區域供能管網散熱損失計算方法及分析

張新記（華東建筑設計研究院有限公司華東建筑設計研究總院，上海200002）

區域供能管網散熱損失計算方法及分析

張新記
（華東建筑設計研究院有限公司華東建筑設計研究總院，上海200002）

對管網散熱損失的計算方法、關鍵參數的選擇和數據來源進行詳細介紹；根據全年的氣象參數和全年負荷預測結果，結合上海某項目的實際情況，對項目設計狀態和全年的散熱損失進行計算，其結果表明：供冷管網在設計工況下的散熱損失占冷量的比例為0.2%左右，全年散熱損失占供冷量的比例為0.8%左右，且供冷管網散熱損失所占比例較小，且遠小于供熱管網的散熱損失。

區域供能；管網；散熱損失；埋設深度；土壤溫度；地表溫度

0 引言

區域供能（含供冷與供熱）項目，尤其是南方地區以供冷為主的區域供能項目，一直以來存在支持與反對兩種聲音。區域供能項目可以降低總體裝機容量、采用大型高效設備、采用新型節能技術、集約化運行管理等方面的優勢是廣為接受的，反對的主要原因集中在能源價格過高、輸送能耗高、管網損失大等方面。

在上海某區域供能項目的實施過程中，包括建設單位、潛在用戶、相關專家等對管道的輸送損失和輸送溫升（降）都比較關注。該項目位于上海前灘地區，能源站供能面積約200萬m2，該項目采用四管制，考慮全年供冷、冬季4個月供熱；供冷管網主干管徑DN1300，供熱管網主干管徑DN800，管網最不利環路長度（供、回水總長度）約5000m，管網供回水總長度8000m。冷水供回水溫度5℃/13℃，熱水供回水溫度61℃/45℃。

管網熱損失已有較多文獻結合實際案例進行過計算分析，但結論有較大差異。文獻[1]結合實際項目對管網散熱損失進行了計算分析，認為區域供冷系統二次管網的總冷量損失很小，在其輸送冷量的1%以內；文獻[2]根據項目實例計算得出冷水管道溫升達0.8℃，冷量損失接近售冷量的10%，并認為水泵能耗高為主因。文獻[3]～[7]針對區域供冷系統管網的優化設計及合理的供冷半徑都做出了比較詳細的分析。不同項目的供能規模和管網長度均有較大差異，難以簡單得出結論，但區域供能項目需在合適的區域（容積率高，輸送距離短）和控制適當的規模是業內的共識。

區域供能系統由于周邊環境要求、造價等方面的因素，絕大多數項目采用直埋敷設的方式，且直埋管網系統在標準化、制造和施工工藝等方面十分成熟，結合項目的實際情況，只針對直埋管網的散熱損失計算進行討論。

1 管網散熱損失計算方法

根據計算已知的條件不同，直埋管道的散熱損失不同文獻的計算方法略有差異，已知埋深土壤溫度的計算方法和已知土壤地表溫度的計算方法分別詳述如下:

1.1 方法1-已知埋深的土壤溫度[8]

已知直埋管埋深的土壤溫度時，管道的散熱損失可采用公式（1）和公式（2）進行計算:

式中Δq1，Δq2—供、回水管單位長度散熱損失，W/m；

t1，t2—供回水管道內介質溫度，℃；

t0—管道周圍土壤溫度，℃；

Rb1，Rb2—供水管、回水管保溫層的熱阻，m·℃

/W；

Rt—土壤熱阻，m·℃/W；Rc—附加熱阻，m·℃/W；dw—鋼管外徑，m；

dz—保溫層外表面直徑，m；

λb—保溫材料導熱系數，W（/m·℃）；λt—土壤導熱系數，W（/m·℃）；

h—從地表面到管中心線的埋設深度，m；

b—兩管中心線間的距離，m。

1.2 方法2-已知土壤的地表溫度[9]

已知直埋管的土壤地表溫度時，管道的散熱損失可采用公式（6）和公式（7）進行計算:

式中td.b—土壤地表溫度，℃；

ΣR1，ΣR2—供水管、回水管的總熱阻，m·℃/W；

Hz—管道的折算埋設深度，m；

αk—土壤表面的放熱系數，可采用αk=12-15W/

（m·℃）計算；

hj—假想土壤層厚度，此厚度的熱阻等于土壤

表面層的熱阻，m。

從上述計算公式可知，管道的散熱損失與供回水管道內介質溫度、管道周圍土壤溫度或土壤地表溫度、管道保溫材料熱阻、土壤熱阻及管道埋設深度有關。

2 兩種計算方法的差異及關鍵數據取值

兩種計算方法的主要差異在于對管道周圍土壤溫度的處理方法不同，方法1直接采用管道周圍的土壤溫度；而方法2則采用地表土壤溫度。

當設計條件確定后，供回水管道內介質溫度、管道保溫材料熱阻及管道埋設深度都可以確定；但管道周圍土壤溫度或土壤地表溫度及土壤熱阻因受氣象條件、土壤熱物性影響較大，且一般沒有現成資料可供參考，對計算結果的準確性影響較大。

2.1 土壤導熱系數的取值

土壤的熱物性根據土壤的性質、土壤的濕度不同有很大差異，一般的文獻會給出參考的取值范圍[9]:“當土壤溫度為10-40℃時，中等濕度土壤的導熱系數在1.2-1.5W/（m·℃）范圍內；對于濕土，可取1.5-2.0W/（m·℃）；對于干砂，可取1.0W/（m·℃）”，但這種取值對具體項目的指導意義不大。針對具體項目的計算，一般是根據地勘資料或土壤熱物性實驗結果取值。

文中根據該實際項目的地質勘察資料，土壤導熱系數=2.235W/（m·℃），土壤密度=2400k g/m3，土壤比熱=922J/（k g·℃）。

2.2 土壤溫度的取值

土壤的溫度數據尤其是不同埋深的全年溫度數據，實際項目能夠獲得的數據非常有限。目前關于土壤溫度數據較多的是地埋管地源熱泵系統的研究、測試獲取的數據，這些數據一般是地表下數十米至幾十米的溫度數據；而直埋管網的敷設深度一般在地表下2m左右，無法直接采用。

文獻[10]給出了土壤溫度計算的理論模型，且與實測數據有較高吻合度。該模型的計算方法見公式（13）:

式中t（x，τ）—地面下x米處、τ時刻的土壤溫度，℃；

τ—溫度的計算時刻，s；

x—土壤地面以下的深度，m；

α—土壤熱擴散系數（導溫系數），α=λt/（ρCp），W/（m·℃）;

ρ—土壤密度，k g/m3；

Cp—土壤比熱，J/（k g℃）；tm—地表面平均溫度，℃；

A—地表溫度波動的振幅，℃；

T—波動周期，T=365×24×3600，s；

tfj—地表條件溫度附加值，℃；對于光禿地表面，溫度附加值為0℃，樹木雜草地面為1℃，冬季積雪為1-2℃，一般地下每深30m土壤溫度升高1℃，所以tfj=x/30。

表1 地表下2.0m埋深處的土壤溫度

針對該項目，地表下2.0m埋深處的土壤溫度計算結果見表1。

2.3 土壤地表溫度的取值

根據相關研究，月平均的土壤地表溫度接近月平均空氣溫度。月平均空氣溫度的取值可以參考歷年氣象參數的統計值，也可以參考建筑能耗模擬軟件的氣象數據庫，如中國建筑用標準氣象數據庫、中國典型氣象年氣象數據、D e S T軟件數據庫等。

文中采用基于實測數據分析整理的典型氣象年數據做為計算依據，其月平均溫度見表2。

表2 月平均溫度

3 項目實例計算及結果分析

表3 管網設計工況散熱損失計算結果

表4 管網全年散熱損失計算結果

文章采用上述兩種計算方法，分別針對上海某項目的實際情況進行了設計工況和全年散熱損失的計算。管網散熱損失的計算結果見表3、表4。

從上述計算結果可知:

（1）除供冷管網在設計工況下兩種計算方法存在較大差異外，其余計算結果兩種計算方法均較為接近。此種差異存在的原因在于計算方法1采用數學模型計算得出的地下土壤溫度不能完全反映出土壤溫度的波動，得出的散熱損失結果較小。因此，建議在氣象數據較全面的情況下，盡量采用方法2計算，結果相對更可靠；或者在有實際統計的管網埋深下的土壤溫度數據的情況下，采用計算方法1。如果氣象數據、土壤溫度數據均不全面，初步估算管網散熱損失可，采用文中的方法得出土壤的溫度數據結合方法1進行計算。

（2）供冷管網在設計工況下的散熱損失占冷量的比例為0.2%左右，全年散熱損失占供冷量的比例為0.8%左右。

（3）供熱管網在設計工況下的散熱損失占熱量的比例為0.8%左右，全年散熱損失占供熱量的比例為6%左右。

（4）相較于供熱，供冷管網在設計工況、全年的散熱損失所占的比例均遠小于供熱管網。原因在于供熱管網輸送介質的溫度與土壤的溫差遠大于供冷管網與土壤的溫差，以該項目為例，供熱工況為供冷工況的3倍以上。

4 結語

通過對該項目的實際計算，可以發現供冷管網在設計工況下和全年的散熱損失占冷量的比例均較小，且供熱管網的散熱損失遠大于供冷管網，尤其是在供熱參數高的項目中會更明顯。因此，針對區域供能項目中冷熱管網輸送損失的關注點應該有所區別。供熱管網輸送損失的研究可以重點關注管網的散熱損失，而供冷管網的輸送損失應更加關注輸送能耗、水泵溫升等方面。

文中所引述的兩種計算方法可以根據項目的階段、已掌握的項目信息、準確性要求等，結合具體條件選用。無論采用哪種方法，數據來源的準確性對計算結果影響很大。根據該項目中的實踐，采用計算方法2的相關數據更容易獲取，且數據相對可靠；采用方法1的埋設深度土壤溫度一般沒有相關資料，文中采用數學模型計算埋設深度土壤溫度可作為一種參考。

[1]唐英姿，左政.區域供冷系統二次管網的冷量損失分析[J].暖通空調，2009，39（11）:31-36．

[2]朱穎心，王剛，江億.區域供冷系統能耗分析[J].暖通空調，2008，38（1）:36-40.

[3]康英姿，華賁.區域供冷系統二次管網的優化設計[J]．暖通空調，2010，40（1）:33-38．

[4]劉金平,陳志勤.區域供冷系統枝狀冷水輸送管網的優化設計[J].暖通空調，2006，36（7）：18-22.

[5]朱紀軍，劉謹.區域供冷系統及其供冷半徑探討[J]．制冷，2004，23（1）:69-72.

[6]張思柱，楊俊，龍惟定.區域供冷系統最佳供應半徑研究[J].暖通空調，2008，38（4）:116-119.

[7]康英姿，仵浩，華賁.區域供冷系統經濟供冷距離研究[J].暖通空調，2010，40（8）:135-139.

[8]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].第二版.北京:中國建筑工業出版社，2007．

[9]王飛，張建偉．直埋供熱管道工程設計[M].北京:中國建筑工業出版社，2006．

[10]陳友明，王宇航，莫志姣.土壤初始溫度模型[J].湖南大學學報（自然科學版），2007，34（7）:27-29．

Calculation Method and Analysis of Piping Network Heating Loss in District Energy System

ZHANG Xin-ji
（East China Architectural Design&Research Institute Co.，Ltd，East China Architectural Design&Research Institute，Shanghai 200002，China）

T h e calculation met h o d o f t h e h eatin g lo ss o f p i p in g net w or k,t h e s election o f t h e k ey p arameter s an d t h e d ata s ource are intro d uce d in d etail in t h i s p a p er.Accor d in g to t h e annual meteorolo g ical d ata an d t h e annual loa d p re d iction，com b ine d w it h t h e actual s ituation o f a p ro j ect in S h an gh ai，t h e d e s i g n con d ition an d t h e annual h eatin g lo ss are calculate d,t h e re s ult s sh o w t h at：t h e h eatin g lo ss o f coolin g p i p e net w or k in d e s i g n con d ition i s a b out 0.2%o f coolin g ca p acity；t h e annual coolin g lo ss accounte d f or a b out 0.8% o f t h e coolin g ca p acity；an d t h e p ro p ortion o f h eatin g lo ss o f t h e coolin g p i p e net w or k i s s mall，an d muc h s maller t h an t h e h eatin g lo ss o f t h e h eatin g p i p e net w or k.

d i s trict ener g y s y s tem；p i p in g net w or k；h eatin g lo ss；b urie d d e p t h；s oil tem p erature；lan d s ur f ace tem p erature

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.03.018

T U83

B

2095-3429（2017）03-0071-04

2017-04-28

修回日期：2017-06-06

張新記（1981-），男，河南葉縣人，碩士，工程師，主要從事暖通空調系統的設計工作。