某化工裝置供暖熱負(fù)荷確定方法探討

靳 軍

(中石化南化集團(tuán)研究院,江蘇 南京 210048)

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某化工裝置供暖熱負(fù)荷確定方法探討

靳 軍

(中石化南化集團(tuán)研究院,江蘇 南京 210048)

結(jié)合工程實(shí)例，分析了供暖熱負(fù)荷的確定方法，重點(diǎn)探討了圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)、通風(fēng)換氣次數(shù)等因素對(duì)體積熱指標(biāo)的影響，提出了一些合理選用體積熱指標(biāo)進(jìn)行熱負(fù)荷估算的建議。

熱負(fù)荷，化工裝置，供暖，通風(fēng)體積

0 引言

建筑物供暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷確定是進(jìn)行供暖設(shè)計(jì)十分重要的環(huán)節(jié)，熱負(fù)荷值確定準(zhǔn)確與否直接關(guān)系著供暖設(shè)計(jì)的合理性。熱負(fù)荷偏小，供暖設(shè)計(jì)達(dá)不到預(yù)期效果，熱負(fù)荷過(guò)大，造成供暖能耗過(guò)高。通常供暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷由圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量、冷風(fēng)滲透耗熱量、外門(mén)開(kāi)啟沖入冷風(fēng)耗熱量、通風(fēng)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(guò)分項(xiàng)詳細(xì)計(jì)算各部分耗熱量、采用體積熱指標(biāo)法估算、采用面積熱指標(biāo)法估算等，后者多適用于民用建筑，本文主要針對(duì)工業(yè)建筑，故對(duì)前兩種熱負(fù)荷確定方法進(jìn)行討論。

1 建筑物供暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷確定方法

1.1 方法一：分項(xiàng)詳細(xì)計(jì)算[1]

Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5

(1)

其中，Q為建筑物供暖熱負(fù)荷，W；Q1為圍護(hù)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(guò)外門(mén)、窗縫隙冷風(fēng)滲透耗熱量，W；Q3為外門(mén)開(kāi)啟侵入冷空氣耗熱量，W；Q4為通風(fēng)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(fù)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(hù)結(jié)構(gòu)基本耗熱量，W；k為該面圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；F為該面圍護(hù)結(jié)構(gòu)的散熱面積，m2；tn為室內(nèi)空氣計(jì)算溫度，℃；tw為供暖室外計(jì)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(fēng)力修正；βlang為兩面外墻修正；βm為窗墻面積比過(guò)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(jì)算溫度下的空氣密度，kg/m3；V為房間冷風(fēng)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(kāi)啟門(mén)、窗縫隙長(zhǎng)度，m；L為每米門(mén)窗縫隙的滲風(fēng)量，m3/(m·h)；n為滲風(fēng)量朝向修正。

Q3=Qj·βkq

(6)

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

Q4=CpρwV(tn-twt)

(7)

其中，Q4為通風(fēng)耗熱量，W；twt為冬季室外通風(fēng)計(jì)算溫度，℃；V為通風(fēng)量，可通過(guò)房間體積與通風(fēng)換氣次數(shù)的乘積求得，m3/s；其余符號(hào)含義同前。

1.2 方法二：按熱負(fù)荷指標(biāo)估算[2]

建筑物供暖熱負(fù)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(fēng)體積熱指標(biāo)，W/(m3·℃)，見(jiàn)表1；Qn，Qf為供暖、通風(fēng)熱負(fù)荷，W；tnp為室內(nèi)平均計(jì)算空氣溫度，℃；a為室外計(jì)算溫度修正系數(shù)，見(jiàn)表2；其他符號(hào)含義同前。

式(1)～式(9)中相關(guān)參數(shù)文獻(xiàn)[1]～[4]中均有詳細(xì)介紹可參考，由于篇幅原因，此處不再做詳細(xì)說(shuō)明。值得注意的是：對(duì)于工業(yè)建筑中較為常見(jiàn)的高度大于4 m的空間，計(jì)算熱負(fù)荷時(shí)應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)高度修正。對(duì)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(jìn)行修正，一種是對(duì)式(2)中的室內(nèi)空氣計(jì)算溫度按照文獻(xiàn)[1]中不同情況分別確定。前者方法比較簡(jiǎn)單，后者比較麻煩，但適應(yīng)各種性質(zhì)建筑。當(dāng)室內(nèi)散熱量不大(小于23 W/m3)的情況，采用兩種方法計(jì)算的結(jié)果雖有差異但出入不大，故可采用前者方法；當(dāng)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(jìn)行修正的結(jié)果更為準(zhǔn)確。值得一提的是，兩種方法是并列關(guān)系，計(jì)算熱負(fù)荷進(jìn)行高度修正時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選取一種方法，不能同時(shí)使用。

2 工程案例

項(xiàng)目位于吉林省松原市的某化工裝置，該裝置包括多個(gè)工段，其中四個(gè)工段需要進(jìn)行供暖設(shè)計(jì)，要求冬季保證室內(nèi)溫度不低于5 ℃，且局部要求設(shè)置機(jī)械通風(fēng)。四個(gè)工段分別位于四個(gè)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(biāo)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(mén)窗大小、朝向也各有不同，如按照方法一詳細(xì)計(jì)算熱負(fù)荷，工作量較大，即使通過(guò)負(fù)荷軟件計(jì)算，由于各房間情況不一，需要每個(gè)房間輸入相關(guān)計(jì)算參數(shù)，也相對(duì)繁瑣。如果采用方法二進(jìn)行熱負(fù)荷估算，則只需計(jì)算出每個(gè)房間的體積，再選取合適的體積熱指標(biāo)，就能得到熱負(fù)荷值。而方法二中體積熱指標(biāo)qnV,qfV的選取是關(guān)鍵，取值是否合理直接影響熱負(fù)荷估算結(jié)果的準(zhǔn)確度。

從方法一可知，影響建筑熱負(fù)荷的因素有很多，包括采暖室內(nèi)外設(shè)計(jì)溫度，圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積，門(mén)窗尺寸、朝向，外墻個(gè)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(biāo)進(jìn)行熱負(fù)荷估算而導(dǎo)致的偏差有多大，對(duì)于表1中所列典型建筑，體積熱指標(biāo)可按表1中數(shù)值范圍選取，對(duì)于表1中未提及的建筑該值應(yīng)如何選取，如何選取合適的體積熱指標(biāo)來(lái)進(jìn)行熱負(fù)荷的估算,下文將對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行分析討論。

2.2 供暖體積熱指標(biāo)

通過(guò)對(duì)方法二中式(8)進(jìn)行分析可知，式(8)中已考慮了供暖室內(nèi)外設(shè)計(jì)溫度對(duì)于熱負(fù)荷的影響，因此可忽略不同供暖室內(nèi)外設(shè)計(jì)溫度下對(duì)于供暖體積熱指標(biāo)的取值影響。下文著重分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積，門(mén)窗尺寸、朝向，外墻個(gè)數(shù)，房間高度等因素對(duì)于供暖體積熱指標(biāo)的影響。

分析方法：選取案例中多層建筑中的一個(gè)房間建立模型，利用方法一進(jìn)行熱負(fù)荷詳細(xì)計(jì)算，根據(jù)計(jì)算所得的熱負(fù)荷值利用方法二中式(8)反求其供暖體積熱指標(biāo)，再通過(guò)改變?cè)摲块g的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積，門(mén)窗尺寸、朝向，外墻個(gè)數(shù)等參數(shù)重新計(jì)算熱負(fù)荷及供暖體積熱指標(biāo)，得出供暖體積熱指標(biāo)與各因素之間的關(guān)聯(lián)。

房間基本參數(shù)：長(zhǎng)7 m，寬5 m，高3.3 m，依據(jù)房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式，外墻、窗戶(hù)、外門(mén)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(mén)，尺寸為2.1 m×0.9 m，無(wú)其他途徑散失或獲得的熱量。

通過(guò)對(duì)上述模型利用式(1)～式(8)計(jì)算得到供暖體積熱指標(biāo)與各因素的關(guān)聯(lián)如圖1～圖4所示。

從圖1中可見(jiàn)，當(dāng)窗墻面積比、外門(mén)尺寸在±20%之間變化時(shí)，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(jiàn)，當(dāng)房間高度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)在±20%之間變化時(shí)，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(jiàn)，當(dāng)窗戶(hù)、外門(mén)朝向發(fā)生變化時(shí)，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(jiàn)，當(dāng)房間外墻個(gè)數(shù)發(fā)生變化時(shí)，qnV在0.453～0.638之間變化，最大變化率分別為29%。可見(jiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)與外墻個(gè)數(shù)對(duì)qnV的影響較大，而窗墻面積比、外門(mén)尺寸、房間高度、門(mén)窗朝向?qū)nV的影響較小。當(dāng)改變模型房間長(zhǎng)、寬、高尺寸重新進(jìn)行上述分析時(shí)，得到了相似的結(jié)論。

2.3 通風(fēng)體積熱指標(biāo)

當(dāng)對(duì)模型房間分別給予不同換氣次數(shù)(即不同的通風(fēng)量)的機(jī)械通風(fēng)時(shí)，通過(guò)方法一式(1)～式(7)計(jì)算得到房間的各項(xiàng)耗熱量情況如表3所示。

表3 不同通風(fēng)量下房間熱負(fù)荷情況

由表3可見(jiàn)，當(dāng)通風(fēng)換氣次數(shù)由5次/h變化到6次/h即通風(fēng)量增加20%時(shí)，通風(fēng)耗熱量占供暖熱負(fù)荷比例由41%上升至45%。通風(fēng)體積熱指標(biāo)由0.56 W/(m3·℃)提高到0.67 W/(m3·℃)，提高了19.64%，可見(jiàn)通風(fēng)換氣次數(shù)的大小對(duì)于通風(fēng)體積熱指標(biāo)的取值影響較大。

3 分析與討論

1)當(dāng)窗墻面積比、外門(mén)尺寸、房間高度在±20%之間變化時(shí)，qnV最大變化率分別為7%，8%，9%；當(dāng)窗戶(hù)、外門(mén)朝向發(fā)生變化時(shí)，qnV最大變化率分別為9%，8%。表明當(dāng)房間其他參數(shù)相同，僅僅是上述其中某個(gè)參數(shù)不同時(shí)，采用同一供暖體積熱指標(biāo)值對(duì)房間熱負(fù)荷進(jìn)行估算時(shí)導(dǎo)致的誤差在10%以?xún)?nèi)，可見(jiàn)此類(lèi)參數(shù)對(duì)于供暖體積熱指標(biāo)的取值影響相對(duì)較小。

2)當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)在±20%之間變化時(shí)，qnV最大變化率為29%；表明當(dāng)房間其他參數(shù)相同，而圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)不同(即圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式不同)時(shí)，采用同一供暖體積熱指標(biāo)對(duì)房間熱負(fù)荷進(jìn)行估算時(shí)導(dǎo)致的誤差接近30%，可見(jiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)(即圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式)對(duì)于供暖體積熱指標(biāo)的取值影響相對(duì)較大。同一建筑，圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式通常是一致的，而當(dāng)一個(gè)項(xiàng)目包括多個(gè)建筑單體時(shí)，不同建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式可能不盡相同，此時(shí)如采用同一供暖體積熱指標(biāo)對(duì)所有建筑進(jìn)行熱負(fù)荷估算，將會(huì)導(dǎo)致較大誤差，應(yīng)對(duì)供暖體積熱指標(biāo)予以修正。

3)當(dāng)房間外墻個(gè)數(shù)發(fā)生變化時(shí)，qnV最大變化率為29%。表明當(dāng)房間其他參數(shù)相同，而房間外墻個(gè)數(shù)不同時(shí)，采用同一供暖體積熱指標(biāo)值對(duì)房間熱負(fù)荷進(jìn)行估算時(shí)導(dǎo)致的誤差接近30%，可見(jiàn)房間外墻個(gè)數(shù)對(duì)于供暖體積熱指標(biāo)的取值影響較大，對(duì)于建筑中處于邊角的房間供暖體積熱指標(biāo)應(yīng)予以相應(yīng)修正。

4)當(dāng)房間設(shè)有機(jī)械通風(fēng)時(shí)，通風(fēng)換氣次數(shù)增加20%后，通風(fēng)體積熱指標(biāo)提高了19.64%，可見(jiàn)通風(fēng)換氣次數(shù)的大小對(duì)于通風(fēng)體積熱指標(biāo)的取值影響相對(duì)較大。當(dāng)不同的房間通風(fēng)換氣次數(shù)不同時(shí)，應(yīng)采用不同的通風(fēng)體積熱指標(biāo)進(jìn)行通風(fēng)耗熱量估算。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以某化工裝置供暖設(shè)計(jì)為例，討論了工業(yè)建筑采暖熱負(fù)荷的確定方法。采用體積熱指標(biāo)法進(jìn)行熱負(fù)荷估算，方法簡(jiǎn)單，工作量小，當(dāng)工業(yè)建筑對(duì)于供暖要求不是十分嚴(yán)格時(shí)，是一種簡(jiǎn)單可行的熱負(fù)荷確定方法。而對(duì)于供暖要求相對(duì)嚴(yán)格的工業(yè)建筑，通過(guò)合理選取體積熱指標(biāo)值，由熱負(fù)荷估算導(dǎo)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(mǎn)意的結(jié)果。通過(guò)文中分析討論，當(dāng)采用體積熱指標(biāo)法進(jìn)行熱負(fù)荷估算時(shí)，建議對(duì)于同一建筑(或者說(shuō)圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式相同的多個(gè)建筑)，選取一個(gè)代表性房間，計(jì)算出供暖熱負(fù)荷，進(jìn)而反求出供暖體積熱指標(biāo)，以此熱指標(biāo)為基準(zhǔn)，其他房間再根據(jù)上文中分析的影響供暖體積熱指標(biāo)因素對(duì)其進(jìn)行相關(guān)修正，進(jìn)行各房間供暖熱負(fù)荷估算，即可得到相對(duì)準(zhǔn)確的結(jié)果；而對(duì)于通風(fēng)耗熱量，由于不同的房間通風(fēng)要求可能不同，通風(fēng)換氣次數(shù)有所區(qū)別，而通風(fēng)換氣次數(shù)對(duì)于通風(fēng)體積熱指標(biāo)的影響較大，加之計(jì)算通風(fēng)耗熱量不像計(jì)算供暖熱負(fù)荷那樣繁瑣，已知房間體積和通風(fēng)換氣次數(shù)的情況下，運(yùn)用式(7)即可方便求得通風(fēng)耗熱量，因此建議，對(duì)于此部分耗熱量可采取計(jì)算而非估算的方式得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果。

[1] 陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第2版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

[2] 許居鹓，陸哲明，鄺子強(qiáng).機(jī)械工業(yè)采暖通風(fēng)與空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2007.

[3] GB 50019—2015，工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)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(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施：暖通空調(diào)·動(dòng)力[M].北京：中國(guó)計(jì)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

A