靳 軍

(中石化南化集團研究院,江蘇 南京 210048)

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某化工裝置供暖熱負荷確定方法探討

靳 軍

(中石化南化集團研究院,江蘇 南京 210048)

結(jié)合工程實例，分析了供暖熱負荷的確定方法，重點探討了圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)、通風換氣次數(shù)等因素對體積熱指標的影響，提出了一些合理選用體積熱指標進行熱負荷估算的建議。

熱負荷，化工裝置，供暖，通風體積

0 引言

建筑物供暖設(shè)計熱負荷確定是進行供暖設(shè)計十分重要的環(huán)節(jié)，熱負荷值確定準確與否直接關(guān)系著供暖設(shè)計的合理性。熱負荷偏小，供暖設(shè)計達不到預期效果，熱負荷過大，造成供暖能耗過高。通常供暖設(shè)計熱負荷由圍護結(jié)構(gòu)耗熱量、冷風滲透耗熱量、外門開啟沖入冷風耗熱量、通風耗熱量、其他耗熱量等幾部分構(gòu)成。其確定方法主要包括通過分項詳細計算各部分耗熱量、采用體積熱指標法估算、采用面積熱指標法估算等，后者多適用于民用建筑，本文主要針對工業(yè)建筑，故對前兩種熱負荷確定方法進行討論。

1 建筑物供暖設(shè)計熱負荷確定方法

1.1 方法一：分項詳細計算[1]

Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5

(1)

其中，Q為建筑物供暖熱負荷，W；Q1為圍護結(jié)構(gòu)耗熱量(包括基本耗熱量和附加耗熱量)，W；Q2為通過外門、窗縫隙冷風滲透耗熱量，W；Q3為外門開啟侵入冷空氣耗熱量，W；Q4為通風耗熱量，W；Q5為其他途徑散失或獲得的熱量(獲得的熱量為負值，散失的熱量為正值)，W。

Qj=kF(tn-tw)a

(2)

其中，Qj為供暖房間某一面圍護結(jié)構(gòu)基本耗熱量，W；k為該面圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；F為該面圍護結(jié)構(gòu)的散熱面積，m2；tn為室內(nèi)空氣計算溫度，℃；tw為供暖室外計算溫度，℃；a為溫差修正系數(shù)。

Q1=Qj(1+βch+βf+βlang+βm)(1+βfg)(1+βjan)

(3)

其中，Q1，Qj含義同前；βch為朝向修正；βf為風力修正；βlang為兩面外墻修正；βm為窗墻面積比過大修正；βfg為房高修正；βjan為間歇供暖附加。

Q2=CpρwV(tn-tw)

(4)

其中，Q2,tn,tw含義同前；Cp為干空氣定壓質(zhì)量比熱容，取1.005 6 kJ/(kg·℃)；ρw為室外采暖計算溫度下的空氣密度，kg/m3；V為房間冷風滲透體積流量，m3/s。

V=∑(l·L·n)

(5)

其中，l為房間某朝向上可開啟門、窗縫隙長度，m；L為每米門窗縫隙的滲風量，m3/(m·h)；n為滲風量朝向修正。

Q3=Qj·βkq

(6)

其中，Q3含義同前；Qj為外門基本耗熱量，W；βkq為外門基本耗熱量附加率。

Q4=CpρwV(tn-twt)

(7)

其中，Q4為通風耗熱量，W；twt為冬季室外通風計算溫度，℃；V為通風量，可通過房間體積與通風換氣次數(shù)的乘積求得，m3/s；其余符號含義同前。

1.2 方法二：按熱負荷指標估算[2]

建筑物供暖熱負荷可按建筑外輪廓體積用下式估算：

Qn=aqnVV(tnp-tw)

(8)

Qf=aqfVV(tnp-twt)

(9)

其中，qnV,qfV為建筑物供暖、通風體積熱指標，W/(m3·℃)，見表1；Qn，Qf為供暖、通風熱負荷，W；tnp為室內(nèi)平均計算空氣溫度，℃；a為室外計算溫度修正系數(shù)，見表2；其他符號含義同前。

式(1)～式(9)中相關(guān)參數(shù)文獻[1]～[4]中均有詳細介紹可參考，由于篇幅原因，此處不再做詳細說明。值得注意的是：對于工業(yè)建筑中較為常見的高度大于4 m的空間，計算熱負荷時應進行相應高度修正。對于高度修正通常有兩種方法[3]，一種是利用式(3)中的房高修正系數(shù)βfg進行修正，一種是對式(2)中的室內(nèi)空氣計算溫度按照文獻[1]中不同情況分別確定。前者方法比較簡單，后者比較麻煩，但適應各種性質(zhì)建筑。當室內(nèi)散熱量不大(小于23 W/m3)的情況，采用兩種方法計算的結(jié)果雖有差異但出入不大，故可采用前者方法；當室內(nèi)散熱量較大、上部空間溫度明顯升高的情況，采用后者方法進行修正的結(jié)果更為準確。值得一提的是，兩種方法是并列關(guān)系，計算熱負荷進行高度修正時，應根據(jù)實際情況選取一種方法，不能同時使用。

2 工程案例

項目位于吉林省松原市的某化工裝置，該裝置包括多個工段，其中四個工段需要進行供暖設(shè)計，要求冬季保證室內(nèi)溫度不低于5 ℃，且局部要求設(shè)置機械通風。四個工段分別位于四個建筑單體內(nèi)，兩棟單層建筑，兩棟多層建筑。

2.1 案例分析

表1 工業(yè)建筑體積熱指標qnV,qfV

表2 修正系數(shù)a值

本例中，需要采暖的房間有數(shù)十間，房間大小、層高不一，門窗大小、朝向也各有不同，如按照方法一詳細計算熱負荷，工作量較大，即使通過負荷軟件計算，由于各房間情況不一，需要每個房間輸入相關(guān)計算參數(shù)，也相對繁瑣。如果采用方法二進行熱負荷估算，則只需計算出每個房間的體積，再選取合適的體積熱指標，就能得到熱負荷值。而方法二中體積熱指標qnV,qfV的選取是關(guān)鍵，取值是否合理直接影響熱負荷估算結(jié)果的準確度。

從方法一可知，影響建筑熱負荷的因素有很多，包括采暖室內(nèi)外設(shè)計溫度，圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，圍護結(jié)構(gòu)面積，門窗尺寸、朝向，外墻個數(shù)，房間高度等等。不同的房間上述因素均不盡相同。采取體積熱指標進行熱負荷估算而導致的偏差有多大，對于表1中所列典型建筑，體積熱指標可按表1中數(shù)值范圍選取，對于表1中未提及的建筑該值應如何選取，如何選取合適的體積熱指標來進行熱負荷的估算,下文將對這些問題進行分析討論。

2.2 供暖體積熱指標

通過對方法二中式(8)進行分析可知，式(8)中已考慮了供暖室內(nèi)外設(shè)計溫度對于熱負荷的影響，因此可忽略不同供暖室內(nèi)外設(shè)計溫度下對于供暖體積熱指標的取值影響。下文著重分析圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，圍護結(jié)構(gòu)面積，門窗尺寸、朝向，外墻個數(shù)，房間高度等因素對于供暖體積熱指標的影響。

分析方法：選取案例中多層建筑中的一個房間建立模型，利用方法一進行熱負荷詳細計算，根據(jù)計算所得的熱負荷值利用方法二中式(8)反求其供暖體積熱指標，再通過改變該房間的圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，圍護結(jié)構(gòu)面積，門窗尺寸、朝向，外墻個數(shù)等參數(shù)重新計算熱負荷及供暖體積熱指標，得出供暖體積熱指標與各因素之間的關(guān)聯(lián)。

房間基本參數(shù)：長7 m，寬5 m，高3.3 m，依據(jù)房間圍護結(jié)構(gòu)形式，外墻、窗戶、外門的傳熱系數(shù)K分別為0.54 W/(m2·℃)，3.16 W/(m2·℃)，3.12 W/(m2·℃)，一扇北向外窗，窗墻面積比為0.2，一扇西向外門，尺寸為2.1 m×0.9 m，無其他途徑散失或獲得的熱量。

通過對上述模型利用式(1)～式(8)計算得到供暖體積熱指標與各因素的關(guān)聯(lián)如圖1～圖4所示。

從圖1中可見，當窗墻面積比、外門尺寸在±20%之間變化時，qnV分別在0.614～0.661及0.611～0.665之間變化，最大變化率分別為7%，8%；從圖2可見，當房間高度、圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)在±20%之間變化時，qnV分別在0.613～0.675及0.528～0.748之間變化，最大變化率分別為9%，29%；從圖3可見，當窗戶、外門朝向發(fā)生變化時，qnV分別在0.599～0.655及0.586～0.638之間變化，最大變化率分別為9%，8%；從圖4可見，當房間外墻個數(shù)發(fā)生變化時，qnV在0.453～0.638之間變化，最大變化率分別為29%?？梢妵o結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)與外墻個數(shù)對qnV的影響較大，而窗墻面積比、外門尺寸、房間高度、門窗朝向?qū)nV的影響較小。當改變模型房間長、寬、高尺寸重新進行上述分析時，得到了相似的結(jié)論。

2.3 通風體積熱指標

當對模型房間分別給予不同換氣次數(shù)(即不同的通風量)的機械通風時，通過方法一式(1)～式(7)計算得到房間的各項耗熱量情況如表3所示。

表3 不同通風量下房間熱負荷情況

由表3可見，當通風換氣次數(shù)由5次/h變化到6次/h即通風量增加20%時，通風耗熱量占供暖熱負荷比例由41%上升至45%。通風體積熱指標由0.56 W/(m3·℃)提高到0.67 W/(m3·℃)，提高了19.64%，可見通風換氣次數(shù)的大小對于通風體積熱指標的取值影響較大。

3 分析與討論

1)當窗墻面積比、外門尺寸、房間高度在±20%之間變化時，qnV最大變化率分別為7%，8%，9%；當窗戶、外門朝向發(fā)生變化時，qnV最大變化率分別為9%，8%。表明當房間其他參數(shù)相同，僅僅是上述其中某個參數(shù)不同時，采用同一供暖體積熱指標值對房間熱負荷進行估算時導致的誤差在10%以內(nèi)，可見此類參數(shù)對于供暖體積熱指標的取值影響相對較小。

2)當圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)在±20%之間變化時，qnV最大變化率為29%；表明當房間其他參數(shù)相同，而圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)不同(即圍護結(jié)構(gòu)形式不同)時，采用同一供暖體積熱指標對房間熱負荷進行估算時導致的誤差接近30%，可見圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)(即圍護結(jié)構(gòu)形式)對于供暖體積熱指標的取值影響相對較大。同一建筑，圍護結(jié)構(gòu)形式通常是一致的，而當一個項目包括多個建筑單體時，不同建筑圍護結(jié)構(gòu)形式可能不盡相同，此時如采用同一供暖體積熱指標對所有建筑進行熱負荷估算，將會導致較大誤差，應對供暖體積熱指標予以修正。

3)當房間外墻個數(shù)發(fā)生變化時，qnV最大變化率為29%。表明當房間其他參數(shù)相同，而房間外墻個數(shù)不同時，采用同一供暖體積熱指標值對房間熱負荷進行估算時導致的誤差接近30%，可見房間外墻個數(shù)對于供暖體積熱指標的取值影響較大，對于建筑中處于邊角的房間供暖體積熱指標應予以相應修正。

4)當房間設(shè)有機械通風時，通風換氣次數(shù)增加20%后，通風體積熱指標提高了19.64%，可見通風換氣次數(shù)的大小對于通風體積熱指標的取值影響相對較大。當不同的房間通風換氣次數(shù)不同時，應采用不同的通風體積熱指標進行通風耗熱量估算。

4 結(jié)語

本文以某化工裝置供暖設(shè)計為例，討論了工業(yè)建筑采暖熱負荷的確定方法。采用體積熱指標法進行熱負荷估算，方法簡單，工作量小，當工業(yè)建筑對于供暖要求不是十分嚴格時，是一種簡單可行的熱負荷確定方法。而對于供暖要求相對嚴格的工業(yè)建筑，通過合理選取體積熱指標值，由熱負荷估算導致的偏差能夠控制在可接受的范圍內(nèi)，同樣能得到比較滿意的結(jié)果。通過文中分析討論，當采用體積熱指標法進行熱負荷估算時，建議對于同一建筑(或者說圍護結(jié)構(gòu)形式相同的多個建筑)，選取一個代表性房間，計算出供暖熱負荷，進而反求出供暖體積熱指標，以此熱指標為基準，其他房間再根據(jù)上文中分析的影響供暖體積熱指標因素對其進行相關(guān)修正，進行各房間供暖熱負荷估算，即可得到相對準確的結(jié)果；而對于通風耗熱量，由于不同的房間通風要求可能不同，通風換氣次數(shù)有所區(qū)別，而通風換氣次數(shù)對于通風體積熱指標的影響較大，加之計算通風耗熱量不像計算供暖熱負荷那樣繁瑣，已知房間體積和通風換氣次數(shù)的情況下，運用式(7)即可方便求得通風耗熱量，因此建議，對于此部分耗熱量可采取計算而非估算的方式得到更加準確的結(jié)果。

[1] 陸耀慶.實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊[M].第2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[2] 許居鹓，陸哲明，鄺子強.機械工業(yè)采暖通風與空調(diào)設(shè)計手冊[M].上海：同濟大學出版社，2007.

[3] GB 50019—2015，工業(yè)建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范[S].

[4] 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)管司，中國建筑標準設(shè)計研究院.全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施：暖通空調(diào)·動力[M].北京：中國計劃出版社，2009.

Discussion on the determination method of heat load of a chemical unit

Jin Jun

(ResearchInstituteofSinopecNanjingChemicalIndustryGroup,Nanjing210048,China)

Based on the engineering example,the method of determining the heat load is analyzed and discussed,focus on the analysis of the influence of heat transfer coefficient,ventilation frequency and other factors on the volume thermal index.Some suggestions are put forward on how to reasonably select the volume thermal index for heat load estimation.

heat load， chemical unit， supply heating,ventilation volume

1009-6825(2016)29-0119-04

2016-08-03

靳 軍(1984- )，女，碩士，工程師

TU833

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