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设计问题

2009/09/25 阅读:

在本采暖季,笔者对几个运行不正常的采暖系统-“问题工程”,进行了补救处理,结合近年来对其它工程的调研和反思,发现有许多原因,源于设计理念方面的一些模糊认识,现加以整理以供参考。

1、热媒设计温度散热器热水采暖系统的热媒设计温度,一般根据热舒适度要求、系统运行的安全性和经济性等原则确定。供水温度不超过95℃,可确保热媒在常压条件下不发生汽化;适当降低热媒温度,有利于提高舒适度,但要相应增加散热器数量。所以一般经常采用95/70℃,例如:作为散热器“标准工况”的64.5℃,就是水温95/70℃的平均值与室温18℃的传热温差。许多采暖系统的设计计算资料,也按此条件编制。

当然,热媒设计温度也要符合热源条件的可能性和考虑其它因素。例如:以较低温度的一次热媒进行换热所得的二次热媒,或采用户式燃气热水采暖炉的水温有限制,或采用塑料类管材为提高其耐用性时,也有采用85/60℃作为设计参数的。但是,再进一步降低散热器采暖的热媒设计参数,显然是不合理的。以95/70℃为比较基础,热媒平均温度每降低10℃,散热器数量约增加20%.

当前,存在不适当地过多降低散热器采暖热媒设计参数的倾向。原因是某些开发建设单位在提供设计条件时,按照热源的实际运行工况提出热媒没计参数,例如提出供水温度只有70℃。如不加深入分析,就直接采用这样的低参数进行设计计算,会使散热器数量增加很多,会出现同一热源的不同建筑,散热器数量相差近一倍的现象,更加剧了系统的失调度。

多年以前,就曾进行过实态调查测定,结果表明:北京地区多数由城市热网或小区集中锅炉房供暖的住宅,即使设计水温为95/70℃,当达到设计室外温度时,运行水温一般只要70/55℃左右,即可保证设计室内温度。如果再按70/55℃的水温设计系统,是否运行水温又可进一步降低呢?似乎不应陷入如此恶性循环的怪圈。

为何实际运行水温远低于热媒没计温度时,也可达到设计室温?主要是由于实际配置的散热面积,均不同程度地偏大于理论所需散热面积。根据理论推导和实际工程运行验证,对于设计水温95/70℃的系统,当散热面积偏大10%时,运行水温约可为90/65℃;当偏大20%时,运行水温约可为85/60℃;当偏大30%时,运行水温约可为82.5/57.5℃;当偏大40%时,运行水温约可为80/55℃。由于设计保守等各种因素,一般系统的散热面积均会偏大30%以上。[1]

2、水力平衡比之散热器数量的多少而言,采暖效果主要取决于系统的水力工况。但是,心中无底又不认真进行系统水力平衡计算的设计,近来常可见到。

位于北京大兴的一幢六层(局部带跃层)单元式普通住宅,室内采暖系统为干管异程的上供下回单管顺序式,卫生间和厨房采用高频焊钢制散热器,其它为四柱型铸铁散热器。上一个采暖季就反映室温偏低,曾判断为建筑保温质量不好,普遍均匀增加了散热器20%。本采暖季一开始,在同一热源供暖的其它建筑均供暖正常的情况下,本工程系统末端(尤其是下层)室温仍偏低,引起部分住户向市政府投诉。经现场调查和对系统设计进行水力平衡验算,确实存在较大的不平衡度。

卫生间和厨房的立管管径一律取DN15,其它立管管径不论立管负荷大小,一律取DN20,入口处较有利的53号立管带六层,散热器27片,阻力损失仅为约580Pa,系统末端最不利的64号立管带七层,散热器63片,阻力损失高达约3700Pa,加上供回水干管的阻力损失,此两根立管的不平衡度约高达800%。远超过《采暖通风与空气调节设计规范》第3.8.6条关于“热水采暖系统的各并联环路之间的计算压力损失相对差额不应大于15%”的规定。[2]各层均匀增加散热器,更会加剧垂直失调。根据验算结果,笔者会同几位年轻设计人员对系统进行了调节,并建议运行维修人员进行精细调节,虽已得以改善,但先天性的失调是难以彻底解决的。参与调节设计人员的深切体会是:如果这种粗放设计的系统也能正常供暖,则教科书和规范岂非都得重写。

同样,北京某大学的两幢六层单元式普通住宅,室内采暖系统也是干管异程的上供下回单管顺序式,采用四柱813型铸铁散热器,卫生间为DN32光管,由小区集中燃气锅炉房供暖。据使用单位和住户反映,自投入使用以来,冬季室内温度达不到市政府规定16℃的最低标准,在严寒期内,一至二层的室温,大多在12℃以下,已严重影响居民的生活环境质量。到现场对典型房间进行调查,室温和散热器温度,明显低于由同一热源供暖的其它建筑。据对设计采暖负荷进行验算,散热器数量符合常规计算结果。对系统设计进行水力平衡验算,则同样存在较大的不平衡度,不论立管负荷大小,双侧接散热器的立管管径一律取DN25×20,单侧接散热器的立管管径一律取DN20×20,而无外围护结构的卫生间,则采用DN32的光立管。1号楼入口处最有利的7号立管阻力损失约仅为900Pa,系统末端最不利的25号立管阻力损失高达约3500Pa,加上供回水干管的阻力损失,此两根立管的不平衡度约高达700%。而卫生间立管阻力损失约仅为60Pa.加以环路划分偏大,室内系统水力失调现象必然会出现。笔者试图对系统进行调节,但质量低劣的铸铁阀门根本无法转动。除上述因素外,由于室外供暖管网的严重失调,致使1号楼和2号楼采暖流量不足,即使在入口处的有利环路,流量也明显不足。

3、系统补水某供暖建筑面积22万多m2的居住小区,存在水力失调的室内系统末端底层住户,出现以下奇怪的现象:每到晚上八九点钟后散热器就开始降温,到半夜就完全不热,而次日早晨又会逐渐热起来。据深入调查,重新热起来是由于顶层住户在每晚临睡前和次日早晨起床后进行了手动放风所致。经改装了质量较好的自动排气阀后有所缓解,但系统中还是经常因有空气存在。显然,应彻底解决系统进入空气的问题。

据查,系统未设置膨胀水箱,也未设置气压水罐等膨胀容积,只是依靠功率较大的补水泵进行补水定压,而补水泵则由电接点压力表控制启停,当降至下限值时水泵启动,达到上限值时停泵。由于设置在管路上的压力表,指针会发生抖动,上下限值的整定间距不能很小,因此,停泵后重新启动必然会有较长的时间间隔。在此时段内,由于水的不可压缩性和不可避免的系统泄漏,总会有空气进入系统,并积存于流量较小的系统末端顶点。

由于该工程已无条件增设膨胀水箱和足够容积的气压水罐,采取了增设一台略大于系统泄漏量的小功率补水泵(0.75kW)的方法,使之连续运行,当流量大于系统泄漏量时,通过限压阀回流至软水箱,基本上解决了问题。由此可得到启示:用合理容积的膨胀水箱或气压水罐进行定压,是十分必要的,如无条件设置,则应采用不间断运行的变频补水泵,或像本工程所采取的简易方法。

4、竖向压力分区与“分环”

《采暖通风与空气调节设计规范》第3.3.9条规定:“建筑物的热水采暖系统高度超过50m时,宜竖向分区设置”。条文说明作如下解释:其主要目的是为了减小散热器及配件所承受的压力,保证系统安全运行。暖通规范作上述限定十分必要。近年以来,高层建筑(尤其是高层住宅)的热水采暖系统因渗漏而使家装破坏的事故,时有发生。除散热器或其它构件的质量和施工安装队伍素质等因素外,主要由于承压过高。

某二十五层高层住宅,原室内系统设计系是按竖向分区设置的,但由另一单位设计的热源,却为同一系统。在第一个采暖季,开发建设单位就因渗漏向住户赔偿家装破坏损失的费用高达十几万元,不得不进行了困难的改造。

有些设计在热源处设置分集水器,对高低环分别接出供回水管路,将“分环”当作竖向压力分区,这是概念上的错误。“分环”可能有利于水力平衡和调节,但不可能对高区和低区分别实施定压,并不能克服低区所承受的较高静水压力。

竖向压力分区最好能从热源上就分别设置。不宜分设时,一般采用间接换热的方法。间接换热虽比较稳妥,但换热后二次水的温度将有所降低,致使散热器数量增加。

因此,在实际工程应用中,也有采用加压和减压的方法,即:热源系统按低区定压。高区系统供水经加压进入,回水则减压接回低区系统。从理论上分析,高区热媒循环水泵的工作扬程,要附加高低区系统的几何高差,不利于节能,但从技术经济的综合分析,可能仍有可取之处。但采用此种方法,要特别注意减压阀的“动静压差特性”,即:当高区系统水泵停止时,减压阀后的设定压力会升高一个动静压差值,此值在阀的额定流量条件下约为5m,造成低区开式膨胀水箱的溢流,并同时使高区系统亏水和空气进入。虽然性能较好的减压阀动静压差较小,但最好还是采用闭式膨胀水箱,或采用不间断运行的变频补水泵定压。

5、散热器的选择国家标准《住宅设计规范》有针对性地提到散热器的选择问题。规定“应采用体型紧凑、便于清扫、使用寿命不低于钢管的型式”。目前,散热器品种繁多,市场竞争剧烈,有从容选择的余地,但也要看到各种散热器在应用实践中都出现过不同性质的问题。关键是要针对系统的特性,较为适当地应用,要用其所长,避其所短。系统的运行、保养和水质控制等环节水平的提高,要有一个渐进的过程,一种有生命力的产品,应该提高其适应客观条件的性能,而不是对客观条件的苛求。

铸铁散热器是一种适应性较强的品种,它的主要弊病是:体型不紧凑,如铸铁四柱或铸铁长翼型等陈旧型号,显然与节能的、装饰要求较高的建筑环境很不协调;由于价格竞争,偷工减料,常达不到额定散热量;内腔粘砂成为系统堵塞的重要原因;落后的铸造工艺和加工粗劣,组对接口容易漏水。一些发达国家自己不生产但仍乐于采用,并看作为高档产品,当然不是这样粗陋的品种。如不开发新的品种,必然会陷入困境。可喜的是,外型可类似于高档钢制散热器、内腔无粘砂的铸铁散热器,已开发成功并已形成生产能力,由于它对各种系统及运行管理水平的适应性强,可望有较大的发展空间。

钢板材质的钢制散热器体型较薄且较美观,国外较多采用,引进并广泛应用以后,由于材质、生产工艺、运行水质等因素失控,八十年代后期曾发生大量腐蚀而造成过很大损失,至今,仍有过头的商业宣传误导用户,不断造成此类腐蚀现象重复发生。引进国外材料或生产工艺生产的一些高档散热器,在发生腐蚀现象以后,提出了一系列对于较大的集中供暖系统几乎无法达到的苛刻要求,例如:严格控制热媒含氧量、限定采用隔膜式膨胀罐定压方式、非采暖季满水保护、检修时只能局部放水、塑料管设阻氧层、内挂镁棒即采用“牺牲阳极保护”等。说明其形成腐蚀的主客观因素并未能根本解决,因此仍应慎用。但是,它还是可以应用于以燃气热水采暖炉或电热水采暖炉等分散热源的户式系统中。

按寿命不低于钢管的耐腐蚀界定标准,早期开发的钢管材质的钢制串片管式散热器和后期开发的绕片式(包括高频焊或强绕)钢制散热器,仍是钢制散热器中可放心选用的主体品种。但此类散热器水阻较大,但又常不能提供准确的水阻特性数据,在单管系统中应用,尤其是采用两通恒温阀加跨越管的做法时,会发生散热器进流量过小的问题。此外,此类散热器的热工性能和特定形式的外罩有关,外罩的成本占其价格的相当比例,但外观难以满足用户的装饰要求,“罩外加罩”十分常见。

铝制散热器是一种高效的散热器,同样也发生过腐蚀穿孔问题,除材质外,碱性水质和超量的氯化物都会对铝产生腐蚀,虽对此种散热器提出了内防护要求,但工艺上难以实施,也不便于检验。因为热水锅炉水质标准要求锅水的PH值应为10—12,说明此种散热器不能用于以锅炉为直接热源的集中供暖系统,但可在热网集中供热、用户侧为经热交换的二次热媒系统,也可以应用于以燃气热水采暖炉或电热水采暖炉等分散热源的户式系统。有些产品改进为采用铜铝复合,可能是铝制散热器的主要出路。

6、关于分室温度控制无论是实施分户热计量的住宅户内采暖系统,还是其它建筑传统的垂直单管或双管系统,从节能和提高热舒适度出发,分室温度控制都是十分必要的。分室温度控制可以是自动的,也可以是手动的。在这方面的商业误导表现为:将分室温度控制等同于采用散热器恒温阀,并认为采用恒温阀就无需进行水力平衡计算。这种误导造成了一些系统的失调和对恒温阀的负面影响。

采用质量较好的手动两通或三通调节阀实施分室温度控制,可能更适合于投资条件受限和供暖不足的普遍实际情况。即使有条件采用恒温阀时,也应该在弄清楚其水力特性基础上,正确地加以应用。

散热器两通恒温阀的高阻水力特性,适合于双管系统。为适应我国市场的需要,国外又推出了针对单管系统的三通恒温阀和低阻两通恒温阀。因此,我们要面对三类恒温阀,而不是不加区别。

用于双管系统的高阻两通恒温阀,又按不同的预置设定功能分成若干型号,其口径一般情况下应采用DN15,少量需采用DN20,无区别地采用较大口径不利于水力平衡。而用于单管系统的三通恒温阀和低阻两通恒温阀,则必须有DN15、DN20、DN25甚至更大的口径,以根据串接散热器的负荷适当选配。

双管系统高阻两通恒温阀应用中的主要问题是极易堵塞,因此对总体供热不足和运行管理粗放的系统,似利少弊多。

恒温阀在单管系统中应用,则发生问题较多,最突出的是采用两通恒温阀加跨越管的做法时,不适当地用了高阻恒温阀。

单管系统即使采用低阻两通恒温阀加跨越管的做法,也应该核算散热器的进流系数。散热器的进流系数,取决于散热器通路和跨越管通路的阻力比,与恒温阀、散热器和两个通路的管径匹配有关,有一个较为复杂的计算过程。有些工程因散热器的进流量过小,不得不在跨越管段上再加阀门,这是一种很不合理的处置。根据工程实践经验,北京市分户热计量试用图集中,提出了一个界定标准,即进流系数应不小于30%,已被许多方面包括恒温阀生产厂所接受,有些国外的低阻两通恒温阀新一代产品,又降低了水阻力。

7、关于塑料类管材在实施住宅分户热计量的户内采暖系统中,已大量采用塑料类管材,与金属管件接头处漏水成为一大公害,尤以交联铝塑复合(XPAP)管和交联聚乙烯(PE-X)管为甚。XPAP管由于其良好的阻氧性能,相对于其它塑料类管材,本来更适合于采用钢制散热器的户内埋地管道。

有一种说法:接头处漏水是由于管道的纵向膨胀所引起,这是不确切的。管道受热后纵向膨胀形成的膨胀力,是伸长量、管材的弹性模量和管道截面积的乘积。钢管的线膨胀系数是0.012(mm/m.K),而塑料类管材线膨胀系数的概略值,按从小到大排列如下:XPAP管0.025;PB管0.130;PP-R管0.180;PE-X管0.200,当然,线膨胀系数大的管材受热作用后会有较大的热伸长量。但塑料类管材的弹性模量远小于钢管,钢管的弹性模量为20.6×103kN/cm2,而例如PP-R管,在20℃时仅为80kN/cm2,95℃时又降低为25kN/cm2.因此,在管道截面积相同时,塑料类管材的膨胀力会远小于钢管。

接头处漏水的主要原因,是管材与金属管件的配合和施工安装人员的操作经验问题。根据北京市标准《低温热水地板辐射供暖应用技术规程》对金属连接管件的要求,耐拔脱力应不小于3Mpa,因此是可以通过改进解决的。

塑料类管材的纵向膨胀特性,则应在敷设方式上有所考虑。塑料类管材在地面内埋设时纵向膨胀受限,会转化为内应力,在管道强度计算的安全系数中可以消纳,而明装时则会发生较大的弯曲变形,且易受划伤而影响使用寿命。根据实际工程的问题和经验,北京市分户热计量试用图集中,只推荐在直埋(包括地面内或嵌墙敷设)时采用,非直埋的所有管道(包括明装或管道井内安装),仍推荐采用热镀锌钢管和螺纹连接,是很有必要的。

8、户式热源的匹配水泵问题在采暖能耗得以严格控制的节能住宅中,采用燃气或电热水采暖炉等,作为户式采暖系统的热源,采暖费用甚至有可能低于燃气或电热的集中供暖系统,本采暖季是暖冬,与北京市集中供暖上调后的集中供暖采暖费相比,更显示出其实际采暖费用低的优势,因而是一种可行的方案,会具有较大的发展空间。户式采暖系统存在问题之一,是循环水泵与系统的配合。对于燃气或电热水采暖炉所配带的水泵,笔者曾询问过许多生产厂家,例如:流量、与流量相关的炉外剩余水头、排烟温度等,大都提不出明确的技术指标。由于住宅单户的套型面积和采暖负荷会相差较大,在同一容量循环水泵的作用下,会出现与设计条件不同的运行工况而造成失调。尤其是当采用地板辐射供暖或作为空调器的热源时,更容易发生流量不足而影响采暖效果。因此,应深入地协调系统、户式采暖炉和配带水泵的匹配问题。

参考文献

1、张锡虎。供暖系统散热面积偏大及其影响。建筑设备1988年1期:36-382GBJ19-87采暖通风与空气调节设计规范

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