一次/二次系统在现代化供暖方式上的运用The Application of Primary/Secondary Systems in Modern Hydronic Heating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 / 二次系统示意图二次环路二次循环泵紧凑型三通一次循环泵一次环路图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。 A点到B点的压力损失导流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。更高压力 更低压力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2 A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。二供一次环路对所有的一次/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)。二次回水管紧凑型三通可垂直、水平、或反向安装紧凑型三通没有流动制图用两个点表示紧凑型三通紧凑型三通图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。回水止回阀一次环路一次循环泵供水止回阀带止回阀的循环泵（供水端）下悬式热力曲颈管在安装一次/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。供水止回阀（回水由热力下悬自然防止回流）回水止回阀低于一次环路的二次环路 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。高温水二次环路中温水二次环路一次环路低温水二次环路图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。跨越管紧凑型三通二次环路预留接口一次环路平衡阀图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。储热水箱图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。储热水箱图9 储热式水箱与一次环路并联安装方式防止水箱热水被动迁移到一次环路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