集中供暖分户热计量设计热负荷附加率和相关因素的分析
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摘要：本文通过在集中供热分户热计量设计中，因户间传热所造成的采暖设计热负荷与传统计算设计热负荷不同, 对如何计算采暖设计热负荷附加率这一问题进行分析研究，引入不采暖住户室内设计平衡温度的概念，分析了采暖设计热负荷附加率与建筑内外围护结构、周围房间的采暖概率、不采暖住户所能达到的设计平衡温度的关系，利用有效传热系数法计算室内设计平衡温度和户间传热量。1 引言 热负荷计算是室内供暖系统设计的基础，住宅建筑分户计量供热传热量的计算方法与以前的集中供热的计算方法基本一致，所不同之处就在于它是以户为单位实施供热。实行计量和控温后，就会造成各户之间、各室之间的温差加大，也就加大了户间传热量，因而房间的热负荷应比传统的集中供暖系统要大，它除了要计算正常的热负荷外还需要计算向不供暖的邻室的传热量。目前国内的一些设计采用的方法是在传统计算方法的基础上考虑25％～50％的附加率［1］。很显然，附加率的大小关系到两个问题：一是这样的附加率是基于什么条件确定的，能否满足各种情况下的正常使用？二是附加率是否过大引起散热器的增加而使投资加大［2］。由此可见，户间传热对设计热负荷的影响不容忽视，并应建立具体的量的概念。2 设计平衡温度 对于分户热计量计算设计热负荷时，在众多相关因素中，一栋住宅中不采暖住户（假设周围住户都采暖）所能达到的室内设计平衡温度是相当重要的参数，它直接影响到设计热负荷附加率的大小，室内设计平衡温度高，设计热负荷附加率就降低，设计热负荷也随之降低。因此本文首先研究室内设计平衡温度及其相关因素。 非采暖房间（是指不启动采暖设备的房间）与其周围的房间（假定为全部启动采暖设备）因存在温差而产生热传递，当热传递达到平衡时该房间达到某个温度，笔者在本文范围内定义此室内温度为设计平衡温度。所以笔者按有效传热系数法，通过建立热平衡方程式计算设计平衡温度，为了简化计算，建立以下假设： （1）非采暖房间和所有采暖房间的温度都相同即ti =tn； （2）所有非采暖房间温度都相同； （3）假设楼梯间也采暖，温度ti =tn。 （1） 式中： ——不采暖房间室内计算温度（℃）；
——供暖室外计算温度（℃）。
——围护结构传热系数的修正系数；
——外围护结构的传热系数（W/㎡）；
——外围护结构面积（㎡）；
0.278——单位换算系数，1kJ/h=0.278W；
nk——房间的换气次数，次1/h ；
Vn——房间的内部体积（m3）；
cp——冷空气的定压比热（kJ/（㎏·℃））,cp =1kJ/㎏℃；
——供暖室外计算温度下的空气密度（㎏/m3）；
——内围护结构（楼板、户间隔墙）传热系数（W/㎡）；
——内围护结构（楼板、户间隔墙）面积（㎡）； 由公式可知设计平衡温度与下列因素有关：室外设计温度、外围护结构平均传热系数、户型体型系数、层高、建筑面积、冷风渗透耗热量、室内设计温度、内围护结构传热系数和面积。并且利用热平衡法和冷却函数法对设计平衡温度的理论计算与实际测试结果相一致［3］。3 确定热负荷附加率的方法 由于内围护结构传热引起了在设计过程中需对热负荷进行附加，内围护结构传热是因邻室间存在温差而造成的，所以，在本文范围内定义内围护结构传热量为：周围房间都处于设计平衡温度下，采暖房间通过内围护结构的传热量总和，见公式（2）： （2） 式中： tbj——第j个不采暖房间设计平衡温度（℃）；
j——第j面内围护结构；
m——内围护结构的数量。 其它符号同前。 内围护结构的传热量Q主要与内围护结构面积、传热系数、邻室设计平衡温度以及内围护结构的数量等因素有关。 但是实际上，采暖房间周围所有房间同时不采暖的概率并不常见，所以不能把内围护结构传热量统统加到供暖负荷中去，因而应使用某一采暖概率（P）来计算户间传热造成的供暖负荷的附加率。但是，与采暖住户相邻的住户采暖概率是未知的，应合理确定采暖概率。 下面定义内围护结构传热量百分比：当采暖概率为一定值时，采暖房间通过内围护结构（户间隔墙、楼板）向不采暖房间传递的热量与此房间外围护结构耗热量的比值，见公式（3）： （3） 式中 P——采暖概率，在本文范围内取值在50％～70％之间；
X——采暖概率为定值情况下，内围护结构传热量百分比。 从以上分析可见，在采暖概率为定值情况下，将内围护结构传热量百分比（X）作为设计热负荷的附加率，是比较合理的。但是，有一种比较常见的情况就是采暖住户周围有一户不采暖，设计热负荷的附加量应满足这种情况，利用设计平衡温度来计算传热量最大一面内围护结构传热量，定义传热量最大的一面内围护结构的传热量百分比如公式（4）所示 （4） Lmax——传热量最大的内围护结构传热量百分比。 公式中其它符号同前。 确定了设计热负荷附加率的方法：即在一定的采暖概率下，将内围护结构传热量百分比作为设计热负荷附加率，当传热量最大的内围护结构传热量百分比大于该采暖概率下内围护结构传热量百分比，则将内围护结构传热量百分比（Lmax）作为设计热负荷的附加率。 从公式（3）、（4）中可知，X不仅取决于内外围护结构热工特性，还与采暖概率、不采暖设计平衡温度等诸多因素紧密相关。其随着内围护结构面积、传热系数和邻室温差的增大而增大；随着采暖概率、室内外温差、外围护结构面积和传热系数的减小而增大。Lmax与外围护结构传热系数、面积和室内外设计温差成反比，与内围护结构传热系数、面积以及邻室温差成正比。 由于楼板被室内家具、设备等遮挡，使得楼板的有效传热面积减少，从而影响不启动采暖设备的室内设计平衡温度和设计热负荷的附加率，因此对于居住建筑在计算设计平衡温度和设计热负荷附加率应按房间有遮挡来进行计算。4 相关因素实例分析 下面以哈尔滨地区节能建筑人和名苑居康和居工程实例，该建筑外围护结构按国家有关节能标准设计、建造并通过节能验收。 该建筑为一梯两户，南北朝向，房间层高为2.8m；下面选取三个比较有代表性的单元为例说明设计热负荷附加率的方法以及存在的问题。1、2、3单元分别为有一面、二面、三面外围护结构的单元，采用换气次数法（取0.5次/h）估算冷风渗透热损失，不考虑生活得热；该建筑围护结构热工性能和其它条件如表1：表1 建筑围护结构热工性能围护结构外墙屋面外窗内墙楼板外门阳台门传热系数W/(m2·℃)0.420.392.501.722.572.52.5 表2为计算得出设计平衡温度，从对人和名苑康和居的实际运行和测试看，具有一面山墙和一面外窗的北向房间（即1单元中间层），在室内外温差为38.16℃时，完全靠相邻房间传热和自由得热仍可使房间维持在14.52℃［4］；而同一位置的房间，通过理论的计算，在室内外设计温差为44℃时，房间设计平衡温度为14.0℃，由此可见，这种计算室内平衡温度的方法与实际测结果基本吻合。具体数据见表2。表2室内平衡温度单元使用面积㎡设计平衡温度（℃）内围护结构传热量百分比一层中间层七层一层二层中间层六层七层11059.714.08.90.581.280.921.420.5221019.513.78.40.541.220.881.280.4831016.612.15.40.381.140.801.220.34 在同一单元中使用面积相同的户型，同一单元中间层设计平衡温度最高，顶层最小。内围护结构传热量百分比最大的在次顶层，高达142％；其次是二层；顶层和底层为最小在50％左右；中间层住宅传热量百分比80％～100％之间。可见如果直接将内围护结构传热量附加作为设计热负荷将会增大初投资，就会造成不必要的浪费。 为了保证热用户有热可调并且确保室内供暖，应选取合适的采暖概率计算内围护结构传热量百分比，下面表3、表4分别以采暖概率P=50％、60％内围护结构传热量百分比、楼板和隔墙最大传热量百分比。表3 采暖概率P=50％、60％内围护结构传热量百分比单元P=50％传热量百分比P=60％传热量百分比一层二层中间六层顶层一层二层中间六层顶层10.290.640.460.710.260.230.510.370.570.2120.270.610.440.640.240.220.480.350.510.1930.190.570.400.610.170.150.370.320.490.14表4 楼板和隔墙最大传热量百分比Lmax单元一面楼板传热量百分比一面隔墙传热量百分比一层二层中间六层顶层一层二层中间六层顶层10.240.700.350.770.210.140.110.110.110.1420.250.670.340.780.210.150.110.110.100.1530.290.720.370.790.250.080.050.050.050.08 由表4可知，楼板传热量通常远远大于隔墙传热量，所以一般情况下，取一面楼板传热量百分比作为设计热负荷附加率。楼板传热量百分比最大的是六层和二层住宅，中间层居中，顶层和底层楼板传热量百分比最小，最小值出现在七层中间非山墙户型，其值为21％。 比较表3表4可见，二层和六层住户的一面楼板的传热几乎占内围护结构传热量的50％。当采暖概率P=50％时，中间层住户的一面楼板的传热百分比小于内围护结构传热量百分比；二层、六层和有三面外围护结构的顶层和底层的住宅，一面楼板的传热百分比大于采暖概率P=50％时内围护结构传热量百分比，中间层和顶层非山墙户型住宅内围护结构传热量百分比大于楼板传热量百分比。当采暖概率P=60％时，一层、二层、六层和顶层住户内围护结构传热量均低于一面楼板的传热百分比，仅中间层二者几乎持平。5 分析计算楼板遮挡的影响 在以上计算中，都没有考虑楼板被家具遮挡的问题，下面分析当地板被遮挡时，设计平衡温度和设计热负荷附加率的变化情况。取地板的有效传热面积系数75％，详细计算见表5。将楼板有效传热面积系数为75％与100％作比较，设计平衡温度的变化在1.0℃左右。其对中间层楼板内围护结构传热百分比影响非常小，二层和六层减小量约为10％。由此可见，楼板遮挡与不遮挡对设计热负荷的附加有一定的影响，尤其对次底层和次顶层的影响大，所以计算设计热负荷附加率时应对楼板有效传热面积予以适当考虑。表5 楼板被遮挡的设计平衡温度与内围护结构传热量百分比单元设计平衡温度（℃）一面楼板传热量百分比一层中间层顶层一层二层中间层六层顶层19.213.48.10.240.600.320.670.2029.013.07.50.250.570.320.680.2035.611.14.00.280.620.350.700.24单元P=50％传热量百分比P=60％传热量百分比一层二层中间六层顶层一层二层中间六层顶层10.310.590.460.670.280.250.470.360.530.2220.280.560.430.600.250.230.450.350.480.2030.190.520.380.560.170.150.410.300.450.136 结论 本文通过以上计算和分析，分析各因素对设计平衡温度和设计热负荷附加率的影响并得出如下结论： 1．设计平衡温度随着外围护结构传热面积、传热系数的增大而减小；随内围护结构传热系数增大而增大； 2．得出设计热负荷附加率的具体做法：应根据实际情况（不同户型）选择采暖概率，设计热负荷的附加率因房间位置不同而不同，建议对于中间户型可以附加采暖概率50％～60％之间的内围护结构传热量，但是，其附加值不得低于传热量最大的一面楼板的传热量百分比；当采暖概率高于60％时，底层、顶层、次底层和次顶层的设计热负荷附加率宜采用传热量最大的一面楼板的传热量百分比，特殊情况下，还要考虑隔墙传热量，取二者最大值。 3．进行设计热负荷计算时，对于户间传热应该适当考虑楼板的有效传热面积，当有效传热面积系数增大时，设计平衡温度也增大。参考文献 1 蔡敬琅，徐征，李超英.对集中供暖系统户间传热量问题的分析.暖通空调．2001,5:27
2 张锡虎，黄涛．住宅集中供暖系统分户热计量和收费的若干问题.暖通空调.2001,1:5～7
3 李文波．基于室温的热计量方法及相关问题的研究．哈尔滨工业大学硕士论文．2002:40～42
4 哈尔滨建筑大学．人和名苑康和居节能建筑和低温辐射电热膜供暖系统测试报告．2000:21