新疆克州地区学校建筑供暖系统设计研究

秦振春，魏霖，顾锡莲，袁小清，吕禧星

（1.江苏省城市规划设计研究院有限公司，南京 210019；2.江苏设协工程建设施工图审查有限公司，南京 210019）

1 项目概况

以克州地区某中学供暖系统设计进行研究。该中学单体建筑主要有综合楼、教学楼、报告厅、风雨操场、宿舍及食堂等。总建筑面积约7 万m2，单体建筑最高为地上6 层，建筑高度23.1 m。项目所在地属于寒冷地区。

2 热源形式的选择和确定

供暖热源形式多样，学校建筑涉及的功能区域有教室、办公、宿舍、阅览室及食堂等。考虑当地气候条件、资源优势、建筑类型、经济成本等因素，经沟通后确定多数房间采用热水地暖，楼梯间采用热水散热器供暖。

该中学周边有区域锅炉房，可利用此区域锅炉房的市政热网进行供暖。热力公司提供的数据为供水温度60 ℃，回水温度40 ℃，资用压差0.4 MPa。

3 供暖系统设计

3.1 房间热负荷

房间热负荷按GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》中相关规定进行计算，全面辐射供暖室内设计温度可降低2 ℃。

3.2 供暖热水温度的选取

根据JGJ 142—2012《辐射供暖供冷技术规程》（以下简称《规程》）中的相关规定[1]，地暖供水温度不超过60 ℃，宜采用35～45 ℃，供回水温差不宜大于10 ℃且不宜小于5 ℃；散热器供暖系统供水温度不大于85 ℃[2]。兼顾到地暖和散热器供暖的使用效果、节能及延长地暖盘管的使用寿命，本项目的供水温度取45 ℃。为了方便排气，供回水温差不宜太大，设计为供回水温差取7 ℃，即回水38 ℃。

3.3 热水地板辐射供暖设计

热水地板辐射供暖（以下简称地暖）根据填充层的不同可分为混凝土填充式（湿式地暖）和预制沟槽保温板式（干式地暖），如图1 所示。本项目多数房间采用工艺成熟价格低的湿式地暖的形式。计算机教室、电子阅览室等防静电地板的房间采用干式地暖的形式，其优点是采用活动地板，地板下为架空层，便于设备布线，且方便管线维修。

图1 湿式地暖和干式地暖地面的做法

地暖加热管的间距由房间设计的室内空气温度、供水温度、所需单位地面面积向上的供热量、房间家具遮挡情况等确定。其中，房间单位地面面积向上的供热量根据式（1）、式（2）计算确定：

式中，q1为房间所需单位地面面积向上的供热量，W/m2；Q1为房间所需向上的供热量，W；β为家具设施遮挡安全系数；Fr为敷设供暖部件的地面面积，m2；Q为房间的热负荷，W；Q2为上层房间向本房间的传热量，W。

确定好q1时，应根据式（3）校核此时地表面平均温度是否低于《规程》中的要求，即人员经常停留区域不高于29 ℃；人员短暂停留的区域不高于32 ℃，无人员停留的区域不高于42 ℃：

式中，tpj为地表面平均温度，℃；tn为室内空气温度，℃。如果tpj高于《规程》中的规定值，适当降低q1使tpj满足规程要求。

由计算得出的房间所需单位地面面积向上供热量q1，查《规程》附录B，可得出地板辐射供暖系统加热管的间距。

3.4 散热器供暖设计

楼梯间无法设置热水地板辐射供暖系统，通常设置散热器供暖。单片散热器的换热量按式（4）和式（5）计算，散热器的片数按式（6）计算：

式中，Qs为单片散热器的散热量，W；a、b为不同种类和规格散热器的实验系数；Δt为散热器传热温差，℃；为散热器供回水平均温度，℃；n为散热器片数；β1为组装或安装长度修正系数；β2为支管连接方式修正系数；β3为安装形式修正系数；β4为流量修正系数。

4 热交换站设计

需设置热交换站，通过供暖循环水泵和板式换热器，把一次侧高温热水转化为二次侧地板辐射供暖所需温度的热水。满足地暖系统水温要求。

4.1 板式换热器选型计算

根据GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》中相关规定，换热器应取设计换热量的1.1～1.15 倍的附加系数。克州地区为寒冷地区，当一台换热器因故障停止工作时，剩余换热器的总换热量得不低于设计热负荷65%。

板式换热器所需换热面积主要根据一次侧和二次侧水水换热对数平均温差、传热系数及设计换热量确定。计算详见式（7）、式（8）：

式中，Δtm为逆流对数平均温差，℃；T1、T2为一次侧进出板换的流体温度，℃；t1、t2为二次侧进出板换的流体温度，℃；A为板换换热面积，m2；Q3为板换换热量，W；k为板换热传系数，W/（m2•K）。

4.2 循环水泵选型计算

热水循环水泵的设计流量应满足建筑所需供热量和供回水温差下热水流量的要求，其设计扬程应同时满足克服管路、管件、阀门及设备等阻力的要求。水泵流量按设计流量并考虑5%的附加系数选型，水泵扬程按设计扬程并考虑5%～10%的安全系数选型。

4.3 其他要求

1）热交换站设置气候补偿装置。

2）间接供热系统、二次侧热水循环水泵采用变频泵。

3）供暖总管上设置总供热量计量装置，建筑物热量表设置在热交换站内。

5 调试阶段出现的问题及解决对策

本项目进入供暖季时，调试期间出现了以下问题。

1）换热站内板换二次侧阻力较大。经现场调查，二次侧热水循环泵入口定压0.4 MPa，热水循环泵出口压力0.76 MPa，经过板换后系统压力降至0.43 MPa。板换阻力0.33 MPa，远高于原设计值0.098 6 kPa。

2）末端地暖和散热器不热。经现场测量，室内供水立管温度最高为36 ℃，有的管路甚至同自来水管道温度，没有温升，远低于原设计值供水45 ℃。

3）热交换站一次侧实际供水温度为50 ℃，低于热力公司提供的设计条件60 ℃。

针对上述调试过程中出现的问题，经认真分析，按问题的关键性逐一排查，并采取了相应的解决对策。

1）判断为换热器堵塞，需对板换前端的过滤器进行清洗。

2）判断为系统运行初期管路气堵，需对系统最高部位的排气阀，以及温度较低的分集水器上的排气阀进行排气，并对系统所有过滤器进行清洗。

3）经实地调研后发现热力公司的供暖收费方式为根据建筑面积按年收费，为了获得最大的经济收益，热力公司供暖初期采用间隙供热的方式，并降低了供水温度，另外，通过水泵变频技术降低了供水流量和供水压力。实际锅炉房的出水温度为52～55 ℃，由于沿程热损，到本热交换站的供水温度只有约50 ℃。区域锅炉房10 月份（室外最低气温-2 ℃）的供热时间为9：00～11：00 和21：00～24：00，每天实际运行6 h。锅炉房循环水泵共2 台，只开了1 台，实际运行频率34.7 Hz。针对此问题，根据热力公司实际运行参数，对本项目热交换站的板换面积进行了重新核算，适当增加了板换的换热面积，并在一次侧设置了变频增压水泵（见图2）。

图2 预制沟槽保温板式（干式地暖）地面做法

通过以上解决策略，对原设计系统进行优化，过滤器进行清洗并排气后，重新调试期间，使用热成像仪对室内温度场进行了检测，室内散热器和地暖已达到规范所需的设计要求。详见图3。

图3 供暖系统室内散热器和地暖温度场

6 结语

通过对新疆克州地区某中学供暖系统设计的研究，以及调试过程中出现的问题进行解决，得出结论：设计前期要充分调研当地的热源条件，包括供暖的收费政策、热网最低供水温度、最低资用压力，以及是否间隙供热等；施工过程中，施工方要严格按图纸要求进行冲洗和试压，避免施工中的异物堵塞管道和换热设备，造成水流不畅，甚至设备损坏；调试期间遇到某些区域供暖效果差时，可先通过清洗过滤器和系统排气的方式解决。