散熱器采暖低溫運行的研究

宋為民 董重成 李慶娜

引 言

歐洲很多國家已開始采用60℃以下低溫熱水采暖，并正朝著進一步降低系統溫度的方向發展。而我國散熱器采暖過去一直用95/70℃的熱媒參數，目前，國內也開始提倡低溫連續供熱，并開始降低傳統的供暖溫度。研究既有建筑散熱器采暖系統在低溫下運行的可行性，為既有建筑散熱器采暖系統的改造，節能降耗，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，如果散熱器進出口溫度降低，那么在室內空間范圍內，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，有機灰塵會在散熱器表面分解，散發氣味，熏黑墻面的情況明顯。其次，低溫采暖更加節能。供暖熱水溫度的降低可以減少網路管道的熱損失。以供回水溫度為95/70℃的系統為例，供回水平均溫度每降低1度，外網的熱損失相對減少1.3%。當供回水溫度變更至55/45℃時，外網熱損失相對可減少35%以上。

一、散熱器采暖低溫運行的計算分析

哈爾濱市既有住宅進行節能改造前、后的散熱器采暖系統，按高、低溫運行對散熱器數量的變化做了計算分析。該住宅建于上世紀80年代，一字形平面，南北向布置，為六層磚混結構，建筑面積1700m2，室內采暖系統為傳統的單管順流式系統，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.系統管徑變化

既有建筑節能改造前冬季設計熱負荷為110651W，按節能50%節能改造后，保溫性能大大提高，冬季設計熱負荷僅為66960W。節能建筑與非節能建筑熱負荷不同，當采暖散熱器供回水溫差不同時，需要通過水力計算分析散熱器采暖系統管徑的變化。

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

2.散熱器數量的變化

雖然節能建筑保溫效果好，熱負荷小，但若散熱器采暖系統低溫運行，為達到用戶的用熱需求必須增加原有散熱器數量。因此，需要對既有建筑節能改造后采暖系統低溫運行時散熱器數量的變化情況進行計算分析。

計算可知：當既有建筑節能改造后采暖系統不變，只降低供回水溫度時，散熱器片數增加，相比于改造前采暖系統高溫運行的散熱器數量增加1.45倍。

3.增加散熱器數量對室內空間的影響

雖然節能改造后建筑采用低溫散熱器采暖使得散熱器片數增加，但是散熱器片數增加后，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的可利用空間原本就不大，所以即使散熱器低溫運行時片數增加，占地面積加長，室內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計趨向于減小散熱器寬度，使其值基本保持在100mm以內。

4.散熱器數量增加對初投資的影響

既有建筑節能改造后保留原有采暖系統形式，若分別采用傳統的95/70℃的供回水溫度和60/45℃甚至更低的供回水溫度，由計算可知兩種供回水溫度下的供回水管管徑基本不變，室內散熱器的數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，比較既有建筑節能改造后散熱器采暖系統分別高溫與低溫運行時的系統初投資。

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

二、散熱器采暖系統低溫運行實驗測試

對現有的換熱站的供暖參數、具有代表性的節能住宅的室內外逐時溫度和低溫散熱器采暖系統供回水溫度進行測試，表明了低溫散熱器采暖系統具有良好的供暖效果。

1.住宅低溫供暖效果的實測

對哈爾濱地區現有的具有代表性的節能住宅的室內外逐時溫度和低溫散熱器采暖系統供回水溫度進行測試，確定應用于節能建筑的散熱器采暖系統低溫運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，是標準層住宅，節能墻體，窗戶均為雙層玻璃塑鋼窗，其供熱方式為實行分戶計量的低溫連續供熱。

哈爾濱地區采暖季由10月20日開始，至次年4月20日結束，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時結束。數據采集前期為每15min自動記錄一次數據，后期為每30min自動記錄一次數據，共取得測試數據29000多個。將測試數據整理成曲線，見圖1。

圖1 實驗測試溫度統計圖

由圖1還可以看出供暖運行方式采用連續供熱，其狀況比較穩定，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的實測

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行測試，證明了現有系統改造成低溫運行是完全可行。

（1）哈爾濱工大園區換熱站供熱參數

哈爾濱供暖公司第二分公司的1號換熱站建成于1994年，負責哈爾濱工業大學校園以及周邊建筑的冬季采暖，供熱面積達到17.9萬平方米，其運行方式為連續供熱。由調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到-26℃；工大園區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，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，工大園區的供暖運行方式采用連續供熱，其狀況比較穩定，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達到最低值-22.6℃，下午13：00達到最高值-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

牡丹江市位于黑龍江省東南部，屬中溫帶大陸性季風氣候，處于我國建筑熱工分區中的嚴寒地區。通過調研得到牡丹江市民航熱力站2009年1月份運行記錄，將數據整理成曲線形式如圖4所示。

此運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。同時該小區冬季采暖運行方式也采用連續供熱，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驗

1.實驗方法

對五種不同類型的常用散熱器的熱工性能進行了實驗研究。所有的實驗數據都是按照中華人民共和國國家標準 《采暖散熱器散熱量測定方法》（GB/T13754-92）在哈爾濱工業大學ISO散熱器熱工性能實驗室測試得到。對于不同種類的散熱器，依據熱平衡方法測量其在不同計算溫差時的散熱量。當室內溫度保持穩定時，測試小室處于熱平衡狀態，測試小室的得熱量與失熱量達到平衡。在測試小室處于密閉狀態時，得出散熱器的散熱量，失熱量是冷卻系統通過壁面換熱帶走的熱量。本實驗散熱器進口熱水溫度范圍35~95℃，取值覆蓋了低溫區和高溫區。根據國家標準 《采暖散熱器散熱量測定方法》，測試的內容是在變熱媒溫差的條件下對散熱器進出口熱水的平均溫度為50±5℃、 65±5℃、 80±3℃三個工況點進行測試， 且按其規律再補充三個工況點：70±5℃，45±5℃，30±5℃。每次測試均在相同流量下進行，其流量偏差不超過±2%。

將實驗數據通過回歸整理成下列表達式的形式：

式中：tsp——熱媒平均溫度，℃；

tn——室內溫度，℃；

A,B——由實驗確定的系數。

2.實驗數據的處理與分析

應用最小二乘法將五種散熱器的實驗數據整理成低溫散熱量計算公式，具體如表1所示。

表1 散熱量計算公式

四、結論

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

2.既有建筑節能改造后仍使用原有采暖系統，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。通過計算，可知既有建筑節能改造后散熱器采暖系統低溫運行時散熱器片數增加到節能改造前散熱器高溫工況運行時散熱器片數的1.4倍左右。

3.既有建筑節能改造后原有采暖系統不變，若仍采用95/70℃供回水溫度則勢必造成室內過熱，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。相對于節能改造后建筑采暖系統高溫運行，當其降低供回水溫度即低溫運行時設備投資增加20%左右。但若與節能改造前建筑采暖系統高溫運行相比，節能改造后的建筑散熱器采暖系統低溫運行時設備投資增加不大。

4.通過對現有的具有代表性的節能住宅的低溫采暖系統的實際測試，驗證了應用于節能建筑的低溫散熱器采暖系統連續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的供熱參數，以低于60℃的水溫作為供水溫度，從而改善室內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：國際銅業協會 （中國），佛瑞德 （鄭州）工業有限公司，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］采暖通風與空氣調節設計規范 (GBJ19-87).

［2］采暖通風與空氣調節設計規范 (GB50019-2003).

［3］民用建筑節能設計標準 (采暖居住建筑部分)(JGJ26-95).

［4］陸耀慶.實用供熱空調設計手冊.第二版.北京：中國建筑工業出版社，2007：396.

［5］李慶娜等.低溫建筑技術.2009,31(10).