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[摘 要]针对小区供热系统普遍存在的冷热不均、管网失调等问题进行分析，并简要介绍了智能水力自控管网恒温调节器的工作原理、作用，以及本作品的创新点与先进性。
[关键词]供暖系统；冷热不均；恒温调节
中图分类号：TU995 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）31-0342-01
引言
数据显示，在我国能源消耗的结构中，城市供热占了绝大比重。除了工业企业是第一大热用户（占据高达70.1%）外，居民则占了29.9%是热力需求的另外一大热用户。随着经济的发展，人民生活水平提高，供暖系统带给人们许多便利但温度失衡、流量无法监控、能源浪费等问题也随之出现。本文就智能水力恒温调节器原理以及在供暖系统中的应用进行详细阐述。
1 住宅供暖系统现状以及存在的问题
1.1 供暖系统现状
现阶段我国大部分集中供热系统通常采用单管串联方式，由于系统简单、施工方便、造价低等优点被广泛采用。
1.2 存在的问题
这种供热系统因为设计、施工等原因且基本不具备末端调节手段当系统工况发生变化时无法自主调节流量，常常会出现水力失调、二次管网失水严重等问题。水力失调进而导致室内温度波动，冷热不均现象随之出现。主要表现在某些房间过热，需要开窗开门散热，然而有的房间过冷达不到设计温度。虽然在供暖系统中采取了一系列措施如：平衡阀的应用、外网的孔板节流等。但这些措施也只能在一定程度上缓解水力失调现象，无法从根本上解决问题。也有不少供热企业采用“大流量，小温差”的運行方式即加大系统循环水量来保证供热质量，这样做虽然可以改善部分房间供热不足的问题，但无疑会使得原本过热或温度适中的房间供热量偏大，造成许多不必要的浪费。
2 智能水力自控管网恒温调节器的装置设计
冷热不均是由于各房间所在支路的水流因管道的错综复杂而产生流速差异，从而使散热器在相同时间内的放热不同，导致了各房间的供暖温度有所差异。本作品的设计理念：在管网内分叉节点安装调节叶片，以此调节节点水管内水流流速达到自动化，当水流达到设计所要求流速时使其通过散热器，以此来控制其在散热器内的停留时间，从而改善冷热不均的问题。
由于现实中家庭单位的供暖网络过大，不利于实验和展示，该作品以比例缩小后的模型作为展示平台，其包括叶轮模型部分，散热器模型部分作品设置实验组和对照组，包含叶轮模型的为实验组，不包含的为对照组。通过对比接通管路后两个房屋模型各房间一定时间间隔下累计温差，直接体现装置的控温效果。
2.1 叶轮设计
1）前中期设计
作品的叶轮模型以刚性叶轮验证初始思路，叶片衍生出两种方案，一种是四叶片型，一种是三叶片型，其形式是附于8管道内的刚性叶片，转轴垂直于管道壁位于管路横截面中间位置。其在水流冲击下叶片转动后会对水流产生反作用力，叶轮对水流阻力与水流流速成正比，以此达到遏制过快流速的效果，具体技术原理与下文远期设计中所示类似。
2）远期设计
作品的远期叶轮设计是以柔性材料为基础的，叶轮在水流的冲击下产生转动。根据公式流体力学知识：水流对叶轮的冲击力F=ρQΔv，由此可知，水流流速变大，水流对叶轮的冲击力就越大，从而提高叶轮转速，叶片所受到的离心力就越大，达到某一程度时，叶片就会向外伸展，由于阻力增大，局部水头损失也会加大，使得水流流速下降。水流流速下降后，叶轮的转速也会下降，离心力变小叶片就会收缩，局部水头损失减小，流量增大……如此循环往复，最终水流便能达到设计流速，处于动态平衡。
3）连接设计
叶轮所在管道为活接管道，其长度极短，以与活接头固定方式组成可拆卸装置，方便安装。
2.2 散热器设计
散热器与其他传统散热器相比，内部拥有曲折回路，可以最大化水流流动路径，使散热更加均匀。
3 智能水力自控管网恒温调节器的创新点与先进性
3.1 创新点
3.1.1 实现了用叶轮装置调节水流流速的方法
柔性材料由于其自身的特性可以与流速相互抑制，最终达到动态平衡实现水流流速的调节，连续性好。
3.1.2 提出了供暖系统对室内恒温调节的技术
目前供暖管网中，由于每个用户各个房间散热器安装位置不同，管道布置的路径就不同，导致了每个散热器进水管内水流流速不均，继而产生了各个独立房间供暖温度不均匀。本作品提出了室内恒温的设想，并利用叶轮装置的转动进行调节。
3.1.3 提出了柔性材料在供暖系统中的应用
本作品巧妙地充分利用智能水力自控管网恒温调节器，调节器主要是由自动随管内水流转动的四片惯性转轮组成，创新点在于特殊的柔性材料设计，使得叶轮装置在工作中能够更加流畅的转动，从而达到调节水流流速和室内温度的目的。
3.2 先进性
1）联动与反馈
本作品很巧妙地实现了单个房间内的自动反馈调节与多个房间内的联动效应的有机结合，作品的各个部分相互连接，相互影响，构成一个整体，处于动态平衡状态。
2）简易简便
本作品通过在管网内分叉节点安装调节叶片，使水流流速达到自动化，从而改善冷热不均的问题。与传统方法相比，不必再增设二级循环泵。在改造时也不需要大面积进行更换，只需安装一个水力恒温调节器即可，因而在实际改造过程中对现有管路的改动微乎其微，连接安装十分方便，减少工作量的同时也降低了系统改造难度。
3）节能减排
本作品不依赖额外动力源，只依靠材料特性和形状特性调节水流流速，噪音和能耗都几乎为零。优化了的水流流速可以更充分地利用热能，减少热损失，提高能源利用率，降低系统能耗。
4）易于推广
相比现行某些解决方案需要复杂的机械或电子控制系统，本产品体积较小既不需要大规模拆装管道，又可以同其他管道配件一样可以做到系列化、标准化生产，安装简便且成本低廉，实际推广较为容易。
结束语
降低供暖温差提升系统效率为该作品之努力方向和根本目的，期以该作品一系列综合功效解决现存的供暖管路压差失衡、供暖支路温差过大等问题，其直接作用是提升整个供暖系统的供热效率。通过作品自动反馈和自动联动调节原理，供暖管路的压差平衡和流速平衡得以恢复，供暖系统设计之初的温度值方可达到，由此才能提升供暖系统效率，改善用户体验。该作品在提升供暖系统效率的同时必然会带来能耗的降低，且不依赖额外动力源，只依靠材料特性和形状特性调节水流流速，噪音和能耗都几乎为零。具有良好的市场前景与经济效益。
参考文献
[1] 高晨光，李朝英.供热管网的动态平衡与节能[J].内蒙古科技与经济，2008，（23）：115-117.
[2] 李云飞，热水集中供暖系统常见问题及解决方法[J].建筑科学，2017，（11）：261-262.
[3] 蒋艳，生活小区供暖系统的问题及对策[J].工业安全与环保，2008，（1）：60-61.
[关键词]供暖系统；冷热不均；恒温调节
中图分类号：TU995 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）31-0342-01
引言
数据显示，在我国能源消耗的结构中，城市供热占了绝大比重。除了工业企业是第一大热用户（占据高达70.1%）外，居民则占了29.9%是热力需求的另外一大热用户。随着经济的发展，人民生活水平提高，供暖系统带给人们许多便利但温度失衡、流量无法监控、能源浪费等问题也随之出现。本文就智能水力恒温调节器原理以及在供暖系统中的应用进行详细阐述。
1 住宅供暖系统现状以及存在的问题
1.1 供暖系统现状
现阶段我国大部分集中供热系统通常采用单管串联方式，由于系统简单、施工方便、造价低等优点被广泛采用。
1.2 存在的问题
这种供热系统因为设计、施工等原因且基本不具备末端调节手段当系统工况发生变化时无法自主调节流量，常常会出现水力失调、二次管网失水严重等问题。水力失调进而导致室内温度波动，冷热不均现象随之出现。主要表现在某些房间过热，需要开窗开门散热，然而有的房间过冷达不到设计温度。虽然在供暖系统中采取了一系列措施如：平衡阀的应用、外网的孔板节流等。但这些措施也只能在一定程度上缓解水力失调现象，无法从根本上解决问题。也有不少供热企业采用“大流量，小温差”的運行方式即加大系统循环水量来保证供热质量，这样做虽然可以改善部分房间供热不足的问题，但无疑会使得原本过热或温度适中的房间供热量偏大，造成许多不必要的浪费。
2 智能水力自控管网恒温调节器的装置设计
冷热不均是由于各房间所在支路的水流因管道的错综复杂而产生流速差异，从而使散热器在相同时间内的放热不同，导致了各房间的供暖温度有所差异。本作品的设计理念：在管网内分叉节点安装调节叶片，以此调节节点水管内水流流速达到自动化，当水流达到设计所要求流速时使其通过散热器，以此来控制其在散热器内的停留时间，从而改善冷热不均的问题。
由于现实中家庭单位的供暖网络过大，不利于实验和展示，该作品以比例缩小后的模型作为展示平台，其包括叶轮模型部分，散热器模型部分作品设置实验组和对照组，包含叶轮模型的为实验组，不包含的为对照组。通过对比接通管路后两个房屋模型各房间一定时间间隔下累计温差，直接体现装置的控温效果。
2.1 叶轮设计
1）前中期设计
作品的叶轮模型以刚性叶轮验证初始思路，叶片衍生出两种方案，一种是四叶片型，一种是三叶片型，其形式是附于8管道内的刚性叶片，转轴垂直于管道壁位于管路横截面中间位置。其在水流冲击下叶片转动后会对水流产生反作用力，叶轮对水流阻力与水流流速成正比，以此达到遏制过快流速的效果，具体技术原理与下文远期设计中所示类似。
2）远期设计
作品的远期叶轮设计是以柔性材料为基础的，叶轮在水流的冲击下产生转动。根据公式流体力学知识：水流对叶轮的冲击力F=ρQΔv，由此可知，水流流速变大，水流对叶轮的冲击力就越大，从而提高叶轮转速，叶片所受到的离心力就越大，达到某一程度时，叶片就会向外伸展，由于阻力增大，局部水头损失也会加大，使得水流流速下降。水流流速下降后，叶轮的转速也会下降，离心力变小叶片就会收缩，局部水头损失减小，流量增大……如此循环往复，最终水流便能达到设计流速，处于动态平衡。
3）连接设计
叶轮所在管道为活接管道，其长度极短，以与活接头固定方式组成可拆卸装置，方便安装。
2.2 散热器设计
散热器与其他传统散热器相比，内部拥有曲折回路，可以最大化水流流动路径，使散热更加均匀。
3 智能水力自控管网恒温调节器的创新点与先进性
3.1 创新点
3.1.1 实现了用叶轮装置调节水流流速的方法
柔性材料由于其自身的特性可以与流速相互抑制，最终达到动态平衡实现水流流速的调节，连续性好。
3.1.2 提出了供暖系统对室内恒温调节的技术
目前供暖管网中，由于每个用户各个房间散热器安装位置不同，管道布置的路径就不同，导致了每个散热器进水管内水流流速不均，继而产生了各个独立房间供暖温度不均匀。本作品提出了室内恒温的设想，并利用叶轮装置的转动进行调节。
3.1.3 提出了柔性材料在供暖系统中的应用
本作品巧妙地充分利用智能水力自控管网恒温调节器，调节器主要是由自动随管内水流转动的四片惯性转轮组成，创新点在于特殊的柔性材料设计，使得叶轮装置在工作中能够更加流畅的转动，从而达到调节水流流速和室内温度的目的。
3.2 先进性
1）联动与反馈
本作品很巧妙地实现了单个房间内的自动反馈调节与多个房间内的联动效应的有机结合，作品的各个部分相互连接，相互影响，构成一个整体，处于动态平衡状态。
2）简易简便
本作品通过在管网内分叉节点安装调节叶片，使水流流速达到自动化，从而改善冷热不均的问题。与传统方法相比，不必再增设二级循环泵。在改造时也不需要大面积进行更换，只需安装一个水力恒温调节器即可，因而在实际改造过程中对现有管路的改动微乎其微，连接安装十分方便，减少工作量的同时也降低了系统改造难度。
3）节能减排
本作品不依赖额外动力源，只依靠材料特性和形状特性调节水流流速，噪音和能耗都几乎为零。优化了的水流流速可以更充分地利用热能，减少热损失，提高能源利用率，降低系统能耗。
4）易于推广
相比现行某些解决方案需要复杂的机械或电子控制系统，本产品体积较小既不需要大规模拆装管道，又可以同其他管道配件一样可以做到系列化、标准化生产，安装简便且成本低廉，实际推广较为容易。
结束语
降低供暖温差提升系统效率为该作品之努力方向和根本目的，期以该作品一系列综合功效解决现存的供暖管路压差失衡、供暖支路温差过大等问题，其直接作用是提升整个供暖系统的供热效率。通过作品自动反馈和自动联动调节原理，供暖管路的压差平衡和流速平衡得以恢复，供暖系统设计之初的温度值方可达到，由此才能提升供暖系统效率，改善用户体验。该作品在提升供暖系统效率的同时必然会带来能耗的降低，且不依赖额外动力源，只依靠材料特性和形状特性调节水流流速，噪音和能耗都几乎为零。具有良好的市场前景与经济效益。
参考文献
[1] 高晨光，李朝英.供热管网的动态平衡与节能[J].内蒙古科技与经济，2008，（23）：115-117.
[2] 李云飞，热水集中供暖系统常见问题及解决方法[J].建筑科学，2017，（11）：261-262.
[3] 蒋艳，生活小区供暖系统的问题及对策[J].工业安全与环保，2008，（1）：60-61.