暖通空调设计选用设备和系统形式的若干误区.doc

暖通空调设计选用设备和系统形式的若干误区 论文作者：张锡虎 孙嘉
摘要： 本文对无压（常压）热水锅炉，水源热泵（WLHP）系统，散热器恒温阀，地板辐射供暖系统，直燃吸收式冷温水机组在设计选用设备和系统形式的常见误区给予了详细的解答。

关键词： 热水锅炉 水源热泵 恒温阀 地板采暖 直燃机
伴随着暖通空调技术的发展和进步，引进的或国产的暖通空调设备新产品不断涌现，市场竞争激烈，给暖通空调专业设计提供了十分有利的物质条件，设计人员可根据工程的功能要求，进行多方案的选择。但是，由于局部设计市场的混乱或受商业因素的干扰，在设备产品选用不当的基础上，造成设计不当的系统时常出现，这不仅不能满足使用要求，也会造成投资和能源的极大浪费。而且，某些适合在特定条件下应用得很好的设备产品，由于在不适当条件下应用，反而造成了违背生产厂家初衷的负面影响。
1 关于无压（常压）热水锅炉
　　所谓无压热水锅炉，即不能承压的开式热水器。早期主要是南方的一些不具备压力容器生产资质的厂家，配置国外生产的燃 油或燃气的自动燃烧机，为加热集中生活热水的需要而生产的，因为集中生活热水系统一般要设置热交换设备，锅炉仅需提供一定 温度的一次热煤而无需承压。当能源构成发生变化、燃油或燃气日渐得到发展以来，开始进入北方市场，继而由于北方地区供暖热 源较集中生活热水热源需要量更大，便开展了将无压热水锅炉推向供暖热源颇具规模的营销活动，对供暖系统不甚了解的生产厂家 提出的以开式热水器为中心的集中供暖系统图式，实际上是不够合理的。
　　笔者最近应某锅炉厂的要求，解决北方某地一个规模不大的住宅供暖系统发生的问题，深刻体会到滥用无压锅炉造成的后果。 这个住宅楼仅为3层，热水供暖系统的热源采用了燃油的无压热水锅炉，容量是足够的，但由于锅炉不能承压做成了开式的重力流系 统，造成了严重失调根本无法正常供暖。如果采用常规承压热水器锅炉配以适当的循环水泵，这是最简单也是最有效的系统。
　　由于各种因素，在集中供暖系统中采用燃油或燃气的无压热水锅炉，有日渐增多的趋势。如果由合格的专业设计单位进行设计，系统的配置一般不会像上述工程那样“出格”。例如：可以采用热交换设备进行间接交换，使锅炉不承压而系统承压；也可以 采用供水用加压水泵升压、回水用减压阀减压，仍可使锅炉不承压而系统承压。但上述对策或者会使系统人为地复杂化，或者会使 供暖热媒温度降低而需增加散热器数量，或者使本来用以克服系统循环阻力的扬程度较低的循环泵变为扬程度较高的加压泵而增加 运行能耗。因此，北京市建筑设计研究院编写的《建筑设备专业设计技术措施》明确规定：不宜采用需设置水泵扬程度供暖的“无压热水锅炉”。
　　无压（常压）热水锅炉只有在工程条件不允许采用常规热水锅炉的条件下，才有其有集中供暖系统中应用的价值，例如《建 筑设计防火规范》和《高层民用建筑设计防火规范》，对于总蒸发量超过6t/h或单台蒸发量超过2t/h的燃油、燃气锅炉，为不允许 贴邻民用建筑布置，不允许在高层建筑或裙房内布置。工作压力小于0.1Mpa的“无压热水锅炉”即开式热水器不属于锅炉，因而可 不受上述规定的制约。其实，从消防安全角度看，不承压的燃油或燃气开式热水器，同承压的燃油或燃气热水锅炉应是一样的，但 当条件受限时，采用地压热水锅炉可因不受上述规定制约而成为“合法”。

　　按说，锅炉的安全问题应由《热水锅炉安全技术监察规程》而非由《设计防火规范》制约。尽管《热水锅炉安全技术监察规 程》允许：出水温度≤950的燃油、燃气热水锅炉房可与住宅相连第一层或顶层中，还允许单台热功率≤7MW、出水温 度≤950C的燃油和燃气热水锅炉房，设在高层建筑的地下室、半地下室、第一层或顶层内。但在具体工程设计套用有关 《规范》或《规程》有矛盾时，原则上应按要求规范的条文执行。为要执行较严格的消防规范，在受条件限制时，总蒸发量超过6t/h 或单台蒸发量超过2t/h的锅炉，不得不采用无压热水锅炉。
　　但是，当并无工程条件限制时，例如在单独建造的锅炉的房内，采用“无压热水锅炉”的根据和必要性就不存在了。
2 关于水源热泵（WLHP）系统
　　笔者曾于近期协助北京地区某建设单位，对其将完工的空调工程使用功能进行评估，发现了一系列问题，引起了对水源热泵 系统的适应范围和如何通盘解决好设计中好方面问题的思考。
　　该工程是由商业和写字楼组合而成的综合楼，总建筑面积8000m2，有少量的建筑热工内区房间，全部采用水源 热泵系统，由房间的水源热泵空调机和各层的水源热泵新风空调机组成。冬夏兼用，由冷却塔和城市热网热源通过各自的板式换热 器对集中循环水冷却或加热，包括卫生间、楼梯间等在内未设置散热器供暖系统。
　　水源热泵系统在应用适当时，是一种很有特点的系统，具有下列优点：
　　（1）具有热回收功能，节能效果主要在冬季和过渡季显著，可以将“内区”的余热，通过循环水系统向“外区”转移，供 给“外区”供暖，特别适用于冬季有大量稳定热回收的建筑。
　　（2）系统简单，只有一套集中循环水系统，以及循环水的冷却和加热设备，可节省机房占用的面积和空间。
　　（3）循环水系统的管道无需保温和保冷。
　　（4）运行灵活，能源消耗便于分别计量。
　　但是，在该工程的具体条件下应用，就显出它的一些缺陷和局限性：
　　①在冬季供暖期间使用时，因不存在明显的“内区”，总能耗要大于一般散热器或空调供暖系统，除需提供数量略少的外部 热源外，水源热泵机且的压缩机和循环水系统仍需进行，用电量在全负荷时约为240kW，如按平均负荷计约为100kW，而北京地区的 供暖期长达5个月。
　　②该工程使用性质为商场和办公等，属于每天间断使用的建筑，但总要有少量值班房间需昼夜使用，无论是夏季或冬季，集 中的循环水系统需不间断运行。
　　③需设置散热器值班供暖系统,以保证各种水管道在冬季夜间或假日不被冻坏。如果设置了散热器值班供暖系统，就提出了 可否扩大散热器供暖系统的问题，即在冬季空调系统不运行？经计算是可行的。
　　④水源热泵机组进风温度，一般不应低于130，极限最低温度为50，冬季用作新风机组时，需解决 水源热泵新风机组进风的预热处理，并设置水预热排管的可靠防冻设施。水源热泵新风机组最好能增设加湿装置，以保证冬季空调 的舒适标准。
　　⑤由于压缩机在机内，相对于集中冷源的空调机组，噪声偏大。
　　⑥造价偏高，仅水源热泵机组价格，不计附加的厂家调试费用，已约折合人民币625元/m2。

　　根据以上情况，该工程又不得不对原有的水源热泵空调系统，进行了完善和改善，增设了散热器供暖系统和新风机组进风的 预热装置，投资又增加了约60元/m2。最终达到的空调综合效果，同如此昂贵的造价难以相称，不得不使建设单位产生 了对采用该种系统合理性的怀疑。
3 关于散热器恒温阀
　　近年以来，作为供暖系统节能的一种重要手段，散热器恒温阀受到广为关注并被大力进行推广。国内研制并应用始于70年代， 北京建筑五金水暖器材工业公司科研室就曾推出过第一代7902型“采暖恒温阀”。至80年代，开始引进国外应用甚广的如德国、丹 麦等产品。按照国外产品样机，苏州市电器元件厂和北京市门头沟节能设备厂也分别研制开发出同类产品。国外和国内产品，都曾 在北京地区的一些工程中应用过。
　　在适当的条件下应用，散热器恒温阀确是一种能改善房间热舒适度和节约能源的构件。但其合理应用应考虑以下因素：
3.1 高阻力特性的恒温阀仅适合于双管式系统恒温阀的作用原理，是通过温控器波纹管内热敏介质的受热膨胀，驱使阀杆 位移使阀锥趋向关闭位置，最大位移量约为7mm，决定了它的高阻力特性。早期开发的7902型“采暖恒温阀”，局部阻力系数值为18， 略大于普通截止阀；苏州WKQ1028型恒温闪的局部阻力系数值，DN15为56，DN20为102；DANFOSS公司恒温闪的局部阻力系数值，DNG15 型约为48.6，DN20约为97.7，DN25约为142.2。
　　双管式系统每一组散热器都是相互并联的环路，如能在每组散热器均设置阻力相对较高的恒温阀，可增大散热器组的阻力， 抵消并联环路之间的水力失调因素，有助于各组散热器之间的水力平衡。但是恒温阀在单管式系统中勉强应用则是不适当的，原因是：
　　（1）《采暖通风与空气调节设计规范》规定，单管系统应采用低阻力阀门。
　　（2）单管式系统设置恒温阀和跨越管后，由于分流作用散热器的散热量会有所减少，要增加散热器数量，与此种阀门昂贵 的价格结合，经济上是不合算的。
　　（3）恒温阀与跨越管段的阻力匹配及合理的分流比，虽从理论上可以有所假设，但设计计算过程较为复杂，还由于难以避 免的运行因素，例如泥渣等造成的堵塞，在实际工程中常会发生。
3.2 要有较好的供热条件
　　目前国内普通住宅的集中供暖，大体上为以下3种状况：总体供热不足，难以达到供暖设计温度的较低标准，居住者要求提 高室温，而不是因过热而进行调节；供暖状况较好，虽然存在一定程度的垂直失调，由于居住者并不满足180的室温标 准，室温稍高的房间也不会主动进行调节；总体供热充足但系统设计和配置不当使部分房间室温过高，就集中供暖的全局而言，此 种状况并不多见。散热器恒温阀是通过阀门的开度调节进入散热器的流量而改变散热量，它只能调节房间的过热量，而室温较低房 间只能依赖于过热房间调节之后的间接被动效应。恒温阀除对总体供热过量的建筑能有调节作用外，对多数总体供热不足的建筑， 并不必要。
3.3 要有较好的运行管理条件
　　即使应用于双管式系统，恒温阀的高阻力特性也是相对的，当散热器负荷较小时，较高的局部阻力系数形成的阻力值仍有限， 最好能根据每一组散热器处的剩余水头对高阻阀逐一进行预调锁定，此预调锁定工作难以操作，而且当运行管理不善热媒水杂质较 多时，较小的水流通道更易堵塞。
3.4 工程标准较高造价要能随
　　此种阀门的价格昂贵，每个约在100元以上，当受上述三项因素制约，难以得到明显的效益时，投资方势必要有所权衡取舍。
4 关于地板辐射供暖
　　地板辐射供暖是一种性能良好的供暖方式，目前逐渐在标准较高的住宅和其它民用建筑中被广泛应用。但在应用时应注意其 适应条件，其中一个重要问题就是地板表面平均温度的限制，即真正体现低温辐射的特征。
　　《采暖通风与空气调节设计规范》规定，经常有人停留地面的表面平均温度宜为24～160。北京市建设设计研究 院的《设计技术措施》规定，人长期停留区域的地板表面平均温度不宜超过260。上述《设计技术措施》给出了计算地 板表面平均温度tEP的近似公式：tEP=tN+9(q/100)0.909。
　　住宅是典型的经常有人停留的场所，根据上述规定和计算式，可以得出以下数值：
室内设计温度　tN/0C
所允许的地板最大散热量　q/W/m2
18
90
20
65
22
40
　　目前，在许多地板辐射供暖工程中，一律采用相同间距的DN20mm供热管，并且未采取有效控制水温的技术措施，此种带有 随意性的做法是不可取的。按地板表面平均温度所限定的地板最大散热量，当地面层为水泥、陶瓷砖、水磨石或石料，室内设计温 度tN＝180，如果采用间距为300mm和DN20mm 供热管，平均水温应不超过400C，采用间距为300 mm的DN15mm供热管，平均水温应不超过460C。

　　室内设计温度tN＝200C时，只能采用间距为300mm的DN15mm供热管，平均水温应不超过420C。
　　而室内设计温度tN＝220C时，只能采用间距为300mm的DN15mm供热管，平均水温应不超过350C。
　　所以，对供暖负荷较大的住宅北向房间，应验算地板表面平均温度所限定的地板最大散热量，是否能满足负荷的需要，尤其 是在室内设计温度较高时更为突出。因此，国外许多较高标准的住宅，既设置了地板辐射供暖，又同时设置散热器。
　　在其它类型建筑中应用也在同样问题，例如笔者看到某地区新编的一种标准设计图集，推出用于大厅的两种管间距做法，并 注明“标准工况”水湿为600／500、室温为180，瓷砖类地面管间距150mm的散热量为212W，管 间距200mm的散热量为193W，此两种做法的地板表面平均温度分别为35.80C和340C，均超过了人短期停留区 域300C的限定。
　　上述图集也将两种管间距做法应用于游泳馆，并注明“标准工况”水湿为600／500、室温为28 0，管间距200mm的散热量为193W，此两种做法的地板表面平均温度分别为410C和400C，均超过了《采 暖通风与空气调节设计规范》中对游泳馆地面温度不应超过350C（且为加热管轴心处）的限定。
5 关于直燃吸收式冷温水机组
　　选择直燃型吸收式冷温水机组主要取决于工程的能源供应条件，它的主要功能是用作集中空调的冷源，供暖应属于辅助或兼 用功能，至于同时用作供应生活热水，尤其是生活热水用量较大时，则是一种不尽合理的扩展。当空调的所需热量在机组供热能力范围之内或适当的加大高压发生器能满足时，兼用是合理的。当空调所需热量较大或还有较多散热器供暖系统所需热量时，按远大 于供冷量的供热量来确定机组容量。显然是不合理的。
　　直燃型吸收式冷温水机组的供热方式，有两种基本体系：一种是仅通过高压发生器和换热器供热循环，主体完全“冬眠”， 供回水温度为650／750，温差80，且允许供热水流量在50％～150％范围内变动，即供回水温 差可增大到120C；另一种是整机供热循环，仅关闭冷却水循环系统，供回水温度为600C／55.80C， 温差仅为4.20C，且由于换热面积的限制不允许减少供热水流量。
　　直燃型吸引式冷温水机组不管采用何种方式供热，其性都不及使用相同燃料的普通热水锅炉。首先，其供水温度低，当用于 散热器供暖系统时，散热器的散热量会大幅度降低；其次，即使在水温较低的条件下，其热效率也难以达到90％（一般为85％～88％）； 此外，由于供回水温差小而使循环水泵的功耗大，难以符合有关设计节能标准对水输送系数的限定。

　　因此，当冬季供热量需求远大于直燃型吸收式温水机组的供热能力时，应采用热水锅炉来补足，特别是用于散热器供暖系统 的供热量，采用吸收式冷温水机组，或者是机组的高压发生器部分（即所谓“真空锅炉”），无论是投资费用还是运行费用，都是不合算的。
　　这个问题，对于寒冷地区或严寒地区尤为突出。