談高層建筑在低層供熱系統(tǒng)中的采暖設(shè)計(jì)

王收永

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院，山西太原 030006)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市建設(shè)與用地矛盾日益突出，高層建筑日益增多。由于項(xiàng)目的多樣性及條件所限，往往會(huì)出現(xiàn)高層與多層建筑共存的現(xiàn)象，很多高層建筑的采暖系統(tǒng)不得不采用原有的低層供熱系統(tǒng)來(lái)供熱。如何更好地進(jìn)行高層建筑的采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)，解決高層建筑在低層供熱系統(tǒng)中的采暖問(wèn)題，這對(duì)于廣大建設(shè)者和設(shè)計(jì)人員提出了新的課題。

1 高層建筑熱負(fù)荷計(jì)算注意事項(xiàng)

高層建筑物的熱負(fù)荷計(jì)算在計(jì)算方法上與普通的低層建筑不同，這是因?yàn)楦邔咏ㄖ锸艿绞彝怙L(fēng)壓、熱壓及其他因素的影響會(huì)比較大。高層建筑室外的風(fēng)速隨著建筑物高度的增加而加大，高層建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的換熱系數(shù)取決于外表面的對(duì)流放熱量和輻射放熱量。對(duì)一般的多層建筑來(lái)講，建筑物上部和下部的風(fēng)速差別不會(huì)太大，計(jì)算時(shí)可以不考慮，然而對(duì)于高層建筑物，由于高層部分的室外風(fēng)速大，高層部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面的對(duì)流換熱系數(shù)也會(huì)大幅度加大。另外，由于高層建筑物四周無(wú)其他建筑遮擋，使得高層建筑物不斷通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面向天空輻射熱量。因此高層部分由于風(fēng)壓引起的換熱系數(shù)加大及外表面輻射放熱的增加是計(jì)算熱負(fù)荷不可忽視的一部分。

由于作用于高層建筑高層迎風(fēng)面上的風(fēng)壓隨風(fēng)速的增加相應(yīng)地加大，進(jìn)入建筑物的冷空氣量勢(shì)必也會(huì)加大，為了保持室內(nèi)的溫度，會(huì)耗費(fèi)更大量的熱能來(lái)將滲入的冷空氣加熱，從而加大了室外冷空氣的滲透量，這就加大了高層部分的熱負(fù)荷。冬季建筑物內(nèi)熱外冷，室外冷空氣經(jīng)建筑物下部進(jìn)入建筑物，經(jīng)過(guò)室內(nèi)加熱后通過(guò)上部排出，尤其在高層建筑內(nèi)，當(dāng)高度越來(lái)越高，這種熱壓作用下的空氣流動(dòng)會(huì)更加明顯，就會(huì)使更多的室外冷空氣從建筑物下部流入，這種作用增大了高層建筑物下層部分的熱負(fù)荷。

2 高層建筑采暖系統(tǒng)的選擇

高層建筑采暖系統(tǒng)的選擇與一般多層建筑不同，高層建筑供熱系統(tǒng)的靜水壓力較大，在進(jìn)行采暖設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)綜合考慮室外熱網(wǎng)供熱參數(shù)，以及與室外熱網(wǎng)相連接的多層建筑物內(nèi)散熱器的承壓能力，來(lái)確定高層建筑物系統(tǒng)形式。

通常建筑物采暖采取的熱源有以下幾種:獨(dú)立供熱、區(qū)域供熱、集中供熱。第一種方式比較簡(jiǎn)單，建筑物熱源來(lái)自獨(dú)立的鍋爐房，水泵間內(nèi)設(shè)高、低壓循環(huán)泵分高低壓系統(tǒng)即可分別為高層建筑物、多層建筑供熱。而在很多情況下由于受到項(xiàng)目的局限性，高層建筑供熱方案并非由其本身決定，尤其目前我國(guó)各大城市為了加大環(huán)境保護(hù)而取締了各企事業(yè)單位的獨(dú)立鍋爐房，而采用區(qū)域或城市供熱管網(wǎng)。一般來(lái)說(shuō)區(qū)域或城市供熱外網(wǎng)為單一壓力供熱，系統(tǒng)的壓力不可能滿足高層建筑采暖系統(tǒng)的要求，新建高層建筑只能采用這一系統(tǒng)壓力。為了解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)中通常的做法是:

1)以城市供熱熱源為一次熱源，在小區(qū)內(nèi)建設(shè)換熱站，換熱站內(nèi)設(shè)高低壓兩套供熱系統(tǒng)，分別對(duì)高層建筑、多層建筑供暖，這一設(shè)計(jì)形式比較簡(jiǎn)單，系統(tǒng)運(yùn)行也會(huì)比較穩(wěn)定，但這一系統(tǒng)增加了換熱站的投資，以及以后的運(yùn)行管理人員及費(fèi)用。

2)對(duì)于高層建筑采暖進(jìn)行豎向分區(qū)，低層直接選用外網(wǎng)接入，對(duì)高層部分在單體高層建筑物內(nèi)設(shè)采暖增壓系統(tǒng)，把外網(wǎng)的熱媒加壓后進(jìn)行供熱，然后采用減壓方式將高區(qū)采暖系統(tǒng)的回水減到合適的壓力后再回到室外管網(wǎng)。這一系統(tǒng)的特點(diǎn)是初期投資較少，運(yùn)行管理費(fèi)用較低，但這一系統(tǒng)的選擇應(yīng)在室外管網(wǎng)、設(shè)備的參數(shù)，及設(shè)備的可靠性上多下功夫，否則容易出現(xiàn)高、低區(qū)垂直不調(diào)問(wèn)題。

3 實(shí)例解析

由上述分析可以發(fā)現(xiàn)，在區(qū)域供熱高低層建筑物并存，熱網(wǎng)供水參數(shù)不能滿足高層建筑的情況下，如何提高整個(gè)采暖系統(tǒng)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性是當(dāng)前采暖設(shè)計(jì)中的大問(wèn)題。這一問(wèn)題在太原經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)某單位生產(chǎn)基地采暖設(shè)計(jì)中也是一個(gè)突出問(wèn)題。

太原經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)某單位生產(chǎn)基地占地約40畝，目前已建成并投運(yùn)，建筑物的高度均為16 m左右，現(xiàn)擬建一建筑高度為50 m，層數(shù)為15層的綜合樓，基地內(nèi)建筑的采暖選用區(qū)域供熱，院區(qū)內(nèi)建筑物熱源為設(shè)計(jì)熱媒95℃/70℃二次直供熱媒，實(shí)際運(yùn)行供水溫度不超過(guò)85℃，熱網(wǎng)的供熱系統(tǒng)壓力約為0.35 MPa，且基地院區(qū)內(nèi)供熱管網(wǎng)已基本形成。

根據(jù)現(xiàn)有的條件對(duì)擬建綜合樓采暖的設(shè)計(jì)主要存在以下問(wèn)題:1)綜合樓采暖系統(tǒng)高靜壓與其他多層建筑采暖系統(tǒng)散熱器的承壓能力的矛盾。2)綜合樓采暖系統(tǒng)與其他多層建筑采暖系統(tǒng)定壓方式的確定。3)綜合樓采暖系統(tǒng)與其他多層建筑采暖系統(tǒng)水力平衡問(wèn)題。

設(shè)計(jì)的初步想法:

1)選擇在綜合樓內(nèi)設(shè)換熱站，在換熱站內(nèi)分高壓、低壓兩套系統(tǒng)，分別對(duì)綜合樓高區(qū)、低區(qū)供熱。這一系統(tǒng)形式相對(duì)于其他多層建筑系統(tǒng)較獨(dú)立，不易出現(xiàn)高低區(qū)垂直失調(diào)現(xiàn)象，系統(tǒng)相對(duì)較穩(wěn)定，但根據(jù)熱源的實(shí)際運(yùn)行情況供水溫度較低，經(jīng)過(guò)換熱站后綜合樓的供水溫度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，而且增加了換熱站投資，也相應(yīng)增加了運(yùn)行管理人員及費(fèi)用。

2)在綜合樓內(nèi)設(shè)采暖增壓設(shè)備使多層采暖系統(tǒng)的熱媒對(duì)高區(qū)進(jìn)行直接供熱，然后采用減壓方式將高區(qū)采暖系統(tǒng)的回水減壓后再回到多層建筑系統(tǒng)管網(wǎng)。這一系統(tǒng)的特點(diǎn)是初期投資較少，運(yùn)行管理費(fèi)用低，但容易出現(xiàn)高、低區(qū)垂直不調(diào)問(wèn)題。

從整個(gè)綜合樓采暖系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性考慮，要解決采暖系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性宜選用第二種方法，采用加壓泵使多層采暖系統(tǒng)的熱媒直接供綜合樓采暖系統(tǒng)，然后再采用減壓閥、電磁閥、雙水箱等裝置將高層采暖系統(tǒng)的回水減壓后再流回多層采暖系統(tǒng)的管網(wǎng)。減壓閥、電磁閥裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，但在實(shí)際運(yùn)行中電動(dòng)機(jī)械構(gòu)件多少會(huì)出現(xiàn)一些動(dòng)作不靈活等各種故障，一旦造成低壓系統(tǒng)超壓，破壞面比較大，不易恢復(fù)，后果嚴(yán)重。綜合考慮，現(xiàn)采用雙水箱減壓方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)綜合樓采暖系統(tǒng)進(jìn)行豎向分區(qū)，分為高、低壓系統(tǒng)兩個(gè)部分，1層～7層為低壓系統(tǒng)，與室外熱網(wǎng)直接連接;8層～15層為高壓系統(tǒng)，對(duì)供水加壓后進(jìn)行連接，將回水減壓后回到供熱管網(wǎng)。系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)水箱，在樓頂處設(shè)置一進(jìn)水箱，在15樓設(shè)回水箱(見(jiàn)圖1)。在用戶(hù)入口設(shè)置加壓泵，將熱網(wǎng)供水加壓后送入進(jìn)水箱。由于進(jìn)水箱與回水箱存在一定的高差，由此產(chǎn)生的作用壓頭促使熱媒在建筑物高區(qū)供暖系統(tǒng)內(nèi)不斷地流動(dòng)，進(jìn)行散熱，然后回水進(jìn)入15層的回水箱，熱媒經(jīng)過(guò)加粗的溢流回水管回到外網(wǎng)回水干管。

由于與回水箱相連接的回水干管選用的是加粗后的回水干管，采用溢流的方式與外網(wǎng)回水干管相連接，因此運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，溢流回水干管A—A段水位以上的管段為非滿管流管段，呈無(wú)壓流動(dòng)狀態(tài)，而水位A—A的位置高度僅取決于外網(wǎng)回水干管的壓力。當(dāng)用戶(hù)加壓泵停運(yùn)時(shí)，上部系統(tǒng)進(jìn)水箱水位下降，回水箱水位保持在溢流回水管的出口位置，高壓采暖系統(tǒng)的靜水位保持在回水箱溢流回水管的出口位置，溢流回水干管A—A段水位以上為空。這兩個(gè)水箱使高壓系統(tǒng)與外部熱網(wǎng)壓力相互隔絕，從而保護(hù)了多層建筑物內(nèi)散熱等設(shè)備不會(huì)被高靜水壓力破壞。

圖1 雙水箱豎向分區(qū)供熱系統(tǒng)

此種采暖方式在實(shí)際工程中有著很大的實(shí)用價(jià)值，但缺點(diǎn)在于:1)由于有加壓泵的作用，高區(qū)系統(tǒng)工況比較穩(wěn)定，但對(duì)鄰近系統(tǒng)工況有一定的影響。2)由于水箱是開(kāi)放式的，運(yùn)行中會(huì)給系統(tǒng)帶入空氣。3)水箱需要占用水箱間，在建筑內(nèi)需要占用一定的空間。4)加壓泵開(kāi)停會(huì)使多層采暖系統(tǒng)水位產(chǎn)生波動(dòng)，經(jīng)常會(huì)使膨脹水箱或雙水位水箱的低水箱溢流，造成軟化水的浪費(fèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

雖然高層建筑的供熱方式很多，但各種方式在其具體的適用條件的同時(shí)，也各有其局限性，總體而言，高層建筑在低層供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選用加壓泵系統(tǒng)有著非常好的適用性，這一方式在整個(gè)管網(wǎng)運(yùn)行安全、初投資和運(yùn)行管理費(fèi)用上有著相對(duì)的優(yōu)勢(shì)，是一個(gè)首選的方案。在具體的工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)綜合考慮整個(gè)供熱管網(wǎng)參數(shù)、系統(tǒng)的組成，并從技術(shù)、運(yùn)行管理、經(jīng)濟(jì)等各個(gè)方面認(rèn)真比較、計(jì)算，選用設(shè)備參數(shù)要準(zhǔn)確，設(shè)備要可靠，從而找到最合適的供熱方式，真正做到技術(shù)先進(jìn)、運(yùn)行安全、投資經(jīng)濟(jì)合理、設(shè)備節(jié)能可靠。