暖通管道沿途冷、熱損失規律分析

郭志龍

（廈門陸原建筑設計院有限公司，福建 廈門 361012）

0 引言

暖通管道通常敷設在非空調、非供暖房間或區域進行保溫，而敷設在空調、供暖的房間或區域時通常不保溫，因為沿途的冷、熱量會散到空調、供暖的房間或區域，認為沒有冷熱量損失。但能量不光有量的多少，也有質的高低，以上兩種情況管道的冷、熱量都會有損失，會導致供冷的空調管道內流體溫度升高，供熱的采暖管道內流體溫度降低，也就是造成能量品質降低。末端的散熱設備散熱量會受到供給它的冷凍水或采暖熱水的溫度影響。在管道沿程不長，管道冷、熱量損失不大的情況下影響不明顯。但當管道較長時，如不考慮管道沿途散熱的影響，則會造成設備供冷或供熱量不足，從而導致熱力失調。如果能夠找到管道沿途熱損失的規律，就可以根據該規律合理選擇換熱設備的換熱面積（風機盤管、散熱器等），有效減少熱力失調的現象。同時也可以采取管道保溫的措施減少沿途冷、熱量散失，提升下游冷、熱媒品質，避免散熱設備因換熱面積加大而導致投資增加。

在實際工程設計中對管道沿途散熱的規律是不了解的，不能進行定量計算和分析，甚至沒有考慮這一因素，導致末端散熱量不足，系統前后的熱力失調。由此可見，由于缺乏理論依據，因此，無法將設計做到最優[1]。研究管道沿途熱損失規律及其對散熱設備的影響有助于提高設計水平、減少能耗，對指導工程實踐具有非?，F實的意義。

1 理論推導

隨著管道沿途長度的增加，空調供冷管道內水溫升高，與室內溫度的差值縮小，因此水溫的下降速率是變化的，同樣供暖管道水溫的變化速率也是變化的。推導這一規律首先應找出內在的函數關系，建立微分方程。為便于分析做如下假設：室內溫度始終不變，管道各處的傳熱系數均相同，管道內流體的流量始終不變。在某一微小管段內流體向室內傳遞的熱量等于這一微小管段內流體前后的溫差與質量流量及比熱的乘積。根據管道散熱的能量守恒關系，建立如下微分方程。

式中：G-流體質量流量（kg/s）；c-流體比熱[J/（㎏·℃）]；D-管道直徑（mm）；k-管道傳熱系數[（w/（m2·℃）]；t-管道內流體溫度（℃）；L-管道長度（m）；t1-起始端內流體溫度（℃）；tn-室內溫度（℃）。

對公式（1）進行變換，得到公式（2）。

對上式兩端進行積分：

積分并整理得：

公式（4）就是管道內流體溫度與管道沿程長度之間的函數關系式。當L增大時值減少，當L足夠大時趨近于0。所以流體沿管道長度方向溫度趨向于室內溫度方向變化，當管道最夠長時管道內流體的溫度等于室內溫度。管道內流體的變化趨勢如圖1所示。

圖1 管道內流體溫度沿管長變化曲線

由圖1可以看出夏季空調的冷凍水管道起始溫度和冬季供暖管道起始溫度均隨著管道長度L的增加而趨向于室內溫度 。這一變化過程不是線性的，起始端變化速率較快，隨著沿程長度的增加變化速率逐漸減緩，這一結果也與前面的分析一致。有了該理論方程就可以結合具體的項目進行定量分析計算。

2 實例分析

結合筆者自己設計的兩個項目具體應用該理論計算公式。兩個項目分別是硬質合金工業園（一期）和蘭州恒大文化旅游城A-57地塊九年一貫制學校。前一個項目工程地點在廈門市，廠房內設集中空調，冷源為3臺螺桿式冷水機組，末端有風機盤管、吊頂式新風機組和組合式空調機組，其中工藝空調區域為溶液除濕空調機組。由于項目面積較大且為單層廠房，因此管道輸送距離較遠。冷凍水由制冷機房通過管道輸送到空調末端[2]。后一個項目位于蘭州市，設有集中采暖系統。地下室設置換熱站，將一級網熱水換熱為75℃/50℃，供給該項目各單體，末端散熱設備為散熱器。考慮到采暖管道室外輻射施工難度大、費用較高且以后維護困難、改造費用高，二級網盡量減少直埋敷設，大部分管道設置于室內供暖區域，如采暖連廊等區域。因此室內設置的二級網管道距離較長。這兩個項目都存在室內管道距離較長的情況，了解管道沿程冷熱損失量，對掌握系統的熱力失調狀況是非常必要的[3]。以下就是應用上述推導的理論公式結合這兩個具體的項目進行分析。

2.1 空調冷凍水管道沿途溫度變化分析

結合硬質合金工業園（一期）項目中的一段冷凍水管道，利用公式 （2）～公式（4）分析如表1。

表1和表2為硬質合金工業園（一期）項目空調管道的溫度變化表。選擇了累計管長為244m的管段作為分析對象，為該項目最長管段。由表1看出，當管道有保溫的情況下，末端溫度升高僅為0.3℃，溫度變化的相對值為0.5%。由表2可以看出末端溫度升高為1.45℃，溫度變化的相對值為20.7%。依該方法分析，當空調管道敷設在吊頂內等非空調區域時按同樣的方法進行分析，保溫和未保溫的管道溫度變化絕對值分別是0.05℃和1.97℃，相對值分別是0.7%和28.1%。

表2 不保溫空調管道溫度沿程變化表

可見在管道保溫情況下，管道沿途冷損失造成的溫度升高并不大。而在管道未保溫的情況下，升高較大，對末端設備的制冷量會產生影響。由此可見，空調管道無論是否敷設在空調區域均應進行保溫[4]。

2.2 供熱管道沿途溫度變化分析

結合蘭州恒大文化旅游城A-57地塊九年一貫制學校一段采暖管道，利用公式（2）～公式（4）分析如表3。

表3中計算管道取自蘭州恒大文化旅游城A-57地塊九年一貫制學校項目最長的一段管道。通常采暖管道敷設在非供暖區域保溫，而供暖區域則不保溫的。表3中所列數據除0～1管段外均未保溫。0～1管段為由熱源處引出敷設在采暖連廊區域的一段長達240m供熱干管。如果0～1段不保溫則溫降達到19.7℃，溫度相對變化量為26.3%，這樣對末端散熱器的散熱量會造成非常大的影響，因此表3中該段為保溫管段?？鄢?～1管段外管道總長58m，溫度的絕對變化值和相對變化值分別為11.05℃和14.84%。以某一鋼制橢柱型散熱器為例進行分析，該散熱器的單片散熱量計算公式為Q=0.59755×ΔT1.2367，中心距為600mm。起始端散熱器的平均傳熱溫差ΔT為42.5℃，單片散熱量為61.7W/片。末端散熱器的平均傳熱溫差ΔT為36.7℃，單片散熱量為51.5W/片。單片散熱器的散熱量下降16.6%，也就意味著末端的散熱器面積要相應增加16.6%。一方面散熱器的增加會影響工程投資，另一方面會由于安裝位置的限制導致無法設置更多的散熱器?？梢姰敼艿婪笤O在供暖的區域時也應該考慮沿途散熱損失的影響，尤其是散熱器供暖系統受溫度降低的影響較大，更應該引起重視。設計時應盡量減少供熱半徑[5]，必要時應對敷設在供暖區域的采暖管道進行保溫。該項目是利用散熱器采暖，這里也是以散熱器為例進行分析。如為地熱采暖的項目也可結合該公式進行分析，由于地熱采暖的溫度較低，溫度越低的區域管道沿程溫度的降低速率會越慢。同時地熱采暖的面積較大，受溫度變化的影響比散熱器小，得出的末端散熱量變化值會小于散熱器。

為分析保溫采暖管道內流體的溫度變化，假設敷設在室內的供暖干管進行保溫，還是以表3所列的管段為例，經過分析整理出表4。

表3 采暖管道溫度沿程變化表

由表4可見最末端的26～27管段內水溫相比1～2管段內水溫變化僅為0.28℃，相對變化量僅為0.38%。由0～1管道可見，保溫采暖管道即使長度達到240m，溫度的下降值也僅有0.55℃。同樣以前文中提到的散熱器為例進行分析，在管道保溫狀況下末端散熱器的平均傳熱溫差ΔT 為42.1℃，單片散熱量為60.9W/片。單片散熱器的散熱量下降僅為1.2%。因此，保溫采暖管道能夠有效減少熱量損失。當然，該分析僅從保障供熱介質溫度角度考慮，設計過程中應結合增加保溫材料增加工程造價和增加散熱器面積增加的造價進行對比等，綜合考慮是否設置保溫。

表4 保溫采暖管道溫度沿程變化表

2.3 影響溫度變化的因素分析

由公式 （2）～公式（4）及圖1可知，管道的直徑D、長度L以及傳熱系數K越大，溫度升高或降低的速度就越快；而流量G越大溫度升高或降低的速度就越慢。據此可以進行如下分析。

管道的管徑選擇要適當，不能過大。在供熱和空調管道設計過程中，設計者往往會非常重視水力平衡和熱力平衡。尤其是供熱管道經常會出現水力和熱力不平衡的現象，每年的供暖初期調節工作量都非常大。為減少這種不平衡的現象，通常采取的方法是加大管徑、加大流量縮小溫差的方式。形成了所謂的“大流量、小溫差”運行。依筆者實際工作經驗，供熱管道在選取比摩阻如嚴格按照規范選擇（60 Pa/m～120Pa/m）[1]則可能會偏大，一般供熱干管的比摩阻大約50 Pa/m ～70 Pa/m。如管徑選擇小則一方面是水力失調較為嚴重[6]，另一方面由于水質原因幾年之后管道會堵塞嚴重，實際流通面積會減少很多，嚴重影響供熱效果。但也不能一味追求大管徑，這樣不僅會增加投資和運行費用，而且大管徑會使流體流速變慢，管道沿程散熱損失加劇。尤其是當管道較長時一定要考慮該因素的影響。

管道不宜過長。管道長度大，一方面半徑過大，系統干管所帶的采暖立管數量增加不利于水力平衡；另一方面半徑過大，管道沿途熱損失會增加，末端熱媒品質下降增大了熱力失調的概率。在《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》GB 50736-2012中，第5.9.11條第1款中規定“環路布置應力求均勻對稱，環路半徑不宜過大，負擔的立管數不宜過多。”[1]雖然在規范中也規定供熱半徑不宜過大，但卻沒有給出具體數值。在實際工程設計中采暖供熱半徑差別很大，有的供熱系統設計較大供熱半徑長達150m，筆者認為這樣的設計不合理，應該拆開成幾個環路，這樣才能進行有效調節并保證供暖質量。

在經濟合理范圍內應加強保溫。減少傳熱系數K可以有效地降低流體的沿程散熱速率，但會增加投資。應該結合管道長度、末端散熱設備散熱面積、水力及熱力失調的影響等因素綜合考慮保溫層材質和厚度。

流量G是由末端的冷熱負荷需求決定的，不能隨意增減。從絕對數值上來說空調的冷負要大于采暖的熱負荷，而空調的供回水設計溫差為5℃，采暖的供回水設計溫差為25℃[2]，這樣實際空調冷凍水管道內的流體流量要遠大于采暖管道。從這里也能解釋為什么空調冷凍水管道可以做的很長（如表1所列管道長達244m）但溫度上升并不明顯?？照{冷凍水管道流量較大這一特點，也有利于水力平衡。實際工程設計中空調冷凍水管道很多設計為異程式且管道較長，而又不至于水力和熱力失調嚴重其流量較大是重要原因。

表1 保溫空調管道溫度沿程變化表

由于篇幅有限，該文所論及內容可從以下方面繼續開展[7]。1）該文僅為理論分析，可進一步結合項目實地進行測量驗證。也可建立模型進行CFD模擬。將實測數值、模擬數值和理論計算值進行對比分析。2）可進一步結合不同的末端設備的散熱量、管道保溫對造價的影響、水力及熱力穩定性等因素進行分析，完善理論數值，作為設計的參考依據。

3 結論

空調冷水管道無論是否敷設在空調區域均應進行保溫，保溫后管道沿途的冷損失較小，溫度變化不大。當然從防結露的角度來說，空調冷凍水管均應該進行保溫，這里只是從另一個方面去印證。關于空調供冷半徑也沒有相關規范作為依據。根據該文的分析僅從冷凍水管道沿途溫升的角度考慮，較大的供熱半徑不會對此產生很大影響。關于空調的供冷半徑應結合運行費用和水力平衡等方面綜合考慮。

敷設在供熱區域的采暖干管應盡量短，當管道長度大于60m時應考慮熱水溫降對末端散熱設備散熱量的影響，尤其是散熱器供暖系統更應該注意該變化的影響?？刹扇≡黾幽┒松崦娣e（增加散熱器或地熱盤管數量等）的方式確保末端散熱量滿足需求。

當供熱管道較長，尤其是供暖主干管較長時即使敷設在供熱區域也應該進行保溫，不能忽略這部分熱損失的影響。

管徑選擇應合理。雖然加大管徑可以防止水力失調，但也會加劇由于沿途散熱速率增加造成的熱力失調，應結合水力穩定性和熱力穩定性綜合考慮管徑大小。