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      采暖設計中常見的一些問題的討論

      在本采暖季,筆者對幾個運行不正常的采暖系統-“問題工程”,進行了補救處理,結合近年來對其它工程的調研和反思,發現有許多原因,源于設計理念方面的一些模糊認識,現加以整理以供參考。
        1、熱媒設計溫度散熱器熱水采暖系統的熱媒設計溫度,一般根據熱舒適度要求、系統運行的安全性和經濟性等原則確定。供水溫度不超過95℃,可確保熱媒在常壓條件下不發生汽化;適當降低熱媒溫度,有利于提高舒適度,但要相應增加散熱器數量。所以一般經常采用95/70℃,例如:作為散熱器“標準工況”的64.5℃,就是水溫95/70℃的平均值與室溫18℃的傳熱溫差。許多采暖系統的設計計算資料,也按此條件編制。
        當然,熱媒設計溫度也要符合熱源條件的可能性和考慮其它因素。例如:以較低溫度的一次熱媒進行換熱所得的二次熱媒,或采用戶式燃氣熱水采暖爐的水溫有限制,或采用塑料類管材為提高其耐用性時,也有采用85/60℃作為設計參數的。但是,再進一步降低散熱器采暖的熱媒設計參數,顯然是不合理的。以95/70℃為比較基礎,熱媒平均溫度每降低10℃,散熱器數量約增加20% .
        當前,存在不適當地過多降低散熱器采暖熱媒設計參數的傾向。原因是某些開發建設單位在提供設計條件時,按照熱源的實際運行工況提出熱媒沒計參數,例如提出供水溫度只有70℃。如不加深入分析,就直接采用這樣的低參數進行設計計算,會使散熱器數量增加很多,會出現同一熱源的不同建筑,散熱器數量相差近一倍的現象,更加劇了系統的失調度。
        多年以前,就曾進行過實態調查測定,結果表明:北京地區多數由城市熱網或小區集中鍋爐房供暖的住宅,即使設計水溫為95/70℃,當達到設計室外溫度時,運行水溫一般只要70/55℃左右,即可保證設計室內溫度。如果再按70/55℃的水溫設計系統,是否運行水溫又可進一步降低呢?似乎不應陷入如此惡性循環的怪圈。
        為何實際運行水溫遠低于熱媒沒計溫度時,也可達到設計室溫?主要是由于實際配置的散熱面積,均不同程度地偏大于理論所需散熱面積。根據理論推導和實際工程運行驗證,對于設計水溫95/70℃的系統,當散熱面積偏大10%時,運行水溫約可為90/65℃;當偏大20%時,運行水溫約可為85/60℃;當偏大30%時,運行水溫約可為82.5/57.5℃;當偏大40%時,運行水溫約可為80/55℃。由于設計保守等各種因素,一般系統的散熱面積均會偏大30%以上。[1]
        2、水力平衡比之散熱器數量的多少而言,采暖效果主要取決于系統的水力工況。但是,心中無底又不認真進行系統水力平衡計算的設計,近來?梢姷。
        位于北京大興的一幢六層(局部帶躍層)單元式普通住宅,室內采暖系統為干管異程的上供下回單管順序式,衛生間和廚房采用高頻焊鋼制散熱器,其它為四柱型鑄鐵散熱器。上一個采暖季就反映室溫偏低,曾判斷為建筑保溫質量不好,普遍均勻增加了散熱器20%。本采暖季一開始,在同一熱源供暖的其它建筑均供暖正常的情況下,本工程系統末端(尤其是下層)室溫仍偏低,引起部分住戶向市政府投訴。經現場調查和對系統設計進行水力平衡驗算,確實存在較大的不平衡度。
             衛生間和廚房的立管管徑一律取DN15,其它立管管徑不論立管負荷大小,一律取DN20,入口處較有利的53號立管帶六層,散熱器27片,阻力損失僅為約580Pa,系統末端最不利的64號立管帶七層,散熱器63片,阻力損失高達約3700Pa,加上供回水干管的阻力損失,此兩根立管的不平衡度約高達800%。遠超過《采暖通風與空氣調節設計規范》第3.8.6條關于“熱水采暖系統的各并聯環路之間的計算壓力損失相對差額不應大于15%”的規定。[2]各層均勻增加散熱器,更會加劇垂直失調。根據驗算結果,筆者會同幾位年輕設計人員對系統進行了調節,并建議運行維修人員進行精細調節,雖已得以改善,但先天性的失調是難以徹底解決的。參與調節設計人員的深切體會是:如果這種粗放設計的系統也能正常供暖,則教科書和規范豈非都得重寫。
        同樣,北京某大學的兩幢六層單元式普通住宅,室內采暖系統也是干管異程的上供下回單管順序式,采用四柱813型鑄鐵散熱器,衛生間為DN32光管,由小區集中燃氣鍋爐房供暖。據使用單位和住戶反映,自投入使用以來,冬季室內溫度達不到市政府規定16℃的最低標準,在嚴寒期內,一至二層的室溫,大多在12℃以下,已嚴重影響居民的生活環境質量。到現場對典型房間進行調查,室溫和散熱器溫度,明顯低于由同一熱源供暖的其它建筑。據對設計采暖負荷進行驗算,散熱器數量符合常規計算結果。對系統設計進行水力平衡驗算,則同樣存在較大的不平衡度,不論立管負荷大小,雙側接散熱器的立管管徑一律取DN25×20,單側接散熱器的立管管徑一律取DN20×20,而無外圍護結構的衛生間,則采用DN32的光立管。1號樓入口處最有利的7號立管阻力損失約僅為900Pa,系統末端最不利的25號立管阻力損失高達約3500Pa,加上供回水干管的阻力損失,此兩根立管的不平衡度約高達700%。而衛生間立管阻力損失約僅為60Pa.加以環路劃分偏大,室內系統水力失調現象必然會出現。筆者試圖對系統進行調節,但質量低劣的鑄鐵閥門根本無法轉動。除上述因素外,由于室外供暖管網的嚴重失調,致使1號樓和2號樓采暖流量不足,即使在入口處的有利環路,流量也明顯不足。
        3、系統補水某供暖建筑面積22萬多m2的居住小區,存在水力失調的室內系統末端底層住戶,出現以下奇怪的現象:每到晚上八九點鐘后散熱器就開始降溫,到半夜就完全不熱,而次日早晨又會逐漸熱起來。據深入調查,重新熱起來是由于頂層住戶在每晚臨睡前和次日早晨起床后進行了手動放風所致。經改裝了質量較好的自動排氣閥后有所緩解,但系統中還是經常因有空氣存在。顯然,應徹底解決系統進入空氣的問題。
        據查,系統未設置膨脹水箱,也未設置氣壓水罐等膨脹容積,只是依靠功率較大的補水泵進行補水定壓,而補水泵則由電接點壓力表控制啟停,當降至下限值時水泵啟動,達到上限值時停泵。由于設置在管路上的壓力表,指針會發生抖動,上下限值的整定間距不能很小,因此,停泵后重新啟動必然會有較長的時間間隔。在此時段內,由于水的不可壓縮性和不可避免的系統泄漏,總會有空氣進入系統,并積存于流量較小的系統末端頂點。
        由于該工程已無條件增設膨脹水箱和足夠容積的氣壓水罐,采取了增設一臺略大于系統泄漏量的小功率補水泵(0.75kW)的方法,使之連續運行,當流量大于系統泄漏量時,通過限壓閥回流至軟水箱,基本上解決了問題。由此可得到啟示:用合理容積的膨脹水箱或氣壓水罐進行定壓,是十分必要的,如無條件設置,則應采用不間斷運行的變頻補水泵,或像本工程所采取的簡易方法。
        4、豎向壓力分區與“分環”:
        《采暖風與空氣調節設計規范》第3.3.9條規定:“建筑物的熱水采暖系統高度超過50m時,宜豎向分區設置”。條文說明作如下解釋:其主要目的是為了減小散熱器及配件所承受的壓力,保證系統安全運行。暖通規范作上述限定十分必要。近年以來,高層建筑(尤其是高層住宅)的熱水采暖系統因滲漏而使家裝破壞的事故,時有發生。除散熱器或其它構件的質量和施工安裝隊伍素質等因素外,主要由于承壓過高。
        某二十五層高層住宅,原室內系統設計系是按豎向分區設置的,但由另一單位設計的熱源,卻為同一系統。在第一個采暖季,開發建設單位就因滲漏向住戶賠償家裝破壞損失的費用高達十幾萬元,不得不進行了困難的改造。
        有些設計在熱源處設置分集水器,對高低環分別接出供回水管路,將“分環”當作豎向壓力分區,這是概念上的錯誤。“分環”可能有利于水力平衡和調節,但不可能對高區和低區分別實施定壓,并不能克服低區所承受的較高靜水壓力。
      豎向壓力分區最好能從熱源上就分別設置。不宜分設時,一般采用間接換熱的方法。間接換熱雖比較穩妥,但換熱后二次水的溫度將有所降低,致使散熱器數量增加。
      因此,在實際工程應用中,也有采用加壓和減壓的方法,即:熱源系統按低區定壓。高區系統供水經加壓進入,回水則減壓接回低區系統。從理論上分析,高區熱媒循環水泵的工作揚程,要附加高低區系統的幾何高差,不利于節能,但從技術經濟的綜合分析,可能仍有可取之處。但采用此種方法,要特別注意減壓閥的“動靜壓差特性”,即:當高區系統水泵停止時,減壓閥后的設定壓力會升高一個動靜壓差值,此值在閥的額定流量條件下約為5m,造成低區開式膨脹水箱的溢流,并同時使高區系統虧水和空氣進入。雖然性能較好的減壓閥動靜壓差較小,但最好還是采用閉式膨脹水箱,或采用不間斷運行的變頻補水泵定壓。
        5、散熱器的選擇國家標準《住宅設計規范》有針對性地提到散熱器的選擇問題。規定“應采用體型緊湊、便于清掃、使用壽命不低于鋼管的型式”。目前,散熱器品種繁多,市場競爭劇烈,有從容選擇的余地,但也要看到各種散熱器在應用實踐中都出現過不同性質的問題。關鍵是要針對系統的特性,較為適當地應用,要用其所長,避其所短。系統的運行、保養和水質控制等環節水平的提高,要有一個漸進的過程,一種有生命力的產品,應該提高其適應客觀條件的性能,而不是對客觀條件的苛求。
        鑄鐵散熱器是一種適應性較強的品種,它的主要弊病是:體型不緊湊,如鑄鐵四柱或鑄鐵長翼型等陳舊型號,顯然與節能的、裝飾要求較高的建筑環境很不協調;由于價格競爭,偷工減料,常達不到額定散熱量;內腔粘砂成為系統堵塞的重要原因;落后的鑄造工藝和加工粗劣,組對接口容易漏水。一些發達國家自己不生產但仍樂于采用,并看作為高檔產品,當然不是這樣粗陋的品種。如不開發新的品種,必然會陷入困境?上驳氖,外型可類似于高檔鋼制散熱器、內腔無粘砂的鑄鐵散熱器,已開發成功并已形成生產能力,由于它對各種系統及運行管理水平的適應性強,可望有較大的發展空間。
        鋼板材質的鋼制散熱器體型較薄且較美觀,國外較多采用,引進并廣泛應用以后,由于材質、生產工藝、運行水質等因素失控,八十年代后期曾發生大量腐蝕而造成過很大損失,至今,仍有過頭的商業宣傳誤導用戶,不斷造成此類腐蝕現象重復發生。引進國外材料或生產工藝生產的一些高檔散熱器,在發生腐蝕現象以后,提出了一系列對于較大的集中供暖系統幾乎無法達到的苛刻要求,例如:嚴格控制熱媒含氧量、限定采用隔膜式膨脹罐定壓方式、非采暖季滿水保護、檢修時只能局部放水、塑料管設阻氧層、內掛鎂棒即采用“犧牲陽極保護”等。說明其形成腐蝕的主客觀因素并未能根本解決,因此仍應慎用。但是,它還是可以應用于以燃氣熱水采暖爐或電熱水采暖爐等分散熱源的戶式系統中。
        按壽命不低于鋼管的耐腐蝕界定標準,早期開發的鋼管材質的鋼制串片管式散熱器和后期開發的繞片式(包括高頻焊或強繞)鋼制散熱器,仍是鋼制散熱器中可放心選用的主體品種。但此類散熱器水阻較大,但又常不能提供準確的水阻特性數據,在單管系統中應用,尤其是采用兩通恒溫閥加跨越管的做法時,會發生散熱器進流量過小的問題。此外,此類散熱器的熱工性能和特定形式的外罩有關,外罩的成本占其價格的相當比例,但外觀難以滿足用戶的裝飾要求,“罩外加罩”十分常見。
        鋁制散熱器是一種高效的散熱器,同樣也發生過腐蝕穿孔問題,除材質外,堿性水質和超量的氯化物都會對鋁產生腐蝕,雖對此種散熱器提出了內防護要求,但工藝上難以實施,也不便于檢驗。因為熱水鍋爐水質標準要求鍋水的PH值應為10—12,說明此種散熱器不能用于以鍋爐為直接熱源的集中供暖系統,但可在熱網集中供熱、用戶側為經熱交換的二次熱媒系統,也可以應用于以燃氣熱水采暖爐或電熱水采暖爐等分散熱源的戶式系統。有些產品改進為采用銅鋁復合,可能是鋁制散熱器的主要出路。
        6、關于分室溫度控制無論是實施分戶熱計量的住宅戶內采暖系統,還是其它建筑傳統的垂直單管或雙管系統,從節能和提高熱舒適度出發,分室溫度控制都是十分必要的。分室溫度控制可以是自動的,也可以是手動的。在這方面的商業誤導表現為:將分室溫度控制等同于采用散熱器恒溫閥,并認為采用恒溫閥就無需進行水力平衡計算。這種誤導造成了一些系統的失調和對恒溫閥的負面影響。
        采用質量較好的手動兩通或三通調節閥實施分室溫度控制,可能更適合于投資條件受限和供暖不足的普遍實際情況。即使有條件采用恒溫閥時,也應該在弄清楚其水力特性基礎上,正確地加以應用。
        散熱器兩通恒溫閥的高阻水力特性,適合于雙管系統。為適應我國市場的需要,國外又推出了針對單管系統的三通恒溫閥和低阻兩通恒溫閥。因此,我們要面對三類恒溫閥,而不是不加區別。
        用于雙管系統的高阻兩通恒溫閥,又按不同的預置設定功能分成若干型號,其口徑一般情況下應采用DN15,少量需采用DN20,無區別地采用較大口徑不利于水力平衡。而用于單管系統的三通恒溫閥和低阻兩通恒溫閥,則必須有DN15、DN20、DN25甚至更大的口徑,以根據串接散熱器的負荷適當選配。
        雙管系統高阻兩通恒溫閥應用中的主要問題是極易堵塞,因此對總體供熱不足和運行管理粗放的系統,似利少弊多。
        恒溫閥在單管系統中應用,則發生問題較多,最突出的是采用兩通恒溫閥加跨越管的做法時,不適當地用了高阻恒溫閥。
        單管系統即使采用低阻兩通恒溫閥加跨越管的做法,也應該核算散熱器的進流系數。散熱器的進流系數,取決于散熱器通路和跨越管通路的阻力比,與恒溫閥、散熱器和兩個通路的管徑匹配有關,有一個較為復雜的計算過程。有些工程因散熱器的進流量過小,不得不在跨越管段上再加閥門,這是一種很不合理的處置。根據工程實踐經驗,北京市分戶熱計量試用圖集中,提出了一個界定標準,即進流系數應不小于30%,已被許多方面包括恒溫閥生產廠所接受,有些國外的低阻兩通恒溫閥新一代產品,又降低了水阻力。
        7、關于塑料類管材在實施住宅分戶熱計量的戶內采暖系統中,已大量采用塑料類管材,與金屬管件接頭處漏水成為一大公害,尤以交聯鋁塑復合(XPAP)管和交聯聚乙烯(PE-X)管為甚。XPAP管由于其良好的阻氧性能,相對于其它塑料類管材,本來更適合于采用鋼制散熱器的戶內埋地管道。
        有一種說法:接頭處漏水是由于管道的縱向膨脹所引起,這是不確切的。管道受熱后縱向膨脹形成的膨脹力,是伸長量、管材的彈性模量和管道截面積的乘積。鋼管的線膨脹系數是0.012(mm/m.K),而塑料類管材線膨脹系數的概略值,按從小到大排列如下:XPAP管 0.025;PB管 0.130;PP-R管0.180;PE-X管 0.200,當然,線膨脹系數大的管材受熱作用后會有較大的熱伸長量。但塑料類管材的彈性模量遠小于鋼管,鋼管的彈性模量為20.6×103kN/cm2,而例如PP-R管,在20℃時僅為80kN/cm2,95℃時又降低為25 kN/cm2.因此,在管道截面積相同時,塑料類管材的膨脹力會遠小于鋼管。
        接頭處漏水的主要原因,是管材與金屬管件的配合和施工安裝人員的操作經驗問題。根據北京市標準《低溫熱水地板輻射
      供暖應用技術規程》對金屬連接管件的要求,耐拔脫力應不小于3Mpa,因此是可以通過改進解決的。
        塑料類管材的縱向膨脹特性,則應在敷設方式上有所考慮。塑料類管材在地面內埋設時縱向膨脹受限,會轉化為內應力,在管道強度計算的安全系數中可以消納,而明裝時則會發生較大的彎曲變形,且易受劃傷而影響使用壽命。根據實際工程的問題和經驗,北京市分戶熱計量試用圖集中,只推薦在直埋(包括地面內或嵌墻敷設)時采用,非直埋的所有管道(包括明裝或管道井內安裝),仍推薦采用熱鍍鋅鋼管和螺紋連接,是很有必要的。
        8、戶式熱源的匹配水泵問題在采暖能耗得以嚴格控制的節能住宅中,采用燃氣或電熱水采暖爐等,作為戶式采暖系統的熱源,采暖費用甚至有可能低于燃氣或電熱的集中供暖系統,本
      采暖季是暖冬,與北京市集中供暖上調后的集中供暖采暖費相比,更顯示出其實際采暖費用低的優勢,因而是一種可行的方案,會具有較大的發展空間。戶式采暖系統存在問題之一,是循環水泵與系統的配合。對于燃氣或電熱水采暖爐所配帶的水泵,筆者曾詢問過許多生產廠家,例如:流量、與流量相關的爐外剩余水頭、排煙溫度等,大都提不出明確的技術指標。由于住宅單戶的套型面積和采暖負荷會相差較大,在同一容量循環水泵的作用下,會出現與設計條件不同的運行工況而造成失調。尤其是當采用地板輻射供暖或作為空調器的熱源時,更容易發生流量不足而影響采暖效果。因此,應深入地協調系統、戶式采暖爐和配帶水泵的匹配問題。

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