新疆克州地區學校建筑供暖系統設計研究

秦振春，魏霖，顧錫蓮，袁小清，呂禧星

（1.江蘇省城市規劃設計研究院有限公司，南京 210019；2.江蘇設協工程建設施工圖審查有限公司，南京 210019）

1 項目概況

以克州地區某中學供暖系統設計進行研究。該中學單體建筑主要有綜合樓、教學樓、報告廳、風雨操場、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。項目所在地屬于寒冷地區。

2 熱源形式的選擇和確定

供暖熱源形式多樣，學校建筑涉及的功能區域有教室、辦公、宿舍、閱覽室及食堂等?？紤]當地氣候條件、資源優勢、建筑類型、經濟成本等因素，經溝通后確定多數房間采用熱水地暖，樓梯間采用熱水散熱器供暖。

該中學周邊有區域鍋爐房，可利用此區域鍋爐房的市政熱網進行供暖。熱力公司提供的數據為供水溫度60 ℃，回水溫度40 ℃，資用壓差0.4 MPa。

3 供暖系統設計

3.1 房間熱負荷

房間熱負荷按GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》中相關規定進行計算，全面輻射供暖室內設計溫度可降低2 ℃。

3.2 供暖熱水溫度的選取

根據JGJ 142—2012《輻射供暖供冷技術規程》（以下簡稱《規程》）中的相關規定[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、節能及延長地暖盤管的使用壽命，本項目的供水溫度取45 ℃。為了方便排氣，供回水溫差不宜太大，設計為供回水溫差取7 ℃，即回水38 ℃。

3.3 熱水地板輻射供暖設計

熱水地板輻射供暖（以下簡稱地暖）根據填充層的不同可分為混凝土填充式（濕式地暖）和預制溝槽保溫板式（干式地暖），如圖1 所示。本項目多數房間采用工藝成熟價格低的濕式地暖的形式。計算機教室、電子閱覽室等防靜電地板的房間采用干式地暖的形式，其優點是采用活動地板，地板下為架空層，便于設備布線，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計的室內空氣溫度、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式（1）、式（2）計算確定：

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為家具設施遮擋安全系數；Fr為敷設供暖部件的地面面積，m2；Q為房間的熱負荷，W；Q2為上層房間向本房間的傳熱量，W。

確定好q1時，應根據式（3）校核此時地表面平均溫度是否低于《規程》中的要求，即人員經常停留區域不高于29 ℃；人員短暫停留的區域不高于32 ℃，無人員停留的區域不高于42 ℃：

式中，tpj為地表面平均溫度，℃；tn為室內空氣溫度，℃。如果tpj高于《規程》中的規定值，適當降低q1使tpj滿足規程要求。

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

3.4 散熱器供暖設計

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

式中，Qs為單片散熱器的散熱量，W；a、b為不同種類和規格散熱器的實驗系數；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；β1為組裝或安裝長度修正系數；β2為支管連接方式修正系數；β3為安裝形式修正系數；β4為流量修正系數。

4 熱交換站設計

需設置熱交換站，通過供暖循環水泵和板式換熱器，把一次側高溫熱水轉化為二次側地板輻射供暖所需溫度的熱水。滿足地暖系統水溫要求。

4.1 板式換熱器選型計算

根據GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》中相關規定，換熱器應取設計換熱量的1.1～1.15 倍的附加系數?？酥莸貐^為寒冷地區，當一臺換熱器因故障停止工作時，剩余換熱器的總換熱量得不低于設計熱負荷65%。

板式換熱器所需換熱面積主要根據一次側和二次側水水換熱對數平均溫差、傳熱系數及設計換熱量確定。計算詳見式（7）、式（8）：

式中，Δtm為逆流對數平均溫差，℃；T1、T2為一次側進出板換的流體溫度，℃；t1、t2為二次側進出板換的流體溫度，℃；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，W/（m2?K）。

4.2 循環水泵選型計算

熱水循環水泵的設計流量應滿足建筑所需供熱量和供回水溫差下熱水流量的要求，其設計揚程應同時滿足克服管路、管件、閥門及設備等阻力的要求。水泵流量按設計流量并考慮5%的附加系數選型，水泵揚程按設計揚程并考慮5%～10%的安全系數選型。

4.3 其他要求

1）熱交換站設置氣候補償裝置。

2）間接供熱系統、二次側熱水循環水泵采用變頻泵。

3）供暖總管上設置總供熱量計量裝置，建筑物熱量表設置在熱交換站內。

5 調試階段出現的問題及解決對策

本項目進入供暖季時，調試期間出現了以下問題。

1）換熱站內板換二次側阻力較大。經現場調查，二次側熱水循環泵入口定壓0.4 MPa，熱水循環泵出口壓力0.76 MPa，經過板換后系統壓力降至0.43 MPa。板換阻力0.33 MPa，遠高于原設計值0.098 6 kPa。

2）末端地暖和散熱器不熱。經現場測量，室內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，遠低于原設計值供水45 ℃。

3）熱交換站一次側實際供水溫度為50 ℃，低于熱力公司提供的設計條件60 ℃。

針對上述調試過程中出現的問題，經認真分析，按問題的關鍵性逐一排查，并采取了相應的解決對策。

1）判斷為換熱器堵塞，需對板換前端的過濾器進行清洗。

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

3）經實地調研后發現熱力公司的供暖收費方式為根據建筑面積按年收費，為了獲得最大的經濟收益，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，通過水泵變頻技術降低了供水流量和供水壓力。實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 ℃。區域鍋爐房10 月份（室外最低氣溫-2 ℃）的供熱時間為9：00～11：00 和21：00～24：00，每天實際運行6 h。鍋爐房循環水泵共2 臺，只開了1 臺，實際運行頻率34.7 Hz。針對此問題，根據熱力公司實際運行參數，對本項目熱交換站的板換面積進行了重新核算，適當增加了板換的換熱面積，并在一次側設置了變頻增壓水泵（見圖2）。

圖2 預制溝槽保溫板式（干式地暖）地面做法

通過以上解決策略，對原設計系統進行優化，過濾器進行清洗并排氣后，重新調試期間，使用熱成像儀對室內溫度場進行了檢測，室內散熱器和地暖已達到規范所需的設計要求。詳見圖3。

圖3 供暖系統室內散熱器和地暖溫度場

6 結語

通過對新疆克州地區某中學供暖系統設計的研究，以及調試過程中出現的問題進行解決，得出結論：設計前期要充分調研當地的熱源條件，包括供暖的收費政策、熱網最低供水溫度、最低資用壓力，以及是否間隙供熱等；施工過程中，施工方要嚴格按圖紙要求進行沖洗和試壓，避免施工中的異物堵塞管道和換熱設備，造成水流不暢，甚至設備損壞；調試期間遇到某些區域供暖效果差時，可先通過清洗過濾器和系統排氣的方式解決。