兰州交大教学楼供暖系统运行现状分析

陈美娟 周文和

兰州交通大学环境与市政工程学院

兰州交大教学楼供暖系统运行现状分析

陈美娟 周文和

兰州交通大学环境与市政工程学院

冬季采暖能耗占高校公共建筑总能耗的比例较大，供暖系统设计和运行的优劣对校园节能至关重要。通过对兰州交通大学教学楼供暖系统的运行状况进行12小时的连续测试，获得了不同朝向及不同楼层9个测试教室的实测温度和实测单位面积耗热量，同时，对供暖系统的设计及运行进行了校核计算。基于实测及校核计算数据的对比分析，得出了教学楼供暖系统的设计、运行合理与否的结论，并提出学校公共建筑供暖系统节能设计与运行管理的建议。

公共建筑 教学楼 供暖系统 运行管理 节能

0 引言

节能是当前我国经济和社会发展的一项极为紧迫的任务和长远的战略方针。根据能源界近30年来的研究及实践表明：节能途径中潜力最大、最直接且最有效的方式是建筑节能[1]。公共建筑的能耗在建筑能耗方面占据相当大的比例。建设部、国家质量监督检验检疫总局联合发布了《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2005），旨在有效地控制公共建筑的能耗，该标准推出的目的是使新建、改建和扩建的公共建筑与20世纪80年代的公共建筑相比，全年在包括供暖、通风、空气调节和照明方面的总能耗减少50%[2]。我国建筑能耗约占总能耗的1/3，其中供热及空调能耗约占建筑能耗的1/3，供热在北方地区能源消耗中占据相当大的比重，而目前我国的供热系统的综合能效只有30%，供热系统的理想能效（含电耗）最高限度可达约70%，尚有40%的节能空间[3]。

美国、日本、俄罗斯（包括前苏联）、德国等国都是供热发展很快的国家，集中供热系统都已经实现了自动监测及控制[4]。我国供热事业由于起步晚，与其它城市基础设施相比较，普及率低，技术水平也不够高[5]。目前，供热领域节能新技术、新产品不断出现和应用，也取得了丰硕的节能成果。山东科技大学研制的校园供暖节能调节与远程监控系统具有显著的节能效果，可节能20%左右[6，7]；中央美术学院采用温度补偿技术、供热分区控制运行技术、供热分时、分温运行控制技术和循环水泵变频技术等实现了较好的经济效益与社会效益[8]；西北农林科技大学采用了供热系统节能改造的设想，并详细分析了节能改造的效益[9]；潍坊国建高创科技有限公司对清华大学260万m2的供暖系统及相关水电系统进行技术改造，并与清华大学共享项目节能效益和政策性的收益[10]。

相比之下，对于量大面广北方校园的节能供暖，校园公共建筑供热领域节能新技术、新产品的应用远远不足，此外，校园公共建筑供热系统的运行状况实测资料非常缺乏。本文将通过对兰州交通大学东教学楼供暖系统运行状况进行测试分析，以期得到校园公共建筑及其供暖系统在设计、运行和管理等方面的普遍性结论及合理建议，同时引起社会对校园供暖节能的重视。

1 测试对象、内容及方法、分析数据

1.1 测试对象

自1958年建校以来，兰州交通大学供热系统通过不断改扩建，系统规模不断扩大，供热管网不断延伸，逐渐形成了以自有区域锅炉房为热源，不通行地沟和直埋敷设枝状外网的供暖系统型式，设计供回水温度为95/70℃，供暖期内采用质-量方式进行供暖调节，包括住宅区、教学区、办公区、宿舍区、北校区5个分支用户，各支路热用户无自主调节措施，均在锅炉房分集水器处统一调节，其中教学区主要由西教学楼和东教学楼组成。图1所示为东教学楼，分为四、五、六教三个建筑，供暖总面积分别约为 7215m2、14220m2、7215m2，体形系数分别为0.15、0.12、0.15，一层层高为3.9m，其它层层高均为3.7m。

图1 东教学楼总平面

四、五、六教分别由独立系统进行供暖，系统型式为上供下回单管顺流同程式，引入管管径均为DN100。考虑不同供暖系统、不同楼层、不同朝向等因素，本文分别从四、五、六教建筑中挑选了3个教室，共9个教室，对其供暖系统的供暖效果进行测试。测试教室相关基本资料如表1所示。

表1 待测教室及其散热设备参数

1.2 测试内容及方法

本次调研时间为2012年12月23日（星期六）9:00～21:00，共进行了12个小时连续测量，测试内容以及使用仪器如下：

1）单位面积实测耗热量。测试对象的实测单位面积耗热量等于相应时刻各供暖系统入口处热量表实测值除以测试供暖系统建筑面积。热量表采用唐山某仪器仪表有限公司生产的外挂式TDS-100系列超声波流量计等仪器（温度传感器为贴片式、流量传感器为外敷式），测量精度为±1.0%，除可显示热量外，热量表还可获得热力入口处各采暖系统的供回水温度和流量。

2）实测室内温度。采用杭州某科技有限公司生产的LGR-WD01u自记式温度仪对测试教室室内温度进行连续测量，自记式温度仪精度为±0.5℃，可自动设定采集频率。同时采用高精度玻璃温度计对自记式温度记录仪进行校核。

3）实测室外温度。采用LGR-WD01u自记式温度仪，对室外温度进行了测量。

2 设计校核

为了评判测试建筑及其供暖系统是否满足设计要求，本文首先依据设计规范《公共建筑节能设计标准》(GB50189-2005)和《采暖通风与空气调节设计规范》(GB50019-2012)对测试建筑传热系数及教室散热器面积等内容进行校核。

2.1 传热系数校核

本建筑屋面传热系数为0.52W/(m2·℃)，外墙传热系数为0.57W/(m2·℃)，外窗传热系数为4.7W/(m2·℃)，测试建筑的体形系数均小于0.3，窗墙比均在0.5～0.7之间。根据《公共建筑节能设计标准》(GB50189-2005)可知，对于寒冷地区围护结构传热系数限值，当体形系数≤0.3时，屋面的传热系数≤0.55W/(m2·℃)，外墙的传热系数≤0.60W/(m2·℃)；当0.5＜窗墙比≤0.7时，外窗传热系数≤2.0W/(m2·℃)[11]。因此，本文测试建筑除外窗外，各围护结构的传热系数均满足节能要求。

2.2 散热器面积校核

兰州市室外采暖设计温度取-11℃[12]，高校公共建筑供暖教室室内采暖设计温度取18℃，测试教室单位面积设计采暖耗热量可以采用以下公式进行计算[13]，各教学楼的单位面积设计耗热量取其3个测试教室的平均值，计算结果汇总于表2。

式中：q—采暖单位面积设计耗热量，W/m2；Q—采暖设计耗热量，W；A—建筑采暖面积，m2；Qj—通过供暖房间某一面围护物的温差传热量（或称基本耗热量），W；K—该面围护物的传热系数，W/(m2·℃)；F—该面围护物的散热面积，m；tn—室内空气计算温度，℃；t'w—室外供暖计算温度，℃；a—温差修正系数；β—附加率（或称修正率）；Cp—干空气的定压质量比热容，Cp= 1.0056kJ/(kg·℃)；ρw—室外温度下的空气密度，kg/m3；V—渗透空气的体积流量，m3/h。

测试教室单位面积计算采暖耗热量是指按照采暖设计室内温度与测试室外温度的差值对采暖设计耗热量进行修正后的耗热量，按下式进行计算，各教学楼的计算耗热量取其3个测试教室的平均值，计算结果汇总于表2。

式中：q1—建筑采暖单位面积计算耗热量，W/m2；q—建筑采暖单位面积设计耗热量，W/m2；tn—室内供暖计算温度，℃；t'w—室外供暖计算温度，℃；tw—室外供暖实测平均室外温度，取值为(t1+t2+…+tn)/n，t1、t2…tn—不同时间间隔实测室外温度，℃，n=49。

散热器面积及片数可采用下式进行计算[13]，计算结果汇总于表2。

式中：Q—采暖设计耗热量，W；tpj—散热器内热媒平均温度，℃；tn—室内供暖计算温度，℃；K—散热器的传热系数，W/(m2·℃)；β1—散热器组装片数修正系数；β2—散热器连接形式修正系数；β3—散热器安装形式修正系数；n—散热器片数，片；f—单片散热器的散热面积，0.235m2/片。

表2 散热器面积和片数计算表

测试教室实际布置散热器面积均大于设计要求值，虽然四、六教测试教室是南向，五教测试教室是东向，但原设计者进行散热器设计时采用的富裕系数，四、六教的取值远大于五教的取值。

通过以上校核可知，设计者在进行供暖系统和散热器设计时不但未考虑学生人体散热对教室温度的影响，而且步步加大保险系数，导致室内散热器面积和片数的选取普遍偏大。

3 测试数据及分析

图2~图4给出了室外实测、平均及设计温度，各测试教室室内实测及设计温度和各教学楼实测、设计单位面积耗热量。

3.1 室外温度

图2给出了实测室外温度tw、实测室外平均温度tw和兰州采暖设计室外温度t'w。实测室外温度最高为-0.7℃，最低为-9.9℃，室外平均温度-3.8℃，9:00～12:00期间，随着时间的增长，室外温度达到最大值-0.7℃，因天气转阴，12:00～13:00期间减小到-4.1℃，13:00~ 21:00之后温度在-2℃左右，曲线变化较平缓。由于测试时间不是兰州冬季最冷时间，因此实测室外温度高于采暖室外设计计算温度-11℃。

图2 室外实测、设计及平均温度

3.2 室内温度和单位面积耗热量

图3示出了四教4132、4336、4536，五教5108、5311、5607，六教6123、6435、6527共9个教室的实测室内温度及采暖室内设计计算温度。从图3可以看出，四、五、六教各教室实测室内温度值与实测室外温度值变化趋势基本一致。四教测试教室温度最高，六教次之，五教最低，测试教室4336、4536、5607、6435、6527的实测平均室内温度大于采暖室内计算温度18℃，尤其顶层教室4536、5607、6527最高，而测试教室4132、5108、5311、6123的实测平均室内温度小于采暖室内计算温度18℃。

图3 实测室内温度与设计室内温度

图4示出了测试对象实测单位面积耗热量与计算单位面积耗热量。从图4可以看出，四教和六教计算单位面积耗热量为42.28W/m2，五教计算单位面积耗热量为45.70W/m2，略小于四、六教；由于五教供暖面积远大于四教和六教，但供暖系统供回水总管的管径相同，导致六教总体实测单位面积耗热量最高，其次为四教，五教实测单位面积耗热量值最小；四教测试教室温度较高，满足供暖要求，且实测单位面积耗热量低于计算值，说明四教供暖系统设计、运行良好；六教实测室内温度并没有像耗热量那样均高于四教和五教，且实测单位面积耗热量高于计算单位面积耗热量，说明供暖系统存在水力失调现象；五教实测室内温度较低，且实测单位面积耗热量低于计算值，说明五教供暖系统设计不合理，导致大部分教室室内温度不能满足供暖需求。

图4 实测单位面积耗热量与计算单位面积耗热量

导致上述现象的原因可能源于以下几个方面：

1）外窗传热系数不满足节能要求，若采用传热系数为2.5W/(m2·℃)，双层塑钢窗代替传热系数为4.7W/ (m2·℃)的单层塑钢窗，可节能15.2%；

2）由于供暖系统是随校园规模逐渐扩建，事先缺乏统一的规划，加之设计或调节等因素的不良，各分支系统存在严重的水力失调；

3）三个教学楼供暖系统大小不一，五教远大于其他两个教学楼，但引入口相邻布置，设计采用了相同的引入管管径；

4）散热器传热系数是散热面积计算的关键参数，其值依赖于供回水温度及温差，如果水温较低时不考虑修正，必然导致计算散热面积的不足；

5）当同一供暖系统各分支用户出现水力失调时，即使对散热面积计算考虑较大的富裕量，仍不能满足供暖的正常需求；

6）设计时未考虑教室学生人体散热对耗热量的影响。

4 结论

通过对兰州交通大学教学楼供暖系统运行状况的测试和分析可知，校园公共建筑及其供暖系统具有较大的节能潜力，具体表现在如下几个方面：

1）前期合理的规划，是避免无序建设、实现节能运行必不可少的前提；

2）必须严格依据国家相关规范、标准进行节能设计；

3）对于兰州等太阳能资源较丰富的地区，校园公共建筑的朝向应优先考虑南向；

4）由于公共建筑的底层耗热量较大，日晒得热较小，公共建筑供暖系统型式可考虑采用下供上回式，以减少底层房间采用较大面积散热器仍不能满足使用要求的现象；

5）设计计算散热器面积时，应充分考虑供回水温度和温差，对现有散热器传热系数实验关联式进行修正；

6）供暖系统的水力调节和平衡是保证系统正常、节能运行的必要条件，可考虑在系统分支处装设自动平衡装置；

7）公共建筑供暖系统设计时应合理考虑人体散热的影响；

8）低温水地板辐射采暖节能、舒适，尤其适于高大空间，教室等校园公共建筑应当积极采用低温水地板辐射采暖系统型式；

9）室外管网系统材料应优先考虑采用PE等耐腐蚀管道，以延长系统使用寿命和减少阻力损失；

10）由于校园各功能建筑独具使用特点，可采用分时、分区供暖的运行管理模式，即针对学生宿舍、教室等不同供暖功能建筑，不同时段采用不同的供暖温度；

11）采用有效的自动调节和控制手段，对校园供暖系统进行科学化管理，真正实现节能运行。

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[12]建设部.采暖通风与空气调节设计规范(GB50019)[S].北京:中国计划出版社,2012年.

[13]陆耀庆.实用供热空调设计手册(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,1999年.

Analysis of the Present Running Status of Teaching Building Heating System in Lanzhou Jiaotong University

CHEN Mei-juan,ZHOU Wen-he
School of Environmental Science and Municipal Engineering,Lanzhou Jiaotong University

The proportion of winter heating energy consumption of public buildings in universities is large in the total energy consumption,the merits of the heating system design and operation on campus energy saving are very important. Through continuous testing of the operational status on Lanzhou jiaotong university teaching building heating system for 12 hours,it comes to the measured temperatures and the measured heat consumptions per unit area of the classrooms among nine different orientations and floors,at the same time,the heating system design and operation have been verified. Based on the comparison and analysis about the practical test and verified data,the present paper have concluded that the building heating system design,operation and management are reasonable or not,and propounded the design and operation management about school public buildings heating energy-saving.

public buildings,teaching building,heating system,operation management,energy saving

1003-0344（2015）04-064-5

2014-4-29

陈美娟（1990～），女，硕士研究生；甘肃省兰州市安宁区安宁西路88号兰州交通大学环境与市政工程学院（730070）；E-mail：973471175@qq.com