住宅的集中供热供暖系统和节能
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摘要：指出住宅供暖方式的主体仍将是集中热源供暖系统,实行分户计量和收费的难度在于热量定价影响因素的复杂性、适合国情的热表的开发和应用、尤其是与此相应的新的供暖制式的探索,在传统供暖制式下应以大力提高供暖均匀性为重要的节能手段。分析了室温可调性问题和散热器恒温阀的应用条件和范围。
关键词住宅；供暖；分户热计量；供暖制式；节能
1 集中供热供暖系统是城市住宅供暖方式的主体
住宅的供暖设备和系统,既是建筑节能的很大潜力所在,又是提高居住环境热舒适性的重要环节。
由于能源构成情况的变化,在某些地区,燃用天然气或其它燃料的单户独立式供暖设备和系统,会有所发展,这种设备和系统易于解决用户的直接经济利益与建筑节能的关系,即可通过经济利益机制推动建筑节能。同时,由于系统规模较小,也易于解决集中系统室温冷热不均而造成能源浪费的难题。
尽管如此,由于其它诸多方面的因素,如能源的总效率、环境保护、消防安全、建筑造价和住宅卫生条件等,决定了以城市热网、区域热网或较大规模的集中锅炉房为热源的集中供热供暖系统,仍将是城市住宅供暖方式的主体。以北京地区为例,集中供热的规模逐年扩大,1997年计划增加的集中供热建筑面积达150万m2 。
2 集中供暖系统与按户用热计量和收费
70 年代起逐步废除用水、用电和用燃气的包费制,实行分户计量和收费,取得了根本性的节能效果。集中供暖系统节能的根本出路,也在于按户用热计量和收费。唯有如此,建筑节能才能真正提高到“动真格”的程度,将会使全民真正关心建筑物的热工质量,将会通过房地产市场在很大程度上影响住宅的建筑设计,徒具形式而很不节能的住宅,将无人问津,而对集中供暖系统的供热质量和调节的有效性,也将会提出更加严格的挑剔。
3 按户设置热表进行用热计量和收费的主要难度是室内供暖系统的制式
建设部发布的《建筑节能技术政策》,充分考虑到此项工作的难度,提出了一个比较宽松的时间表:
1998年通过试点取得成效
2000年在重点城市新建小区中推广
2010年全面推广
在J GJ 26 - 95《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分) 》中,也充分考虑到此项工作的难度,提法是:“在进行室内采暖系统设计时,设计人员应考虑按户热表计量和分室控制温度的可能性。”
按户设置热表进行用热计量和收费,大致上需要解决以下几个层次的问题:
①用户的采暖用热,与用水、用电和用燃气有所不同,采暖用热的多少,除了室温和房间换气量可以由住户主观确定外,其它更主要的耗热因素,则取决于房屋的围护结构状况,如外墙、外窗、屋顶、地面、与不供暖空间之间的隔墙或楼板等的面积和构造,因此,需要研究和合理确定一幢建筑物内有所区别的不同热价,这是比较复杂的。
②热表的开发与应用,虽然国外已有一些较为成熟的产品可以加以引进,但应根据国内的应用特点进行开发改进,并形成相当生产规模。
③在技术方面和操作方面,相对而言,探索一种或几种行之有效的室内供暖系统的新制式,其难度要大得多。一户设置一个热表之后,必须形成单户独立系统的新制式,来取代传统的上下层贯通的所谓“单管式”或“双管式”系统。此种户内系统的管道,在建筑层高受限、而住户对装饰要求提高的条件下,是很难布置的。如采用地面垫层内敷设的办法,除投资较高外,对施工也有很高的要求。而且,建筑面积数以亿万m2计的旧建筑物的系统改造,又如何进行呢?
4 对室内供暖系统制式认识的误区
在建筑节能日益得到重视和关注的形势下,暖通专业内外,不断有人提出对传统的室内供暖系统单立管制式的质疑,而竭力推荐双立管制式。似乎双立管制式加上散热器恒温阀,就可以自然解决“分室控制温度”甚至“按户热表计量”,这是对室内供暖系统制式认识的误区。
如上所述,无论是传统的上下层贯通的所谓“单管式”或“双管式”系统,都不能适应实施“按户热表计量”的要求。至于“分室控制温度”,则是另外一个概念,无论是“单管式”或“双管式”系统,都可以通过适当的技术手段得到解决。
5 提高住宅集中供暖系统的均匀性与系统制式
全面实施“按户热表计量”以前的很长时期内,在传统的上下层贯通的“单管式”或“双管式”系统基础上,提高住宅集中系统供暖的均匀性,是除了改善建筑保温之外,建筑节能最重要的环节。
哪种系统制式较有利于集中系统供暖的均匀性? 暖通专业设计人员早就从理论和实践上有所认识:集中供暖系统温度的均匀性,取决于系统的水力稳定性,即需在任何工况条件下,都能保证各并联环路之间流量的合理分配。
仅就室内系统而言,双立管制式的每组散热器是一个并联环路,而单立管制式的每根立管是一个并联环路,需进行流量合理分配的并联环路数量,单立管制式就比双立管制式要少,这是一个有利的条件。其次,双立管制式不仅有水平方向的并联环路,还有垂直方向的并联环路。
垂直双管式系统垂直方向并联环路之间的水力平衡,是一个困难的课题。《采暖通风与空气调节设计规范》中规定:“机械循环双管热水采暖系统和分层布置的水平单管热水采暖系统,应考虑水在散热器和管道中冷却而产生的自然作用压力的影响。”在整个供暖期内,热水供暖系统要根据室外气温的变化而实行质调节,水温和供回水温差是变量“,水在散热器和管道中冷却而产生的自然作用压力的影响”,难以在设计时作为一个定量参数加以处理。除非增大系统流量减小供回水温差,以使“自然作用压力的影响”变小,这将使输送能耗增大而浪费能源。
有人认为垂直双管式系统散热器上的恒温阀,可以使末端阻力增大,克服垂直失调因素,且可以对室温过高房间的散热器流量节流。其实恒温阀的高阻力特性是相对的,对每组散热器负荷较小的住宅而言,较高的局部阻力系数造成的阻力值还是有限,例如:DN15的恒温阀,当散热器支管流速为0.1m/s时(住宅的南向房间、卫生间和厨房等的散热器支管流速达不到0.1m/s),阻力值约为274Pa ,而每m高差的“自然作用压力”就达160Pa。而且由于恒温阀的温度选择幅度较大(可为10～28 ℃) ,除对总体供热过量的建筑有节能效果外,对多数总体供热不足的建筑,难有很大收效。
事实上,传统的垂直贯通的“单管式”或“双管式”系统,各自都有大量达到室温相对均匀的成功范例,也各有失败的实例。成功或失败都遵守一定的规律。根据实践经验,4层及以下采用垂直双管式系统,较为合理和可靠;5层及以上则采用垂直单管式系统较为合理和可靠;如果5～9 层一定要采用垂直双管式系统,则需十分谨慎;10 层及以上的垂直双管式系统,很少有成功的范例。70 年代,北京市建筑设计研究院曾在北京某小区的16层住宅中,设计采用过垂直双管式系统,历经困难的调节,终未能取得满意效果。
垂直单管式系统的“上热下冷”,似乎成为规律,但不是它的先天特征,笔者曾多次论证过,其主要原因是设计的保守因素造成散热面积偏大,其偏大的幅度越大,上热下冷的垂直失调越严重。
6 住宅集中供暖系统房间温度的可调性问题
住宅集中供暖系统房间温度可调,即能分室控制温度,不仅是建筑节能的必需,也是提高住宅舒适性的重要条件。
双管式系统每一组散热器一般均设有手动调节阀(此阀应为高阻阀,有时误装为普通闸阀),具备了分室控制温度的条件,但是此阀在非供暖季内长时期停用因而锈蚀失灵,到供暖期需要调节时却难以进行调节。因此,双管式系统散热器的调节阀,宜为铜质并应具有高阻力特性。
单管式系统的立管有两种基本做法,即散热器热量不能调节的顺序式和散热器热量可以进行调节的跨越式。一般应设计为跨越式,并宜在每一组散热器上设置三通调节阀,但由于投资单位出于经济方面的考虑,特别是长时期以来三通调节阀的质量不能尽如人意,调节阀的基本特性需要在频繁调节的条件下不漏水,但有些产品很容易漏水,势必要被排除,而且逐渐被人们所反感。由于这些原因,常变通为在跨越管上或散热器支管上设阀门,或在跨越管上和散热器支管上各设一个阀门,但都不是行之有效的方法。近年来,性能和质量相对可靠的三通调节阀,已经开发成功并形成相当生产规模,例如TIW - 10A 圆柱型和ST - 11 球型,均已经过实际工程的检验。1996年,北京标办的所有办公室均增设了ST-11球型三通调节阀,彻底改变了室温过高浪费能源的状况。
对散热器恒温阀的应用,应持慎重态度。首先此种阀门的价格昂贵,其次是调节特性要与系统的特性相适应。北京市建筑设计研究院早在1988 年前后,就协助国内厂家参照国外资料开发过该产品,并在双管式系统和单管式系统中应用过国内外的该产品,取得了一些认识。
散热器恒温阀,适合在具备下列条件时采用:
①双管式系统;
②建筑物供热条件和运行管理条件较好;
③工程标准较高,造价能承受。
散热器恒温阀在单管式系统中勉强应用是不适当的。《采暖通风与空气调节设计规范》中提出,“选择散热器调节阀门时,应符合下列规定:
一、单管系统应采用低阻力阀门;
二、双管系统应采用高阻力阀门。”
散热器恒温阀是典型的高阻力阀门,在散热器支管上设置恒温阀后,必须设置跨越管,其跨越管段的阻力匹配和合理分流比,虽从理论上可以有所假设,但实际运行中由于系统中难以避免的因素,例如泥渣等造成的部分非完全阻塞,在实践中常遇到,很难解决。
在实施“按户热表计量”的户内系统,是否还需要在每组散热器上设置恒温阀? 似不必要,因为住户可以对热表处的阀门进行总量调节,而散热器上的阀门主要作为户内各散热器流量分配调节用,由于房间的热惰性和空间的流通性,这种调节不需要十分频繁和精细。
总之,在研究住宅集中供暖系统的节能问题时,一定要从实际出发,合理地采用适当的技术手段,尤其要注意排除商业因素的干扰。
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