區(qū)域供能管網(wǎng)散熱損失計算方法及分析

張新記（華東建筑設(shè)計研究院有限公司華東建筑設(shè)計研究總院，上海200002）

區(qū)域供能管網(wǎng)散熱損失計算方法及分析

張新記
（華東建筑設(shè)計研究院有限公司華東建筑設(shè)計研究總院，上海200002）

對管網(wǎng)散熱損失的計算方法、關(guān)鍵參數(shù)的選擇和數(shù)據(jù)來源進行詳細介紹；根據(jù)全年的氣象參數(shù)和全年負荷預(yù)測結(jié)果，結(jié)合上海某項目的實際情況，對項目設(shè)計狀態(tài)和全年的散熱損失進行計算，其結(jié)果表明：供冷管網(wǎng)在設(shè)計工況下的散熱損失占冷量的比例為0.2%左右，全年散熱損失占供冷量的比例為0.8%左右，且供冷管網(wǎng)散熱損失所占比例較小，且遠小于供熱管網(wǎng)的散熱損失。

區(qū)域供能；管網(wǎng)；散熱損失；埋設(shè)深度；土壤溫度；地表溫度

0 引言

區(qū)域供能（含供冷與供熱）項目，尤其是南方地區(qū)以供冷為主的區(qū)域供能項目，一直以來存在支持與反對兩種聲音。區(qū)域供能項目可以降低總體裝機容量、采用大型高效設(shè)備、采用新型節(jié)能技術(shù)、集約化運行管理等方面的優(yōu)勢是廣為接受的，反對的主要原因集中在能源價格過高、輸送能耗高、管網(wǎng)損失大等方面。

在上海某區(qū)域供能項目的實施過程中，包括建設(shè)單位、潛在用戶、相關(guān)專家等對管道的輸送損失和輸送溫升（降）都比較關(guān)注。該項目位于上海前灘地區(qū)，能源站供能面積約200萬m2，該項目采用四管制，考慮全年供冷、冬季4個月供熱；供冷管網(wǎng)主干管徑DN1300，供熱管網(wǎng)主干管徑DN800，管網(wǎng)最不利環(huán)路長度（供、回水總長度）約5000m，管網(wǎng)供回水總長度8000m。冷水供回水溫度5℃/13℃，熱水供回水溫度61℃/45℃。

管網(wǎng)熱損失已有較多文獻結(jié)合實際案例進行過計算分析，但結(jié)論有較大差異。文獻[1]結(jié)合實際項目對管網(wǎng)散熱損失進行了計算分析，認為區(qū)域供冷系統(tǒng)二次管網(wǎng)的總冷量損失很小，在其輸送冷量的1%以內(nèi)；文獻[2]根據(jù)項目實例計算得出冷水管道溫升達0.8℃，冷量損失接近售冷量的10%，并認為水泵能耗高為主因。文獻[3]～[7]針對區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計及合理的供冷半徑都做出了比較詳細的分析。不同項目的供能規(guī)模和管網(wǎng)長度均有較大差異，難以簡單得出結(jié)論，但區(qū)域供能項目需在合適的區(qū)域（容積率高，輸送距離短）和控制適當(dāng)?shù)囊?guī)模是業(yè)內(nèi)的共識。

區(qū)域供能系統(tǒng)由于周邊環(huán)境要求、造價等方面的因素，絕大多數(shù)項目采用直埋敷設(shè)的方式，且直埋管網(wǎng)系統(tǒng)在標準化、制造和施工工藝等方面十分成熟，結(jié)合項目的實際情況，只針對直埋管網(wǎng)的散熱損失計算進行討論。

1 管網(wǎng)散熱損失計算方法

根據(jù)計算已知的條件不同，直埋管道的散熱損失不同文獻的計算方法略有差異，已知埋深土壤溫度的計算方法和已知土壤地表溫度的計算方法分別詳述如下:

1.1 方法1-已知埋深的土壤溫度[8]

已知直埋管埋深的土壤溫度時，管道的散熱損失可采用公式（1）和公式（2）進行計算:

式中Δq1，Δq2—供、回水管單位長度散熱損失，W/m；

t1，t2—供回水管道內(nèi)介質(zhì)溫度，℃；

t0—管道周圍土壤溫度，℃；

Rb1，Rb2—供水管、回水管保溫層的熱阻，m·℃

/W；

Rt—土壤熱阻，m·℃/W；Rc—附加熱阻，m·℃/W；dw—鋼管外徑，m；

dz—保溫層外表面直徑，m；

λb—保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，W（/m·℃）；λt—土壤導(dǎo)熱系數(shù)，W（/m·℃）；

h—從地表面到管中心線的埋設(shè)深度，m；

b—兩管中心線間的距離，m。

1.2 方法2-已知土壤的地表溫度[9]

已知直埋管的土壤地表溫度時，管道的散熱損失可采用公式（6）和公式（7）進行計算:

式中td.b—土壤地表溫度，℃；

ΣR1，ΣR2—供水管、回水管的總熱阻，m·℃/W；

Hz—管道的折算埋設(shè)深度，m；

αk—土壤表面的放熱系數(shù)，可采用αk=12-15W/

（m·℃）計算；

hj—假想土壤層厚度，此厚度的熱阻等于土壤

表面層的熱阻，m。

從上述計算公式可知，管道的散熱損失與供回水管道內(nèi)介質(zhì)溫度、管道周圍土壤溫度或土壤地表溫度、管道保溫材料熱阻、土壤熱阻及管道埋設(shè)深度有關(guān)。

2 兩種計算方法的差異及關(guān)鍵數(shù)據(jù)取值

兩種計算方法的主要差異在于對管道周圍土壤溫度的處理方法不同，方法1直接采用管道周圍的土壤溫度；而方法2則采用地表土壤溫度。

當(dāng)設(shè)計條件確定后，供回水管道內(nèi)介質(zhì)溫度、管道保溫材料熱阻及管道埋設(shè)深度都可以確定；但管道周圍土壤溫度或土壤地表溫度及土壤熱阻因受氣象條件、土壤熱物性影響較大，且一般沒有現(xiàn)成資料可供參考，對計算結(jié)果的準確性影響較大。

2.1 土壤導(dǎo)熱系數(shù)的取值

土壤的熱物性根據(jù)土壤的性質(zhì)、土壤的濕度不同有很大差異，一般的文獻會給出參考的取值范圍[9]:“當(dāng)土壤溫度為10-40℃時，中等濕度土壤的導(dǎo)熱系數(shù)在1.2-1.5W/（m·℃）范圍內(nèi)；對于濕土，可取1.5-2.0W/（m·℃）；對于干砂，可取1.0W/（m·℃）”，但這種取值對具體項目的指導(dǎo)意義不大。針對具體項目的計算，一般是根據(jù)地勘資料或土壤熱物性實驗結(jié)果取值。

文中根據(jù)該實際項目的地質(zhì)勘察資料，土壤導(dǎo)熱系數(shù)=2.235W/（m·℃），土壤密度=2400k g/m3，土壤比熱=922J/（k g·℃）。

2.2 土壤溫度的取值

土壤的溫度數(shù)據(jù)尤其是不同埋深的全年溫度數(shù)據(jù)，實際項目能夠獲得的數(shù)據(jù)非常有限。目前關(guān)于土壤溫度數(shù)據(jù)較多的是地埋管地源熱泵系統(tǒng)的研究、測試獲取的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)一般是地表下數(shù)十米至幾十米的溫度數(shù)據(jù)；而直埋管網(wǎng)的敷設(shè)深度一般在地表下2m左右，無法直接采用。

文獻[10]給出了土壤溫度計算的理論模型，且與實測數(shù)據(jù)有較高吻合度。該模型的計算方法見公式（13）:

式中t（x，τ）—地面下x米處、τ時刻的土壤溫度，℃；

τ—溫度的計算時刻，s；

x—土壤地面以下的深度，m；

α—土壤熱擴散系數(shù)（導(dǎo)溫系數(shù)），α=λt/（ρCp），W/（m·℃）;

ρ—土壤密度，k g/m3；

Cp—土壤比熱，J/（k g℃）；tm—地表面平均溫度，℃；

A—地表溫度波動的振幅，℃；

T—波動周期，T=365×24×3600，s；

tfj—地表條件溫度附加值，℃；對于光禿地表面，溫度附加值為0℃，樹木雜草地面為1℃，冬季積雪為1-2℃，一般地下每深30m土壤溫度升高1℃，所以tfj=x/30。

表1 地表下2.0m埋深處的土壤溫度

針對該項目，地表下2.0m埋深處的土壤溫度計算結(jié)果見表1。

2.3 土壤地表溫度的取值

根據(jù)相關(guān)研究，月平均的土壤地表溫度接近月平均空氣溫度。月平均空氣溫度的取值可以參考歷年氣象參數(shù)的統(tǒng)計值，也可以參考建筑能耗模擬軟件的氣象數(shù)據(jù)庫，如中國建筑用標準氣象數(shù)據(jù)庫、中國典型氣象年氣象數(shù)據(jù)、D e S T軟件數(shù)據(jù)庫等。

文中采用基于實測數(shù)據(jù)分析整理的典型氣象年數(shù)據(jù)做為計算依據(jù)，其月平均溫度見表2。

表2 月平均溫度

3 項目實例計算及結(jié)果分析

表3 管網(wǎng)設(shè)計工況散熱損失計算結(jié)果

表4 管網(wǎng)全年散熱損失計算結(jié)果

文章采用上述兩種計算方法，分別針對上海某項目的實際情況進行了設(shè)計工況和全年散熱損失的計算。管網(wǎng)散熱損失的計算結(jié)果見表3、表4。

從上述計算結(jié)果可知:

（1）除供冷管網(wǎng)在設(shè)計工況下兩種計算方法存在較大差異外，其余計算結(jié)果兩種計算方法均較為接近。此種差異存在的原因在于計算方法1采用數(shù)學(xué)模型計算得出的地下土壤溫度不能完全反映出土壤溫度的波動，得出的散熱損失結(jié)果較小。因此，建議在氣象數(shù)據(jù)較全面的情況下，盡量采用方法2計算，結(jié)果相對更可靠；或者在有實際統(tǒng)計的管網(wǎng)埋深下的土壤溫度數(shù)據(jù)的情況下，采用計算方法1。如果氣象數(shù)據(jù)、土壤溫度數(shù)據(jù)均不全面，初步估算管網(wǎng)散熱損失可，采用文中的方法得出土壤的溫度數(shù)據(jù)結(jié)合方法1進行計算。

（2）供冷管網(wǎng)在設(shè)計工況下的散熱損失占冷量的比例為0.2%左右，全年散熱損失占供冷量的比例為0.8%左右。

（3）供熱管網(wǎng)在設(shè)計工況下的散熱損失占熱量的比例為0.8%左右，全年散熱損失占供熱量的比例為6%左右。

（4）相較于供熱，供冷管網(wǎng)在設(shè)計工況、全年的散熱損失所占的比例均遠小于供熱管網(wǎng)。原因在于供熱管網(wǎng)輸送介質(zhì)的溫度與土壤的溫差遠大于供冷管網(wǎng)與土壤的溫差，以該項目為例，供熱工況為供冷工況的3倍以上。

4 結(jié)語

通過對該項目的實際計算，可以發(fā)現(xiàn)供冷管網(wǎng)在設(shè)計工況下和全年的散熱損失占冷量的比例均較小，且供熱管網(wǎng)的散熱損失遠大于供冷管網(wǎng)，尤其是在供熱參數(shù)高的項目中會更明顯。因此，針對區(qū)域供能項目中冷熱管網(wǎng)輸送損失的關(guān)注點應(yīng)該有所區(qū)別。供熱管網(wǎng)輸送損失的研究可以重點關(guān)注管網(wǎng)的散熱損失，而供冷管網(wǎng)的輸送損失應(yīng)更加關(guān)注輸送能耗、水泵溫升等方面。

文中所引述的兩種計算方法可以根據(jù)項目的階段、已掌握的項目信息、準確性要求等，結(jié)合具體條件選用。無論采用哪種方法，數(shù)據(jù)來源的準確性對計算結(jié)果影響很大。根據(jù)該項目中的實踐，采用計算方法2的相關(guān)數(shù)據(jù)更容易獲取，且數(shù)據(jù)相對可靠；采用方法1的埋設(shè)深度土壤溫度一般沒有相關(guān)資料，文中采用數(shù)學(xué)模型計算埋設(shè)深度土壤溫度可作為一種參考。

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Calculation Method and Analysis of Piping Network Heating Loss in District Energy System

ZHANG Xin-ji
（East China Architectural Design&Research Institute Co.，Ltd，East China Architectural Design&Research Institute，Shanghai 200002，China）

T h e calculation met h o d o f t h e h eatin g lo ss o f p i p in g net w or k,t h e s election o f t h e k ey p arameter s an d t h e d ata s ource are intro d uce d in d etail in t h i s p a p er.Accor d in g to t h e annual meteorolo g ical d ata an d t h e annual loa d p re d iction，com b ine d w it h t h e actual s ituation o f a p ro j ect in S h an gh ai，t h e d e s i g n con d ition an d t h e annual h eatin g lo ss are calculate d,t h e re s ult s sh o w t h at：t h e h eatin g lo ss o f coolin g p i p e net w or k in d e s i g n con d ition i s a b out 0.2%o f coolin g ca p acity；t h e annual coolin g lo ss accounte d f or a b out 0.8% o f t h e coolin g ca p acity；an d t h e p ro p ortion o f h eatin g lo ss o f t h e coolin g p i p e net w or k i s s mall，an d muc h s maller t h an t h e h eatin g lo ss o f t h e h eatin g p i p e net w or k.

d i s trict ener g y s y s tem；p i p in g net w or k；h eatin g lo ss；b urie d d e p t h；s oil tem p erature；lan d s ur f ace tem p erature

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.03.018

T U83

B

2095-3429（2017）03-0071-04

2017-04-28

修回日期：2017-06-06

張新記（1981-），男，河南葉縣人，碩士，工程師，主要從事暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計工作。