關(guān)于末端散熱器選型對供暖效果影響的探索
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作者：鄭曉敏
在供熱系統(tǒng)的散熱器選型中，散熱器類型及其面積（片數(shù)）通常依據(jù)房間設(shè)計熱負荷以及系統(tǒng)的設(shè)計供回水溫度(75℃/50℃)來分析確定。但由于系統(tǒng)熱源運行管理等多方面的原因，現(xiàn)有供熱系統(tǒng)的運行調(diào)節(jié)幾乎沒有保持設(shè)計狀態(tài)；同時，設(shè)計人員為保證房間供暖效果，會相應(yīng)加大散熱器面積，而不同設(shè)計人員依據(jù)自身經(jīng)驗所采用的安全系數(shù)有所不同；再有，目前用戶普遍存在私改散熱器的現(xiàn)象。上述3方面的原因?qū)е铝松崞餍吞柤捌涿娣e與供熱系統(tǒng)散熱器設(shè)計選型結(jié)果存在了不同程度的偏差，相應(yīng)影響了建筑的供暖效果及供熱系統(tǒng)能耗。狄洪發(fā)等調(diào)查發(fā)現(xiàn)實際散熱器面積大于設(shè)計值是導(dǎo)致管網(wǎng)回水溫度偏低的主要原因。何超等認為散熱器片數(shù)的盲目增加既造成能源浪費，又使得室溫難于調(diào)節(jié)。王振喜等也指出造成供熱房間冷熱不均重要原因在于散熱器面積多于設(shè)計計算值。
對于上述散熱器選型及安裝中存在的問題，主要是由于住戶乃至設(shè)計人員對散熱器型號、面積、供水溫度、供水流量等參數(shù)與房間室溫、供熱系統(tǒng)能耗之間的相互關(guān)系缺乏定量的認識，而往往認為加大散熱器面積或者安裝新型散熱器會提高房間室溫。因此，有必要就散熱器選型與供暖效果及供熱系統(tǒng)能耗的相互關(guān)系開展深入和定量的研究分析。
本文以北京市某高校的學(xué)生宿舍樓為例，采用建筑熱環(huán)境模擬軟件DeST-h的供熱系統(tǒng)分析模塊，針對普通鑄鐵、鋼制和銅鋁復(fù)合3種類型散熱器，模擬計算并分析房間室溫及散熱器散熱量隨散熱器面積及供水流量的變化，再基于具體的模擬計算結(jié)果，探討分析作為集中供熱系統(tǒng)末端的散熱器選型對建筑供暖效果及供熱系統(tǒng)能耗的影響。
1研究對象
研究對象為北京某高校早期學(xué)生宿舍樓，宿舍樓共6層，層高3.0 m，總建筑面積4 210 m2，各個宿舍面積約18m2，建筑平面圖如圖1所示，建筑圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造及熱工參數(shù)見表1。
宿舍樓供熱系統(tǒng)采用雙管上供下回的管網(wǎng)形式，選擇普通鑄鐵、鋼制和銅鋁復(fù)合3種類型散熱器的常規(guī)產(chǎn)品，各類散熱器散熱量和傳熱系數(shù)的計算通式見式(1)、式(2)：
式中：Q。為單片散熱器的散熱量，W/片；K為散熱器的傳熱系數(shù)，W／12．℃；F為單片散熱器的面積，m2; At為散熱器供回水平均溫度與室內(nèi)空氣的溫差，℃；A、B、a、b為散熱器熱性能系數(shù)，實驗確定。
普通鑄鐵、鋼制和銅鋁復(fù)合3種類型散熱器常規(guī)產(chǎn)品的A、B、a、b系數(shù)、單片散熱器面積及散熱器尺寸見表2。
2研究方法
本研究采用模擬分析的方法，模擬計算工具為DeST-h軟件的供熱系統(tǒng)模塊。相比較DeST-h軟件的室溫計算模塊，供熱系統(tǒng)模塊可對室外氣象條件、室內(nèi)熱源（人員、燈光和電器設(shè)備）以及散熱器內(nèi)循環(huán)熱水共同作用下的房間熱狀況進行全面細致的動態(tài)仿真。在上述各個擾量共同作用下房間熱過程的數(shù)學(xué)模型如式(3)~式(5)：
式中：c。為水的比熱，J/( kg-K)；G為散熱器中水的流量，kg/s；tg、th為散熱器供、水溫度，℃；K為散熱器傳熱系數(shù)，W/m2．℃；￡pJ為散熱器表面平均溫度，℃；妒為房間對散熱器散熱擾量的反映系數(shù)，℃／W;Q為散熱器的散熱量，W;t。為房間室溫，aC；t：為無散熱器作用的房間基礎(chǔ)室溫，oC。
于是，利用DeST-h軟件的供熱系統(tǒng)模塊，在室外氣象條件、室內(nèi)熱源（人員、燈光、設(shè)備）以及散熱器熱水供水溫度和供水流量確定的情況下，可以逐時計算得到房間的室溫和散熱器的回水溫度，再根據(jù)系統(tǒng)供回水溫差和房間散熱器的供水流量，計算確定出供熱系統(tǒng)對房間的供熱量。由此，依據(jù)散熱器不同類型、不同面積（片數(shù)）以及不同供水流量下房間室溫及系統(tǒng)對房間供熱量模擬計算結(jié)果的分析比較，研究確定供熱系統(tǒng)的散熱器選型對供暖效果和供熱系統(tǒng)能耗的影響。
為合理預(yù)測散熱器選型對建筑房間室溫和系統(tǒng)供熱量的影響，本研究在利用DeST-h軟件模擬分析時，基于2012年至2013年供暖季對該集中供熱系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)狀況的實地調(diào)研結(jié)果，對外擾（外溫和太陽輻射）和內(nèi)擾（人員、燈光、設(shè)備）的逐時變化采用與實際相一致的數(shù)據(jù)，同時，散熱器供水溫度的輸入也為供熱系統(tǒng)二次管網(wǎng)實際的供水溫度。
3 計算結(jié)果分析
散熱器選型設(shè)計包括散熱器類型、散熱器面積及散熱器供水流量3個因素的分析確定。對本文所研究宿舍樓的各個房間，首先采用常規(guī)的供熱系統(tǒng)設(shè)計方法，分別計算確定出與普通鑄鐵、鋼制以及銅鋁復(fù)合3種類型散熱器相對應(yīng)的房間散熱器片設(shè)計片數(shù)和供水設(shè)計流量，對于本研究所計算分析的南向房間，鑄鐵、鋼制以及銅鋁復(fù)合3種類型散熱器的設(shè)計片數(shù)分別為9、8、6片，供水設(shè)計流量均為0. 03m3／1。進而針對上述3種不同類型的散熱器，在散熱器流量和面積變化的情況下，模擬計算房間采暖季的平均室溫、散熱器平均回水溫度及相對應(yīng)的散熱器散熱量，具體計算結(jié)果如圖2所示。圖2中，散熱器面積的變化以片數(shù)表示，流量以相對于設(shè)計流量的變化為分析基準。
由圖2可以看出，對于不同類型和不同面積大小的散熱器．房間室溫和散熱器散熱量隨流量均呈現(xiàn)出上拋曲線的變化形式。也即，流量越低于設(shè)計流量，室溫和散熱器散熱量隨流量的降低幅度越大；而當流量大于設(shè)計流量時，流量變化對房間室溫和散熱器散熱量產(chǎn)生的影響明顯降低。例如對于鑄鐵型散熱器在設(shè)計片數(shù)下，流量增加到1. 67倍時，溫度僅增加0. 30℃，熱量僅增加4.5%；但是流量減少為設(shè)計值的33 %時，溫度降低1.1℃，熱量減少20.7%。散熱器片數(shù)對房間室溫和系統(tǒng)供熱量的影響程度同樣與流量相關(guān)。流量越低于設(shè)計流量，散熱器片數(shù)增加所引起室溫和散熱器散熱量增加的幅度越小，也即增加片數(shù)所產(chǎn)生的影響不明顯；而當流量大于設(shè)計流量時，散熱器片數(shù)增加所產(chǎn)生的影響明顯增強，但影響程度基本不隨流量變化。
進一步對上述3類散熱器，在供水流量為設(shè)計值的情況下，以片數(shù)表示面積，研究分析房間室溫和散熱器散熱量隨散熱器片數(shù)的變化，如圖3所示，其中，鑄鐵、鋼制和銅鋁散熱器的設(shè)計片數(shù)分別為9片、8片和6片。圖3的結(jié)果表示出房間室溫和散熱器散熱量隨散熱器片數(shù)增大的變化狀況，其中，對于銅鋁復(fù)合散熱器，由于其單片的散熱面積較大，該散熱器片數(shù)增加對室溫和散熱量的影響更為明顯。同時，圖3的結(jié)果還表示出鑄鐵和銅鋁復(fù)合散熱器的設(shè)計片數(shù)已使得房間室溫相對于18 0C的設(shè)計值超過1℃，也即是設(shè)計片數(shù)已稍偏大；相比較，鋼制散熱器的設(shè)計片數(shù)則能比較好地滿足室溫設(shè)計要求。
因此，在供熱系統(tǒng)的設(shè)計及運行調(diào)節(jié)中，應(yīng)首先確保散熱器在不低于設(shè)計流量的狀態(tài)下工作。然而，供熱系統(tǒng)管網(wǎng)的阻力特性難以準確預(yù)測，各個散熱器末端又相互作用和相互關(guān)聯(lián)，供熱系統(tǒng)管網(wǎng)不可避免地存在水力失調(diào)，也即散熱器實際的供水流量與設(shè)計流量不同程度地存在或增加或減少的偏差。對此所采取的措施可以是加大散熱器面積，但由于系統(tǒng)管網(wǎng)中水力失調(diào)位置的不確定而往往會增加所有末端散熱器的面積，這會同時導(dǎo)致供熱系統(tǒng)的初投資和管網(wǎng)系統(tǒng)阻力的增加。于是，在系統(tǒng)水泵保持不變的情況下，阻力的加大會反過來降低系統(tǒng)供水流量，相應(yīng)削弱加大散熱器面積所產(chǎn)生的效果；更重要在散熱器供水流量低于設(shè)計流量情況下，增加散熱器面積所產(chǎn)生的效果也并不明顯。因此，在供熱系統(tǒng)的設(shè)計階段，應(yīng)對管網(wǎng)的水力失調(diào)度做出相對準確的計算和分析判斷，進而通過技術(shù)經(jīng)濟的分析比較，選擇合適的水泵以保證整個管網(wǎng)系統(tǒng)在偏大的流量狀態(tài)下運行；同時，在供熱系統(tǒng)的運行調(diào)試階段盡可能降低管網(wǎng)系統(tǒng)的水力失調(diào)度。相比較單純加大散熱器面積，這種“大流量”的運行狀態(tài)會降低初投資，并確保更良好的供暖效果。
再研究分析散熱器類型對房間室溫和散熱器散熱量的影響。對本文研究的3類散熱器，在銅鋁復(fù)合散熱器面積略大于其它兩類散熱器面積的情況下（鑄鐵和鋼制散熱器面積為1. 80m2，片數(shù)分別為9和10片；銅鋁復(fù)合散熱器面積為1. 92m2，片數(shù)為4片），分析比較房間室溫和散熱器散熱量的變化，具體如圖4所示。
圖4的結(jié)果反映出散熱器選擇對房間室溫和散熱器散熱量的影響。對于本文所研究3種類型的散熱器，在相同散熱面積的情況下，鋼制和鑄鐵散熱器的散熱效果基本相同，銅鋁復(fù)合散熱器的散熱量相對不足，相應(yīng)出現(xiàn)房間室溫偏低的情況。在水流量大于等于設(shè)計流量的情況下，銅鋁復(fù)合散熱器所在 房間的室溫要比鑄鐵和鋼制散熱器所在房間的室溫低約1.9℃。上述計算結(jié)果實際上反映出散熱器熱性能系數(shù)a、b的影響和作用，根據(jù)式(2)，這2個系數(shù)值越大，散熱器的傳熱系數(shù)越大，散熱效果也會越明顯。鑄鐵散熱器與鋼制散熱器相比較，前者n系數(shù)高于后者超1倍，但6系數(shù)又低于后者1倍以上．a(chǎn)、b 2個系數(shù)綜合作用的結(jié)果是鑄鐵和鋼制散熱器傳熱系數(shù)的接近一致；而銅鋁散熱器的a、b系數(shù)均明顯低于鋼制散熱器，相應(yīng)出現(xiàn)傳熱系數(shù)的降低和散熱效果的減弱。
4 結(jié)論
供熱系統(tǒng)中散熱器的類型、片數(shù)以及散熱器的供水流量對建筑房間供暖效果及散熱器散熱量有著不可忽視的影響。
其中，散熱器供水流量是最關(guān)鍵的影響因素，散熱器若在低于設(shè)計流量的狀態(tài)下運行，則會導(dǎo)致房間室溫和散熱器散熱量隨流量的明顯降低。對于散熱器片數(shù)的影響，也只有在高于設(shè)計流量狀態(tài)下，增加散熱器片數(shù)的影響才能明顯體現(xiàn)出來。散熱器類型對散熱效果的影響主要體現(xiàn)在散熱器熱性能系數(shù)a、b上，a、b系數(shù)的數(shù)值越大，散熱器的散熱效果越理想。
鑒于以上3個設(shè)計要素的影響特性，供熱系統(tǒng)管網(wǎng)的設(shè)計和運行調(diào)試要盡可能降低水力失調(diào)度，并適當使整個管網(wǎng)系統(tǒng)在“大流量n的狀態(tài)下運行。同時，從改善房間供暖效果角度，對散熱器的選擇不可忽視散熱器性能系數(shù)a、b的數(shù)值大小。
5[摘要]以北京某學(xué)生宿舍樓的供熱系統(tǒng)為研究對象，基于實際的室外氣象、室內(nèi)人員、照明、電器設(shè)備發(fā)熱以及散熱器供水溫度，利用DeST-h軟件，開展建筑房間供暖效果的模擬分析。根據(jù)模擬計算的結(jié)果，從散熱器面積、散熱器類型以及熱水流量的角度，研究分析供熱系統(tǒng)散熱器選型對供暖季房間室溫及散熱器散熱量的影響狀況。計算結(jié)果反映出以上3個因素各自不同的影響特點。進一步的分析對比強調(diào)出散熱器在低于設(shè)計流量狀態(tài)下運行對房間熱狀況的不利影響。因此，供熱系統(tǒng)管網(wǎng)的設(shè)計和運行調(diào)試要盡可能降低水力失調(diào)度，并適當使整個管網(wǎng)系統(tǒng)在“大流量”的狀態(tài)下運行。同時，從改善房間供暖效果的角度，盡量選擇散熱性能優(yōu)良的散熱器。
