區(qū)域供能管網(wǎng)散熱損失計(jì)算方法及分析

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

區(qū)域供能管網(wǎng)散熱損失計(jì)算方法及分析

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

對管網(wǎng)散熱損失的計(jì)算方法、關(guān)鍵參數(shù)的選擇和數(shù)據(jù)來源進(jìn)行詳細(xì)介紹；根據(jù)全年的氣象參數(shù)和全年負(fù)荷預(yù)測結(jié)果，結(jié)合上海某項(xiàng)目的實(shí)際情況，對項(xiàng)目設(shè)計(jì)狀態(tài)和全年的散熱損失進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果表明：供冷管網(wǎng)在設(shè)計(jì)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(yuǎn)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(xiàng)目，尤其是南方地區(qū)以供冷為主的區(qū)域供能項(xiàng)目，一直以來存在支持與反對兩種聲音。區(qū)域供能項(xiàng)目可以降低總體裝機(jī)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(yùn)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(xiàng)目的實(shí)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(xiàng)目位于上海前灘地區(qū)，能源站供能面積約200萬m2，該項(xiàng)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(xiàn)結(jié)合實(shí)際案例進(jìn)行過計(jì)算分析，但結(jié)論有較大差異。文獻(xiàn)[1]結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目對管網(wǎng)散熱損失進(jìn)行了計(jì)算分析，認(rèn)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(xiàn)[2]根據(jù)項(xiàng)目實(shí)例計(jì)算得出冷水管道溫升達(dá)0.8℃，冷量損失接近售冷量的10%，并認(rèn)為水泵能耗高為主因。文獻(xiàn)[3]～[7]針對區(qū)域供冷系統(tǒng)管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及合理的供冷半徑都做出了比較詳細(xì)的分析。不同項(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)目采用直埋敷設(shè)的方式，且直埋管網(wǎng)系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)化、制造和施工工藝等方面十分成熟，結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際情況，只針對直埋管網(wǎng)的散熱損失計(jì)算進(jìn)行討論。

1 管網(wǎng)散熱損失計(jì)算方法

根據(jù)計(jì)算已知的條件不同，直埋管道的散熱損失不同文獻(xiàn)的計(jì)算方法略有差異，已知埋深土壤溫度的計(jì)算方法和已知土壤地表溫度的計(jì)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(jìn)行計(jì)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(jìn)行計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算方法的差異及關(guān)鍵數(shù)據(jù)取值

兩種計(jì)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(jì)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(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)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(xiàn)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(xiàng)目的指導(dǎo)意義不大。針對具體項(xiàng)目的計(jì)算，一般是根據(jù)地勘資料或土壤熱物性實(shí)驗(yàn)結(jié)果取值。

文中根據(jù)該實(shí)際項(xiàng)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(shí)際項(xiàng)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(xiàn)[10]給出了土壤溫度計(jì)算的理論模型，且與實(shí)測數(shù)據(jù)有較高吻合度。該模型的計(jì)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(jì)算時刻，s；

x—土壤地面以下的深度，m；

α—土壤熱擴(kuò)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?xiàng)l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(xiàng)目，地表下2.0m埋深處的土壤溫度計(jì)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?xì)v年氣象參數(shù)的統(tǒng)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)測數(shù)據(jù)分析整理的典型氣象年數(shù)據(jù)做為計(jì)算依據(jù)，其月平均溫度見表2。

表2 月平均溫度

3 項(xiàng)目實(shí)例計(jì)算及結(jié)果分析

表3 管網(wǎng)設(shè)計(jì)工況散熱損失計(jì)算結(jié)果

表4 管網(wǎng)全年散熱損失計(jì)算結(jié)果

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

從上述計(jì)算結(jié)果可知:

（1）除供冷管網(wǎng)在設(shè)計(jì)工況下兩種計(jì)算方法存在較大差異外，其余計(jì)算結(jié)果兩種計(jì)算方法均較為接近。此種差異存在的原因在于計(jì)算方法1采用數(shù)學(xué)模型計(jì)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(jì)算，結(jié)果相對更可靠；或者在有實(shí)際統(tǒng)計(jì)的管網(wǎng)埋深下的土壤溫度數(shù)據(jù)的情況下，采用計(jì)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(jìn)行計(jì)算。

（2）供冷管網(wǎng)在設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)工況、全年的散熱損失所占的比例均遠(yuǎn)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(yuǎn)大于供冷管網(wǎng)與土壤的溫差，以該項(xiàng)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(xiàng)目的實(shí)際計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)供冷管網(wǎng)在設(shè)計(jì)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(yuǎn)大于供冷管網(wǎng)，尤其是在供熱參數(shù)高的項(xiàng)目中會更明顯。因此，針對區(qū)域供能項(xiàng)目中冷熱管網(wǎng)輸送損失的關(guān)注點(diǎn)應(yīng)該有所區(qū)別。供熱管網(wǎng)輸送損失的研究可以重點(diǎn)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(jì)算方法可以根據(jù)項(xiàng)目的階段、已掌握的項(xiàng)目信息、準(zhǔn)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(zhǔn)確性對計(jì)算結(jié)果影響很大。根據(jù)該項(xiàng)目中的實(shí)踐，采用計(jì)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(jì)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(jì)工作。