郭志龍

（廈門陸原建筑設(shè)計院有限公司，福建 廈門 361012）

0 引言

暖通管道通常敷設(shè)在非空調(diào)、非供暖房間或區(qū)域進行保溫，而敷設(shè)在空調(diào)、供暖的房間或區(qū)域時通常不保溫，因為沿途的冷、熱量會散到空調(diào)、供暖的房間或區(qū)域，認(rèn)為沒有冷熱量損失。但能量不光有量的多少，也有質(zhì)的高低，以上兩種情況管道的冷、熱量都會有損失，會導(dǎo)致供冷的空調(diào)管道內(nèi)流體溫度升高，供熱的采暖管道內(nèi)流體溫度降低，也就是造成能量品質(zhì)降低。末端的散熱設(shè)備散熱量會受到供給它的冷凍水或采暖熱水的溫度影響。在管道沿程不長，管道冷、熱量損失不大的情況下影響不明顯。但當(dāng)管道較長時，如不考慮管道沿途散熱的影響，則會造成設(shè)備供冷或供熱量不足，從而導(dǎo)致熱力失調(diào)。如果能夠找到管道沿途熱損失的規(guī)律，就可以根據(jù)該規(guī)律合理選擇換熱設(shè)備的換熱面積（風(fēng)機盤管、散熱器等），有效減少熱力失調(diào)的現(xiàn)象。同時也可以采取管道保溫的措施減少沿途冷、熱量散失，提升下游冷、熱媒品質(zhì)，避免散熱設(shè)備因換熱面積加大而導(dǎo)致投資增加。

在實際工程設(shè)計中對管道沿途散熱的規(guī)律是不了解的，不能進行定量計算和分析，甚至沒有考慮這一因素，導(dǎo)致末端散熱量不足，系統(tǒng)前后的熱力失調(diào)。由此可見，由于缺乏理論依據(jù)，因此，無法將設(shè)計做到最優(yōu)[1]。研究管道沿途熱損失規(guī)律及其對散熱設(shè)備的影響有助于提高設(shè)計水平、減少能耗，對指導(dǎo)工程實踐具有非常現(xiàn)實的意義。

1 理論推導(dǎo)

隨著管道沿途長度的增加，空調(diào)供冷管道內(nèi)水溫升高，與室內(nèi)溫度的差值縮小，因此水溫的下降速率是變化的，同樣供暖管道水溫的變化速率也是變化的。推導(dǎo)這一規(guī)律首先應(yīng)找出內(nèi)在的函數(shù)關(guān)系，建立微分方程。為便于分析做如下假設(shè)：室內(nèi)溫度始終不變，管道各處的傳熱系數(shù)均相同，管道內(nèi)流體的流量始終不變。在某一微小管段內(nèi)流體向室內(nèi)傳遞的熱量等于這一微小管段內(nèi)流體前后的溫差與質(zhì)量流量及比熱的乘積。根據(jù)管道散熱的能量守恒關(guān)系，建立如下微分方程。

式中：G-流體質(zhì)量流量（kg/s）；c-流體比熱[J/（㎏·℃）]；D-管道直徑（mm）；k-管道傳熱系數(shù)[（w/（m2·℃）]；t-管道內(nèi)流體溫度（℃）；L-管道長度（m）；t1-起始端內(nèi)流體溫度（℃）；tn-室內(nèi)溫度（℃）。

對公式（1）進行變換，得到公式（2）。

對上式兩端進行積分：

積分并整理得：

公式（4）就是管道內(nèi)流體溫度與管道沿程長度之間的函數(shù)關(guān)系式。當(dāng)L增大時值減少，當(dāng)L足夠大時趨近于0。所以流體沿管道長度方向溫度趨向于室內(nèi)溫度方向變化，當(dāng)管道最夠長時管道內(nèi)流體的溫度等于室內(nèi)溫度。管道內(nèi)流體的變化趨勢如圖1所示。

圖1 管道內(nèi)流體溫度沿管長變化曲線

由圖1可以看出夏季空調(diào)的冷凍水管道起始溫度和冬季供暖管道起始溫度均隨著管道長度L的增加而趨向于室內(nèi)溫度 。這一變化過程不是線性的，起始端變化速率較快，隨著沿程長度的增加變化速率逐漸減緩，這一結(jié)果也與前面的分析一致。有了該理論方程就可以結(jié)合具體的項目進行定量分析計算。

2 實例分析

結(jié)合筆者自己設(shè)計的兩個項目具體應(yīng)用該理論計算公式。兩個項目分別是硬質(zhì)合金工業(yè)園（一期）和蘭州恒大文化旅游城A-57地塊九年一貫制學(xué)校。前一個項目工程地點在廈門市，廠房內(nèi)設(shè)集中空調(diào)，冷源為3臺螺桿式冷水機組，末端有風(fēng)機盤管、吊頂式新風(fēng)機組和組合式空調(diào)機組，其中工藝空調(diào)區(qū)域為溶液除濕空調(diào)機組。由于項目面積較大且為單層廠房，因此管道輸送距離較遠。冷凍水由制冷機房通過管道輸送到空調(diào)末端[2]。后一個項目位于蘭州市，設(shè)有集中采暖系統(tǒng)。地下室設(shè)置換熱站，將一級網(wǎng)熱水換熱為75℃/50℃，供給該項目各單體，末端散熱設(shè)備為散熱器。考慮到采暖管道室外輻射施工難度大、費用較高且以后維護困難、改造費用高，二級網(wǎng)盡量減少直埋敷設(shè)，大部分管道設(shè)置于室內(nèi)供暖區(qū)域，如采暖連廊等區(qū)域。因此室內(nèi)設(shè)置的二級網(wǎng)管道距離較長。這兩個項目都存在室內(nèi)管道距離較長的情況，了解管道沿程冷熱損失量，對掌握系統(tǒng)的熱力失調(diào)狀況是非常必要的[3]。以下就是應(yīng)用上述推導(dǎo)的理論公式結(jié)合這兩個具體的項目進行分析。

2.1 空調(diào)冷凍水管道沿途溫度變化分析

結(jié)合硬質(zhì)合金工業(yè)園（一期）項目中的一段冷凍水管道，利用公式 （2）～公式（4）分析如表1。

表1和表2為硬質(zhì)合金工業(yè)園（一期）項目空調(diào)管道的溫度變化表。選擇了累計管長為244m的管段作為分析對象，為該項目最長管段。由表1看出，當(dāng)管道有保溫的情況下，末端溫度升高僅為0.3℃，溫度變化的相對值為0.5%。由表2可以看出末端溫度升高為1.45℃，溫度變化的相對值為20.7%。依該方法分析，當(dāng)空調(diào)管道敷設(shè)在吊頂內(nèi)等非空調(diào)區(qū)域時按同樣的方法進行分析，保溫和未保溫的管道溫度變化絕對值分別是0.05℃和1.97℃，相對值分別是0.7%和28.1%。

表2 不保溫空調(diào)管道溫度沿程變化表

可見在管道保溫情況下，管道沿途冷損失造成的溫度升高并不大。而在管道未保溫的情況下，升高較大，對末端設(shè)備的制冷量會產(chǎn)生影響。由此可見，空調(diào)管道無論是否敷設(shè)在空調(diào)區(qū)域均應(yīng)進行保溫[4]。

2.2 供熱管道沿途溫度變化分析

結(jié)合蘭州恒大文化旅游城A-57地塊九年一貫制學(xué)校一段采暖管道，利用公式（2）～公式（4）分析如表3。

表3中計算管道取自蘭州恒大文化旅游城A-57地塊九年一貫制學(xué)校項目最長的一段管道。通常采暖管道敷設(shè)在非供暖區(qū)域保溫，而供暖區(qū)域則不保溫的。表3中所列數(shù)據(jù)除0～1管段外均未保溫。0～1管段為由熱源處引出敷設(shè)在采暖連廊區(qū)域的一段長達240m供熱干管。如果0～1段不保溫則溫降達到19.7℃，溫度相對變化量為26.3%，這樣對末端散熱器的散熱量會造成非常大的影響，因此表3中該段為保溫管段?？鄢?～1管段外管道總長58m，溫度的絕對變化值和相對變化值分別為11.05℃和14.84%。以某一鋼制橢柱型散熱器為例進行分析，該散熱器的單片散熱量計算公式為Q=0.59755×ΔT1.2367，中心距為600mm。起始端散熱器的平均傳熱溫差ΔT為42.5℃，單片散熱量為61.7W/片。末端散熱器的平均傳熱溫差ΔT為36.7℃，單片散熱量為51.5W/片。單片散熱器的散熱量下降16.6%，也就意味著末端的散熱器面積要相應(yīng)增加16.6%。一方面散熱器的增加會影響工程投資，另一方面會由于安裝位置的限制導(dǎo)致無法設(shè)置更多的散熱器?？梢姰?dāng)管道敷設(shè)在供暖的區(qū)域時也應(yīng)該考慮沿途散熱損失的影響，尤其是散熱器供暖系統(tǒng)受溫度降低的影響較大，更應(yīng)該引起重視。設(shè)計時應(yīng)盡量減少供熱半徑[5]，必要時應(yīng)對敷設(shè)在供暖區(qū)域的采暖管道進行保溫。該項目是利用散熱器采暖，這里也是以散熱器為例進行分析。如為地?zé)岵膳捻椖恳部山Y(jié)合該公式進行分析，由于地?zé)岵膳臏囟容^低，溫度越低的區(qū)域管道沿程溫度的降低速率會越慢。同時地?zé)岵膳拿娣e較大，受溫度變化的影響比散熱器小，得出的末端散熱量變化值會小于散熱器。

為分析保溫采暖管道內(nèi)流體的溫度變化，假設(shè)敷設(shè)在室內(nèi)的供暖干管進行保溫，還是以表3所列的管段為例，經(jīng)過分析整理出表4。

表3 采暖管道溫度沿程變化表

由表4可見最末端的26～27管段內(nèi)水溫相比1～2管段內(nèi)水溫變化僅為0.28℃，相對變化量僅為0.38%。由0～1管道可見，保溫采暖管道即使長度達到240m，溫度的下降值也僅有0.55℃。同樣以前文中提到的散熱器為例進行分析，在管道保溫狀況下末端散熱器的平均傳熱溫差ΔT 為42.1℃，單片散熱量為60.9W/片。單片散熱器的散熱量下降僅為1.2%。因此，保溫采暖管道能夠有效減少熱量損失。當(dāng)然，該分析僅從保障供熱介質(zhì)溫度角度考慮，設(shè)計過程中應(yīng)結(jié)合增加保溫材料增加工程造價和增加散熱器面積增加的造價進行對比等，綜合考慮是否設(shè)置保溫。

表4 保溫采暖管道溫度沿程變化表

2.3 影響溫度變化的因素分析

由公式 （2）～公式（4）及圖1可知，管道的直徑D、長度L以及傳熱系數(shù)K越大，溫度升高或降低的速度就越快；而流量G越大溫度升高或降低的速度就越慢。據(jù)此可以進行如下分析。

管道的管徑選擇要適當(dāng)，不能過大。在供熱和空調(diào)管道設(shè)計過程中，設(shè)計者往往會非常重視水力平衡和熱力平衡。尤其是供熱管道經(jīng)常會出現(xiàn)水力和熱力不平衡的現(xiàn)象，每年的供暖初期調(diào)節(jié)工作量都非常大。為減少這種不平衡的現(xiàn)象，通常采取的方法是加大管徑、加大流量縮小溫差的方式。形成了所謂的“大流量、小溫差”運行。依筆者實際工作經(jīng)驗，供熱管道在選取比摩阻如嚴(yán)格按照規(guī)范選擇（60 Pa/m～120Pa/m）[1]則可能會偏大，一般供熱干管的比摩阻大約50 Pa/m ～70 Pa/m。如管徑選擇小則一方面是水力失調(diào)較為嚴(yán)重[6]，另一方面由于水質(zhì)原因幾年之后管道會堵塞嚴(yán)重，實際流通面積會減少很多，嚴(yán)重影響供熱效果。但也不能一味追求大管徑，這樣不僅會增加投資和運行費用，而且大管徑會使流體流速變慢，管道沿程散熱損失加劇。尤其是當(dāng)管道較長時一定要考慮該因素的影響。

管道不宜過長。管道長度大，一方面半徑過大，系統(tǒng)干管所帶的采暖立管數(shù)量增加不利于水力平衡；另一方面半徑過大，管道沿途熱損失會增加，末端熱媒品質(zhì)下降增大了熱力失調(diào)的概率。在《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》GB 50736-2012中，第5.9.11條第1款中規(guī)定“環(huán)路布置應(yīng)力求均勻?qū)ΨQ，環(huán)路半徑不宜過大，負(fù)擔(dān)的立管數(shù)不宜過多。”[1]雖然在規(guī)范中也規(guī)定供熱半徑不宜過大，但卻沒有給出具體數(shù)值。在實際工程設(shè)計中采暖供熱半徑差別很大，有的供熱系統(tǒng)設(shè)計較大供熱半徑長達150m，筆者認(rèn)為這樣的設(shè)計不合理，應(yīng)該拆開成幾個環(huán)路，這樣才能進行有效調(diào)節(jié)并保證供暖質(zhì)量。

在經(jīng)濟合理范圍內(nèi)應(yīng)加強保溫。減少傳熱系數(shù)K可以有效地降低流體的沿程散熱速率，但會增加投資。應(yīng)該結(jié)合管道長度、末端散熱設(shè)備散熱面積、水力及熱力失調(diào)的影響等因素綜合考慮保溫層材質(zhì)和厚度。

流量G是由末端的冷熱負(fù)荷需求決定的，不能隨意增減。從絕對數(shù)值上來說空調(diào)的冷負(fù)要大于采暖的熱負(fù)荷，而空調(diào)的供回水設(shè)計溫差為5℃，采暖的供回水設(shè)計溫差為25℃[2]，這樣實際空調(diào)冷凍水管道內(nèi)的流體流量要遠大于采暖管道。從這里也能解釋為什么空調(diào)冷凍水管道可以做的很長（如表1所列管道長達244m）但溫度上升并不明顯?？照{(diào)冷凍水管道流量較大這一特點，也有利于水力平衡。實際工程設(shè)計中空調(diào)冷凍水管道很多設(shè)計為異程式且管道較長，而又不至于水力和熱力失調(diào)嚴(yán)重其流量較大是重要原因。

表1 保溫空調(diào)管道溫度沿程變化表

由于篇幅有限，該文所論及內(nèi)容可從以下方面繼續(xù)開展[7]。1）該文僅為理論分析，可進一步結(jié)合項目實地進行測量驗證。也可建立模型進行CFD模擬。將實測數(shù)值、模擬數(shù)值和理論計算值進行對比分析。2）可進一步結(jié)合不同的末端設(shè)備的散熱量、管道保溫對造價的影響、水力及熱力穩(wěn)定性等因素進行分析，完善理論數(shù)值，作為設(shè)計的參考依據(jù)。

3 結(jié)論

空調(diào)冷水管道無論是否敷設(shè)在空調(diào)區(qū)域均應(yīng)進行保溫，保溫后管道沿途的冷損失較小，溫度變化不大。當(dāng)然從防結(jié)露的角度來說，空調(diào)冷凍水管均應(yīng)該進行保溫，這里只是從另一個方面去印證。關(guān)于空調(diào)供冷半徑也沒有相關(guān)規(guī)范作為依據(jù)。根據(jù)該文的分析僅從冷凍水管道沿途溫升的角度考慮，較大的供熱半徑不會對此產(chǎn)生很大影響。關(guān)于空調(diào)的供冷半徑應(yīng)結(jié)合運行費用和水力平衡等方面綜合考慮。

敷設(shè)在供熱區(qū)域的采暖干管應(yīng)盡量短，當(dāng)管道長度大于60m時應(yīng)考慮熱水溫降對末端散熱設(shè)備散熱量的影響，尤其是散熱器供暖系統(tǒng)更應(yīng)該注意該變化的影響?？刹扇≡黾幽┒松崦娣e（增加散熱器或地?zé)岜P管數(shù)量等）的方式確保末端散熱量滿足需求。

當(dāng)供熱管道較長，尤其是供暖主干管較長時即使敷設(shè)在供熱區(qū)域也應(yīng)該進行保溫，不能忽略這部分熱損失的影響。

管徑選擇應(yīng)合理。雖然加大管徑可以防止水力失調(diào)，但也會加劇由于沿途散熱速率增加造成的熱力失調(diào)，應(yīng)結(jié)合水力穩(wěn)定性和熱力穩(wěn)定性綜合考慮管徑大小。