新疆克州地區(qū)學(xué)校建筑供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

秦振春，魏霖，顧錫蓮，袁小清，呂禧星

（1.江蘇省城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，南京 210019；2.江蘇設(shè)協(xié)工程建設(shè)施工圖審查有限公司，南京 210019）

1 項(xiàng)目概況

以克州地區(qū)某中學(xué)供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。該中學(xué)單體建筑主要有綜合樓、教學(xué)樓、報(bào)告廳、風(fēng)雨操場、宿舍及食堂等?？偨ㄖ娣e約7 萬m2，單體建筑最高為地上6 層，建筑高度23.1 m。項(xiàng)目所在地屬于寒冷地區(qū)。

2 熱源形式的選擇和確定

供暖熱源形式多樣，學(xué)校建筑涉及的功能區(qū)域有教室、辦公、宿舍、閱覽室及食堂等?？紤]當(dāng)?shù)貧夂驐l件、資源優(yōu)勢、建筑類型、經(jīng)濟(jì)成本等因素，經(jīng)溝通后確定多數(shù)房間采用熱水地暖，樓梯間采用熱水散熱器供暖。

該中學(xué)周邊有區(qū)域鍋爐房，可利用此區(qū)域鍋爐房的市政熱網(wǎng)進(jìn)行供暖。熱力公司提供的數(shù)據(jù)為供水溫度60 ℃，回水溫度40 ℃，資用壓差0.4 MPa。

3 供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 房間熱負(fù)荷

房間熱負(fù)荷按GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算，全面輻射供暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度可降低2 ℃。

3.2 供暖熱水溫度的選取

根據(jù)JGJ 142—2012《輻射供暖供冷技術(shù)規(guī)程》（以下簡稱《規(guī)程》）中的相關(guān)規(guī)定[1]，地暖供水溫度不超過60 ℃，宜采用35～45 ℃，供回水溫差不宜大于10 ℃且不宜小于5 ℃；散熱器供暖系統(tǒng)供水溫度不大于85 ℃[2]。兼顧到地暖和散熱器供暖的使用效果、節(jié)能及延長地暖盤管的使用壽命，本項(xiàng)目的供水溫度取45 ℃。為了方便排氣，供回水溫差不宜太大，設(shè)計(jì)為供回水溫差取7 ℃，即回水38 ℃。

3.3 熱水地板輻射供暖設(shè)計(jì)

熱水地板輻射供暖（以下簡稱地暖）根據(jù)填充層的不同可分為混凝土填充式（濕式地暖）和預(yù)制溝槽保溫板式（干式地暖），如圖1 所示。本項(xiàng)目多數(shù)房間采用工藝成熟價(jià)格低的濕式地暖的形式。計(jì)算機(jī)教室、電子閱覽室等防靜電地板的房間采用干式地暖的形式，其優(yōu)點(diǎn)是采用活動地板，地板下為架空層，便于設(shè)備布線，且方便管線維修。

圖1 濕式地暖和干式地暖地面的做法

地暖加熱管的間距由房間設(shè)計(jì)的室內(nèi)空氣溫度、供水溫度、所需單位地面面積向上的供熱量、房間家具遮擋情況等確定。其中，房間單位地面面積向上的供熱量根據(jù)式（1）、式（2）計(jì)算確定：

式中，q1為房間所需單位地面面積向上的供熱量，W/m2；Q1為房間所需向上的供熱量，W；β為家具設(shè)施遮擋安全系數(shù)；Fr為敷設(shè)供暖部件的地面面積，m2；Q為房間的熱負(fù)荷，W；Q2為上層房間向本房間的傳熱量，W。

確定好q1時(shí)，應(yīng)根據(jù)式（3）校核此時(shí)地表面平均溫度是否低于《規(guī)程》中的要求，即人員經(jīng)常停留區(qū)域不高于29 ℃；人員短暫停留的區(qū)域不高于32 ℃，無人員停留的區(qū)域不高于42 ℃：

式中，tpj為地表面平均溫度，℃；tn為室內(nèi)空氣溫度，℃。如果tpj高于《規(guī)程》中的規(guī)定值，適當(dāng)降低q1使tpj滿足規(guī)程要求。

由計(jì)算得出的房間所需單位地面面積向上供熱量q1，查《規(guī)程》附錄B，可得出地板輻射供暖系統(tǒng)加熱管的間距。

3.4 散熱器供暖設(shè)計(jì)

樓梯間無法設(shè)置熱水地板輻射供暖系統(tǒng)，通常設(shè)置散熱器供暖。單片散熱器的換熱量按式（4）和式（5）計(jì)算，散熱器的片數(shù)按式（6）計(jì)算：

式中，Qs為單片散熱器的散熱量，W；a、b為不同種類和規(guī)格散熱器的實(shí)驗(yàn)系數(shù)；Δt為散熱器傳熱溫差，℃；為散熱器供回水平均溫度，℃；n為散熱器片數(shù)；β1為組裝或安裝長度修正系數(shù)；β2為支管連接方式修正系數(shù)；β3為安裝形式修正系數(shù)；β4為流量修正系數(shù)。

4 熱交換站設(shè)計(jì)

需設(shè)置熱交換站，通過供暖循環(huán)水泵和板式換熱器，把一次側(cè)高溫?zé)崴D(zhuǎn)化為二次側(cè)地板輻射供暖所需溫度的熱水。滿足地暖系統(tǒng)水溫要求。

4.1 板式換熱器選型計(jì)算

根據(jù)GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定，換熱器應(yīng)取設(shè)計(jì)換熱量的1.1～1.15 倍的附加系數(shù)。克州地區(qū)為寒冷地區(qū)，當(dāng)一臺換熱器因故障停止工作時(shí)，剩余換熱器的總換熱量得不低于設(shè)計(jì)熱負(fù)荷65%。

板式換熱器所需換熱面積主要根據(jù)一次側(cè)和二次側(cè)水水換熱對數(shù)平均溫差、傳熱系數(shù)及設(shè)計(jì)換熱量確定。計(jì)算詳見式（7）、式（8）：

式中，Δtm為逆流對數(shù)平均溫差，℃；T1、T2為一次側(cè)進(jìn)出板換的流體溫度，℃；t1、t2為二次側(cè)進(jìn)出板換的流體溫度，℃；A為板換換熱面積，m2；Q3為板換換熱量，W；k為板換熱傳系數(shù)，W/（m2?K）。

4.2 循環(huán)水泵選型計(jì)算

熱水循環(huán)水泵的設(shè)計(jì)流量應(yīng)滿足建筑所需供熱量和供回水溫差下熱水流量的要求，其設(shè)計(jì)揚(yáng)程應(yīng)同時(shí)滿足克服管路、管件、閥門及設(shè)備等阻力的要求。水泵流量按設(shè)計(jì)流量并考慮5%的附加系數(shù)選型，水泵揚(yáng)程按設(shè)計(jì)揚(yáng)程并考慮5%～10%的安全系數(shù)選型。

4.3 其他要求

1）熱交換站設(shè)置氣候補(bǔ)償裝置。

2）間接供熱系統(tǒng)、二次側(cè)熱水循環(huán)水泵采用變頻泵。

3）供暖總管上設(shè)置總供熱量計(jì)量裝置，建筑物熱量表設(shè)置在熱交換站內(nèi)。

5 調(diào)試階段出現(xiàn)的問題及解決對策

本項(xiàng)目進(jìn)入供暖季時(shí)，調(diào)試期間出現(xiàn)了以下問題。

1）換熱站內(nèi)板換二次側(cè)阻力較大。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，二次側(cè)熱水循環(huán)泵入口定壓0.4 MPa，熱水循環(huán)泵出口壓力0.76 MPa，經(jīng)過板換后系統(tǒng)壓力降至0.43 MPa。板換阻力0.33 MPa，遠(yuǎn)高于原設(shè)計(jì)值0.098 6 kPa。

2）末端地暖和散熱器不熱。經(jīng)現(xiàn)場測量，室內(nèi)供水立管溫度最高為36 ℃，有的管路甚至同自來水管道溫度，沒有溫升，遠(yuǎn)低于原設(shè)計(jì)值供水45 ℃。

3）熱交換站一次側(cè)實(shí)際供水溫度為50 ℃，低于熱力公司提供的設(shè)計(jì)條件60 ℃。

針對上述調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題，經(jīng)認(rèn)真分析，按問題的關(guān)鍵性逐一排查，并采取了相應(yīng)的解決對策。

1）判斷為換熱器堵塞，需對板換前端的過濾器進(jìn)行清洗。

2）判斷為系統(tǒng)運(yùn)行初期管路氣堵，需對系統(tǒng)最高部位的排氣閥，以及溫度較低的分集水器上的排氣閥進(jìn)行排氣，并對系統(tǒng)所有過濾器進(jìn)行清洗。

3）經(jīng)實(shí)地調(diào)研后發(fā)現(xiàn)熱力公司的供暖收費(fèi)方式為根據(jù)建筑面積按年收費(fèi)，為了獲得最大的經(jīng)濟(jì)收益，熱力公司供暖初期采用間隙供熱的方式，并降低了供水溫度，另外，通過水泵變頻技術(shù)降低了供水流量和供水壓力。實(shí)際鍋爐房的出水溫度為52～55 ℃，由于沿程熱損，到本熱交換站的供水溫度只有約50 ℃。區(qū)域鍋爐房10 月份（室外最低氣溫-2 ℃）的供熱時(shí)間為9：00～11：00 和21：00～24：00，每天實(shí)際運(yùn)行6 h。鍋爐房循環(huán)水泵共2 臺，只開了1 臺，實(shí)際運(yùn)行頻率34.7 Hz。針對此問題，根據(jù)熱力公司實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，對本項(xiàng)目熱交換站的板換面積進(jìn)行了重新核算，適當(dāng)增加了板換的換熱面積，并在一次側(cè)設(shè)置了變頻增壓水泵（見圖2）。

圖2 預(yù)制溝槽保溫板式（干式地暖）地面做法

通過以上解決策略，對原設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，過濾器進(jìn)行清洗并排氣后，重新調(diào)試期間，使用熱成像儀對室內(nèi)溫度場進(jìn)行了檢測，室內(nèi)散熱器和地暖已達(dá)到規(guī)范所需的設(shè)計(jì)要求。詳見圖3。

圖3 供暖系統(tǒng)室內(nèi)散熱器和地暖溫度場

6 結(jié)語

通過對新疆克州地區(qū)某中學(xué)供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究，以及調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行解決，得出結(jié)論：設(shè)計(jì)前期要充分調(diào)研當(dāng)?shù)氐臒嵩礂l件，包括供暖的收費(fèi)政策、熱網(wǎng)最低供水溫度、最低資用壓力，以及是否間隙供熱等；施工過程中，施工方要嚴(yán)格按圖紙要求進(jìn)行沖洗和試壓，避免施工中的異物堵塞管道和換熱設(shè)備，造成水流不暢，甚至設(shè)備損壞；調(diào)試期間遇到某些區(qū)域供暖效果差時(shí)，可先通過清洗過濾器和系統(tǒng)排氣的方式解決。