公共建筑采暖系统的节能改造研究

刘志勇樊越胜

摘要：根据建设部１５９号文件精神，在２００８年采暖季前，政府机构办公楼等建筑要完成供热改造。本文针对现有公共建筑采暖系统常用的上供下回式单管系统，提出了一种简单易行的节能改造方案，比较了改造前后室内散热量的变化情况。同时对该类建筑夜间和节假日的运行方案进行了分析和有关计算，认为加班房间不存在过热现象。同时对系统的自控装置进行了初步的探讨。

关键词：公共建筑；自动控制；建筑节能

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随着人们生活水平的提高，建筑能耗在总能耗中的比例逐渐提高，建筑节能受到国家和社会的重视。城市供热系统的节能是建筑节能巾的重要组成部分，八部委在２００５年《关于进一步推进供热体制改革的意见》中明确指出，城镇供热要坚持集中供热为主；同时，在大力促进供热采暖节能工作中，要特别关注居民住宅和公共建筑的节能改造。

目前，全国已建成的４００多亿平方米建筑而积中，采暖平均耗热指标在４０—５０Ｗ／ｍ２，如果达到２０—２３Ｗ／ｍｚ的节能建筑能耗指标，整个北方采暖地区每年就有１８００万吨标准煤的节能潜力，经济效益可达７０亿元。即使这样，与瑞典、丹麦、芬兰等圜家１１瓦，平方米的平均采暖能耗相比，我们的节能空间依然很大。而在４５亿平方米的公共建筑中，各级政府机关办公楼等建筑通常采取连续供暖的方式，调节手段落后，供热能源浪费严重。所以，对政府办公楼等公共建筑进行节能改造势在必行。这样既有利于减小自身能耗，也可以向全社会做出示范。

下采暖系统改造的目的

在《关于推进供热计量的实施意见》中指出，公共建筑应按供热计量要求进行改造，必须加装热量总表和调控装置，室内系统应安装温度调节装置。目的是通过改造工作，使系统合理的供热，对于需要供热的房间提供热量，而对于无人房间减少或不提供热量。同时希望采取热计量的手段能合理的收取热费。那么，改造系统就应该具有以下两个功能：

（１）具有调节功能，用户可以通过手动调节或自动调节，根据需要控制各房间的温度。

（２）具有热计量功能。热量可以量度，对用户按所用的热量收取热费，调动用户自身的节能意识。

对于公共建筑，热费一般是统一收取，分室热计量意义不大，主要工作应放在当房间内外扰量发生改变时，如何对室内温度和系统流量进行合理的调控。

２现有系统形式和改造方式

在现有公共建筑中，室内采暖系统主要分为垂直单管系统或双管系统。其中又以单管顺流式系统使用的最多。

单管顺流系统，采用上供下回的供水形式，热水从上到下依次流过各个散热器，传统调节方式?４８５?

多为质调节，循环泵没有采用变频技术。质调节优点在于只改变供水温度，运行管理方便，网路的循环水量不变，水力工况稳定。但耗能较多，而且无法就某一间房间的负荷变化做单独的调节。为满足室温的自主调控，改造系统宜采取量调节的方式。

我国北方地区冬季采暖期在１２０天以上，单管系统在公共建筑中的连续供热造成了巨大的热浪费．一方面许多办公室采用开窗散热的方法改变室内温度；另一方面，系统在夜间仅仅提供一个固定的值班温度，又使得夜间工作者和加班人员得不到应有的热保障。所以，对现有单管系统进行改造，达到按需供热势在必行。而要能够调节热量供给，首先要对系统形式进行改造。简便易行的做法便是在散热器两端加装跨越管，在散热器支管上加设流量调节装置，使之可以根据室内负荷的变化调节散热器水量，维持用户设定的室温．达到节能的目的。

３计算实例

本文以一个４层建筑为例，对散热器加装跨越管前后的散热量变化进行了详细的计算，并计算可能出现的局部过热现象。

３．１改造前系统形式和参数

图１上供下回单管系统

如图ｌ所示，原建筑采暖系统为上供下回同程式系统。在西安地区，该楼冬季设计热负荷为２６９００Ｗ，总流量９２５．３６ｍ３／ｈ；立管Ｉ、Ⅱ、Ⅲ、ＩＶ流量分别为２４０．８

１３４．１６ｍ３／ｈ、．２７５．２ｒｎ３／ｈ、２７５．２ｍ３／ｈ、ｍ３／ｈ。对立管Ⅲ按照等温降法计算．从上到下，ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ各点温度分别为９５％，８８．３℃，８２．６。Ｅ，７６．９＇Ｅ，７０＇Ｅ，散热器选用钢板散热器。各层详细参数见表１。此时，全楼的资用压头为７１３１Ｐａ，各立管之间的不平衡率最大为８％。

３．２改造后系统的散热能力

以立管ＩＩＩ为例，比较改造前后差异。

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图２改造前后用户入口比较

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通常，改造是在水平支管间加装跨越管，并在支管上安装流量调节阀，如图２所示。由于加装跨越管之后，给散热器并联了一段直管，阻力损失大大减小，整个系统的阻力损失因此变为６３１２Ｐａ。

另外，改造后直管上的流量将有所改变。之前，立管ＩＩＩ流量为２７５．２ｍａ／ｈ，水平两支管各分１，２，流

量均为１３７．６ｍ‰。而改造后，为了尽量加大流经散热器的流量，将立管、跨越管、水平支管的管径取为ＤＮ２０×１５×２０；在立管流速为０．２２ｍ／ｓ时，流过散热器的进流系数为０．３。可计算得到通过散热器和跨越管的流量分别为８２．５６ｍ３／ｈ和１ｌＯ．０８

表１

ｍ５／ｌｌ。

系统改造前散热器的散热面积

表２改造后散热器的散热校核

楼层

散热器进口

散热器流量

散热器出口

跨越管流量

跨越管水温

混合水温

垄望堡』羔２

４楼３楼２楼Ｉ楼

９５８８．４８８２．９３７７．３７７０．６７

鱼！翌：鱼！

８２．５６

垄望丛羔！

８４．１４７９．２２７３．６７６６．１９

鱼！堡垒２

１１０．０８１１０．０８１１０．０８１１０．０８

鱼！羔２

９５

丛羔２

８８．４８

８２．９３７７．３７

７０．６７

８２．５６

但改造后，散热器流量减小，散热量是否还能满足热负荷的要求呢？考虑改造前后散热器面积不会变，可以运用公式Ｆ＝Ｑ／ＫＸ（ｔ。．ｔｎ）×ｐ，反算改造后的散热量。先假设在散热器散热系数Ｋ不变时．根据热水散热量等于空气侧传热量，计算散热器出水温度（顶层散热器进出口温度为９５。Ｃ／８４．１４℃），此时散热量为１０４４Ｗ，与原值１０７４Ｗ基本一致。之后，验证散热系数Ｋ不变的假设是否成立。根据公式Ｋ＝２．５×△ｔｏ‘２粥（Ａｔ为散热器平均温度与室内温度差），改造前，△ｔ＝７１．６。Ｃ，Ｋ＝８．５９；改造后，Ａｔ＝６９．６。Ｃ，Ｋ＝８．５２。散热系数在改造前后变化范围在０．８３％，经过３次叠代，出口水温为８４．２２，

与计算值８４．１４相比误差很小。

表３改造前后散热量对比

通过表３，系统改造前后各层散热器的散热量对照，可以看出最大的偏差出现在一楼，也只有

３％。据此得到结论：系统改造后，在正常工作时，散热量基本不变。

３．３改造系统的夜间保温能力

改造系统一个主要目的就是保证在夜间或节假日，通过水平支管上阀门的关闭，减少散热，达到节约能源的效果，使其具有按需供热的能力。但同时，需要系统最小的散热量能达劭值班温度的

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要求。下面通过计算讨论阀门在多大的开度下能满足室内值班温度的要求。

首先，计算供暖立管散热。根据公式Ｑｇ＝ｆｘＸｇ×Ａｔｘ１１，得到在９５。Ｃ供水时，室内立管和水平支管散热量为２３８Ｗ，对供暖房间的温度提升不到２．５。Ｃ。因此，散热器后阀门不能全关。与前面的计算类似，当保持室内５℃时，水平支管的流量从一层到四层，分别为：４．８，４．０，３．９，４．６ｍ＝ｈ，占原流量的５．９％，４．８％，４．７％，５．５％。阀门上的开度值与之对应。而这时，立管温降为９５／８５。Ｃ。

表４值班温度理论计算表

注：夜间流量减小，散热器进出口温差较大，计算平均温度应采用对数平均温度

通过表４的理论计算，发现夜间维持值班温度．只需要阀门有很小的开度即可。而且，如考虑前面计算供暖立管也有２．５。Ｃ的供热能力，有立管的房间阀门可以进一步关小。但以上只是理论计算，在假设热水在散热器内混合均匀的基础上。实际中，对于同侧上进下出的散热器，当流量减小时，热水可能在散热器内短路，致使散热能力下降。因此，实际的开度应该比计算值大一些。另外，对于控制阀门；即使使用性能较好的等百分比阀门，当开度小于一定值时，阀门特性曲线偏离了线形区，难以准确调节。综上所述，夜间供热只需要一个较小的流量即可，具体开度值，还需要根据阀门和散热器的性能继续研究。

３．４改造后系统的过热度研究

当楼内所有房问阀门开度均最小时，立管内水温升高，如表４计算，供回水之问只有１００Ｃ温差，这时，如果有一间房间打开阀门，其流过散热器的平均水温将高于白天，散热量将加大，室内可能过热。按照理论分析，底层，即一楼用户过热最严重。有必要进行校核，计算过热度，并寻求相应阀门的开度。

日间，一楼的进出口水温为７７．３７／６６．１９℃；而夜间温度为８７．７６／７４．５６℃。相应的散热量为１２６８Ｗ，高出设计值１８．１％。但是，考虑到夜间，其他房间只有５。Ｃ值班温度，则户间传热量较大，按照户间传热温差１３＂Ｃ计算，需要的热负荷变为１６２３Ｗ，高于实际散热量的２１％。所以，室内非但不会过热，反而温度会降低近５６Ｃ，楼上房间在同样情况下也存在温降。

４配合改造系统的自动控制装置

这种改造系统是针对政府机关，写字楼等公共建筑而进行的。一方面，在这些场所工作人员一般对于建筑节能的意识比较淡薄，不会主动的控制阀门的启闭。即使安装ｒ厂控制阀门，经常在下班后房问内依然是正常供热。而楼宇的物业管理人员通常也没有权限进入室内去调节阀门的启闭。另一方面，由于建筑物的热惰性，当阀门全开之后，房间温度也不会立即升高，一般延迟在一个小时以上，工作者希望在８点上班之前，室内的阀门能提前打开。所以自动控制对于实现建筑节能是一个重要环节。对于我们的改造工程，也希望阀门的控制能够由电脑控制。这样，一方面能有利于节能，另一方面解放了物业工作人员，同时房间的热舒适性也有所保障。?４８８?