供熱系統(tǒng)常見的問題剖析

供熱系統(tǒng)常見的問題剖析

在2001年和2002年的供暖季，作者對一些不正常的供暖系統(tǒng)（即“問題項目”進行了救援處理。結(jié)合近年來對其它工程的調(diào)研和反思,發(fā)現(xiàn)有許多問題,源于設(shè)計理念方面的一些模糊認識,現(xiàn)加以整理以供參考。1系統(tǒng)實際運行工況時運行水溫大小以及是否較低散熱器熱水供暖系統(tǒng)的熱媒設(shè)計溫度,一般根據(jù)熱舒適性、系統(tǒng)運行的安全性和經(jīng)濟性等因素確定。供水溫度不超過95℃,可確保熱媒在常壓條件下不發(fā)生汽化;適當降低熱媒溫度,有利于提高舒適度,但要相應增加散熱器數(shù)量。所以一般采用95℃/70℃,例如:作為散熱器標準工況的64.5℃,就是水溫95℃/70℃的平均值與室溫18℃的傳熱溫差。許多供暖系統(tǒng)的設(shè)計計算資料,也按此條件編制。當然,確定熱媒設(shè)計溫度要符合熱源條件并考慮其它因素。例如:以較低溫度的一次熱媒進行換熱所得的二次熱媒,或采用戶式燃氣熱水供暖爐的水溫有限制,或采用塑料類管材為提高其耐用性時,也有采用85℃/60℃作為設(shè)計參數(shù)的。但是,再進一步降低散熱器供暖的熱媒設(shè)計參數(shù),顯然是不合理的。以95℃/70℃為比較基礎(chǔ),熱媒平均溫度每降低10℃,散熱器數(shù)量約增加20%。當前,存在不適當?shù)剡^多降低散熱器供暖熱媒設(shè)計參數(shù)的傾向。原因是某些開發(fā)建設(shè)單位在提供設(shè)計條件時,按照熱源的實際運行工況提出熱媒設(shè)計參數(shù),例如提出供水溫度只有70℃。如不加深入分析,就直接采用這樣的參數(shù)進行設(shè)計計算,會使散熱器數(shù)量增加很多,會出現(xiàn)同一熱源的不同建筑,散熱器數(shù)量相差近一倍的現(xiàn)象,更加劇了系統(tǒng)的失調(diào)度。多年以前,筆者就曾進行過實態(tài)調(diào)查測定,發(fā)現(xiàn)北京地區(qū)多數(shù)由城市熱網(wǎng)或小區(qū)集中鍋爐房供暖的住宅,即使設(shè)計水溫為95℃/70℃,當達到設(shè)計室外溫度時,運行水溫一般只要70℃/55℃左右,即可保證室內(nèi)設(shè)計溫度。但如果按70℃/55℃的水溫設(shè)計系統(tǒng),是否運行水溫又可進一步降低呢?似乎不應陷入如此惡性循環(huán)的怪圈。為何系統(tǒng)實際運行水溫遠低于熱媒設(shè)計溫度時,也可達到設(shè)計室溫?主要是由于實際配置的散熱面積均不同程度地大于理論所需散熱面積。根據(jù)理論推導和實際工程運行驗證,對于設(shè)計水溫95℃/70℃的系統(tǒng),當散熱面積大10%時,運行水溫約可為90℃/65℃;當大20%時,運行水溫約可為85℃/60℃;當大30%時,運行水溫約可為82.5℃/57.5℃;當大40%時,運行水溫約可為80℃/55℃。由于設(shè)計保守等各種因素,一般系統(tǒng)的散熱面積均會大30%以上。2年際變化大,未充供暖效果雖與散熱器數(shù)量的多少有關(guān),但主要取決于系統(tǒng)的水力工況。但是,近來?？梢姷接赡切┬闹袩o底又不認真進行系統(tǒng)水力平衡計算的設(shè)計人員所做的設(shè)計。位于北京大興的一幢6層(局部帶躍層)單元式普通住宅,室內(nèi)供暖系統(tǒng)為干管異程的上供下回單管順序式,衛(wèi)生間和廚房采用高頻焊鋼制散熱器,其它為四柱型鑄鐵散熱器。上一個供暖季住戶就反映室溫偏低,曾判斷為建筑保溫質(zhì)量不好,普遍均勻增加了20%散熱器。本供暖季一開始,在同一熱源供暖的其它建筑均供暖正常的情況下,本工程系統(tǒng)末端(尤其是下層)室溫仍偏低,引起部分住戶向市政府投訴。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查和對系統(tǒng)設(shè)計進行水力平衡驗算,發(fā)現(xiàn)存在較大的不平衡度。衛(wèi)生間和廚房的立管管徑一律取DN15,其它立管管徑不論立管負荷大小,一律取DN20,入口處較有利的53號立管帶6層,散熱器27片,阻力損失僅為約580Pa,系統(tǒng)末端最不利的64號立管帶7層,散熱器63片,阻力損失高達約3700Pa,加上供回水干管的阻力損失,這兩根立管的不平衡度高達約800%。遠超過文獻第3.8.6條關(guān)于“熱水采暖系統(tǒng)的各并聯(lián)環(huán)路之間的計算壓力損失相對差額不應大于15%”的規(guī)定。各層均勻增加散熱器,更會加劇垂直失調(diào)。根據(jù)驗算結(jié)果,筆者會同幾位年輕設(shè)計人員對系統(tǒng)進行了調(diào)節(jié),并建議運行維修人員進行精細調(diào)節(jié),情況雖得以改善,但先天性的失調(diào)是難以徹底解決的。同樣,北京某大學的兩幢6層單元式普通住宅,室內(nèi)供暖系統(tǒng)也是采用干管異程的上供下回單管順序式,采用四柱813型鑄鐵散熱器,由小區(qū)集中燃氣鍋爐房供暖。據(jù)使用單位和住戶反映,系統(tǒng)自投入使用以來,冬季室內(nèi)溫度達不到北京市政府規(guī)定的16℃最低標準,在嚴寒期內(nèi),1～2層的室溫大多在12℃以下,已嚴重影響居民的生活環(huán)境質(zhì)量。到現(xiàn)場對典型房間進行調(diào)查,室溫和散熱器溫度明顯低于由同一熱源供暖的其它建筑。對設(shè)計供暖負荷進行驗算,散熱器數(shù)量符合常規(guī)計算結(jié)果;對系統(tǒng)設(shè)計進行水力平衡驗算,則同樣存在較大的不平衡度。系統(tǒng)內(nèi)不論立管負荷大小,雙側(cè)接散熱器的立管管徑一律取DN25mm,單側(cè)接散熱器的立管管徑一律取DN20mm,而無外圍護結(jié)構(gòu)的衛(wèi)生間,則采用DN32的光立管。1號樓入口處最有利的7號立管阻力損失僅為約900Pa,系統(tǒng)末端最不利的25號立管阻力損失高達約3500Pa,加上供回水干管的阻力損失,這兩根立管的不平衡度約高達700%。而衛(wèi)生間立管阻力損失僅為約60Pa。加以環(huán)路劃分偏大,室內(nèi)系統(tǒng)水力失調(diào)現(xiàn)象必然會出現(xiàn)。筆者試圖對系統(tǒng)進行調(diào)節(jié),但質(zhì)量低劣的鑄鐵閥門根本無法轉(zhuǎn)動。除上述因素外,由于室外供暖管網(wǎng)的嚴重失調(diào),致使1號樓和2號樓供暖流量不足,即便是入口處的有利環(huán)路,流量也明顯不足。3解決了系統(tǒng)進入空氣某供暖建筑面積22萬多m2的居住小區(qū)里,每到晚上八九點鐘后,存在水力失調(diào)的室內(nèi)系統(tǒng)末端底層住戶的散熱器就開始降溫,到半夜就完全不熱,而次日早晨又會逐漸熱起來。據(jù)深入調(diào)查發(fā)現(xiàn),散熱器重新熱起來是由于頂層住戶在每晚臨睡前和次日早晨起床后進行了手動放風所致。經(jīng)改裝了質(zhì)量較好的自動排氣閥后情況有所緩解,但系統(tǒng)中還是經(jīng)常有空氣存在。顯然,應徹底解決系統(tǒng)進入空氣的問題。據(jù)查,系統(tǒng)未設(shè)置膨脹水箱,也未設(shè)置氣壓水罐,只是依靠功率較大的補水泵進行補水定壓,而補水泵則由電接點壓力表控制啟停,當水位降至下限值時水泵啟動,達到上限值時停泵。由于設(shè)置在管路上的壓力表指針會發(fā)生抖動,上下限值的整定間距不能很小,因此,停泵后重新啟動必然會有較長的時間間隔。在此時段內(nèi),由于水的不可壓縮性,總會有空氣進入系統(tǒng),并積存于流量較小的系統(tǒng)末端頂點處。由于該工程無處增設(shè)膨脹水箱和氣壓水罐,故增設(shè)了一臺略大于系統(tǒng)泄漏量的小功率補水泵(0.75kW),使之連續(xù)運行,當流量大于系統(tǒng)泄漏量時,通過限壓閥回流至軟水箱,基本上解決了問題。由此可得到啟示:用合理容積的膨脹水箱或氣壓水罐進行定壓,是十分必要的。4豎向壓力分區(qū)設(shè)置的錯誤文獻第3.3.9條規(guī)定:“建筑物的熱水采暖系統(tǒng)高度超過50m時,宜豎向分區(qū)設(shè)置”。條文說明作如下解釋:其主要目的是為了減小散熱器及配件所承受的壓力,保證系統(tǒng)安全運行。暖通規(guī)范作上述限定十分必要。近年來,高層建筑(尤其是高層住宅)的熱水供暖系統(tǒng)因滲漏而使家庭裝修破壞的事故時有發(fā)生,除散熱器或其它構(gòu)件的質(zhì)量差和施工安裝隊伍素質(zhì)低等因素外,主要由于系統(tǒng)承壓過高。某25層高層住宅,原室內(nèi)系統(tǒng)設(shè)計是按豎向分區(qū)設(shè)置的,但由另一單位設(shè)計的鍋爐房卻未考慮分區(qū)。在第一個供暖季,開發(fā)建設(shè)單位因水滲漏向住戶賠償?shù)膿p失費用就高達十幾萬元,不得不對系統(tǒng)進行改造。有些設(shè)計人員在熱源處設(shè)置分集水器,對高低環(huán)分別接出供回水管路,將“分環(huán)”當作豎向壓力分區(qū),這是概念上的錯誤?！胺汁h(huán)”可能有利于水力平衡和調(diào)節(jié),但不可能對高區(qū)和低區(qū)分別定壓,并不能克服低區(qū)所承受的較高靜水壓力。豎向壓力分區(qū)最好能從熱源上就分別設(shè)置,不宜分設(shè)時,一般采用間接換熱的方法。間接換熱雖比較穩(wěn)妥,但換熱后二次水的溫度將有所降低,致使散熱器數(shù)量增加。因此,在實際工程應用中,也有采用加壓和減壓的方法,即:熱源系統(tǒng)按低區(qū)定壓,高區(qū)系統(tǒng)供水經(jīng)加壓送入,回水則減壓接至低區(qū)系統(tǒng)。從理論上分析,高區(qū)熱媒循環(huán)水泵的工作揚程,要附加高低區(qū)系統(tǒng)的幾何高差帶來的靜水壓頭,不利于節(jié)能,但從技術(shù)經(jīng)濟的綜合分析,可能仍有可取之處。但采用此種方法,要特別注意減壓閥的動靜壓差特性,即:當高區(qū)系統(tǒng)水泵停運時,減壓閥后的設(shè)定壓力會升高一個動靜壓差值,此值在閥的額定流量條件下約為50kPa,造成低區(qū)開式膨脹水箱溢流,并同時使高區(qū)系統(tǒng)虧水和空氣進入。雖然性能較好的減壓閥動靜壓差較小,但最好還是采用閉式膨脹水箱,或采用不間斷運行的變頻補水泵定壓。5內(nèi)腔粘砂和提取液文獻有針對性地提到散熱器的選擇問題。要求“應采用體型緊湊、便于清掃、使用壽命不低于鋼管的型式”。目前,散熱器品種繁多,設(shè)計人員有從容選擇的余地,但也要注意在實際應用中各種散熱器都出現(xiàn)過不同性質(zhì)的問題。關(guān)鍵是要針對系統(tǒng)的特性,較為適當?shù)剡x用。要用其所長,避其所短。系統(tǒng)的運行、保養(yǎng)和水質(zhì)控制等環(huán)節(jié)水平的提高,有一個漸進的過程,一種有生命力的產(chǎn)品,應該提高其適應客觀條件的性能,而不是對客觀條件的苛求。鑄鐵散熱器是一種適應性較強的品種,它在應用上的主要弊病是:體型不緊湊,如鑄鐵四柱或鑄鐵長翼型等陳舊型號,顯然與節(jié)能的、裝飾要求較高的建筑環(huán)境很不協(xié)調(diào);由于偷工減料,常使散熱器達不到額定散熱量;內(nèi)腔粘砂成為系統(tǒng)堵塞的重要原因;落后的鑄造工藝和加工粗劣,絲對接口容易漏水。一些發(fā)達國家自己不生產(chǎn)但仍樂于采用,并作為高檔的產(chǎn)品,當然不是這樣粗陋的品種。如不開發(fā)新的品種,必然會陷入困境?？上驳氖?外型煥然一新、類似于高檔鋼制散熱器、內(nèi)腔無粘砂的鑄鐵散熱器,國內(nèi)已開發(fā)成功并已形成生產(chǎn)能力。鋼板材質(zhì)的鋼制散熱器體型較薄且較美觀,國外采用較多。國內(nèi)引進并廣泛應用以后,由于材質(zhì)、生產(chǎn)工藝、運行水質(zhì)等因素失控,20世紀80年代后期曾發(fā)生大量腐蝕而造成過很大損失,至今,仍有過頭的商業(yè)宣傳誤導用戶,不斷造成此類腐蝕現(xiàn)象發(fā)生。引進國外材料和生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的一些高檔散熱器,提出了一系列對于較大的集中供暖系統(tǒng)幾乎無法達到的苛刻要求,例如:嚴格控制熱媒含氧量,限定采用隔膜式膨脹罐定壓方式,非供暖季滿水保護,檢修時只能局部放水,塑料管設(shè)阻氧層,內(nèi)掛鎂棒即采用犧牲陽極保護等。說明其形成腐蝕的主客觀問題并未根本解決,因此仍應慎用,但可應用于以燃氣熱水供暖爐或電熱水供暖爐等分散熱源的戶式系統(tǒng)中。按壽命不低于鋼管的耐腐蝕界定標準,早期開發(fā)的鋼管材質(zhì)的鋼制串片管式散熱器和后期開發(fā)的繞片式(包括高頻焊或強繞)鋼制散熱器,仍是鋼制散熱器中可放心選用的主體品種。但此類散熱器水阻較大,廠家又常不能提供準確的水阻特性數(shù)據(jù),在單管系統(tǒng)中特別是采用兩通恒溫閥加跨越管的系統(tǒng)中應用,會發(fā)生許多問題。此外,此類散熱器“罩外加罩”的情況十分常見,因其熱工性能和特定形式的外罩有關(guān),外罩的成本占其價格的相當比例,但其外觀難以滿足用戶的裝飾要求。鋁制散熱器是一種高效的散熱器,同樣也發(fā)生過腐蝕穿孔問題,除材質(zhì)外,堿性水質(zhì)和超量的氯化物都會對鋁產(chǎn)生腐蝕,雖對此種散熱器提出了內(nèi)防護要求,但工藝上難以實施,也不便于檢驗。因為熱水鍋爐水質(zhì)標準要求鍋水的pH值應為10～12,說明此種散熱器不能用于以鍋爐為直接熱源的集中供暖系統(tǒng),但可在熱網(wǎng)集中供熱、用戶側(cè)為經(jīng)熱交換的二次熱媒系統(tǒng),也可以應用于以燃氣熱水供暖爐或電熱水供暖爐等分散熱源的戶式系統(tǒng)。采用銅鋁復合材質(zhì),可能是鋁制散熱器的主要出路。6雙管系統(tǒng)典型恒壓閥的水阻特性無論是實施分戶熱計量的住宅戶內(nèi)供暖系統(tǒng),還是其它傳統(tǒng)的垂直單管或雙管系統(tǒng),從節(jié)能和提高熱舒適度角度出發(fā),設(shè)置分室溫度控制都是十分必要的。分室溫度控制可以是自動的,也可以是手動的。在這方面的商業(yè)誤導表現(xiàn)為:將分室溫度控制等同于采用散熱器恒溫閥,并認為采用恒溫閥就無需進行水力平衡計算。這種誤導造成了一些系統(tǒng)的失調(diào)和對恒溫閥的負面影響。采用質(zhì)量較好的手動兩通或三通調(diào)節(jié)閥實施分室溫度控制,可能更適合于投資條件受限和供暖不足的實際情況。即使有條件采用恒溫閥時,也應該在弄清楚其水力特性基礎(chǔ)上正確選用。散熱器兩通恒溫閥的高阻水力特性,適合于雙管系統(tǒng)。為適應我國市場的需要,國外又推出了針對單管系統(tǒng)的三通恒溫閥和低阻兩通恒溫閥。因此,我們要面對三類恒溫閥,而不是不加區(qū)別地對待。用于雙管系統(tǒng)的高阻兩通恒溫閥,又按不同的預置設(shè)定功能分成若干型號,其口徑一般情況下應采用DN15,少量需采用DN20,無區(qū)別地采用較大口徑不利于水力平衡。而用于單管系統(tǒng)的三通恒溫閥和低阻兩通恒溫閥,則必須有DN15,DN20,DN25甚至更大的口徑,以根據(jù)散熱器的負荷適當選配接管。無論是何種恒溫閥,水阻特性對于系統(tǒng)水力計算是不可缺少的。國外產(chǎn)品水阻特性大多用Kv值標記,Kv值是指當閥兩端的壓差為100kPa時流經(jīng)閥的流量(m3/h)。而在最大閥開度條件下,水阻特性則用Kvs值標記。式(1)將Kvs值轉(zhuǎn)換為我們習慣采用的局部阻力系數(shù)ζ值:ζ=1AK2vs(1)ζ=1AΚvs2(1)式中A為換算系數(shù),見表1。雙管系統(tǒng)高阻兩通恒溫閥應用中出現(xiàn)的主要問題是極易堵塞,因此對總體供熱不足和運行管理粗放的系統(tǒng),似利少弊多。恒溫閥在單管系統(tǒng)中應用發(fā)生問題較多,最突出的是采用兩通恒溫閥加跨越管時,不適當?shù)赜昧烁咦韬銣亻y。單管系統(tǒng)即使采用低阻兩通恒溫閥加跨越管的做法,也應該核算散熱器的進流系數(shù)。散熱器的進流系數(shù),取決于散熱器通路和跨越管通路的阻力比,與恒溫閥、散熱器和兩個通路的管徑匹配有關(guān),有一個較為復雜的計算過程。有些工程因散熱器的進流量過小,不得不在跨越管段上再加閥門,這是一種很不合理的處置。根據(jù)工程實踐經(jīng)驗,北京市分戶熱計量試用圖集中,提出了一個界定標準,即進流系數(shù)應不小于30%,已被許多方面包括恒溫閥生產(chǎn)廠所接受,有些國外的低阻兩通恒溫閥新一代產(chǎn)品,又降低了水阻力。3種典型的低阻兩通恒溫閥按Kvs換算的ζ值見表2。當采用ζ≤2的低阻力散熱器(如鑄鐵散熱器)時,3種典型的低阻兩通恒溫閥加跨越管的散熱器進流系數(shù)計算結(jié)果見表3。由此可見,并不是所有的兩通恒溫閥都可應用于單管系統(tǒng)。例如:A公司的RTD—G型和C公司的H型,以及水阻特性系數(shù)不大于RTD—G型的其它低阻兩通恒溫閥,才可應用于單管系統(tǒng)。三通恒溫閥是針對單管系統(tǒng)的,但水阻仍偏大,以C公司的產(chǎn)品為例,其數(shù)值為:DN15Kvs=2.16,ζ=20,全開時的旁通率約58%;DN20Kvs=3.10,ζ=32,全開時的旁通率約42%。7管道權(quán)的管道深在實施住宅分戶熱計量的戶內(nèi)供暖系統(tǒng)中,已大量采用塑料類管材,塑料管與金屬管件接頭處漏水已成為一大公害,尤以交聯(lián)鋁塑復合(XPAP)管和交聯(lián)聚乙烯(PE-X)管為甚。XPAP管由于其良好的阻氧性能,相對于其它塑料類管材,更適合于采用鋼制散熱器的戶內(nèi)埋地管道。有一種說法:接頭處漏水是由于管道的縱向膨脹所引起,這是不確切的。管道受熱后縱向膨脹形成的膨脹力,是伸長量、管材的彈性模量和管道截面積的乘積。鋼管的線膨脹系數(shù)是0.012mm/(m·K),而塑料類管材線膨脹系數(shù)的概略值,按從小到大排列如下:XPAP管0.025mm/(m·K),PB管0.130mm/(m·K),PP-R管0.180mm/(m·K),PE-X管0.200mm/(m·K)。當然,線膨脹系數(shù)大的管材受熱后會有較大的熱伸長量。但塑料類管材的彈性模量遠小于鋼管,鋼管的彈性模量為20.6×106N/cm2,而PP-R管在20℃時僅為80×103N/cm2,95℃時又降低為25×103N/cm2