低溫?zé)崴孛孑椛洳膳膽魞?nèi)熱力失調(diào)分析與對策

■ 張 鑫 Zhang Xin

0 前言

低溫?zé)崴孛孑椛洳膳问狡淞己玫臒崾孢m性得到了越來越多的人認可，但很多工程技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)，這種采暖形式并不像理論上那樣節(jié)能，甚至?xí)霈F(xiàn)嚴重偏離設(shè)計工況的情況。工程調(diào)試人員把主要精力集中在對管網(wǎng)水力工況進行調(diào)節(jié)上，即便如此，多數(shù)情況下只能依靠系統(tǒng)運行時采用大流量小溫差的方法來彌補系統(tǒng)的各種先天性缺陷。這就使得原本在設(shè)計階段就含糊應(yīng)對的室內(nèi)熱力工況更加無法預(yù)料。更有甚者，用增加供水溫度這一地面輻射采暖的大忌來改善個別房間的供熱效果，造成系統(tǒng)整體運行狀態(tài)混亂、室內(nèi)熱舒適性下降。

客觀上講采暖系統(tǒng)的設(shè)計、施工、調(diào)節(jié)、運行的各環(huán)節(jié)技術(shù)人員很少進行工作協(xié)調(diào)，也造成了這種熱網(wǎng)實際運行工況的熱力失調(diào)。相比于散熱器等其它采暖形式，低溫?zé)崴孛孑椛洳膳癁楹物@得更容易出現(xiàn)各種問題呢？下面我們就從低溫?zé)崴孛孑椛洳膳攸c及設(shè)計方法本身分析，尋找解決問題的方法。雖然熱力系統(tǒng)失調(diào)是一個系統(tǒng)問題，牽扯到系統(tǒng)的各個部分，本文僅考慮分集水器之后的戶內(nèi)管網(wǎng)工況分析，至于分集水器之前的管路系統(tǒng)所造成的水力失調(diào)屬于所有熱水采暖系統(tǒng)共同問題，在學(xué)術(shù)和工程上已經(jīng)受到廣泛研究，本文不再涉及。

1 模型分析

現(xiàn)在被建筑設(shè)備系統(tǒng)工程師廣泛采用的低溫?zé)崴孛孑椛洳膳到y(tǒng)設(shè)計步驟如圖1。

圖1 低溫?zé)崴孛孑椛洳膳到y(tǒng)設(shè)計步驟

地面輻射采暖的傳熱是一種非常復(fù)雜的過程，相關(guān)于周邊表面溫度、角系數(shù)、各種表面材料和各表面顏色、空氣對流情況等，學(xué)術(shù)上無法用一種通用的理論模型來概括所有情況，雖然《供熱空調(diào)設(shè)計手冊》[1]第6.2節(jié)介紹了理論計算方法，由于有些參數(shù)無法確定，實際工程情況復(fù)雜，得出的結(jié)果往往也偏離實際情況。研究人員通過實驗總結(jié)出了地面散熱量公式[2]，并把工程中常用情況的計算數(shù)值編入《地面輻射供暖技術(shù)規(guī)程》[2]附表A指導(dǎo)工程應(yīng)用，這便是我們常用的“單位地面面積散熱量和向下傳熱損失表”。

在應(yīng)用上述表格時，我們已經(jīng)通過標準圖集來實現(xiàn)地面做法、面層情況、盤管間距的施工標準化。設(shè)計溫度是我們?nèi)藶榇_定的，但平均水溫卻是由運行工況決定的。在系統(tǒng)實際運行時人為左右不了的，成為地面輻射采暖系統(tǒng)中最不確定的因素。

熱水地面輻射采暖系統(tǒng)的分集水器流體力學(xué)模型為并聯(lián)管道模型(圖2)。對于各環(huán)路分集水器只能提供環(huán)路間等壓力，并不能確保各環(huán)路等流速，更談不上各環(huán)路等溫降。由于各環(huán)路阻抗S值不同，導(dǎo)致流速不等，從而影響各環(huán)路供回水平均溫度，使實際散熱量嚴重偏離理論值。

式(1)為S的定義式，它是管路中管材沿程阻力系數(shù)λ、管道直徑d、管長l和局部阻力系數(shù)ζ的函數(shù)。因為熱水地板采暖埋管道中不包含閥件、不允許有接頭，管道轉(zhuǎn)彎為僅有的局部阻力。又因為轉(zhuǎn)彎半徑很大，我們可以忽略局部阻力，或是認為在工程上轉(zhuǎn)彎的個數(shù)正比于管長，把局部阻力假設(shè)為當量長度。這樣 “Σζ”項可歸于前項，這樣S∝l。又因為熱水地面采暖埋地管道材料規(guī)格相同，我們便得到式(2)。

從式(2)可以看出，環(huán)路管長越長，流速越低，在供水溫度恒定的情況下，回水溫度就越低，導(dǎo)致水溫平均溫度降低，實際散熱量小于“單位地面面積散熱量和向下傳熱損失表”所標注的數(shù)值。這樣就出現(xiàn)了一種現(xiàn)象：某房間單位熱負荷比較大。按表中數(shù)值對管道間距加密，使得管長增加，運行的時候卻因為阻力大而流速小，平均水溫小于設(shè)計值，散熱量不足，甚至低于其他房間。造成各環(huán)路間熱力失調(diào)。

造成低溫?zé)崴孛孑椛洳膳到y(tǒng)熱力失調(diào)的另一個原因是在應(yīng)用階段的散熱面積不足。在設(shè)計階段，我們主要關(guān)注的參數(shù)為單位地面面積散熱量qx，但采暖時房間需要采暖系統(tǒng)提供總散熱量Q，它們的關(guān)系如式(3)。

一般認為，敷設(shè)有管道的和管道間距內(nèi)的地面均算為地面輻射的散熱面積F。但由于種種原因房間內(nèi)的一些地面不宜布置盤管，如衛(wèi)生間內(nèi)的落地器具下面的地面、特殊設(shè)備遮蓋的地面。這些在建筑設(shè)計圖可以反映出來的方面，可以在布置盤管時進行適當修正。但家具的遮擋是不可預(yù)知的。矛盾最突出的房間為住宅的臥室，現(xiàn)代常用家具中臥室的衣柜、床以及床頭柜均為無腳的面落地形式，這就使家具把地面的散熱面積遮擋得嚴嚴實實?，F(xiàn)代居住建筑設(shè)計理念中，臥室作為家居的私密場所面積不會很大，而其中的主要家具占據(jù)了幾乎50%的使用面積。在這種情況下，《供熱空調(diào)設(shè)計手冊》[1]第6.1-3提供的覆蓋率及附加散熱量修正系數(shù)不足以彌補這部分散熱面積的缺失。同樣的問題也常見于客廳、擺放有其它面落地型家具的房間。

以上兩種形式是造成低溫?zé)崴孛孑椛洳膳瘧魞?nèi)熱力失調(diào)最常見的兩個結(jié)構(gòu)性原因。甚至有些時候兩個原因還疊加出現(xiàn)，比如距分集水器最遠的房間恰巧為臥室，而且還具有較多的外圍護面，因管間距加密而使管道更長，再由于家具的覆蓋而使散熱面積大幅減小，最終導(dǎo)致原本應(yīng)該溫暖的臥室溫度達不到設(shè)計溫度。

2 解決方法

由管長差異造成的戶內(nèi)水力失調(diào)最好的解決方法是使接于同一套分集水器的各環(huán)路管長盡量接近。根據(jù)式(2)，同一分集水器上的環(huán)路管長相差20%時，其流速就相差10%左右，這種偏差在工程上還是可以接受的，但在設(shè)計階段具有一定的難度。依照圖1的設(shè)計方法，設(shè)計人員在使房間內(nèi)單位散熱量滿足供熱要求的情況下，盡量按照標準管間距布置盤管，還要把各環(huán)路的布置均勻地與各分集水器連接。再加之戶型的多樣性原因，很難保證管長接近，這就要求設(shè)計人員在工作中多總結(jié)經(jīng)驗。以下是筆者根據(jù)工作經(jīng)驗對常見問題建議采取以下措施：

(1)先單獨布置各主要房間盤管，再把距分集水器最遠房間的環(huán)路用盡量短的管道沿墻接至分集水器。然后依次由遠及近連接各房間環(huán)路和分集水器，最后空余面積由近處房間環(huán)路管道填補，使近處環(huán)路盡量長。

(2)小面積附屬房間如廚房、衛(wèi)生間等在條件允許的情況下可共用環(huán)路，以達到聯(lián)合平衡大房間環(huán)路管長的目的。大房間之間不要共用環(huán)路。

(3)盡量不要為分集水器所在的房間單獨布置環(huán)路，用最近房間環(huán)路填補此房間的空地面。

另一個解決這一問題的方法是采用具備環(huán)路流量調(diào)節(jié)閥和流量顯示的分集水器（圖3）。雖然這一方法比起上一方法耗能，但這是最容易實現(xiàn)的辦法，和工程適應(yīng)性比較也是最好的解決方法。圖3為某品牌的成品分集水器，其為各環(huán)路配備手動流量調(diào)節(jié)閥和玻璃管流量計，一看就能領(lǐng)會其使用方法。其缺點是造價高。

對于地面遮擋所引起的低溫?zé)崴孛孑椛洳膳瘧魞?nèi)熱力失調(diào)現(xiàn)象，筆者倡導(dǎo)根據(jù)房間功能適當調(diào)整布置管道的區(qū)域。圖4為居住建筑中臥室和客廳的家具布置方式。這種布置方式符合大多數(shù)人的使用習(xí)慣。圖中虛線內(nèi)陰影區(qū)域是家具覆蓋的的地面，既然是無效的散熱面積，就沒必要浪費這部分管材和流動動力，所以筆者認為，應(yīng)該避免在陰影區(qū)域范圍內(nèi)布置管道，在陰影以外按比例加密管道以補充散熱量。另外，也可以多種方式告知用戶，盡量采用有支撐腳的家具，減少覆蓋的散熱面積。

圖3 帶分環(huán)路流量調(diào)節(jié)及顯示的分集水器

圖4 某單元式住宅標準層平面圖

3 結(jié)語

低溫?zé)崴孛孑椛洳膳绞皆诰幼〗ㄖ幸延羞\用，但其熱力失調(diào)現(xiàn)象往往常被設(shè)計者所忽視，因此，這就需要我們的設(shè)計人員加強責(zé)任意識，盡可能多地了解居住的實際使用狀況，避免熱力失調(diào)的產(chǎn)生。

[1]陸耀慶.供熱空調(diào)設(shè)計手冊（第二版）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[2]地面輻射供暖技術(shù)規(guī)程（JGJ142-2004）[S].