关于散热器热水采暖系统热媒设计温度的商榷

1刊于《暖通空调》2006年11期关于散热器热水采暖系统热媒设计温度的商榷北京市建筑设计研究院张锡虎提要《居住建筑节能设计标准》（征求意见稿）中关于散热器热水采暖系统热媒设计温度的规定，涉及到采暖系统设计的基本参数，也涉及到对塑料类管道耐热特性的认识和理解，本文针对这些规定，提出了若干需要进一步商榷的问题，以供讨论。关键词散热器热水采暖系统热媒设计温度商榷国家标准《居住建筑节能设计标准》正在编制过程中，其“征求意见稿”的5.3.6条提出：采用散热器的集中采暖系统的供水温度，应符合以下规定：1严寒地区采用金属管道输送热水时，t≤95℃；供回水温差△t≥25℃；2严寒/寒冷地区采用铝塑（PE-X或PE-RT）复合管输送热水时，t≤90℃；供回水温差△t≥25℃；3严寒/寒冷地区采用热塑性塑料管输送热水时，t≤80℃；供回水温差△t≥20℃；4寒冷地区采用金属管材输送热水时，t≤90℃；供回水温差△t≥25℃；5夏热冬冷地区，t≤80℃；供回水温差△t≥20℃。对于上述规定，该征求意见稿的“条文说明”作如下解释：“对于不同气候和不同材料管道，提出不同的设计供水温度。对于以热水锅炉作为直接供暖的热源设备来说，降低供水温度对于降低锅炉排烟温度、提高传热温差具有较好的影响，使得锅炉的热效率得以提高。采用换热器作为采暖热源时，降低换热器二次水供水温度可以在保证同样的换热量情况下减少换热面积，节省投资。由于目前的一些建筑存在大流量、小温差运行的情况，因此本标准规定采暖工会水温差不应小于20℃。在有可能的条件下，设计时应尽量提高设计温差。”上述规定涉及到采暖系统设计的基本参数，也涉及到对塑料类管道耐热特性的认识和理解，存在以下需要商榷的问题：1对建筑节能的综合影响程度有待进一步论证散热器热水采暖系统热媒设计温度，应根据热舒适度要求、系统运行的安全性和经济性等原则确定。供水温度不超过95℃，可确保热媒在常压条件下不发生汽化；适当降低热媒温度，则有利于提高舒适度，但要相应增加散热器数量。长期以来，一般采用供水温度295℃、供回水温差25℃。例如，作为散热器“标准工况”的64.5℃，就是水温95/70℃的平均值与室温18℃的传热温差。许多采暖系统的设计计算资料，也按此条件编制。当然，热媒设计温度也要符合热源条件和考虑其它因素。例如：以较低温度的一次热媒进行换热所得的二次热媒，或采用户式燃气热水采暖炉受产品性能限制，或采用塑料类管材为延长其使用寿命，也有采用85/60℃作为设计参数的。“征求意见稿”对散热器热水采暖系统热媒设计温度和供回水温差的规定，与传统的设计参数相比，降低了除严寒地区以外的广大采暖地区（尤其是夏热冬冷地区）、特别是降低了采用塑料类管材系统的热媒设计温度，无疑将增加散热器数量，也将因供回水温差减小而增加循环水泵动力消耗。热媒设计温度，只是实际运行过程中对应于最不利室外气象条件的一个状态点，在全采暖期内，需要随室外气象条件变化进行热媒温度的质调节。例如：按照热媒温度95/70℃（或85/60℃）设计的系统，真正需要供水温度达到95℃（或85℃）的时间，从理论上讲是十分短暂的，在实际运行过程中，则几乎从未发生过。因此，增加散热器数量和循环水泵动力消耗等对节能的负面影响，能否可以从条文说明提出的“降低供水温度……使得锅炉的热效率得以提高”中得到补偿？而采用换热器作为采暖热源时，“降低换热器二次水供水温度可以……减少换热面积”与增加散热器两者之间孰轻孰重？都有待进一步论证。2应该正视当前过多降低散热器采暖热媒设计参数的普遍倾向重新确定散热器热水采暖系统的热媒设计温度，应该正视采暖系统设计的现状。多年以来，一直存在着不适当地过多降低散热器采暖热媒设计参数的倾向。上世纪八十年代，北京地区就曾进行过实态调查测定，结果表明：多数由城市热网或小区集中锅炉房供暖的住宅，即使设计水温为95/70℃，当达到设计室外温度时，运行平均水温一般也只要70℃左右,即可保证设计室内温度。其他采暖地区的实际运行情况也基本如此。为何实际运行水温远低于热媒没计温度时，也可达到设计室温？主要是由于实际配置的散热面积（包括散热器和室内不保温的管道），均不同程度地偏大于理论所需散热面积。根据理论推导和实际工程运行验证，对于设计水温95/70℃的系统，当散热面积偏大10％时，运行水温约可为90/65℃；当偏大20％时，运行水温约可为85/60℃；当偏大30％时，运行水温约可为82.5/57.5℃；当偏大40％时，运行水温约可为80/55℃。由于必要的安全裕量和设计保守等各种因素，一般系统的散热面积均会偏大30％以上。[1]近年以来的情况有过之而无不及，原因是常将热源实际运行热媒参数作为设计条件。例如：接受设计任务去调查现状时，会告诉你供水温度只有70℃。如不加深入分析，就直3接采用这样的低温参数进行设计计算，散热器数量又增加了很多，实际运行水温又可以进一步降低，以致陷入了恶性循环的怪圈。这种恶性循环更加剧了系统的失调度。“征求意见稿”对散热器热水采暖系统热媒设计温度和供回水温差的规定，会更加剧这种倾向。3关于塑料类管材对输送介质温度的适应性塑料类管材的应用历史，比起金属管来要短得多，因而，存在对塑料类管材特性认识的较多误区。例如：2004年以建设部名义发布的《推广应用和限制禁止使用技术》218号公告中，有两项涉及塑料类管材，即：第89项“建筑生活热水塑料管道系统”和92项“建筑地面辐射采暖塑料管道系统”。其中有“设计温度不得高于70℃”的说法，由于“公告”涉及的以上两个场合（生活热水和地面辐射采暖）的热媒温度根本不会高于70℃，因此与相关标准并无矛盾。有些地方的建设工程质量监督部门，则居然以此为依据，扩大到认为散热器采暖系统使用塑料类管材，也应“设计温度不得高于70℃”。为了澄清这种模糊认识，配合正确贯彻218号公告，由中国建筑标准设计研究院主持编制的《全国民用建筑工程设计技术措施——建筑产品选用技术·专集》[2]，在TC101-105页中，对此已做了详细说明。塑料类管材与金属管材特性的一个显著区别，是输送介质的温度对金属管材使用寿命影响甚微，而决定塑料类管材使用寿命的主要因素，则是输送介质温度的“综合热作用”。无疑，降低输送介质温度，对延长塑料类管材使用寿命有利。但是，应该有一个合理的“度”。在此，使用了“综合热作用”、而不是使用单一作用温度的概念，是因为在采暖系统中，塑料类管材在总设计使用周期内，并非始终处在同一温度作用条件下,必然存在不同温度的时间分布。例如:在非供暖期内的热作用温度会近似于室温,即使在供暖期内，也会因进行质调节而受不同温度的热作用。因此,不能用一个单一温度值直接作为设计选用的依据，需要先按不同使用条件的温度作用频率，确定使用条件分级。按照国际标准ISO/10508:1995推荐的方法,对总设计使用周期为50年,根据奥、德、法地区典型使用条件,统一划分的使用条件分级,如表1[2]。:表1欧洲对热塑性塑料管的使用条件分级4使用条件等级设计温度最高设计温度故障温度℃时间(a)℃时间(a)℃时间(h)16049801951002704980195100330402025.5504.56510042040602.52025702.51001005206080142510901100100使用条件分级体现了“综合热作用”（即“设计温度”和“最高设计温度”作用周期的总和）的概念。上表中的使用条件等级5级，就是针对散热器采暖系统的。其“使用条件”是：在总寿命期中，60℃热作用25年，80℃热作用10年，20℃热作用14年，90℃热作用1年，各种不同温度热作用周期的总和是50年。而且，还允许100℃的“故障温度”热作用不超过100小时。可以看出，欧洲这些地区典型使用条件的特点是采暖期很长、热媒温度较低。总设计使用周期的50年中，只有14年（即28﹪、平均每年3.4个月）是非采暖期。上述分级应用于我国大多数采暖地区，是比较安全的。当然，应该根据当地的采暖周期特点，合理地加以引用，最好能够逐步编制各地区自己的使用条件分级标准。各种热塑性塑料类管材满足总设计使用周期为50年的设计许用应力，如表2[3]。表2热塑性塑料管的设计许用应力使用条件分级124520℃/50年PB管5.735.045.464.3110.92PE-X管3.853.544.003.247.60PP-R管3.092.133.301.906.93PE-RT管3.062.153.342.027.36表2的数值，说明了综合热作用越大，设计许用应力越小，在强度计算时应该采用较大的壁厚。只有当超过某种管材的最大壁厚时，才排除其使用可行性。另外，国外的设计方法中，不同温度之间可以概略地按照“温度每提高10℃、使用寿命约缩短2.5倍”的关系进行换算。例如：可以把80℃热作用10年，换算为90℃热作用4年，再加上原有的90℃热作用1年，即每年平均可以承受36.5天90℃的热作用；可以把60℃热作用25年，换算为80℃热作用10年，即每年平均可以承受73天80℃的热作用。这说明，如果采用85/60℃作为热媒设计参数，对于北京地区按照使用条件等级5级来选择塑料类管材的壁厚，再考虑管材生产和施工过程中可能产生的缺陷，有关标准[4]还规定了管材5的最小壁厚，形成了相当大的裕量，是足够安全的。确实并不需要将热媒温度再降低到t≤80℃。4对金属管道与塑料类管材的不同规定实际工程中很难操作“征求意见稿”对同一气候分区、但对金属管道、铝塑复合管和热塑性塑料管规定了不同的热媒设计参数。但是，在实际工程中，由同一个热源（锅炉房或换热站）供暖的系统，常会采用多种管材，而且一般在设计阶段难以确定。即使计量供暖的住宅分户系统地面埋设的管道需要采用塑料类管材，也会在采用铝塑复合管或采用热塑性塑料管之间举棋不定。那将怎样执行征求意见稿中提出的规定呢？无非是：①就低不就高。只要系统中有一部分采用了热塑性塑料管，一律按照“t≤80℃、供回水温差△t≥20℃”作为热媒设计参数，这对于主体采用金属管道的系统，会造成较大的浪费。②按照采用不同管材分别设置系统。或使热源独立，或同一热源采用换热、混水等方式提供不同的热媒参数。这不仅使系统的配置复杂化，增加建设费用，而且也并不节能。因此，这种并不够合理的规定，在实际工程中也很难操作。5结语5-1散热器集中采暖系统的设计供水温度，涉及到热源条件等多种因素，对建筑节能的综合影响程度的评估甚为复杂，包涵在建筑节能设计标准中目前似不成熟，尤其不宜加以硬性规定。如果觉得希望能有“指导意义”，可以采用“宜”的用语。5-2铝塑复合管和热塑性塑料管，应用于热媒设计温度为95/70℃的散热器采暖系统中，只要是按照正确的方法确定管材的壁厚，也是可以的。但为了延长其使用寿命，以统一采用85/60℃作为热媒设计参数为宜。5-3无需按照气候分区，分别规定散热器集中采暖系统的设计供水温度。严寒和寒冷地区规定值只有极小的差别，分别规定意义不大，夏热冬冷地区将设计供水温度降低到t≤80℃，尚缺乏可靠的论证作为依据。参考文献61张锡虎.供暖系统散热面积偏大及其影响.建筑设备1988年1期：36-382建设部工程质量安全监督与行业发展司、建设部科学技术司、建设部科技发展促进中心、中国建筑标准设计研究院.《全国民用建筑工程设计技术措施——建筑产品选用技术·专集》（2005CPXY）3北京市建筑设计研究院.《建筑设备专业技术措施》.中国建筑工业出版社.20064北京市试用图.《新建集中供暖住宅分户热计量设计和施工试用图集》（京01SSB1）