暖通空調設計選用設備和系統(tǒng)形式的若干誤區(qū)

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簡介： 本文對無壓（常壓）熱水鍋爐，水源熱泵（WLHP）系統(tǒng)，散熱器恒溫閥，地板輻射供暖系統(tǒng)，直燃吸收式冷溫水機組在設計選用設備和系統(tǒng)形式的常見誤區(qū)給予了詳細的解答。
關鍵字：熱水鍋爐 水源熱泵 恒溫閥 地板采暖 直燃機

伴隨著暖通空調技術的發(fā)展和進步，引進的或國產(chǎn)的暖通空調設備新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，市場競爭激烈，給暖通空調專業(yè)設計提供了十分有利的物質條件，設計人員可根據(jù)工程的功能要求，進行多方案的選擇。但是，由于局部設計市場的混亂或受商業(yè)因素的干擾，在設備產(chǎn)品選用不當?shù)幕A上，造成設計不當?shù)南到y(tǒng)時常出現(xiàn)，這不僅不能滿足使用要求，也會造成投資和能源的極大浪費。而且，某些適合在特定條件下應用得很好的設備產(chǎn)品，由于在不適當條件下應用，反而造成了違背生產(chǎn)廠家初衷的負面影響。

1 關于無壓（常壓）熱水鍋爐

　　所謂無壓熱水鍋爐，即不能承壓的開式熱水器。早期主要是南方的一些不具備壓力容器生產(chǎn)資質的廠家，配置國外生產(chǎn)的燃 油或燃氣的自動燃燒機，為加熱集中生活熱水的需要而生產(chǎn)的，因為集中生活熱水系統(tǒng)一般要設置熱交換設備，鍋爐僅需提供一定 溫度的一次熱煤而無需承壓。當能源構成發(fā)生變化、燃油或燃氣日漸得到發(fā)展以來，開始進入北方市場，繼而由于北方地區(qū)供暖熱 源較集中生活熱水熱源需要量更大，便開展了將無壓熱水鍋爐推向供暖熱源頗具規(guī)模的營銷活動，對供暖系統(tǒng)不甚了解的生產(chǎn)廠家 提出的以開式熱水器為中心的集中供暖系統(tǒng)圖式，實際上是不夠合理的。

　　筆者最近應某鍋爐廠的要求，解決北方某地一個規(guī)模不大的住宅供暖系統(tǒng)發(fā)生的問題，深刻體會到濫用無壓鍋爐造成的后果。 這個住宅樓僅為3層，熱水供暖系統(tǒng)的熱源采用了燃油的無壓熱水鍋爐，容量是足夠的，但由于鍋爐不能承壓做成了開式的重力流系 統(tǒng)，造成了嚴重失調根本無法正常供暖。如果采用常規(guī)承壓熱水器鍋爐配以適當?shù)难h(huán)水泵，這是最簡單也是最有效的系統(tǒng)。

　　由于各種因素，在集中供暖系統(tǒng)中采用燃油或燃氣的無壓熱水鍋爐，有日漸增多的趨勢。如果由合格的專業(yè)設計單位進行設計，系統(tǒng)的配置一般不會像上述工程那樣“出格”。例如：可以采用熱交換設備進行間接交換，使鍋爐不承壓而系統(tǒng)承壓；也可以 采用供水用加壓水泵升壓、回水用減壓閥減壓，仍可使鍋爐不承壓而系統(tǒng)承壓。但上述對策或者會使系統(tǒng)人為地復雜化，或者會使 供暖熱媒溫度降低而需增加散熱器數(shù)量，或者使本來用以克服系統(tǒng)循環(huán)阻力的揚程度較低的循環(huán)泵變?yōu)閾P程度較高的加壓泵而增加 運行能耗。因此，北京市建筑設計研究院編寫的《建筑設備專業(yè)設計技術措施》明確規(guī)定：不宜采用需設置水泵揚程度供暖的“無壓熱水鍋爐”。

　　無壓（常壓）熱水鍋爐只有在工程條件不允許采用常規(guī)熱水鍋爐的條件下，才有其有集中供暖系統(tǒng)中應用的價值，例如《建 筑設計防火規(guī)范》和《高層民用建筑設計防火規(guī)范》，對于總蒸發(fā)量超過6t/h或單臺蒸發(fā)量超過2t/h的燃油、燃氣鍋爐，為不允許 貼鄰民用建筑布置，不允許在高層建筑或裙房內布置。工作壓力小于0.1Mpa的“無壓熱水鍋爐”即開式熱水器不屬于鍋爐，因而可 不受上述規(guī)定的制約。其實，從消防安全角度看，不承壓的燃油或燃氣開式熱水器，同承壓的燃油或燃氣熱水鍋爐應是一樣的，但 當條件受限時，采用地壓熱水鍋爐可因不受上述規(guī)定制約而成為“合法”。

　　按說，鍋爐的安全問題應由《熱水鍋爐安全技術監(jiān)察規(guī)程》而非由《設計防火規(guī)范》制約。盡管《熱水鍋爐安全技術監(jiān)察規(guī) 程》允許：出水溫度≤95⁰的燃油、燃氣熱水鍋爐房可與住宅相連、第一層或頂層中，還允許單臺熱功率≤7MW、出水溫 度≤95⁰C的燃油和燃氣熱水鍋爐房，設在高層建筑的地下室、半地下室、第一層或頂層內。但在具體工程設計套用有關 《規(guī)范》或《規(guī)程》有矛盾時，原則上應按要求規(guī)范的條文執(zhí)行。為要執(zhí)行較嚴格的消防規(guī)范，在受條件限制時，總蒸發(fā)量超過6t/h 或單臺蒸發(fā)量超過2t/h的鍋爐，不得不采用無壓熱水鍋爐。

　　但是，當并無工程條件限制時，例如在單獨建造的鍋爐的房內，采用“無壓熱水鍋爐”的根據(jù)和必要性就不存在了。

2 關于水源熱泵（WLHP）系統(tǒng)

　　筆者曾于近期協(xié)助北京地區(qū)某建設單位，對其將完工的空調工程使用功能進行評估，發(fā)現(xiàn)了一系列問題，引起了對水源熱泵 系統(tǒng)的適應范圍和如何通盤解決好設計中好方面問題的思考。

　　該工程是由商業(yè)和寫字樓組合而成的綜合樓，總建筑面積8000m²，有少量的建筑熱工內區(qū)房間，全部采用水源 熱泵系統(tǒng)，由房間的水源熱泵空調機和各層的水源熱泵新風空調機組成。冬夏兼用，由冷卻塔和城市熱網(wǎng)熱源通過各自的板式換熱 器對集中循環(huán)水冷卻或加熱，包括衛(wèi)生間、樓梯間等在內未設置散熱器供暖系統(tǒng)。

　　水源熱泵系統(tǒng)在應用適當時，是一種很有特點的系統(tǒng)，具有下列優(yōu)點：

　　（1）具有熱回收功能，節(jié)能效果主要在冬季和過渡季顯著，可以將“內區(qū)”的余熱，通過循環(huán)水系統(tǒng)向“外區(qū)”轉移，供 給“外區(qū)”供暖，特別適用于冬季有大量穩(wěn)定熱回收的建筑。
　　（2）系統(tǒng)簡單，只有一套集中循環(huán)水系統(tǒng)，以及循環(huán)水的冷卻和加熱設備，可節(jié)省機房占用的面積和空間。
　?。?）循環(huán)水系統(tǒng)的管道無需保溫和保冷。
　　（4）運行靈活，能源消耗便于分別計量。

　　但是，在該工程的具體條件下應用，就顯出它的一些缺陷和局限性：

　?、僭诙竟┡陂g使用時，因不存在明顯的“內區(qū)”，總能耗要大于一般散熱器或空調供暖系統(tǒng)，除需提供數(shù)量略少的外部 熱源外，水源熱泵機且的壓縮機和循環(huán)水系統(tǒng)仍需進行，用電量在全負荷時約為240kW，如按平均負荷計約為100kW，而北京地區(qū)的 供暖期長達5個月。
　?、谠摴こ淌褂眯再|為商場和辦公等，屬于每天間斷使用的建筑，但總要有少量值班房間需晝夜使用，無論是夏季或冬季，集 中的循環(huán)水系統(tǒng)需不間斷運行。
　?、坌柙O置散熱器值班供暖系統(tǒng),以保證各種水管道在冬季夜間或假日不被凍壞。如果設置了散熱器值班供暖系統(tǒng)，就提出了 可否擴大散熱器供暖系統(tǒng)的問題，即在冬季空調系統(tǒng)不運行？經(jīng)計算是可行的。
　　④水源熱泵機組進風溫度，一般不應低于13⁰，極限最低溫度為5⁰，冬季用作新風機組時，需解決 水源熱泵新風機組進風的預熱處理，并設置水預熱排管的可靠防凍設施。水源熱泵新風機組最好能增設加濕裝置，以保證冬季空調 的舒適標準。
　?、萦捎趬嚎s機在機內，相對于集中冷源的空調機組，噪聲偏大。
　?、拊靸r偏高，僅水源熱泵機組價格，不計附加的廠家調試費用，已約折合人民幣625元/m²。

　　根據(jù)以上情況，該工程又不得不對原有的水源熱泵空調系統(tǒng)，進行了完善和改善，增設了散熱器供暖系統(tǒng)和新風機組進風的 預熱裝置，投資又增加了約60元/m²。最終達到的空調綜合效果，同如此昂貴的造價難以相稱，不得不使建設單位產(chǎn)生 了對采用該種系統(tǒng)合理性的懷疑。

3 關于散熱器恒溫閥

　　近年以來，作為供暖系統(tǒng)節(jié)能的一種重要手段，散熱器恒溫閥受到廣為關注并被大力進行推廣。國內研制并應用始于70年代， 北京建筑五金水暖器材工業(yè)公司科研室就曾推出過第一代7902型“采暖恒溫閥”。至80年代，開始引進國外應用甚廣的如德國、丹 麥等產(chǎn)品。按照國外產(chǎn)品樣機，蘇州市電器元件廠和北京市門頭溝節(jié)能設備廠也分別研制開發(fā)出同類產(chǎn)品。國外和國內產(chǎn)品，都曾 在北京地區(qū)的一些工程中應用過。

　　在適當?shù)臈l件下應用，散熱器恒溫閥確是一種能改善房間熱舒適度和節(jié)約能源的構件。但其合理應用應考慮以下因素：

3.1 高阻力特性的恒溫閥僅適合于雙管式系統(tǒng)恒溫閥的作用原理，是通過溫控器波紋管內熱敏介質的受熱膨脹，驅使閥桿 位移使閥錐趨向關閉位置，最大位移量約為7mm，決定了它的高阻力特性。早期開發(fā)的7902型“采暖恒溫閥”，局部阻力系數(shù)值為18， 略大于普通截止閥；蘇州WKQ1028型恒溫閃的局部阻力系數(shù)值，DN15為56，DN20為102；DANFOSS公司恒溫閃的局部阻力系數(shù)值，DNG15 型約為48.6，DN20約為97.7，DN25約為142.2。

　　雙管式系統(tǒng)每一組散熱器都是相互并聯(lián)的環(huán)路，如能在每組散熱器均設置阻力相對較高的恒溫閥，可增大散熱器組的阻力， 抵消并聯(lián)環(huán)路之間的水力失調因素，有助于各組散熱器之間的水力平衡。但是恒溫閥在單管式系統(tǒng)中勉強應用則是不適當?shù)?，原因是?

　　（1）《采暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》規(guī)定，單管系統(tǒng)應采用低阻力閥門。
　?。?）單管式系統(tǒng)設置恒溫閥和跨越管后，由于分流作用散熱器的散熱量會有所減少，要增加散熱器數(shù)量，與此種閥門昂貴 的價格結合，經(jīng)濟上是不合算的。
　?。?）恒溫閥與跨越管段的阻力匹配及合理的分流比，雖從理論上可以有所假設，但設計計算過程較為復雜，還由于難以避 免的運行因素，例如泥渣等造成的堵塞，在實際工程中常會發(fā)生。

3.2 要有較好的供熱條件

　　目前國內普通住宅的集中供暖，大體上為以下3種狀況：總體供熱不足，難以達到供暖設計溫度的較低標準，居住者要求提 高室溫，而不是因過熱而進行調節(jié)；供暖狀況較好，雖然存在一定程度的垂直失調，由于居住者并不滿足18⁰的室溫標 準，室溫稍高的房間也不會主動進行調節(jié)；總體供熱充足但系統(tǒng)設計和配置不當使部分房間室溫過高，就集中供暖的全局而言，此 種狀況并不多見。散熱器恒溫閥是通過閥門的開度調節(jié)進入散熱器的流量而改變散熱量，它只能調節(jié)房間的過熱量，而室溫較低房 間只能依賴于過熱房間調節(jié)之后的間接被動效應。恒溫閥除對總體供熱過量的建筑能有調節(jié)作用外，對多數(shù)總體供熱不足的建筑， 并不必要。

3.3 要有較好的運行管理條件

　　即使應用于雙管式系統(tǒng)，恒溫閥的高阻力特性也是相對的，當散熱器負荷較小時，較高的局部阻力系數(shù)形成的阻力值仍有限， 最好能根據(jù)每一組散熱器處的剩余水頭對高阻閥逐一進行預調鎖定，此預調鎖定工作難以操作，而且當運行管理不善熱媒水雜質較 多時，較小的水流通道更易堵塞。

3.4 工程標準較高造價要能隨

　　此種閥門的價格昂貴，每個約在100元以上，當受上述三項因素制約，難以得到明顯的效益時，投資方勢必要有所權衡取舍。

4 關于地板輻射供暖

　　地板輻射供暖是一種性能良好的供暖方式，目前逐漸在標準較高的住宅和其它民用建筑中被廣泛應用。但在應用時應注意其 適應條件，其中一個重要問題就是地板表面平均溫度的限制，即真正體現(xiàn)低溫輻射的特征。

　　《采暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》規(guī)定，經(jīng)常有人停留地面的表面平均溫度宜為24～16⁰。北京市建設設計研究 院的《設計技術措施》規(guī)定，人長期停留區(qū)域的地板表面平均溫度不宜超過26⁰。上述《設計技術措施》給出了計算地 板表面平均溫度t_EP的近似公式：t_EP=t_N+9(q/100)^0.909。

　　住宅是典型的經(jīng)常有人停留的場所，根據(jù)上述規(guī)定和計算式，可以得出以下數(shù)值：

室內設計溫度　t_N/⁰C

所允許的地板最大散熱量　q/W/m²

18

90

20

65

22

40

　　目前，在許多地板輻射供暖工程中，一律采用相同間距的DN20mm供熱管，并且未采取有效控制水溫的技術措施，此種帶有 隨意性的做法是不可取的。按地板表面平均溫度所限定的地板最大散熱量，當?shù)孛鎸訛樗唷⑻沾纱u、水磨石或石料，室內設計溫 度t_N＝18⁰，如果采用間距為300mm和DN20mm 供熱管，平均水溫應不超過40⁰C，采用間距為300 mm的DN15mm供熱管，平均水溫應不超過46⁰C。

　　室內設計溫度t_N＝20⁰C時，只能采用間距為300mm的DN15mm供熱管，平均水溫應不超過42⁰C。

　　而室內設計溫度t_N＝22⁰C時，只能采用間距為300mm的DN15mm供熱管，平均水溫應不超過35⁰C。

　　所以，對供暖負荷較大的住宅北向房間，應驗算地板表面平均溫度所限定的地板最大散熱量，是否能滿足負荷的需要，尤其 是在室內設計溫度較高時更為突出。因此，國外許多較高標準的住宅，既設置了地板輻射供暖，又同時設置散熱器。

　　在其它類型建筑中應用也在同樣問題，例如筆者看到某地區(qū)新編的一種標準設計圖集，推出用于大廳的兩種管間距做法，并 注明“標準工況”水濕為60⁰／50⁰、室溫為18⁰，瓷磚類地面管間距150mm的散熱量為212W，管 間距200mm的散熱量為193W，此兩種做法的地板表面平均溫度分別為35.8⁰C和34⁰C，均超過了人短期停留區(qū) 域30⁰C的限定。

　　上述圖集也將兩種管間距做法應用于游泳館，并注明“標準工況”水濕為60⁰／50⁰、室溫為28 ⁰，管間距200mm的散熱量為193W，此兩種做法的地板表面平均溫度分別為41⁰C和40⁰C，均超過了《采 暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》中對游泳館地面溫度不應超過35⁰C（且為加熱管軸心處）的限定。

5 關于直燃吸收式冷溫水機組

　　選擇直燃型吸收式冷溫水機組主要取決于工程的能源供應條件，它的主要功能是用作集中空調的冷源，供暖應屬于輔助或兼 用功能，至于同時用作供應生活熱水，尤其是生活熱水用量較大時，則是一種不盡合理的擴展。當空調的所需熱量在機組供熱能力范圍之內或適當?shù)募哟蟾邏喊l(fā)生器能滿足時，兼用是合理的。當空調所需熱量較大或還有較多散熱器供暖系統(tǒng)所需熱量時，按遠大 于供冷量的供熱量來確定機組容量。顯然是不合理的。

　　直燃型吸收式冷溫水機組的供熱方式，有兩種基本體系：一種是僅通過高壓發(fā)生器和換熱器供熱循環(huán)，主體完全“冬眠”， 供回水溫度為65⁰／75⁰，溫差8⁰，且允許供熱水流量在50％～150％范圍內變動，即供回水溫 差可增大到12⁰C；另一種是整機供熱循環(huán)，僅關閉冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，供回水溫度為60⁰C／55.8⁰C， 溫差僅為4.2⁰C，且由于換熱面積的限制不允許減少供熱水流量。

　　直燃型吸引式冷溫水機組不管采用何種方式供熱，其性都不及使用相同燃料的普通熱水鍋爐。首先，其供水溫度低，當用于 散熱器供暖系統(tǒng)時，散熱器的散熱量會大幅度降低；其次，即使在水溫較低的條件下，其熱效率也難以達到90％（一般為85％～88％）； 此外，由于供回水溫差小而使循環(huán)水泵的功耗大，難以符合有關設計節(jié)能標準對水輸送系數(shù)的限定。

　　因此，當冬季供熱量需求遠大于直燃型吸收式溫水機組的供熱能力時，應采用熱水鍋爐來補足，特別是用于散熱器供暖系統(tǒng) 的供熱量，采用吸收式冷溫水機組，或者是機組的高壓發(fā)生器部分（即所謂“真空鍋爐”），無論是投資費用還是運行費用，都是不合算的。

　　這個問題，對于寒冷地區(qū)或嚴寒地區(qū)尤為突出。