一次二次系统.docx

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一次二次系统

一次/二次系统在现代化供暖方式上的运用

TheApplicationofPrimary/SecondarySystemsinModernHydronicHeating

概述：

本章介绍了一次/二次系统在供暖系统上的作用和优点，其设计、安装及使用方法，以及实现一次/二次系统必不可少的元件。

关键词：

一次环路，二次环路，水力分压，紧凑型三通，水力分压器，水力分压型集分水器。

1，一次/二次系统

1.1简介

一次/二次系统的概念起源于20世纪50年代,直到80年代它一直运用于大型的商用供暖或制冷系统。

随着近年住宅的档次提高、用户对供暖方式的多样化及舒适节能程度更高的要求，敦促设计者研究更加灵活，功能范围更广的系统。

为了满足上述需求，一次/二次系统的基本理念得到了运用并进行调整，新型住宅及小型商用建筑供暖系统上加入了现代化的控制元件。

研究开发出来的非常丰富的布管技术成为当今最先进的多个负荷/多种温度系统的支柱。

图1一次/二次系统示意图

图1是一个一次/二次系统简单的示意图：

图1中下部分的循环系统称为一次环路，它的作用是将加热的水输送到环路的一个或多个地方，把一部分热水‘转交’给图1中上部分的二次环路。

在一次环路上通常有两个或更多的二次环路。

二次环路能适合于众多不同的热负荷，如散热器采暖、辐射地板采暖、热水储热罐、风机盘管、融雪等等。

这些不同的热负荷往往都根据自己所在区域的热需求独立运行。

当一个或多个二次环路运行时，一次环路的水泵必须一直运行。

一次/二次系统布管结构的意图在于将一次系统循环泵产生的压差与任何二次系统循环泵产生的压差‘脱钩’。

这种方式能让每个二次系统独立地开关而不会影响到其它二次系统的流量，或一次系统的流量。

就好比系统上每一个循环泵都‘想象’自己身处于一个完全隔绝的系统，它没有‘意识’到系统里还有其它的环路和循环泵的存在。

这种运行方式相当理想，因为它能让所有环路稳定运行，同时消除了不同循环泵之间相互干扰的可能性。

这种多台循环泵同时和谐运行的方式在以前介绍过的系统诸如单管注流、双管、同程系统中都是不能完全达到的。

为了更好理解为什么一次/二次系统能解除每个环路的水动力的连接（或者叫去耦），请参考图2，当水在图2中的下部分环路循环时，两个三通的连接点A和B之间会产生一定的压力损失。

由于A点的压力大于B点，因此在图2中的上部分环路之间由于压力差产生了从A到B的吸入流动。

A点到B点的压力损失大小取决于两个三通之间的长度、管径以及它们之间的流量。

假如两个三通相隔的距离在1米以内，其两点之间的压力损失相对很小。

如此小的压差所导入的水流有可能没有能力带动这个环路的热负荷。

然而，经验表明，即便很小的流量也会带来足够的热量导致所在区域在停止供暖或气候温暖的情况下被动过热。

图2A点到B点的压差导致水的流动

减小导流可能性的一个办法便是让两个三通之间的压力损失尽可能小。

这通过将两个三通紧凑地安装在一起来实现，如图3所示。

由于两个三通之间的压差近乎为零，一次系统的水不会被导入二次系统。

当二次系统设计的热负荷有需求时，其自身的循环泵运行提供其循环所需的压差。

对所有的一次/二次系统来说，紧凑型三通的运用可以大大减小二次系统的导流发生。

其一准则是两个三通的中心距不能超过一次系统管径的4倍。

同时为了避免紧凑型三通的上下游形成湍流，还需要将紧凑型三通安装在距上一个紧凑型三通4倍于管径的直线距离以上的下游部分，下一个紧凑型三通8倍于管径的直线距离以上的上游部分（见图4）。

图3在紧凑型三通之间压损极小的情况下二次系统不会流动

图4紧凑型三通的安装方式

1.2防止热水被动迁移

在一次/二次系统中需要防止热水被动迁移并流过没有运行的二次系统（即二次系统的循环泵没有开启时）。

有两个导致热水被动迁移并流过二次系统的因素：

1，当二次系统在一次系统的上面时，密度更轻的热水从供水端上升，密度更大的冷水从回水端下降形成环路流动。

2，尽管两个紧凑安装的三通之间几乎没有压力损失，但事实上并非为零。

因此，一次/二次系统里二次环路上的供水及回水部分必须采取措施防止热水在水泵关闭时的迁移。

图5列出了几种防止热水被动迁移到不工作时的二次系统的方式。

一种方法是在二次系统的供回水部分均安装止回阀，止回阀的开启压力约为2kPa，这就足以防止二次系统由于水的密度差异造成的流动。

弹簧式阀芯的止回阀很适合于这种情况。

其它两种方法只涉及到二次系统的回水部分。

一是在回水端安装至少5米长的下悬式热力曲颈管，因为热水‘想’上升而不是下降，这种方式‘打消’了热水向二次系统回水管迁移的‘念头’；另外一个办法是在回水管上安装旋启式止回阀。

需要注意的是这两种方法只能避免热水进入二次系统的回水部分，而不能防止热水上升到二次系统的供水部分。

在安装一次/二次系统的设备间里，尽量将一次环路的位置安装高于二次环路，这是非常有意义的。

尽管二次环路的管道从设备间出来后会高于一次环路，但自然形成的U型热力曲颈管则能有效防止热水被动的迁移。

图5防止热水被动迁移到非工作状态的二次系统的各种措施

1.3串联式一次环路

目前最普遍的一次/二次系统的安装方式是将二次环路延一次环路串联，如图6所示。

这种安装方式通常被称为串联式一次环路。

一次环路

图6串联式一次环路系统图示。

需要更高水温运行的二次环路安装在一次环路的前端，低温运行的二次环路安装在后端。

当二次系统各环路的运行水温相差很大时，串联式一次环路很理想。

比如，一个二次环路需要提供翼翅式散热器相对更高的水温，一个需要提供板式散热器中等的水温，另外一个需要通过混合装置提供低温辐射地板采暖系统更低的水温。

1.4并联式一次环路

当二次系统的各个环路需要相等的水温时，最好使用并联式一次环路，如图7所示。

一次系统的环路上安装了跨越管，在每个跨越管上通过紧凑型三通连接二次环路。

通过这种方式保障了到达每一个二次环路的水温一致。

每个跨越管上应该安装一个平衡阀用于平衡跨越管之间的流量。

并联式一次环路最早用于制冷系统，因为各二次环路空气处理器工作水温差别不大。

但在供暖系统上它同样有效，特别是针对低温供暖系统。

图7并联式一次环路图示。

每个二次环路的供水温度相等

1.5一次环路水泵选型

上面曾经说到，在一次/二次系统里面，每个水泵就如同安装在完全隔绝的环路里。

一次系统的水泵不会帮助水流通过任何二次系统，反之亦然。

一次系统水泵只负责将热源的热水按设计的温差延环路输送，热水到了与二次系统连接的地方被二次系统‘取走’而已。

与常规思路设计的系统相反，一次系统的水泵不必是系统最大的水泵，有可能它是系统里最小的水泵！

一次系统的流量不需要等于或大于所有二次系统的流量总和。

一次系统水泵的选型可按以下公式：

G=Q/△T

其中:

G=一次系统设计流量（升/每小时）

Q=热源输出热量（千卡/每小时）

△T=温差（℃）

范例:

一次系统上的锅炉设计输出热量为27,000千卡/每小时,设计温差为15℃,计算一次环路的设计流量。

计算:

运用公式1:

G=Q/△T,G=27,000/15=1800升/每小时。

一旦一次系统的流量计算出来，就可以选择一次环路的管径。

将一次环路的控制元件的阻力及管道的阻力相加就得出了一次系统的阻力总和。

在已知流量和阻力的情况下则可以根据流量曲线图选择适合的水泵。

1.6一次/二次系统的储热式水箱

在一次/二次系统上连接储热式水箱有两个基本的方式：

1，作为二次环路的连接。

2，作为一次环路的并联环路。

在第一种情况，作为二次环路连接时，应该将储热水箱的环路安装在一次环路的起始端。

这样能让系统最热的水流过储热水箱的热交换器迅速提高生活热水温度，见示意图8。

图8储热水箱在一次/二次系统上的二次环路连接方式

这种将储热水箱靠近锅炉的连接方式非常合适，因为一次环路短，易于保温。

它的目的是减少一次环路的热损失。

如果一次环路长或者没有保温，其热损失大而且会造成建筑物内局部过热。

同时，在储热水箱所在的二次环路上安装止回阀也至关重要，它能防止水箱被动加热和水箱的热量迁移损失。

如果没有止回阀，当一次环路在提供其它环路热水时，部分热水可能慢慢迁移到储热水箱的换热器导致水箱水温过高；另外一种情况是，当一次环路及二次环路的水泵没有运行时，水箱的热量使换热器里的热水倒流，带走水箱的热量及被动加热其它区域。

最后需要注意的是，跟其它一次/二次系统一样，当储热水箱工作时，一次环路的水泵及其所在的二次环路的水泵都需要开启，这样才能加热储热水箱。

图9表示了储热水箱与一次环路并联安装的情况。

通过这种方式，在储热水箱加热时，一次环路的水泵无须开启。

这样也减少了热损失，因为加热储热水箱时，一次系统的水不用整个循环起来。

由于储热水箱环路与一次环路并联安装，因此需要在每个环路上安装止回阀防止单方工作时出现倒流。

止回阀同时防止锅炉热量被动迁移到非工作环路。

就以上所说的两种连接方式，本文作者倾向于后一种。

图9储热式水箱与一次环路并联安装方式

1.7二次系统的注水措施

在紧凑型三通的一次/二次系统进行注水、清洗、排污时，一次系统的水不会注入二次系统。

解决的办法是在每一个二次环路的回水端上单独安装一个排水装置，排水装置由一个球阀和排水阀组成，这在前面几个示意图里面都能看到。

在一次系统注水时，关闭二次环路回水端的球阀，打开排水阀，一次系统注水的压力才能将二次系统的空气从排水阀里排除，把二次系统注满水。

同样的道理适合于系统的清洗及排污。

同样，在一次环路上也需要相应的排水装置。

对于较大的系统，则需要使用全通径的球阀及排水阀一体的排水装置。

1.8一次/二次系统的反向水流

在一次/二次系统里，二次环路的流量可能等于或者大于一次系统的流量。

当一次流量等于二次流量时，在紧凑型三通之间没有水流动；当二次流量大于一次流量时，紧凑型三通之间的水反向流动，如图10所示。

当三通之间的反向流动产生时，进入二次系统的水温取决于三通前面热水和二次系统回水的比例，它的温度可以通过公式2计算：

T3=[T1XG1+T2X（G2-G1）]/G2

其中：

T3=二次系统供水温度（℃）

T1=一次系统供水温度（℃）

T2=二次系统回水温度（℃）

G1=一次系统流量（升/每小时）

G2=二次系统流量（升/每小时）

图10二次流量大于一次流量的反向水流示意图

范例：

见图11，计算二次系统的供水温度、一次系统的输出热量及辐射采暖二次系统的热量。

计算：

T3（二次系统供水温度）=[T1XG1+T2X（G2-G1）]/G2=[80X100+40X（400-100）]/400=50℃

Q1（二次系统热量）=（80-40）X100=4000kcal/h

Q2（一次系统热量）=（50-40）X400=4000kcal/h

从以上计算可以看出，二次辐射地板采暖系统的热量等于一次系统输出的热量。

这完全符合热力学的第一定律（即能量在其转换过程中不会被创造也不会消失）。

这个定律同样适合于进入第一个三通的流量等于流出第二个三通的流量。

这些基本的概念对于水暖系统温度及流量的转换至关重要。

同样值得注意的是，当二次流量大于一次流量时，二次系统的回水温度等于一次系统回水温度，而范例中40℃的回水温度对传统的锅炉显然会造成冷凝。

在这种情况下需要增加防冷凝管等相应措施提高回水温度。

1.9一次环路的铺设选择

串联及并联式一次环路都具有可长或可短铺设的灵活性。

比如说，一次环路可以铺设在锅炉附近，总长度2-5米。

在这种情况下，一次环路上需要安装一些设备及紧凑型三通的安装距离要求受到了限制。

另外一种方法是将一次环路沿整个建筑物内铺设，二次环路只在其所处区域内与一次环路连接。

在这种方式下，一次环路管道需要很好的保温以防止热量的损失。

1.10二次环路的铺设选择

几乎所有的可以直接与锅炉或其它热源连接的环路都能与一次环路通过紧凑型三通连接，其连接图示见图12。

从图上可以看出，二次系统可以是一个串联系统、双管系统、同程系统、三通/四通混合低温系统、变频泵注流系统。

图12各种供暖方式作为二次系统与一次系统通过紧凑型三通连接

2，水力分压器

以上所介绍的运用紧凑型三通的一次/二次系统在实际安装中有诸多困难。

90年代末，意大利一些公司研究开发出了与紧凑型三通原理相同的组装完好的成熟产品，见示意图13，14。

图13水力分压器剖面示意图一次水流方向相对图14水力分压器

于紧凑型三通做了90°旋转

它实际上是从紧凑型三通演变而来：

将一次环路的供回水做90°旋转，其水流方向从以前的一次

/二次垂直方向变成了水平方向。

这种产品被称作水力分压器（或耦合罐）。

以下是水力分压器在一次/二次系统上各种情况下流量及温度的情况。

图15一次流量等于二次流量，一次供水温度等于二次供水温度，一次回水温度等于二次回水温度。

第一种情况（图15），即一次流量等于二次流量时，水力分压器中间部分的水没有任何混合或流动，一次系统的流量完全经过二次系统回到一次系统中。

水力分压器不会改变供回水的温度。

图16一次流量小于二次流量，一次供水温度大于二次供水温度，一次回水温度等于二次回水温度。

第二种情况（图16），一次流量小于二次流量，水力分压器中间一部分一次供水与二次回水相混合流到二次系统。

这时，一次回水温度等于二次回水温度T2=T4，一次供水温度大于二次供水温度T1﹥T3。

如果计算二次环路最高供水温度T3，可根据以下数据计算：

T1一次环路供水温度，℃

G一次一次环路流量，升/每小时

G二次二次环路流量，升/每小时

Q系统热量，千卡/每小时

1，一次环路温差：

△T一次=Q/G一次

2，二次环路温差：

△T二次=Q/G二次

3，锅炉回水温度：

T2=T1-△T一次

4，二次环路最高供水温度：

T3=T4+△T二次=T2+△T二次

图17一次流量大于二次流量，一次供水温度等于二次供水温度，一次回水温度小于二次回水温度。

第三种情况（图17），一次流量大于二次流量，水力分压器中间一部分一次供水与二次回水相混合回到一次系统。

这时，一次供水温度等于二次供水温度T1=T3，一次回水温度大于二次回水温度T2﹥T4。

如果计算锅炉回水温度T2，可根据以下数据计算：

T1一次环路供水温度，℃

G一次一次环路流量，升/每小时

Q系统热量，千卡/每小时

1，一次环路温差：

△T一次=Q/G一次

2，锅炉回水温度：

T2=T1-△T一次

为了防止锅炉回水温度过低造成锅炉冷凝，可以按设定的回水温度计算一次环路的流量：

T1一次环路供水温度，℃

T2一次环路回水温度，℃

Q系统热量，千卡/每小时

1，一次环路温差计算：

△T一次=T1–T2

2，在此基础上计算所需流量：

G一次=Q/△T一次

范例:

图18为一个运用了水力分压器的一次/二次系统，根据图中提供的数据计算二次系统供水温度：

图18一次/二次系统计算范例图示

-T1=80℃（一次热水水温）

-每台锅炉特征

Qc=27,000千卡/每小时Gc=1,600升/每小时（水泵最大流量）

-储水换热循环系统特征

Qb=22,000千卡/每小时（热量）Gb=2,200升/每小时）

-散热器循环系统特征

Qr=6,000千卡/每小时（热量）Gr=600升/每小时

-空气预热循环系统特征

Qa=22,000千卡/每小时（热量）Ga=4,400升/每小时

-风机盘管循环系统特征

Qv=27,000千卡/每小时（热量）Gv=5,400升/每小时

计算步骤

首先计算需求总热量,一次循环水流量及二次循环水流量。

然后进入以下章节：

一次循环水量小于二次循环水量。

系统总热量：

将每一路循环系统的热量相加：

Q=Qb+Qr+Qa+Qv=77,000千卡/每小时

一次循环水量：

假设锅炉与分水器之间连接的循环系统压力损失小（比如延长压力损失为:

r=5毫米水柱/每米）,根据以上假设,一次循环水量为所有锅炉的水泵可提供最大流量总和,由此得出:

G一次=3X1,600=4,800升/每小时

二次循环水量：

将二次循环每一路循环水的流量相加:

G二次=Gb+Gr+Gv+Ga=12,600升/每小时

一次水及二次水温差：

△T一次=Q/G一次=77,000/4,800=16℃

△T二次=Q/G二次=77,000/12,600=6℃

一次回水温度：

T2=T1-△T一次=80-16=64℃

二次供水温度：

T3=T4+△T二次=T2+△T二次

T3=64+6=70℃

这个温度即是设计储水热水器盘管,散热器,风机盘管及空气预热机组所需最高水温的基础。

图19范例计算出的一次/二次系统温度及流量数据图示

水力分压器在采暖及制冷上的运用图示请参考图20，21。

图20水力分压器在模块式锅炉供暖系统上的冬季运行图示二次环路分别为储热水箱、散热器采暖、空气预热、风机盘管系统

图21水力分压器在模块式锅炉/制冷机系统上的夏季运行图示二次环路分别为储热水箱、散热器采暖（停止运行）、空气除湿、风机盘管系统

3，水力分压型集分水器

水力分压器的运用成功地实现了一次/二次系统，将供暖发展为多区域多功能多种水温的混合系统。

如图22所示，这是一个运用了水力分压器的落地锅炉供暖方式，水力分压器后面的集分水器将供暖分为4个二次环路，每个环路都具备自己的循环泵，水力分压器的运用保证了每个二次环路及一次环路的水泵不会相互影响。

但是在住宅或小型商业建筑里使用类似的系统在实际操作中会有以下缺陷：

体积过大：

在锅炉与集分水器之间安装水力分压器占据很大的空间。

安装困难：

系统安装时有许多需要焊接的地方，而实际空间往往过于局限，不能轻易完成上述工作。

隔热处理困难：

如果没有专业公司安装，处理锅炉、水力分压器的隔热非常困难。

不够美观：

安装的复杂程度和隔热处理使系统外观较难看，尤其是安装在居室内更不协调。

桑拿效应：

在安装锅炉的区域内如果没有对管道、集分水器进行隔热处理，会使区域温度过高。

图22运用水力分压器的落地锅炉供暖系统

基于上述缺点，意大利一些公司研发出了将水力分压器和集分水器结合为一体的水力分压型集分水器，如图23所示，通过尺寸对比看出，其体积远远小于水力分压器和传统的集分水器组合的尺寸。

水力分压型集分水器的左侧为一次/二次系统交汇的区域，由于它与集分水器的供回水连接口为紧凑型三通的原理，所以在左侧混合舱内压差近乎为零。

水力分压型集分水器为并联式一次环路方式，所以到每个二次环路的水温相等。

集分水器部分较大的截面面积和每个接口之间较短的距离保证了每个二次环路在分水器部分几乎没有压力

损失。

图23传统方式与分压型集分水器2+2的对比

水力分压型集分水器可以安装在相应的箱体内嵌墙式安装，这样大大减少了安装空间。

如图24所示。

水力分压型集分水器的运用为中小型住宅提供了最佳的现代化分区域多功能供暖方案，图25-28为其不同的运用图示。

总结

一次/二次系统是现代化供暖方式的基础，通过它才能实现不同水温的多种供暖方式在工作时不会相互影响，实现不同区域的独立控制，最终达到供暖的舒适、节能、自动化。

水力分压器、水力分压型集分水器是实现一次/二次系统理想的解决方案。

图24水力分压型集分水器的嵌墙式安装示意图

图25运用壁挂炉供暖及嵌入式水力分压型集分水器2+1的系统

图26运用集中供暖及嵌入式水力分压型集分水器2+1的系统

图27运用落地锅炉供暖及嵌入式水力分压型集分水器2+2的系统

图28运用落地锅炉供暖及嵌入式水力分压型集分水器2+2的系统，带储热水箱二次系统

参考文献:

ModernHydronicHeatingforresidentialandlightcommercialBuildings—作者:

JohnSiegenthaler（美国）

Caleffi-IdralulicaN.17–作者:

MarioDoninelli,MarcoDoninelli（意大利）

Caleffi-IdralulicaN.18–作者:

MarioDoninelli,MarcoDoninelli（意大利）

Caleffi-IdralulicaN.20–作者:

MarioDoninelli,MarcoDoninelli（意大利）

Caleffi-Leretididistribuzione–作者:

MarioDoninelli（意大利）

（注：

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