陳美娟 周文和

蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院

蘭州交大教學(xué)樓供暖系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀分析

陳美娟 周文和

蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院

冬季采暖能耗占高校公共建筑總能耗的比例較大，供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的優(yōu)劣對(duì)校園節(jié)能至關(guān)重要。通過對(duì)蘭州交通大學(xué)教學(xué)樓供暖系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行12小時(shí)的連續(xù)測(cè)試，獲得了不同朝向及不同樓層9個(gè)測(cè)試教室的實(shí)測(cè)溫度和實(shí)測(cè)單位面積耗熱量，同時(shí)，對(duì)供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行進(jìn)行了校核計(jì)算?；趯?shí)測(cè)及校核計(jì)算數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，得出了教學(xué)樓供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行合理與否的結(jié)論，并提出學(xué)校公共建筑供暖系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)與運(yùn)行管理的建議。

公共建筑 教學(xué)樓 供暖系統(tǒng) 運(yùn)行管理 節(jié)能

0 引言

節(jié)能是當(dāng)前我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的一項(xiàng)極為緊迫的任務(wù)和長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略方針。根據(jù)能源界近30年來的研究及實(shí)踐表明：節(jié)能途徑中潛力最大、最直接且最有效的方式是建筑節(jié)能[1]。公共建筑的能耗在建筑能耗方面占據(jù)相當(dāng)大的比例。建設(shè)部、國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局聯(lián)合發(fā)布了《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189-2005），旨在有效地控制公共建筑的能耗，該標(biāo)準(zhǔn)推出的目的是使新建、改建和擴(kuò)建的公共建筑與20世紀(jì)80年代的公共建筑相比，全年在包括供暖、通風(fēng)、空氣調(diào)節(jié)和照明方面的總能耗減少50%[2]。我國(guó)建筑能耗約占總能耗的1/3，其中供熱及空調(diào)能耗約占建筑能耗的1/3，供熱在北方地區(qū)能源消耗中占據(jù)相當(dāng)大的比重，而目前我國(guó)的供熱系統(tǒng)的綜合能效只有30%，供熱系統(tǒng)的理想能效（含電耗）最高限度可達(dá)約70%，尚有40%的節(jié)能空間[3]。

美國(guó)、日本、俄羅斯（包括前蘇聯(lián)）、德國(guó)等國(guó)都是供熱發(fā)展很快的國(guó)家，集中供熱系統(tǒng)都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)監(jiān)測(cè)及控制[4]。我國(guó)供熱事業(yè)由于起步晚，與其它城市基礎(chǔ)設(shè)施相比較，普及率低，技術(shù)水平也不夠高[5]。目前，供熱領(lǐng)域節(jié)能新技術(shù)、新產(chǎn)品不斷出現(xiàn)和應(yīng)用，也取得了豐碩的節(jié)能成果。山東科技大學(xué)研制的校園供暖節(jié)能調(diào)節(jié)與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有顯著的節(jié)能效果，可節(jié)能20%左右[6，7]；中央美術(shù)學(xué)院采用溫度補(bǔ)償技術(shù)、供熱分區(qū)控制運(yùn)行技術(shù)、供熱分時(shí)、分溫運(yùn)行控制技術(shù)和循環(huán)水泵變頻技術(shù)等實(shí)現(xiàn)了較好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益[8]；西北農(nóng)林科技大學(xué)采用了供熱系統(tǒng)節(jié)能改造的設(shè)想，并詳細(xì)分析了節(jié)能改造的效益[9]；濰坊國(guó)建高創(chuàng)科技有限公司對(duì)清華大學(xué)260萬(wàn)m2的供暖系統(tǒng)及相關(guān)水電系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，并與清華大學(xué)共享項(xiàng)目節(jié)能效益和政策性的收益[10]。

相比之下，對(duì)于量大面廣北方校園的節(jié)能供暖，校園公共建筑供熱領(lǐng)域節(jié)能新技術(shù)、新產(chǎn)品的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，此外，校園公共建筑供熱系統(tǒng)的運(yùn)行狀況實(shí)測(cè)資料非常缺乏。本文將通過對(duì)蘭州交通大學(xué)東教學(xué)樓供暖系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行測(cè)試分析，以期得到校園公共建筑及其供暖系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、運(yùn)行和管理等方面的普遍性結(jié)論及合理建議，同時(shí)引起社會(huì)對(duì)校園供暖節(jié)能的重視。

1 測(cè)試對(duì)象、內(nèi)容及方法、分析數(shù)據(jù)

1.1 測(cè)試對(duì)象

自1958年建校以來，蘭州交通大學(xué)供熱系統(tǒng)通過不斷改擴(kuò)建，系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，供熱管網(wǎng)不斷延伸，逐漸形成了以自有區(qū)域鍋爐房為熱源，不通行地溝和直埋敷設(shè)枝狀外網(wǎng)的供暖系統(tǒng)型式，設(shè)計(jì)供回水溫度為95/70℃，供暖期內(nèi)采用質(zhì)-量方式進(jìn)行供暖調(diào)節(jié)，包括住宅區(qū)、教學(xué)區(qū)、辦公區(qū)、宿舍區(qū)、北校區(qū)5個(gè)分支用戶，各支路熱用戶無自主調(diào)節(jié)措施，均在鍋爐房分集水器處統(tǒng)一調(diào)節(jié)，其中教學(xué)區(qū)主要由西教學(xué)樓和東教學(xué)樓組成。圖1所示為東教學(xué)樓，分為四、五、六教三個(gè)建筑，供暖總面積分別約為 7215m2、14220m2、7215m2，體形系數(shù)分別為0.15、0.12、0.15，一層層高為3.9m，其它層層高均為3.7m。

圖1 東教學(xué)樓總平面

四、五、六教分別由獨(dú)立系統(tǒng)進(jìn)行供暖，系統(tǒng)型式為上供下回單管順流同程式，引入管管徑均為DN100?？紤]不同供暖系統(tǒng)、不同樓層、不同朝向等因素，本文分別從四、五、六教建筑中挑選了3個(gè)教室，共9個(gè)教室，對(duì)其供暖系統(tǒng)的供暖效果進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試教室相關(guān)基本資料如表1所示。

表1 待測(cè)教室及其散熱設(shè)備參數(shù)

1.2 測(cè)試內(nèi)容及方法

本次調(diào)研時(shí)間為2012年12月23日（星期六）9:00～21:00，共進(jìn)行了12個(gè)小時(shí)連續(xù)測(cè)量，測(cè)試內(nèi)容以及使用儀器如下：

1）單位面積實(shí)測(cè)耗熱量。測(cè)試對(duì)象的實(shí)測(cè)單位面積耗熱量等于相應(yīng)時(shí)刻各供暖系統(tǒng)入口處熱量表實(shí)測(cè)值除以測(cè)試供暖系統(tǒng)建筑面積。熱量表采用唐山某儀器儀表有限公司生產(chǎn)的外掛式TDS-100系列超聲波流量計(jì)等儀器（溫度傳感器為貼片式、流量傳感器為外敷式），測(cè)量精度為±1.0%，除可顯示熱量外，熱量表還可獲得熱力入口處各采暖系統(tǒng)的供回水溫度和流量。

2）實(shí)測(cè)室內(nèi)溫度。采用杭州某科技有限公司生產(chǎn)的LGR-WD01u自記式溫度儀對(duì)測(cè)試教室室內(nèi)溫度進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，自記式溫度儀精度為±0.5℃，可自動(dòng)設(shè)定采集頻率。同時(shí)采用高精度玻璃溫度計(jì)對(duì)自記式溫度記錄儀進(jìn)行校核。

3）實(shí)測(cè)室外溫度。采用LGR-WD01u自記式溫度儀，對(duì)室外溫度進(jìn)行了測(cè)量。

2 設(shè)計(jì)校核

為了評(píng)判測(cè)試建筑及其供暖系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)要求，本文首先依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50189-2005)和《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50019-2012)對(duì)測(cè)試建筑傳熱系數(shù)及教室散熱器面積等內(nèi)容進(jìn)行校核。

2.1 傳熱系數(shù)校核

本建筑屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為0.52W/(m2·℃)，外墻傳熱系數(shù)為0.57W/(m2·℃)，外窗傳熱系數(shù)為4.7W/(m2·℃)，測(cè)試建筑的體形系數(shù)均小于0.3，窗墻比均在0.5～0.7之間。根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50189-2005)可知，對(duì)于寒冷地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)限值，當(dāng)體形系數(shù)≤0.3時(shí)，屋面的傳熱系數(shù)≤0.55W/(m2·℃)，外墻的傳熱系數(shù)≤0.60W/(m2·℃)；當(dāng)0.5＜窗墻比≤0.7時(shí)，外窗傳熱系數(shù)≤2.0W/(m2·℃)[11]。因此，本文測(cè)試建筑除外窗外，各圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)均滿足節(jié)能要求。

2.2 散熱器面積校核

蘭州市室外采暖設(shè)計(jì)溫度取-11℃[12]，高校公共建筑供暖教室室內(nèi)采暖設(shè)計(jì)溫度取18℃，測(cè)試教室單位面積設(shè)計(jì)采暖耗熱量可以采用以下公式進(jìn)行計(jì)算[13]，各教學(xué)樓的單位面積設(shè)計(jì)耗熱量取其3個(gè)測(cè)試教室的平均值，計(jì)算結(jié)果匯總于表2。

式中：q—采暖單位面積設(shè)計(jì)耗熱量，W/m2；Q—采暖設(shè)計(jì)耗熱量，W；A—建筑采暖面積，m2；Qj—通過供暖房間某一面圍護(hù)物的溫差傳熱量（或稱基本耗熱量），W；K—該面圍護(hù)物的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；F—該面圍護(hù)物的散熱面積，m；tn—室內(nèi)空氣計(jì)算溫度，℃；t'w—室外供暖計(jì)算溫度，℃；a—溫差修正系數(shù)；β—附加率（或稱修正率）；Cp—干空氣的定壓質(zhì)量比熱容，Cp= 1.0056kJ/(kg·℃)；ρw—室外溫度下的空氣密度，kg/m3；V—滲透空氣的體積流量，m3/h。

測(cè)試教室單位面積計(jì)算采暖耗熱量是指按照采暖設(shè)計(jì)室內(nèi)溫度與測(cè)試室外溫度的差值對(duì)采暖設(shè)計(jì)耗熱量進(jìn)行修正后的耗熱量，按下式進(jìn)行計(jì)算，各教學(xué)樓的計(jì)算耗熱量取其3個(gè)測(cè)試教室的平均值，計(jì)算結(jié)果匯總于表2。

式中：q1—建筑采暖單位面積計(jì)算耗熱量，W/m2；q—建筑采暖單位面積設(shè)計(jì)耗熱量，W/m2；tn—室內(nèi)供暖計(jì)算溫度，℃；t'w—室外供暖計(jì)算溫度，℃；tw—室外供暖實(shí)測(cè)平均室外溫度，取值為(t1+t2+…+tn)/n，t1、t2…tn—不同時(shí)間間隔實(shí)測(cè)室外溫度，℃，n=49。

散熱器面積及片數(shù)可采用下式進(jìn)行計(jì)算[13]，計(jì)算結(jié)果匯總于表2。

式中：Q—采暖設(shè)計(jì)耗熱量，W；tpj—散熱器內(nèi)熱媒平均溫度，℃；tn—室內(nèi)供暖計(jì)算溫度，℃；K—散熱器的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；β1—散熱器組裝片數(shù)修正系數(shù)；β2—散熱器連接形式修正系數(shù)；β3—散熱器安裝形式修正系數(shù)；n—散熱器片數(shù)，片；f—單片散熱器的散熱面積，0.235m2/片。

表2 散熱器面積和片數(shù)計(jì)算表

測(cè)試教室實(shí)際布置散熱器面積均大于設(shè)計(jì)要求值，雖然四、六教測(cè)試教室是南向，五教測(cè)試教室是東向，但原設(shè)計(jì)者進(jìn)行散熱器設(shè)計(jì)時(shí)采用的富裕系數(shù)，四、六教的取值遠(yuǎn)大于五教的取值。

通過以上校核可知，設(shè)計(jì)者在進(jìn)行供暖系統(tǒng)和散熱器設(shè)計(jì)時(shí)不但未考慮學(xué)生人體散熱對(duì)教室溫度的影響，而且步步加大保險(xiǎn)系數(shù)，導(dǎo)致室內(nèi)散熱器面積和片數(shù)的選取普遍偏大。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)及分析

圖2~圖4給出了室外實(shí)測(cè)、平均及設(shè)計(jì)溫度，各測(cè)試教室室內(nèi)實(shí)測(cè)及設(shè)計(jì)溫度和各教學(xué)樓實(shí)測(cè)、設(shè)計(jì)單位面積耗熱量。

3.1 室外溫度

圖2給出了實(shí)測(cè)室外溫度tw、實(shí)測(cè)室外平均溫度tw和蘭州采暖設(shè)計(jì)室外溫度t'w。實(shí)測(cè)室外溫度最高為-0.7℃，最低為-9.9℃，室外平均溫度-3.8℃，9:00～12:00期間，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，室外溫度達(dá)到最大值-0.7℃，因天氣轉(zhuǎn)陰，12:00～13:00期間減小到-4.1℃，13:00~ 21:00之后溫度在-2℃左右，曲線變化較平緩。由于測(cè)試時(shí)間不是蘭州冬季最冷時(shí)間，因此實(shí)測(cè)室外溫度高于采暖室外設(shè)計(jì)計(jì)算溫度-11℃。

圖2 室外實(shí)測(cè)、設(shè)計(jì)及平均溫度

3.2 室內(nèi)溫度和單位面積耗熱量

圖3示出了四教4132、4336、4536，五教5108、5311、5607，六教6123、6435、6527共9個(gè)教室的實(shí)測(cè)室內(nèi)溫度及采暖室內(nèi)設(shè)計(jì)計(jì)算溫度。從圖3可以看出，四、五、六教各教室實(shí)測(cè)室內(nèi)溫度值與實(shí)測(cè)室外溫度值變化趨勢(shì)基本一致。四教測(cè)試教室溫度最高，六教次之，五教最低，測(cè)試教室4336、4536、5607、6435、6527的實(shí)測(cè)平均室內(nèi)溫度大于采暖室內(nèi)計(jì)算溫度18℃，尤其頂層教室4536、5607、6527最高，而測(cè)試教室4132、5108、5311、6123的實(shí)測(cè)平均室內(nèi)溫度小于采暖室內(nèi)計(jì)算溫度18℃。

圖3 實(shí)測(cè)室內(nèi)溫度與設(shè)計(jì)室內(nèi)溫度

圖4示出了測(cè)試對(duì)象實(shí)測(cè)單位面積耗熱量與計(jì)算單位面積耗熱量。從圖4可以看出，四教和六教計(jì)算單位面積耗熱量為42.28W/m2，五教計(jì)算單位面積耗熱量為45.70W/m2，略小于四、六教；由于五教供暖面積遠(yuǎn)大于四教和六教，但供暖系統(tǒng)供回水總管的管徑相同，導(dǎo)致六教總體實(shí)測(cè)單位面積耗熱量最高，其次為四教，五教實(shí)測(cè)單位面積耗熱量值最??；四教測(cè)試教室溫度較高，滿足供暖要求，且實(shí)測(cè)單位面積耗熱量低于計(jì)算值，說明四教供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行良好；六教實(shí)測(cè)室內(nèi)溫度并沒有像耗熱量那樣均高于四教和五教，且實(shí)測(cè)單位面積耗熱量高于計(jì)算單位面積耗熱量，說明供暖系統(tǒng)存在水力失調(diào)現(xiàn)象；五教實(shí)測(cè)室內(nèi)溫度較低，且實(shí)測(cè)單位面積耗熱量低于計(jì)算值，說明五教供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致大部分教室室內(nèi)溫度不能滿足供暖需求。

圖4 實(shí)測(cè)單位面積耗熱量與計(jì)算單位面積耗熱量

導(dǎo)致上述現(xiàn)象的原因可能源于以下幾個(gè)方面：

1）外窗傳熱系數(shù)不滿足節(jié)能要求，若采用傳熱系數(shù)為2.5W/(m2·℃)，雙層塑鋼窗代替?zhèn)鳠嵯禂?shù)為4.7W/ (m2·℃)的單層塑鋼窗，可節(jié)能15.2%；

2）由于供暖系統(tǒng)是隨校園規(guī)模逐漸擴(kuò)建，事先缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃，加之設(shè)計(jì)或調(diào)節(jié)等因素的不良，各分支系統(tǒng)存在嚴(yán)重的水力失調(diào)；

3）三個(gè)教學(xué)樓供暖系統(tǒng)大小不一，五教遠(yuǎn)大于其他兩個(gè)教學(xué)樓，但引入口相鄰布置，設(shè)計(jì)采用了相同的引入管管徑；

4）散熱器傳熱系數(shù)是散熱面積計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)，其值依賴于供回水溫度及溫差，如果水溫較低時(shí)不考慮修正，必然導(dǎo)致計(jì)算散熱面積的不足；

5）當(dāng)同一供暖系統(tǒng)各分支用戶出現(xiàn)水力失調(diào)時(shí)，即使對(duì)散熱面積計(jì)算考慮較大的富裕量，仍不能滿足供暖的正常需求；

6）設(shè)計(jì)時(shí)未考慮教室學(xué)生人體散熱對(duì)耗熱量的影響。

4 結(jié)論

通過對(duì)蘭州交通大學(xué)教學(xué)樓供暖系統(tǒng)運(yùn)行狀況的測(cè)試和分析可知，校園公共建筑及其供暖系統(tǒng)具有較大的節(jié)能潛力，具體表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

1）前期合理的規(guī)劃，是避免無序建設(shè)、實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行必不可少的前提；

2）必須嚴(yán)格依據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)；

3）對(duì)于蘭州等太陽(yáng)能資源較豐富的地區(qū)，校園公共建筑的朝向應(yīng)優(yōu)先考慮南向；

4）由于公共建筑的底層耗熱量較大，日曬得熱較小，公共建筑供暖系統(tǒng)型式可考慮采用下供上回式，以減少底層房間采用較大面積散熱器仍不能滿足使用要求的現(xiàn)象；

5）設(shè)計(jì)計(jì)算散熱器面積時(shí)，應(yīng)充分考慮供回水溫度和溫差，對(duì)現(xiàn)有散熱器傳熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行修正；

6）供暖系統(tǒng)的水力調(diào)節(jié)和平衡是保證系統(tǒng)正常、節(jié)能運(yùn)行的必要條件，可考慮在系統(tǒng)分支處裝設(shè)自動(dòng)平衡裝置；

7）公共建筑供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理考慮人體散熱的影響；

8）低溫水地板輻射采暖節(jié)能、舒適，尤其適于高大空間，教室等校園公共建筑應(yīng)當(dāng)積極采用低溫水地板輻射采暖系統(tǒng)型式；

9）室外管網(wǎng)系統(tǒng)材料應(yīng)優(yōu)先考慮采用PE等耐腐蝕管道，以延長(zhǎng)系統(tǒng)使用壽命和減少阻力損失；

10）由于校園各功能建筑獨(dú)具使用特點(diǎn)，可采用分時(shí)、分區(qū)供暖的運(yùn)行管理模式，即針對(duì)學(xué)生宿舍、教室等不同供暖功能建筑，不同時(shí)段采用不同的供暖溫度；

11）采用有效的自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制手段，對(duì)校園供暖系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)化管理，真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。

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Analysis of the Present Running Status of Teaching Building Heating System in Lanzhou Jiaotong University

CHEN Mei-juan,ZHOU Wen-he
School of Environmental Science and Municipal Engineering,Lanzhou Jiaotong University

The proportion of winter heating energy consumption of public buildings in universities is large in the total energy consumption,the merits of the heating system design and operation on campus energy saving are very important. Through continuous testing of the operational status on Lanzhou jiaotong university teaching building heating system for 12 hours,it comes to the measured temperatures and the measured heat consumptions per unit area of the classrooms among nine different orientations and floors,at the same time,the heating system design and operation have been verified. Based on the comparison and analysis about the practical test and verified data,the present paper have concluded that the building heating system design,operation and management are reasonable or not,and propounded the design and operation management about school public buildings heating energy-saving.

public buildings,teaching building,heating system,operation management,energy saving

1003-0344（2015）04-064-5

2014-4-29

陳美娟（1990～），女，碩士研究生；甘肅省蘭州市安寧區(qū)安寧西路88號(hào)蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院（730070）；E-mail：973471175@qq.com