蘭州交大教學(xué)樓供暖系統(tǒng)運行現(xiàn)狀分析

陳美娟 周文和

蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院

蘭州交大教學(xué)樓供暖系統(tǒng)運行現(xiàn)狀分析

陳美娟 周文和

蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院

冬季采暖能耗占高校公共建筑總能耗的比例較大，供暖系統(tǒng)設(shè)計和運行的優(yōu)劣對校園節(jié)能至關(guān)重要。通過對蘭州交通大學(xué)教學(xué)樓供暖系統(tǒng)的運行狀況進(jìn)行12小時的連續(xù)測試，獲得了不同朝向及不同樓層9個測試教室的實測溫度和實測單位面積耗熱量，同時，對供暖系統(tǒng)的設(shè)計及運行進(jìn)行了校核計算。基于實測及校核計算數(shù)據(jù)的對比分析，得出了教學(xué)樓供暖系統(tǒng)的設(shè)計、運行合理與否的結(jié)論，并提出學(xué)校公共建筑供暖系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計與運行管理的建議。

公共建筑 教學(xué)樓 供暖系統(tǒng) 運行管理 節(jié)能

0 引言

節(jié)能是當(dāng)前我國經(jīng)濟和社會發(fā)展的一項極為緊迫的任務(wù)和長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略方針。根據(jù)能源界近30年來的研究及實踐表明：節(jié)能途徑中潛力最大、最直接且最有效的方式是建筑節(jié)能[1]。公共建筑的能耗在建筑能耗方面占據(jù)相當(dāng)大的比例。建設(shè)部、國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局聯(lián)合發(fā)布了《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189-2005），旨在有效地控制公共建筑的能耗，該標(biāo)準(zhǔn)推出的目的是使新建、改建和擴建的公共建筑與20世紀(jì)80年代的公共建筑相比，全年在包括供暖、通風(fēng)、空氣調(diào)節(jié)和照明方面的總能耗減少50%[2]。我國建筑能耗約占總能耗的1/3，其中供熱及空調(diào)能耗約占建筑能耗的1/3，供熱在北方地區(qū)能源消耗中占據(jù)相當(dāng)大的比重，而目前我國的供熱系統(tǒng)的綜合能效只有30%，供熱系統(tǒng)的理想能效（含電耗）最高限度可達(dá)約70%，尚有40%的節(jié)能空間[3]。

美國、日本、俄羅斯（包括前蘇聯(lián)）、德國等國都是供熱發(fā)展很快的國家，集中供熱系統(tǒng)都已經(jīng)實現(xiàn)了自動監(jiān)測及控制[4]。我國供熱事業(yè)由于起步晚，與其它城市基礎(chǔ)設(shè)施相比較，普及率低，技術(shù)水平也不夠高[5]。目前，供熱領(lǐng)域節(jié)能新技術(shù)、新產(chǎn)品不斷出現(xiàn)和應(yīng)用，也取得了豐碩的節(jié)能成果。山東科技大學(xué)研制的校園供暖節(jié)能調(diào)節(jié)與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有顯著的節(jié)能效果，可節(jié)能20%左右[6，7]；中央美術(shù)學(xué)院采用溫度補償技術(shù)、供熱分區(qū)控制運行技術(shù)、供熱分時、分溫運行控制技術(shù)和循環(huán)水泵變頻技術(shù)等實現(xiàn)了較好的經(jīng)濟效益與社會效益[8]；西北農(nóng)林科技大學(xué)采用了供熱系統(tǒng)節(jié)能改造的設(shè)想，并詳細(xì)分析了節(jié)能改造的效益[9]；濰坊國建高創(chuàng)科技有限公司對清華大學(xué)260萬m2的供暖系統(tǒng)及相關(guān)水電系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，并與清華大學(xué)共享項目節(jié)能效益和政策性的收益[10]。

相比之下，對于量大面廣北方校園的節(jié)能供暖，校園公共建筑供熱領(lǐng)域節(jié)能新技術(shù)、新產(chǎn)品的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，此外，校園公共建筑供熱系統(tǒng)的運行狀況實測資料非常缺乏。本文將通過對蘭州交通大學(xué)東教學(xué)樓供暖系統(tǒng)運行狀況進(jìn)行測試分析，以期得到校園公共建筑及其供暖系統(tǒng)在設(shè)計、運行和管理等方面的普遍性結(jié)論及合理建議，同時引起社會對校園供暖節(jié)能的重視。

1 測試對象、內(nèi)容及方法、分析數(shù)據(jù)

1.1 測試對象

自1958年建校以來，蘭州交通大學(xué)供熱系統(tǒng)通過不斷改擴建，系統(tǒng)規(guī)模不斷擴大，供熱管網(wǎng)不斷延伸，逐漸形成了以自有區(qū)域鍋爐房為熱源，不通行地溝和直埋敷設(shè)枝狀外網(wǎng)的供暖系統(tǒng)型式，設(shè)計供回水溫度為95/70℃，供暖期內(nèi)采用質(zhì)-量方式進(jìn)行供暖調(diào)節(jié)，包括住宅區(qū)、教學(xué)區(qū)、辦公區(qū)、宿舍區(qū)、北校區(qū)5個分支用戶，各支路熱用戶無自主調(diào)節(jié)措施，均在鍋爐房分集水器處統(tǒng)一調(diào)節(jié)，其中教學(xué)區(qū)主要由西教學(xué)樓和東教學(xué)樓組成。圖1所示為東教學(xué)樓，分為四、五、六教三個建筑，供暖總面積分別約為 7215m2、14220m2、7215m2，體形系數(shù)分別為0.15、0.12、0.15，一層層高為3.9m，其它層層高均為3.7m。

圖1 東教學(xué)樓總平面

四、五、六教分別由獨立系統(tǒng)進(jìn)行供暖，系統(tǒng)型式為上供下回單管順流同程式，引入管管徑均為DN100。考慮不同供暖系統(tǒng)、不同樓層、不同朝向等因素，本文分別從四、五、六教建筑中挑選了3個教室，共9個教室，對其供暖系統(tǒng)的供暖效果進(jìn)行測試。測試教室相關(guān)基本資料如表1所示。

表1 待測教室及其散熱設(shè)備參數(shù)

1.2 測試內(nèi)容及方法

本次調(diào)研時間為2012年12月23日（星期六）9:00～21:00，共進(jìn)行了12個小時連續(xù)測量，測試內(nèi)容以及使用儀器如下：

1）單位面積實測耗熱量。測試對象的實測單位面積耗熱量等于相應(yīng)時刻各供暖系統(tǒng)入口處熱量表實測值除以測試供暖系統(tǒng)建筑面積。熱量表采用唐山某儀器儀表有限公司生產(chǎn)的外掛式TDS-100系列超聲波流量計等儀器（溫度傳感器為貼片式、流量傳感器為外敷式），測量精度為±1.0%，除可顯示熱量外，熱量表還可獲得熱力入口處各采暖系統(tǒng)的供回水溫度和流量。

2）實測室內(nèi)溫度。采用杭州某科技有限公司生產(chǎn)的LGR-WD01u自記式溫度儀對測試教室室內(nèi)溫度進(jìn)行連續(xù)測量，自記式溫度儀精度為±0.5℃，可自動設(shè)定采集頻率。同時采用高精度玻璃溫度計對自記式溫度記錄儀進(jìn)行校核。

3）實測室外溫度。采用LGR-WD01u自記式溫度儀，對室外溫度進(jìn)行了測量。

2 設(shè)計校核

為了評判測試建筑及其供暖系統(tǒng)是否滿足設(shè)計要求，本文首先依據(jù)設(shè)計規(guī)范《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB50189-2005)和《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》(GB50019-2012)對測試建筑傳熱系數(shù)及教室散熱器面積等內(nèi)容進(jìn)行校核。

2.1 傳熱系數(shù)校核

本建筑屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為0.52W/(m2·℃)，外墻傳熱系數(shù)為0.57W/(m2·℃)，外窗傳熱系數(shù)為4.7W/(m2·℃)，測試建筑的體形系數(shù)均小于0.3，窗墻比均在0.5～0.7之間。根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB50189-2005)可知，對于寒冷地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)限值，當(dāng)體形系數(shù)≤0.3時，屋面的傳熱系數(shù)≤0.55W/(m2·℃)，外墻的傳熱系數(shù)≤0.60W/(m2·℃)；當(dāng)0.5＜窗墻比≤0.7時，外窗傳熱系數(shù)≤2.0W/(m2·℃)[11]。因此，本文測試建筑除外窗外，各圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)均滿足節(jié)能要求。

2.2 散熱器面積校核

蘭州市室外采暖設(shè)計溫度取-11℃[12]，高校公共建筑供暖教室室內(nèi)采暖設(shè)計溫度取18℃，測試教室單位面積設(shè)計采暖耗熱量可以采用以下公式進(jìn)行計算[13]，各教學(xué)樓的單位面積設(shè)計耗熱量取其3個測試教室的平均值，計算結(jié)果匯總于表2。

式中：q—采暖單位面積設(shè)計耗熱量，W/m2；Q—采暖設(shè)計耗熱量，W；A—建筑采暖面積，m2；Qj—通過供暖房間某一面圍護(hù)物的溫差傳熱量（或稱基本耗熱量），W；K—該面圍護(hù)物的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；F—該面圍護(hù)物的散熱面積，m；tn—室內(nèi)空氣計算溫度，℃；t'w—室外供暖計算溫度，℃；a—溫差修正系數(shù)；β—附加率（或稱修正率）；Cp—干空氣的定壓質(zhì)量比熱容，Cp= 1.0056kJ/(kg·℃)；ρw—室外溫度下的空氣密度，kg/m3；V—滲透空氣的體積流量，m3/h。

測試教室單位面積計算采暖耗熱量是指按照采暖設(shè)計室內(nèi)溫度與測試室外溫度的差值對采暖設(shè)計耗熱量進(jìn)行修正后的耗熱量，按下式進(jìn)行計算，各教學(xué)樓的計算耗熱量取其3個測試教室的平均值，計算結(jié)果匯總于表2。

式中：q1—建筑采暖單位面積計算耗熱量，W/m2；q—建筑采暖單位面積設(shè)計耗熱量，W/m2；tn—室內(nèi)供暖計算溫度，℃；t'w—室外供暖計算溫度，℃；tw—室外供暖實測平均室外溫度，取值為(t1+t2+…+tn)/n，t1、t2…tn—不同時間間隔實測室外溫度，℃，n=49。

散熱器面積及片數(shù)可采用下式進(jìn)行計算[13]，計算結(jié)果匯總于表2。

式中：Q—采暖設(shè)計耗熱量，W；tpj—散熱器內(nèi)熱媒平均溫度，℃；tn—室內(nèi)供暖計算溫度，℃；K—散熱器的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；β1—散熱器組裝片數(shù)修正系數(shù)；β2—散熱器連接形式修正系數(shù)；β3—散熱器安裝形式修正系數(shù)；n—散熱器片數(shù)，片；f—單片散熱器的散熱面積，0.235m2/片。

表2 散熱器面積和片數(shù)計算表

測試教室實際布置散熱器面積均大于設(shè)計要求值，雖然四、六教測試教室是南向，五教測試教室是東向，但原設(shè)計者進(jìn)行散熱器設(shè)計時采用的富裕系數(shù)，四、六教的取值遠(yuǎn)大于五教的取值。

通過以上校核可知，設(shè)計者在進(jìn)行供暖系統(tǒng)和散熱器設(shè)計時不但未考慮學(xué)生人體散熱對教室溫度的影響，而且步步加大保險系數(shù)，導(dǎo)致室內(nèi)散熱器面積和片數(shù)的選取普遍偏大。

3 測試數(shù)據(jù)及分析

圖2~圖4給出了室外實測、平均及設(shè)計溫度，各測試教室室內(nèi)實測及設(shè)計溫度和各教學(xué)樓實測、設(shè)計單位面積耗熱量。

3.1 室外溫度

圖2給出了實測室外溫度tw、實測室外平均溫度tw和蘭州采暖設(shè)計室外溫度t'w。實測室外溫度最高為-0.7℃，最低為-9.9℃，室外平均溫度-3.8℃，9:00～12:00期間，隨著時間的增長，室外溫度達(dá)到最大值-0.7℃，因天氣轉(zhuǎn)陰，12:00～13:00期間減小到-4.1℃，13:00~ 21:00之后溫度在-2℃左右，曲線變化較平緩。由于測試時間不是蘭州冬季最冷時間，因此實測室外溫度高于采暖室外設(shè)計計算溫度-11℃。

圖2 室外實測、設(shè)計及平均溫度

3.2 室內(nèi)溫度和單位面積耗熱量

圖3示出了四教4132、4336、4536，五教5108、5311、5607，六教6123、6435、6527共9個教室的實測室內(nèi)溫度及采暖室內(nèi)設(shè)計計算溫度。從圖3可以看出，四、五、六教各教室實測室內(nèi)溫度值與實測室外溫度值變化趨勢基本一致。四教測試教室溫度最高，六教次之，五教最低，測試教室4336、4536、5607、6435、6527的實測平均室內(nèi)溫度大于采暖室內(nèi)計算溫度18℃，尤其頂層教室4536、5607、6527最高，而測試教室4132、5108、5311、6123的實測平均室內(nèi)溫度小于采暖室內(nèi)計算溫度18℃。

圖3 實測室內(nèi)溫度與設(shè)計室內(nèi)溫度

圖4示出了測試對象實測單位面積耗熱量與計算單位面積耗熱量。從圖4可以看出，四教和六教計算單位面積耗熱量為42.28W/m2，五教計算單位面積耗熱量為45.70W/m2，略小于四、六教；由于五教供暖面積遠(yuǎn)大于四教和六教，但供暖系統(tǒng)供回水總管的管徑相同，導(dǎo)致六教總體實測單位面積耗熱量最高，其次為四教，五教實測單位面積耗熱量值最小；四教測試教室溫度較高，滿足供暖要求，且實測單位面積耗熱量低于計算值，說明四教供暖系統(tǒng)設(shè)計、運行良好；六教實測室內(nèi)溫度并沒有像耗熱量那樣均高于四教和五教，且實測單位面積耗熱量高于計算單位面積耗熱量，說明供暖系統(tǒng)存在水力失調(diào)現(xiàn)象；五教實測室內(nèi)溫度較低，且實測單位面積耗熱量低于計算值，說明五教供暖系統(tǒng)設(shè)計不合理，導(dǎo)致大部分教室室內(nèi)溫度不能滿足供暖需求。

圖4 實測單位面積耗熱量與計算單位面積耗熱量

導(dǎo)致上述現(xiàn)象的原因可能源于以下幾個方面：

1）外窗傳熱系數(shù)不滿足節(jié)能要求，若采用傳熱系數(shù)為2.5W/(m2·℃)，雙層塑鋼窗代替?zhèn)鳠嵯禂?shù)為4.7W/ (m2·℃)的單層塑鋼窗，可節(jié)能15.2%；

2）由于供暖系統(tǒng)是隨校園規(guī)模逐漸擴建，事先缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃，加之設(shè)計或調(diào)節(jié)等因素的不良，各分支系統(tǒng)存在嚴(yán)重的水力失調(diào)；

3）三個教學(xué)樓供暖系統(tǒng)大小不一，五教遠(yuǎn)大于其他兩個教學(xué)樓，但引入口相鄰布置，設(shè)計采用了相同的引入管管徑；

4）散熱器傳熱系數(shù)是散熱面積計算的關(guān)鍵參數(shù)，其值依賴于供回水溫度及溫差，如果水溫較低時不考慮修正，必然導(dǎo)致計算散熱面積的不足；

5）當(dāng)同一供暖系統(tǒng)各分支用戶出現(xiàn)水力失調(diào)時，即使對散熱面積計算考慮較大的富裕量，仍不能滿足供暖的正常需求；

6）設(shè)計時未考慮教室學(xué)生人體散熱對耗熱量的影響。

4 結(jié)論

通過對蘭州交通大學(xué)教學(xué)樓供暖系統(tǒng)運行狀況的測試和分析可知，校園公共建筑及其供暖系統(tǒng)具有較大的節(jié)能潛力，具體表現(xiàn)在如下幾個方面：

1）前期合理的規(guī)劃，是避免無序建設(shè)、實現(xiàn)節(jié)能運行必不可少的前提；

2）必須嚴(yán)格依據(jù)國家相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行節(jié)能設(shè)計；

3）對于蘭州等太陽能資源較豐富的地區(qū)，校園公共建筑的朝向應(yīng)優(yōu)先考慮南向；

4）由于公共建筑的底層耗熱量較大，日曬得熱較小，公共建筑供暖系統(tǒng)型式可考慮采用下供上回式，以減少底層房間采用較大面積散熱器仍不能滿足使用要求的現(xiàn)象；

5）設(shè)計計算散熱器面積時，應(yīng)充分考慮供回水溫度和溫差，對現(xiàn)有散熱器傳熱系數(shù)實驗關(guān)聯(lián)式進(jìn)行修正；

6）供暖系統(tǒng)的水力調(diào)節(jié)和平衡是保證系統(tǒng)正常、節(jié)能運行的必要條件，可考慮在系統(tǒng)分支處裝設(shè)自動平衡裝置；

7）公共建筑供暖系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)合理考慮人體散熱的影響；

8）低溫水地板輻射采暖節(jié)能、舒適，尤其適于高大空間，教室等校園公共建筑應(yīng)當(dāng)積極采用低溫水地板輻射采暖系統(tǒng)型式；

9）室外管網(wǎng)系統(tǒng)材料應(yīng)優(yōu)先考慮采用PE等耐腐蝕管道，以延長系統(tǒng)使用壽命和減少阻力損失；

10）由于校園各功能建筑獨具使用特點，可采用分時、分區(qū)供暖的運行管理模式，即針對學(xué)生宿舍、教室等不同供暖功能建筑，不同時段采用不同的供暖溫度；

11）采用有效的自動調(diào)節(jié)和控制手段，對校園供暖系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)化管理，真正實現(xiàn)節(jié)能運行。

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Analysis of the Present Running Status of Teaching Building Heating System in Lanzhou Jiaotong University

CHEN Mei-juan,ZHOU Wen-he
School of Environmental Science and Municipal Engineering,Lanzhou Jiaotong University

The proportion of winter heating energy consumption of public buildings in universities is large in the total energy consumption,the merits of the heating system design and operation on campus energy saving are very important. Through continuous testing of the operational status on Lanzhou jiaotong university teaching building heating system for 12 hours,it comes to the measured temperatures and the measured heat consumptions per unit area of the classrooms among nine different orientations and floors,at the same time,the heating system design and operation have been verified. Based on the comparison and analysis about the practical test and verified data,the present paper have concluded that the building heating system design,operation and management are reasonable or not,and propounded the design and operation management about school public buildings heating energy-saving.

public buildings,teaching building,heating system,operation management,energy saving

1003-0344（2015）04-064-5

2014-4-29

陳美娟（1990～），女，碩士研究生；甘肅省蘭州市安寧區(qū)安寧西路88號蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院（730070）；E-mail：973471175@qq.com