劉相棟 ，武 偉 ，顏 喆,劉 丹

(1. 臨沂大學(xué)建筑學(xué)院，山東臨沂 276005; 2. 臨沂天元建筑設(shè)計(jì)院, 山東臨沂 276000)

·建筑設(shè)備與建筑材料·

開(kāi)展終端采暖設(shè)備開(kāi)發(fā)和性能研究的必要性

劉相棟1，武 偉2，顏 喆1,劉 丹1

(1. 臨沂大學(xué)建筑學(xué)院，山東臨沂 276005; 2. 臨沂天元建筑設(shè)計(jì)院, 山東臨沂 276000)

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外散熱器研究現(xiàn)狀的介紹和分析，結(jié)合建筑節(jié)能的迫切要求，分析了采暖散熱器高耗能的原因，針對(duì)目前盲目增加散熱器數(shù)量等問(wèn)題，提出了研究和開(kāi)發(fā)高性能采暖終端設(shè)備的必要性。

散熱器; 終端采暖設(shè)備; 集中供暖; 熱量調(diào)節(jié)

1 國(guó)外散熱器的研究現(xiàn)狀

國(guó)外散熱器使用已有久遠(yuǎn)的歷史，英、美等國(guó)家由于工業(yè)革命較早，散熱器生產(chǎn)水平一直處于世界領(lǐng)先地位[1]。早在二十世紀(jì)五、六十年代，外形美觀、性能優(yōu)越的鋼制散熱器就得到了比較普遍的應(yīng)用[2]。國(guó)外對(duì)散熱器的研究起步也較早，早在二十世紀(jì)初，美、英、蘇等發(fā)達(dá)國(guó)家就有一批學(xué)者積極從事于這一領(lǐng)域的研究并取得了一些成果[3]。

國(guó)外雖然在熱量計(jì)量和溫度控制方面研究很早，但是進(jìn)行設(shè)計(jì)熱負(fù)荷計(jì)算研究時(shí)并未考慮戶(hù)間傳熱的問(wèn)題，其原因有三點(diǎn)：一是國(guó)外建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能較好，傳熱系數(shù)比國(guó)內(nèi)建筑物低得多[4]。并且由于采暖房間與不采暖房間的溫差很小，例如芬蘭溫差達(dá)不到5℃，基本不考慮戶(hù)間熱負(fù)荷。二是該地區(qū)的人均收入較高，采暖費(fèi)只占人們收入的很少一部分，人們僅僅考慮到室內(nèi)升溫的延時(shí)和追求舒適，雖然人們有節(jié)能意識(shí)，但每天室內(nèi)溫度不會(huì)調(diào)得很低。三是有些國(guó)家采暖季室外溫度并不低，如波蘭最冷月平均氣溫為-1℃～-5℃，丹麥1月平均氣溫0℃左右，在提倡供熱計(jì)量時(shí)也沒(méi)有研究戶(hù)間傳熱這一問(wèn)題[5]。

2 國(guó)內(nèi)散熱器的研究現(xiàn)狀

我國(guó)是一個(gè)采暖散熱器生產(chǎn)、使用和出口大國(guó)[6]。采暖散熱器在我國(guó)已有近百年的使用歷史，過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)期是以灰鑄鐵散熱器為主。隨著我國(guó)人民生活水平的穩(wěn)步提高和城市化建設(shè)步伐的加快，建筑業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要性日益凸顯，而其對(duì)新型采暖設(shè)備的需求量也呈全面迅猛增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。雖然近年來(lái)，電熱采暖、地?zé)岵膳娜贿M(jìn)入尋常百姓家，但以采暖散熱器(熱媒為水)進(jìn)行采暖仍是我國(guó)最為普遍使用的冬季采暖方式，目前我國(guó)采暖散熱器市場(chǎng)規(guī)模大約在80億元/年(約合3億片鑄鐵四柱760)。因此，適合熱水采暖使用的散熱器仍是行業(yè)研究的重點(diǎn)。從采暖的角度出發(fā)，散熱器是采暖系統(tǒng)的末端裝置，承擔(dān)著將熱媒攜帶的熱量傳輸給室內(nèi)的任務(wù)。

3 開(kāi)展終端采暖設(shè)備開(kāi)發(fā)和性能研究的必要性

3.1 性能高效的終端采暖設(shè)備開(kāi)發(fā)勢(shì)在必行

從以上分析可以看出，在供熱過(guò)程中要達(dá)到舒適節(jié)能的效果，必須從建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和供熱系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)著手，進(jìn)行徹底的改造，只單純從圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能或只單純從供熱系統(tǒng)節(jié)能都是不可行的。實(shí)際上，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能只是為建筑節(jié)能創(chuàng)造了條件，而采暖系統(tǒng)的節(jié)能才是落實(shí)節(jié)能的關(guān)鍵。以北京為例，開(kāi)展建筑節(jié)能工作十多年，已建成了為數(shù)不少的節(jié)能建筑，但采暖耗煤量指標(biāo)卻沒(méi)有明顯下降，其關(guān)鍵的原因就是供熱系統(tǒng)的節(jié)能未能和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能同步實(shí)施。盡管?chē)o(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能有所提高，但采暖系統(tǒng)基本沒(méi)有變化，缺少必要的控制調(diào)節(jié)手段，因而出現(xiàn)住宅室溫有所提高甚至過(guò)熱的情況，耗煤量并未有明顯下降，形成了“節(jié)能建筑不節(jié)能”的被動(dòng)局面。

采暖能耗偏高的主要原因之一是各房間的散熱器面積與房間的熱負(fù)荷之比不完全一致。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)滿(mǎn)足最冷房間溫度不低于16℃要求時(shí)，由于部分區(qū)域的過(guò)熱導(dǎo)致的多供出熱量為總供熱量的20 %～30 %。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)觀念中，由于擔(dān)心房間供熱不足而盲目增加散熱器片數(shù)，使散熱器安裝面積過(guò)大，導(dǎo)致冬天室溫過(guò)高，既造成了能源浪費(fèi)，又難于調(diào)節(jié)溫度。

3.2 盲目增加散熱器片數(shù)的缺點(diǎn)

盲目增加散熱器片數(shù)容易導(dǎo)致實(shí)際散熱面積增大，上層散熱器放熱高，出水溫度降低。這樣必然導(dǎo)致下層的供回水溫差小于設(shè)計(jì)值或理想值，即實(shí)際供水溫度降低，回水溫度高，這樣勢(shì)必造成垂直失調(diào)現(xiàn)象。在由傳統(tǒng)供熱方式向?qū)嵤┯?jì)量收費(fèi)方式轉(zhuǎn)變的過(guò)程，無(wú)論是設(shè)計(jì)者，還是供熱公司都必須注意到這不僅只是收費(fèi)體制的改革，還是對(duì)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)觀念及運(yùn)行模式的一個(gè)挑戰(zhàn)。實(shí)行分戶(hù)計(jì)量后，由于供熱已成為商品，不同的用戶(hù)對(duì)室內(nèi)溫度要求也不同，因此室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度和溫度條件應(yīng)能滿(mǎn)足可預(yù)計(jì)的室溫調(diào)節(jié)范圍。隨著分戶(hù)計(jì)量而突出的戶(hù)間傳熱問(wèn)題是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一，成為當(dāng)前研究的一個(gè)重要課題。

3.3 基于溫度調(diào)節(jié)變流量散熱器——終端機(jī)開(kāi)發(fā)的必要性

在城市集中供暖環(huán)境下，熱電廠(站)經(jīng)城市管網(wǎng)、分換熱站、及至各個(gè)小區(qū)、樓層、分戶(hù)室，其使用條件復(fù)雜多變，但普遍存在供熱太慢、供熱不均、供熱太冷、供熱太熱等問(wèn)題，給廣大用戶(hù)造成各種不便和抱怨。同時(shí)北方城鎮(zhèn)的集中供暖長(zhǎng)期以來(lái)實(shí)行國(guó)家福利補(bǔ)貼，收費(fèi)方式是按建筑面積收費(fèi)，這種不管采暖量的多少都一刀切的收費(fèi)方式本來(lái)就極不合理，關(guān)鍵還無(wú)法調(diào)動(dòng)采暖用戶(hù)的節(jié)能意識(shí)，造成巨大能源浪費(fèi)。

供熱用戶(hù)實(shí)現(xiàn)供熱計(jì)量收費(fèi)以后，必須要有相應(yīng)的熱量可調(diào)節(jié)手段，否則不能實(shí)現(xiàn)真正的節(jié)能。目前實(shí)現(xiàn)用戶(hù)熱量可調(diào)節(jié)的技術(shù)主要是在用戶(hù)室內(nèi)的各散熱器支管上安裝自力式溫度調(diào)節(jié)閥，用戶(hù)可根據(jù)個(gè)人生活習(xí)慣及經(jīng)濟(jì)條件在調(diào)節(jié)閥上設(shè)定所需溫度。溫控閥主要有雙通閥和三通閥兩種方式。當(dāng)采用雙通閥后，室內(nèi)供熱系統(tǒng)就成為了變流量系統(tǒng)。供熱系統(tǒng)采用量調(diào)節(jié)運(yùn)行是最具節(jié)能潛力的方式，傳統(tǒng)的供熱系統(tǒng)僅在熱源處或熱力站處進(jìn)行集中調(diào)節(jié)，只能滿(mǎn)足用戶(hù)的平均水平，而無(wú)法避免各個(gè)用戶(hù)間可能出現(xiàn)的水力失調(diào)或熱力失調(diào)，使得量調(diào)節(jié)方式一直無(wú)法得到廣泛的應(yīng)用。所以，國(guó)家要求推廣的“熱計(jì)量改革”到現(xiàn)在一直都進(jìn)展不大。截至2011年7月底，整個(gè)北方采暖地區(qū)已完成的既有居住建筑“供熱計(jì)量及節(jié)能改造”的面積僅為1.2×108m2。清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)節(jié)能研究中心科學(xué)院院士江億認(rèn)為，集中供暖系統(tǒng)中至少17 %～33 %的總熱量是由于過(guò)量供熱浪費(fèi)的，近十年的“熱改”之所以沒(méi)有進(jìn)展也沒(méi)有太大的成效，原因就是現(xiàn)采暖終端設(shè)備——暖氣片不能有效地調(diào)控室內(nèi)溫度。只有當(dāng)用戶(hù)的末端設(shè)備具有有效的、可操作的室溫調(diào)節(jié)手段時(shí)(自由設(shè)定用戶(hù)自己認(rèn)為舒適的溫度并可分戶(hù)、分室調(diào)節(jié))，才能徹底消除過(guò)量供熱損失或?qū)p失降到3 %以下。

4 結(jié)論

北方采暖系統(tǒng)的節(jié)能改造問(wèn)題的焦點(diǎn)主要集中到了暖氣片的“落后和局限”上，它既不能滿(mǎn)足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的采暖品質(zhì)化需求，也阻礙國(guó)家節(jié)能改造的推廣?？梢?jiàn)，努力開(kāi)發(fā)出一種節(jié)能、高效的智能化采暖設(shè)備來(lái)取代暖氣片已是刻不容緩的當(dāng)務(wù)之急。

(感謝劉丹老師對(duì)本文的指導(dǎo))

[1] Kowalski,J. Triple Objective Optimum Design of a Two-column Radiator of Central Heating. International Communications in Heat and Mass Transfer. 2013(5): 401-409.

[2] Hirayama,Y.,Batty, W.J. Dehumidifying Chilled Radiator System for Hot and Humid Climates. Energy and Buildings. 2009(2): 203-210.

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[5] 于謹(jǐn), 方修睦. 歐洲采暖熱計(jì)量評(píng)述[J]. 節(jié)能, 2005(5):54-56.

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劉相棟(1992～)，男，本科；武偉，男，本科；顏喆(1993～)，女，本科。

TU832.1+2

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[定稿日期]2015-06-17