稳定性。但这种系统的环路不宜太长，每个环路散热器组数以8～12组为宜，且每隔6m左右务必设置一个方形伸缩器，以解决水平管的热胀冷缩问题。在每一组散热器上安装手动放气阀，以排除系统内空气。水平式一般用于厂房、俱乐部、餐厅等采暖房间。供回水管一般设在地沟内，但也可设在散热器上面。

图4-5　水平式采暖系统

1—手动放气阀　2—空气管

5.同程式采暖系统与异程式采暖系统

同程式采暖系统是指采暖系统中供回水干管中热媒流向相同，且在各个环路中热媒所流经的管路长度基本相等的系统。反之，为异程式采暖系统。同程式采暖系统虽增加了回水管的长度，但压力损失易平衡，流量易分配。当系统较大环路较多时，采用同程式采暖系统效果较好。同程式采暖系统形式如图4-6所示。

图4-6　同程式采暖系统(www.xing528.com)

1—锅炉　2—循环水泵　3—集气罐4　—膨胀水箱

（三）高层建筑物的热水采暖系统

随着建筑高度的增加，系统内水的静压力也随之增大，因此必须考虑管道和散热设备的承压能力。一般而言，一个建筑采暖区的总高度宜控制在20～50米的范围内，当超过50米时宜竖向分区供热，上层系统采用间接式连接。此外，建筑高度的增加，系统内的垂直失调加剧。为减轻垂直失调，一个垂直单管供热系统所供层数不宜大于12层。

高层建筑热水采暖系统的形式包括按层分区垂直式热水采暖系统、水平双线单管热水采暖系统及单、双管混合系统。

1.按层分区垂直式热水采暖系统

高层建筑大多应用按层分区垂直式热水采暖系统。这种系统在垂直方向分成两个或两个以上的热水采暖系统，每个系统都设置膨胀水箱和排气装置，自成独立系统，互相不受影响。下层采暖系统通常与室外管直接连接，其他层系统与外网隔绝式连接，通常采用热交换器使上层系统与室外管网隔绝，尤其是当高层建筑采用的散热器承压能力较低时，应用这种隔绝方式的较多。利用热交换器使上层采暖系统与室外管网隔绝的采暖系统如图4-7所示。

当室外热力管网的压力低于高层建筑静水压力时，上层采暖系统可单独增设加压水泵，把水输送到高层采暖系统中去，如图4-8所示。

图4-7　高层建筑分区采暖系统

1.热交换器；2.循环水泵；3.膨胀水箱

图4-8　高层建筑高区单水箱采暖系统

1.加压水泵；2.回水箱；3.信号管；4.回水箱溢流管

在设置加压泵时，要注意选用散热器的承压能力应大于高层建筑整个采暖系统所产生的静水压力。加压泵可以设置在底层系统入口处，也可设置在建筑物中间层的设备层内。按层分区垂直式热水采暖系统中各区系统包括的楼层数目较少，可防止垂直失调。

2.水平双线单管热水采暖系统

图4-9a为水平双线单管热水采暖系统形式示意图。这种系统能够分层调节，也可以在每一个环路上设置节流孔板、调节阀来保证各环路中的热水流量。

3.垂直双线单管采暖系统

垂直双线单管采暖系统的形式及构成如图4-9b所示。垂直双线单管采暖系统是由形单管式立管组成。此系统的散热器通常采用蛇形管式或辐射板式。它克服了高层建筑容易产生的垂直失调，但这种系统立管阻力小，容易引起水平失调，它通常可在每个单管的回水立管上设置孔板，或者采用同程式系统来消除水平失调现象。

图4-9　双线式热水采暖系统

1.供水干管；2.回水干管；3.双线立管；4.双向水平管；5.散热设备；6.节流孔板；7.调节阀；8.截止阀；9.排水阀

4.单、双管混合系统

单、双管混合式热水采暖系统是将高层建筑中的散热器沿垂直方向，每2～3层分为一组；在每一组内采用双管系统形式，而各组之间用单管连接，即组成了单、双管混合式系统，示意图如题4-10。

这种系统不仅能防止楼层过多时双管系统所产生的垂直水力失调现象，还能防止单管系统难以对散热器进行单个调节的缺点。

图4-10　高层建筑单双管混合式采暖系统