散熱器采暖低溫運(yùn)行的研究

宋為民 董重成 李慶娜

引 言

歐洲很多國家已開始采用60℃以下低溫?zé)崴膳?，并正朝著進(jìn)一步降低系統(tǒng)溫度的方向發(fā)展。而我國散熱器采暖過去一直用95/70℃的熱媒參數(shù)，目前，國內(nèi)也開始提倡低溫連續(xù)供熱，并開始降低傳統(tǒng)的供暖溫度。研究既有建筑散熱器采暖系統(tǒng)在低溫下運(yùn)行的可行性，為既有建筑散熱器采暖系統(tǒng)的改造，節(jié)能降耗，提高散熱器采暖的舒適程度都有重要的作用。

散熱器主要依靠對流傳熱，因此熱氣流上升，使上部空間的溫度明顯高于下部，增大了上部無益的熱損失，如果散熱器進(jìn)出口溫度降低，那么在室內(nèi)空間范圍內(nèi)，溫度梯度減小，空間溫度分布會趨于均勻，也就會使人感到舒適。同時，散熱器供水溫度高于70℃時，有機(jī)灰塵會在散熱器表面分解，散發(fā)氣味，熏黑墻面的情況明顯。其次，低溫采暖更加節(jié)能。供暖熱水溫度的降低可以減少網(wǎng)路管道的熱損失。以供回水溫度為95/70℃的系統(tǒng)為例，供回水平均溫度每降低1度，外網(wǎng)的熱損失相對減少1.3%。當(dāng)供回水溫度變更至55/45℃時，外網(wǎng)熱損失相對可減少35%以上。

一、散熱器采暖低溫運(yùn)行的計(jì)算分析

哈爾濱市既有住宅進(jìn)行節(jié)能改造前、后的散熱器采暖系統(tǒng)，按高、低溫運(yùn)行對散熱器數(shù)量的變化做了計(jì)算分析。該住宅建于上世紀(jì)80年代，一字形平面，南北向布置，為六層磚混結(jié)構(gòu)，建筑面積1700m2，室內(nèi)采暖系統(tǒng)為傳統(tǒng)的單管順流式系統(tǒng)，散熱器選用鑄鐵四柱660型。該建筑共有3個單元，每個單元12戶，層高3m，樓梯間不采暖。

1.系統(tǒng)管徑變化

既有建筑節(jié)能改造前冬季設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為110651W，按節(jié)能50%節(jié)能改造后，保溫性能大大提高，冬季設(shè)計(jì)熱負(fù)荷僅為66960W。節(jié)能建筑與非節(jié)能建筑熱負(fù)荷不同，當(dāng)采暖散熱器供回水溫差不同時，需要通過水力計(jì)算分析散熱器采暖系統(tǒng)管徑的變化。

由水力計(jì)算可知，既有建筑節(jié)能改造后低溫采暖與該既有建筑高溫采暖相比，采暖系統(tǒng)供回水管管徑略有變化。

2.散熱器數(shù)量的變化

雖然節(jié)能建筑保溫效果好，熱負(fù)荷小，但若散熱器采暖系統(tǒng)低溫運(yùn)行，為達(dá)到用戶的用熱需求必須增加原有散熱器數(shù)量。因此，需要對既有建筑節(jié)能改造后采暖系統(tǒng)低溫運(yùn)行時散熱器數(shù)量的變化情況進(jìn)行計(jì)算分析。

計(jì)算可知：當(dāng)既有建筑節(jié)能改造后采暖系統(tǒng)不變，只降低供回水溫度時，散熱器片數(shù)增加，相比于改造前采暖系統(tǒng)高溫運(yùn)行的散熱器數(shù)量增加1.45倍。

3.增加散熱器數(shù)量對室內(nèi)空間的影響

雖然節(jié)能改造后建筑采用低溫散熱器采暖使得散熱器片數(shù)增加，但是散熱器片數(shù)增加后，其所占的空間拉長，即寬度不變，長度L變大，使得散熱器占地面積增加，室內(nèi)可用空間減小，但由于散熱器所接的供回水管占用一定空間使得散熱器兩側(cè)的可利用空間原本就不大，所以即使散熱器低溫運(yùn)行時片數(shù)增加，占地面積加長，室內(nèi)空間的利用率不會改變，用戶的活動范圍不會受影響，因此，使得散熱器的尺寸設(shè)計(jì)趨向于減小散熱器寬度，使其值基本保持在100mm以內(nèi)。

4.散熱器數(shù)量增加對初投資的影響

既有建筑節(jié)能改造后保留原有采暖系統(tǒng)形式，若分別采用傳統(tǒng)的95/70℃的供回水溫度和60/45℃甚至更低的供回水溫度，由計(jì)算可知兩種供回水溫度下的供回水管管徑基本不變，室內(nèi)散熱器的數(shù)量隨著供回水溫度的降低而增加。以哈爾濱市既有建筑為例進(jìn)行，散熱器采用鑄鐵四柱660型，目前其市場價格為28.6元/片，比較既有建筑節(jié)能改造后散熱器采暖系統(tǒng)分別高溫與低溫運(yùn)行時的系統(tǒng)初投資。

既有建筑節(jié)能改造后原散熱器采暖系統(tǒng)形式不變，高溫運(yùn)行時，散熱器采暖系統(tǒng)初投資為90396元。既有建筑節(jié)能改造后原有采暖系統(tǒng)形式不變，低溫運(yùn)行時，散熱器片數(shù)增加，其采暖系統(tǒng)初投資為109529.4元。若既有建筑節(jié)能改造后采用低溫散熱器采暖系統(tǒng)，因其供回水溫度降低引起的散熱器片數(shù)增加而造成的采暖系統(tǒng)投資的增加幅度為21.2%。

二、散熱器采暖系統(tǒng)低溫運(yùn)行實(shí)驗(yàn)測試

對現(xiàn)有的換熱站的供暖參數(shù)、具有代表性的節(jié)能住宅的室內(nèi)外逐時溫度和低溫散熱器采暖系統(tǒng)供回水溫度進(jìn)行測試，表明了低溫散熱器采暖系統(tǒng)具有良好的供暖效果。

1.住宅低溫供暖效果的實(shí)測

對哈爾濱地區(qū)現(xiàn)有的具有代表性的節(jié)能住宅的室內(nèi)外逐時溫度和低溫散熱器采暖系統(tǒng)供回水溫度進(jìn)行測試，確定應(yīng)用于節(jié)能建筑的散熱器采暖系統(tǒng)低溫運(yùn)行是否能滿足熱用戶的用熱需求。被測住戶有南、北朝向帶窗外墻，是標(biāo)準(zhǔn)層住宅，節(jié)能墻體，窗戶均為雙層玻璃塑鋼窗，其供熱方式為實(shí)行分戶計(jì)量的低溫連續(xù)供熱。

哈爾濱地區(qū)采暖季由10月20日開始，至次年4月20日結(jié)束，共179天。本文測試開始于2008年11月30日9時，至2009年3月2日12時結(jié)束。數(shù)據(jù)采集前期為每15min自動記錄一次數(shù)據(jù)，后期為每30min自動記錄一次數(shù)據(jù)，共取得測試數(shù)據(jù)29000多個。將測試數(shù)據(jù)整理成曲線，見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)測試溫度統(tǒng)計(jì)圖

由圖1還可以看出供暖運(yùn)行方式采用連續(xù)供熱，其狀況比較穩(wěn)定，供回水溫差維持在15℃左右，供水溫度只是在50℃左右，而室內(nèi)溫度基本保持在18℃以上，比較好地滿足熱用戶的舒適性要求。

2.換熱站低溫供暖參數(shù)的實(shí)測

對哈爾濱、牡丹江等城市部分換熱站冬季采暖供回水溫度進(jìn)行測試，證明了現(xiàn)有系統(tǒng)改造成低溫運(yùn)行是完全可行。

（1）哈爾濱工大園區(qū)換熱站供熱參數(shù)

哈爾濱供暖公司第二分公司的1號換熱站建成于1994年，負(fù)責(zé)哈爾濱工業(yè)大學(xué)校園以及周邊建筑的冬季采暖，供熱面積達(dá)到17.9萬平方米，其運(yùn)行方式為連續(xù)供熱。由調(diào)研得到哈爾濱供暖公司第二分公司工大鍋爐房1號換熱站的二級網(wǎng)供回水溫度記錄，作出曲線如圖2所示。

圖2 供回水溫度曲線圖

圖2所示為哈爾濱工大園區(qū)2008-2009年冬季采暖季的供回水溫度曲線。由圖可知，室外氣溫曲線相對供回水溫度曲線較陡，變化幅度較大。其中冬季最低氣溫達(dá)到-26℃；工大園區(qū)冬季采暖供水溫度除個別天外，基本不超過60℃，供回水溫差保持在20℃以內(nèi)，供回水溫度隨室外溫度的變化而變化。隨著室外溫度的升高，供水溫度有一個明顯的下降趨勢，與其相對應(yīng)的回水溫度也降低。隨著室外溫度的降低，供水溫度有一個明顯的上升趨勢，與其相對應(yīng)的回水溫度也升高。由供回水溫度變化曲線圖可以看出，工大園區(qū)的供暖運(yùn)行方式采用連續(xù)供熱，其狀況比較穩(wěn)定，比較好的滿足熱用戶的舒適性的要求。

圖3所示為2008年12月25日換熱站的供回水溫度曲線圖。從圖中可以看出，室外氣溫在早晨4：00達(dá)到最低值-22.6℃，下午13：00達(dá)到最高值-16℃；從凌晨開始供回水溫度逐漸上升，直到室外溫度達(dá)到最高值時才開始下降，但隨著晚上室外氣溫逐漸降低供回水溫度又逐漸上升，在晚上19：00達(dá)到最高值60℃；傍晚至凌晨階段，供回水溫度略有下降。由此可知，供回水溫度是隨著室外溫度的變化而變化的。

圖3 供回水溫度曲線圖

（2）牡丹江民航換熱站供熱參數(shù)

牡丹江市位于黑龍江省東南部，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，處于我國建筑熱工分區(qū)中的嚴(yán)寒地區(qū)。通過調(diào)研得到牡丹江市民航熱力站2009年1月份運(yùn)行記錄，將數(shù)據(jù)整理成曲線形式如圖4所示。

此運(yùn)行記錄為民航換熱站2009年1月的供回水溫度記錄。由圖4知，民航小區(qū)冬季采暖供水溫度不超過60℃，平均在54℃。供回水溫差基本維持在15℃左右。同時該小區(qū)冬季采暖運(yùn)行方式也采用連續(xù)供熱，雖然供水溫度較低，但仍可比較好的滿足熱用戶的舒適性要求。

圖4 供回水溫度曲線圖

三、散熱器熱工性能測試實(shí)驗(yàn)

1.實(shí)驗(yàn)方法

對五種不同類型的常用散熱器的熱工性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都是按照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn) 《采暖散熱器散熱量測定方法》（GB/T13754-92）在哈爾濱工業(yè)大學(xué)ISO散熱器熱工性能實(shí)驗(yàn)室測試得到。對于不同種類的散熱器，依據(jù)熱平衡方法測量其在不同計(jì)算溫差時的散熱量。當(dāng)室內(nèi)溫度保持穩(wěn)定時，測試小室處于熱平衡狀態(tài)，測試小室的得熱量與失熱量達(dá)到平衡。在測試小室處于密閉狀態(tài)時，得出散熱器的散熱量，失熱量是冷卻系統(tǒng)通過壁面換熱帶走的熱量。本實(shí)驗(yàn)散熱器進(jìn)口熱水溫度范圍35~95℃，取值覆蓋了低溫區(qū)和高溫區(qū)。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) 《采暖散熱器散熱量測定方法》，測試的內(nèi)容是在變熱媒溫差的條件下對散熱器進(jìn)出口熱水的平均溫度為50±5℃、 65±5℃、 80±3℃三個工況點(diǎn)進(jìn)行測試， 且按其規(guī)律再補(bǔ)充三個工況點(diǎn)：70±5℃，45±5℃，30±5℃。每次測試均在相同流量下進(jìn)行，其流量偏差不超過±2%。

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過回歸整理成下列表達(dá)式的形式：

式中：tsp——熱媒平均溫度，℃；

tn——室內(nèi)溫度，℃；

A,B——由實(shí)驗(yàn)確定的系數(shù)。

2.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與分析

應(yīng)用最小二乘法將五種散熱器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理成低溫散熱量計(jì)算公式，具體如表1所示。

表1 散熱量計(jì)算公式

四、結(jié)論

1.本文研究的低溫散熱器采暖系統(tǒng)適用于居住性節(jié)能建筑，而對于那些需要高溫采暖或要求迅速升溫的建筑物不應(yīng)采用低溫運(yùn)行的方式。同時，為保證熱用戶的用熱需求，供暖方式應(yīng)采用連續(xù)供熱。

2.既有建筑節(jié)能改造后仍使用原有采暖系統(tǒng)，但供回水溫度由原來的95/70℃降至60/45℃左右，為滿足用戶用熱需求，需增加散熱器的散熱面積，即增加散熱器片數(shù)。通過計(jì)算，可知既有建筑節(jié)能改造后散熱器采暖系統(tǒng)低溫運(yùn)行時散熱器片數(shù)增加到節(jié)能改造前散熱器高溫工況運(yùn)行時散熱器片數(shù)的1.4倍左右。

3.既有建筑節(jié)能改造后原有采暖系統(tǒng)不變，若仍采用95/70℃供回水溫度則勢必造成室內(nèi)過熱，若降低至低溫60℃供水溫度，為滿足用熱需求需增加散熱器的投資。相對于節(jié)能改造后建筑采暖系統(tǒng)高溫運(yùn)行，當(dāng)其降低供回水溫度即低溫運(yùn)行時設(shè)備投資增加20%左右。但若與節(jié)能改造前建筑采暖系統(tǒng)高溫運(yùn)行相比，節(jié)能改造后的建筑散熱器采暖系統(tǒng)低溫運(yùn)行時設(shè)備投資增加不大。

4.通過對現(xiàn)有的具有代表性的節(jié)能住宅的低溫采暖系統(tǒng)的實(shí)際測試，驗(yàn)證了應(yīng)用于節(jié)能建筑的低溫散熱器采暖系統(tǒng)連續(xù)供熱時完全能滿足熱用戶的用熱需求。

5.該研究成果將改變散熱器采暖傳統(tǒng)的供熱參數(shù)，以低于60℃的水溫作為供水溫度，從而改善室內(nèi)溫度場不均勻的狀況，提高舒適程度。并且使散熱器采暖系統(tǒng)可利用低位能作為熱源，改變散熱器采暖僅能使用高溫能源的狀況。

參與課題研究的單位：國際銅業(yè)協(xié)會 （中國），佛瑞德 （鄭州）工業(yè)有限公司，寧波寧興金海水暖器材有限公司，圣春冀暖散熱器有限公司，寧波中龍高科散熱器制造有限公司。

［1］采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范 (GBJ19-87).

［2］采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范 (GB50019-2003).

［3］民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) (采暖居住建筑部分)(JGJ26-95).

［4］陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊.第二版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007：396.

［5］李慶娜等.低溫建筑技術(shù).2009,31(10).