供暖系統(tǒng)散熱面積偏大及其影響

PAGEPAGE7刊于《建筑設(shè)備》1988年1期供暖系統(tǒng)散熱面積偏大及其影響北京市建筑設(shè)計(jì)院張錫虎一、值得重視的一種普遍現(xiàn)象供暖系統(tǒng)中散熱面積偏大，是較為普遍的現(xiàn)象。北京地區(qū)室外采暖計(jì)算溫度為-9℃，在此條件下供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水溫為：供水95℃，回水70℃。根據(jù)多年以來運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)室外溫度到達(dá)-9℃時(shí)，保證室內(nèi)溫度18℃，小區(qū)集中鍋爐房的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)一般只要70～55℃，只相當(dāng)于設(shè)計(jì)供熱量的70％。這并非水溫?zé)簧先?，而是沒有必要。北京市建筑設(shè)計(jì)院內(nèi)的城市熱網(wǎng)的熱交換站，在嚴(yán)寒期間，內(nèi)部供暖系統(tǒng)的運(yùn)行水溫最高為65～55℃，6萬多平方米的供暖建筑，室溫大部分可以達(dá)到18～20℃，只相當(dāng)于設(shè)計(jì)供熱量的60％。多年以來所實(shí)行的“低溫連續(xù)供暖”，住戶很舒適，也取得了明顯的節(jié)能效益。但是，從另一角度看，也說明了散熱器的利用效率是較低的。散熱面積偏大，除了浪費(fèi)金屬、提高建筑造價(jià)之外，對(duì)于供暖系統(tǒng)本身的均勻性，是有利還是不利？需要加以分析。五層及以上的建筑物，大多采用單管順序式供暖系統(tǒng)。北京市建筑設(shè)計(jì)院曾于1981年冬季，結(jié)合對(duì)高層建筑供暖系統(tǒng)熱工性能的調(diào)查，測(cè)定和分析了單管順序式供暖系統(tǒng)在垂直方向的室溫狀況，發(fā)現(xiàn)了如下規(guī)律：室溫隨水流動(dòng)方向遞減，上游室溫高、下游室溫低。上行下給式系統(tǒng)上層室溫高、底層室溫低。下行上給式系統(tǒng)則相反，底層室溫高、上層室溫低。其偏差的幅度，在流量正常、系統(tǒng)和運(yùn)行沒有特殊缺陷的情況下，一般為4℃左右。在有不保溫的干管在室內(nèi)通過的房間，則還要比相鄰的上下層房間高1～2℃甚至更多。由于單管順序式供暖系統(tǒng)房間的個(gè)別調(diào)節(jié)手段還不夠有效，勢(shì)必有一部分房間過熱，既不舒適，又浪費(fèi)能源。單管順序式供暖系統(tǒng)出現(xiàn)垂直方向溫度偏差的規(guī)律，廣大住戶似乎也深有所感。單管順序式系統(tǒng)沿垂直方向溫度偏差的主要原因，實(shí)際上是由于供暖系統(tǒng)中散熱面積偏大所造成的。具體的說，是由于水在流動(dòng)過程中的實(shí)際冷卻程度同計(jì)算溫降條件的差異。差異越大，垂直溫度偏差越大。因此，散熱面積偏大這種表面上看來似乎是提高設(shè)計(jì)安全度的因素，卻起到了使室溫均勻性變差的相反效果。二、散熱面積偏大對(duì)垂直溫度偏差的定量分析在單管順序式供暖系統(tǒng)中，當(dāng)各層散熱面積均勻增大的情況下，造成水流方向的室溫偏差，可作以下定量分析。設(shè)k、f為散熱器的傳熱系數(shù)和面積，K、F為房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)和面積。則散熱器放熱和房間熱損失的一般熱平衡方程，可以表達(dá)為下式：（1）或：（2）在既定條件下，（k·f）/（K·F）為常數(shù)，可用C來表示。如忽略水溫對(duì)散熱器傳熱系數(shù)k的影響，式（2）經(jīng)移項(xiàng)，可得室溫隨水溫變化的一般關(guān)系式為：（3）以六層系統(tǒng)為例，且近似認(rèn)為各層的熱量相等，沿垂直方向兩端房間的C值可根據(jù)式（2）求出：（4）（5）當(dāng)流量不變，散熱面積如增大了A倍，立管總溫降也會(huì)相應(yīng)增大A倍。這樣，上下游散熱器的平均水溫變化為：（6）（7）以散熱面積的不同增大倍數(shù)A值代入式（6）和式（7），可求得上、下游房間散熱器的平均水溫如表1：表1不同增大倍數(shù)A值對(duì)應(yīng)的上、下游散熱器的平均水溫A=1.3A=1.4A=1.5上游散熱器平均水水溫92.3℃92.1℃91.9℃下游散熱器平均水水溫65.2℃62.9℃60.6℃由于散熱面積的增大，使設(shè)計(jì)條件下的C值也相應(yīng)增大A倍，式（3）應(yīng)修正為：（8）將表1中的散熱器平均水溫代入式（8），可得上、下游房間的室溫及垂直溫差如表2。表2不同增大倍數(shù)A值對(duì)應(yīng)的上、下游房間室溫及垂直溫差A(yù)=1.3A=1.4A=1.5上游房間室溫23.3℃24.9℃26.4℃下游房間室溫20.2℃20.6℃20.8℃垂直溫差3.1℃4.3℃5.6℃從以上近似分析可見，散熱面積均勻增大30％～50％，足以引起3～5℃的垂直溫差。這與實(shí)際運(yùn)行情況的測(cè)定結(jié)果是一致的。三、引起散熱面積增大的主要因素供暖系統(tǒng)中散熱面積的偏大，有主觀上愿意把設(shè)計(jì)做得偏安全一些的原因，例如：圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失計(jì)算各項(xiàng)參數(shù)取值對(duì)不利因素考慮過多，而對(duì)有利因素忽略不計(jì)。但是，更多的是由于現(xiàn)行計(jì)算方法不夠完善以及系統(tǒng)應(yīng)變性較差所形成。在單管順序式系統(tǒng)溫降計(jì)算中，一般忽略了以下兩個(gè)實(shí)際情況：第一，管道散熱造成的溫降；第二，選擇散熱器的規(guī)格進(jìn)位使散熱面積增大造成的額外溫降。在理論計(jì)算時(shí)所忽略的以上兩點(diǎn)，實(shí)際上有較大的影響。第一，管道散熱。一個(gè)（3m左右開間）南向標(biāo)準(zhǔn)房間的計(jì)算熱負(fù)荷約為400～500kcal/h，而長(zhǎng)度3m、DN15管道平均散熱量為156kcal/h，要占房間計(jì)算熱負(fù)荷的35％。一個(gè)（3m左右開間）北向標(biāo)準(zhǔn)房間的計(jì)算熱負(fù)荷約為800～1000kcal/h，而長(zhǎng)度3m、DN20管道平均散熱量為196kcal/h，要占房間計(jì)算熱負(fù)荷的22％。第二，散熱器的規(guī)格進(jìn)位。以四柱813鑄鐵散熱器為例，取每片散熱量的1/3計(jì)，約可占南向房間計(jì)算熱負(fù)荷的10％，占北向房間計(jì)算熱負(fù)荷的5％。以上兩項(xiàng)相加，如看作散熱面積的均勻增大，則南向約增大45％，北向約增大27％。在實(shí)際運(yùn)行情況的測(cè)定中，發(fā)現(xiàn)南向的垂直溫差大于北向，管道較多的單雙管系統(tǒng)的垂直溫差大于單管系統(tǒng)，也說明了上述影響。四、ISO標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)測(cè)定結(jié)果直接引用于工程計(jì)算的后果新編的《實(shí)用供暖通風(fēng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》已經(jīng)出版發(fā)行，其中所給出的各種散熱器的散熱量數(shù)值，均采用了ISO標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)測(cè)定結(jié)果。以四柱813鑄鐵散熱器為例，在標(biāo)準(zhǔn)工況（計(jì)算溫差64.5℃）下給定的每片散熱量為142W，比老手冊(cè)給定的散熱量140kcal/h少13％，比中國(guó)建筑科學(xué)研究院1965年的實(shí)測(cè)資料少16％。對(duì)于四柱813鑄鐵散熱器，北京地區(qū)使用廣泛，從未發(fā)現(xiàn)由于散熱量不足造成的問題，如按新編手冊(cè)計(jì)算，無疑均使散熱面積進(jìn)一步偏大。其他各種型式的散熱器也相類似，據(jù)廠家和有關(guān)科研設(shè)計(jì)單位論證，ISO標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)測(cè)得的散熱量數(shù)據(jù)，均比散熱器在工程條件下的實(shí)際散熱量為低。其相差幅度約為10％～30％。鑒于上述情況，有必要在ISO標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)測(cè)試的基礎(chǔ)上，另行修正為工程實(shí)際條件下的可靠數(shù)據(jù)。這不僅對(duì)于建筑造價(jià)和金屬消耗量有相當(dāng)影響，更重要的是對(duì)于系統(tǒng)的均勻性也會(huì)造成較大影響。五、《節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》實(shí)施以后的一些新問題國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ26-86《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（采暖居住建筑部分）》，已頒布試行。根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》要求，1990年的目標(biāo)是在1980～1981年的基礎(chǔ)上，使建筑能耗降低30％，其中建筑耗熱量降低20％，采暖系統(tǒng)效率提高10％。建筑耗熱量這個(gè)基數(shù)按照《標(biāo)準(zhǔn)》的要求降低以后，供暖系統(tǒng)以往存在的那些使散熱面積偏大的因素，如果不變甚至進(jìn)一步加大，均會(huì)使增大比例上升。例如：原來南向房間管道散熱因素使散熱面積增大35％，由于房間保溫改善使計(jì)算熱負(fù)荷降為80％，則散熱面積增大比例將增為43.8％。此外，為了降低目前普遍存在的供暖系統(tǒng)循環(huán)水泵偏大造成的過量電力消耗，《標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)循環(huán)水泵的功率作了限制。過去，由于散熱面積偏大而導(dǎo)致的垂直失調(diào)，許多情況下為系統(tǒng)的大流量所掩蓋。對(duì)水泵功率限制以后，實(shí)際