（环境工程专业论文）分户计量供热邻室传热对室内供暖的影响分析.pdf

中文摘要 节能和环保是二十一世纪的发展主题，走可持续发展之路是人类文明发展的 一个新阶段。我国是能源消耗大国，供热计量是推动建筑节能工作的原动力之一。 分户热计量是把供暖节能变成人们的一种自觉行为的重要措施；同时供热计量对 于完善热源调控手段、提升调控设备质量，形成一套成熟的供热系统运行模式也 会起到促进作用，将以前供热的粗放型管理转化为科学的、量化的管理。但由于 国情不同，不能照搬国外的技术，而应根据我们国家的具体情况制订相应的政策 及规范。 本文针对分户计量供热邻室传热对室内供热的影响作为研究对象，首先对分 户计量供热系统容易产生的一些问题进行阐述，并提出了问题的解决办法。同时 针对计量供热比较典型的情况建立供暖房间的模型，在此基础上借助c f d 进行邻 室传热的模拟计算，并得出相应的结论。为探讨存在邻室传热情况时对室内温度 造成的影响及其影响程度，本模拟计算选取了如下6 种工况：中间层4 户全部 供暖的情况；中间层房间1 和房间3 不供暖，房间2 和房间4 供暖，不调整散 热器散热量时的情况；工况2 调整散热器散热量使室内温度达到要求的情况； 中间层房间3 不供暖，其余房间均供暖的情况；顶层房间1 和房间3 不供暖， 房问2 和房间4 供暖，不调整散热器散热量时的情况；顶层房间3 不供暖，其 余房间均供暖的情况，进行研究并得出结论。以p m v p p d 评价指标为依据从热舒 适性角度对以上模拟的室内热环境进行分析探讨。结合两个热计量试点小区的实 测数据与所建立模型的模拟计算进行对比，并得出相应结论。 通过对以上问题的研究，得出相应的结论，对解决分户计量供热中出现的一 些问题给予建议，以达到既节能降耗又在最大程度上满足用户需求，从而推动分 户计量供热工作的目的。 关键词：分户计量邻室传热室内环境热舒适 a b s t r a c t e n e r g yc o n s e r v a t i o na n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o nw e r et h ed e v e l o p m e n tt o p i ci n 21t h i tw a san e ws t a g eo fh u m a nc i v i l i z a t i o nd e v e l o p m e n tt ot a k ec o n t i n u a b l e d e v e l o p m e n t h o u s e h o l d i n gm e t e r i n gw a so n eo ft h em o t i v i t i e st ob u i l d i n ge n e r g y s a v i n g i tw a sa l li m p o r t a n tm e t h o dt oc h a n g eh e a t i n ge n e r g yc o n s e r v a t i o nt oe n e r g y e f f i c i e n c yb e h a v i o r a n da l s oi th a s t e n e dt h ed e v e l o p m e n to ft h eh e a t $ o u c e ，t h e r e g u l a t i o no ft h eh e a t i n gs y s t e m m a n a g e m e n to ft h eh e a ts o l i c ew a sc h a n g e df r o m e x t e n s i v em a n a g e m e n tt os c i e n t i f i ca n dq u a n t i t i v em a n a g e m e n t a st h ed i f f e r e n c e b e t w e e no u rc o u n t r ya n df o r e i g nc o u n t r i e s ，i tw a su n r e a s o n a b l et oa p p l yt h ef o r e i g n t e c h n o l o g yi nc h i n ae n t i r e l y s t a n d a r ds h o u l db em a d ea c c o r d i n gt oo u rc o n d i t i o n s t h ea u t h o rf o c u s e do nt h ee f f e c to fh e a tt r a n s f e rb e t w e e nn e i g h b o r i n gw a l l so l l i n d o o rh e a t i n gi nh o u s e h o l dm e t e r i n gs y s t e m f i r s t l y , t h ea u t h o re x p o u n d e dt h e p r o b l e m st h a tu s u a l l yo c c u r r e di nh o u s e h o l dm e t e r i n gs y s t e ma n dp u tf o r w a r ds o m e m e a s u r e st os o l v et h e m s e c o n d l y , t h ea u t h o rs e l e c t e dat y p i c a lh o u s e h o l dm e t e r i n g s y s t e mt ob u i l dam o d e l ，a n dt h e n ，c o m p u t e dt h eq u a n t i t yo fh e a tt r a n s f e rb y s i m u l a t i n g f o l l o w i n gs i xc o n d i t i o n sw e r ec h o s et oa n a l y s i s ：( 1 ) 4u n i t sw e r ea l l h e a t i n gi ni n t e r m e d i a t ef l o o r ；( 2 ) w i t h o u th e a t i n gi nr o o m1a n d3a n dw i t hh e a t i n gi n r o o m2a n d4i ni n t e r m e d i a t ef l o o rw i t h o u ta d j u s t i n gh e a td i f f u s i o na m o u n t ；( 3 ) s a m e a s ( 2 ) w i t ha d j u s t i n gh e a td i f f u s i o na m o u n tt oa c h i e v et h er e q u i r e di n d o o rt e m p e r a t u r e ； ( 4 ) a l lr o o m sb u tr o o m3w a ss u p p l i e dh e a ti nt h ei n t e r m e d i a t ef l o o r ；( 5 ) 1 1 0h e a t s u p p l i e si nr o o m1 a n d3a n dw i t hh e a ts u p p l i e si nr o o m2a n d4i nt h et o pf l o o r w i t h o u ta d j u s t i n gh e a td i f f u s i o na m o u n ta n d ( 6 ) a l lr o o m sb u tr o o m3p r o v i d eh e a ti n t h et o pf l o o r t h et h e r m a lc o m f o r to ft h ei n d o o re n v i r o n m e n ti nt h e s ec o n d i t i o n sw a s a n a l y s i s e db yp m v p p d c o n c l u s i o nw o u l db eg i v e nb a s e do nt h ec o m p a r i s o no ft h e m e a s u r ed a t ao ft w oe x p e r i m e n t a lr e s i d e n t i a la r e a sa n dt h es i m u l a t e dr e s u l t w ew i l ls t u d yt h et o p i cm e n t i o n e da b o v ea n dp r e s e n tt h ec o n c l u s i o na n dp r o v i d e s u g g e s t i o n so nh o wt os o l v ep r o b l e m sf r o mt h eh e a ts u p p l ys y s t e mw i t hi n d i v i d u a l m e a s u r e m e n t h o p e f u l l yi th e l p sn o to n l yt os a v ee n e r g ya n dr e d u c ec o n s u m p t i o nb u t a l s ot os a t i s f yt h eu s e r sa n dt op r o m o t eu t i l i z a t i o no fh o u s e h o l dm e t e r i n gs y s t e m k e yw o r d s ：h o u s e h o l dm e t e r i n g ，h e a tt r a n s f e r , i n d o o re n v i r o n m e n t ，t h e r m a l c o m f o r t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫壅盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：缴嵌签字吼历夕年罗月口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞叁茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂一可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 豺族 导师签名： 签字日期；2 毋7 年夕月口日签字日期：叩甲月夕日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的背景及研究的意义 节能和环保是二十一世纪的发展主题，走可持续发展之路是人类文明发展的 一个新阶段。我国是能源消耗大国，据调查显示，目前就既有住宅建筑而言，我 国单位建筑面积供热能耗高于相同气候条件发达国家的2 - 3 倍左右u 1 。相对于 一些发达国家，要达到相同的舒适度，我们要付出高于三倍的能源【2 j 。 我国采暖能源严重浪费的根本原因在于房屋外围护结构保温和气密性普遍 很差，供热设备效率低。如天津市旧有住宅建筑外围护结构传热系数为 1 5 7 ( w m 2 k ) ，屋顶为1 2 6 ( w m 2 k ) 而加拿大1 9 7 7 年规定3 5 0 0 度日数以下的 地区，外墙及屋顶的最大传热系数是0 3 6 ( w m ? k ) 和0 1 7 ( w m 2 k ) 例。所有 这些都是能耗高而房间热环境差的原因。此外，我国的能源结构以煤炭为主体， 占整个能源消费量的7 0 以上，而世界平均水平只是2 5 。房屋能耗高必定引 起用煤量的增大，大量用煤会对空气造成严重污染。因此住宅用暖节能已是当务 之急。而供暖分户热计量是住宅节能行之有效的方法之一。 ( 1 ) 供热计量是推动建筑节能工作的原动力之一，是实现建筑节能的重要手 段。建筑节能是指在建筑物的设计、建造和使用过程中，执行建造节能的标准和 政策，使用节能型建造材料、器具和产品提高建筑物的保温隔热和气密性能，提 高采暖隔热系统的运行效以减少能源的消耗。在天津决定推行供热计量之后，对 于居民来说，重新认识建筑节能的重要性也是一种促进：以前居民对房型和朝向 等比较重视，在推行分户计量，按表收费的热计量政策后，由于建筑节能状况的 好坏，会直接影响到热费的多少，所以居民对自己所居住房屋的节能状况也开始 关注，这对于提高我国居住建筑节能标准的提高也起到了一定的促进作用。例如 东欧波兰等国家9 0 年代经济转型后，在引进发达国家先进的建筑节能和供热技 术的同时，推行按热量计量收费，取得了节能2 0 3 0 的明显效果。现在， 我市推行分户计量供热系统对逐步推广建筑节能技术，提高建筑节能等级，达到 节能减排会产生很大的推动力。 ( 2 ) 供热计量可以大量节约能源。我国是一个能源大国，每年消耗在供热方 面的能量非常大，建筑供暖分户热计量是把供暖节能变成人们的一种自觉行动的 重要措施。它可以让住户根据自己的生活习惯、经济能力等在一定范围内自主选 择室内供暖温度，而在这之前很多用户希望自己能调节室内温度进而节能的要求 第一章绪论 在原有的采暖系统中根本无法实现。当然，自主调节也就自主地决定了供暖付费 的多少，显然这也符合市场经济公平的原则。与此同时，供热计量对于完善供热 热源调控手段，提升调控设备质量，形成一套成熟的系统运行模式也起到了促进 作用。将以前热源的粗放型管理转为科学的、量化的管理，做到看天烧煤，定量 供给，从热源上进行改进，也可以减少大量的不必要的浪费。 1 2 国内外分户计量供热技术的现状 在1 9 9 3 年，欧盟发布了s a v e 导则9 3 7 6 e e c ，要求成员国通过提高能效 减d x - - 氧化碳的排放，并贯彻实施供热、空调和热水按照实际耗热付费等计划。 预计仅在1 2 个成员国中实施热计量和按照热耗收费，每年就可以节能2 7 0 万吨 标准煤，从而减少二氧化碳排放6 8 0 万吨。 德国、丹麦、法国、瑞典、芬兰等国家在集中供热方面，特别是在热用户室 温控制的技术水平和设备上代表了当今世界的先进水平。原处于计划经济体制 下、集中供热发达的俄罗斯、东欧以及蒙古等国家和地区，为适应经济转型的要 求，近些年来也陆续加大了对现有集中供热系统的改造，逐步建立起计量供热的 收费体系。日、韩等国也针对各自的特点采取不同的措施。 ( 1 ) 德国 德国早在1 9 8 1 年就颁布了关于热费的规定( 根据国家1 9 7 6 节能法) ，规定 要求在所有新建和现有多层建筑的公寓中安装分户热计量装置，住宅按照计量的 热耗付费。热计量主要采用按楼计量按户分配热量的方法，即将总的供热费用根 据每个楼的总热表的读数，分摊到各个楼，然后再根据各用户热分配表读数把各 楼的供热费用分摊到各户；按户分配的热费由两部分构成的，一是住户实际消耗 的热量费，即热分配表的读数，这部分费用是浮动的，取决于住户的消费行为， 约占7 0 左右；二是固定费用即为基本消费的取暖费，取决于住宅面积，约占 3 0 左右。 ( 2 ) 丹麦 丹麦家庭采暖，在6 0 年代也是按建筑平方米收费；到了7 0 年代，改为按流 量收费；到了8 0 年代，根据法律规定，又改为按热量收费。采暖计量有分户热 量表及总热量表加热量分配表两种情况。热量表也有一个发展过程，如与热量计 相配套的流量仪表，7 0 年代为孔板式，8 0 年代主导仪表为电磁流量计，9 0 年代 主导仪表则为超声波流量计，但户用小表还是采用机械式。热量分配计有蒸发式 及电子式两种，由中介性能源服务公司根据热表提供的数据计算热费。 ( 3 ) 法国 第一章绪论 法国在1 9 7 5 和1 9 7 8 年两次石油危机以前，能源在法国是非常廉价的。对于 消费者来说，供热费用可以说是微不足道的。供热过热时只想到开窗，没有人真 正关心供热费用的多少。对于供热相关行业来说，整个行业没有任何节能意识。 能源危机后，造成的采暖费用急剧上涨促使法国政府、供热行业和消费者不得不 采取一系列方法减少供热能源消耗一提高建筑材料的保温标准、对所有建筑强制 安装温度控制设备。所有新建住房必须预留热量表的位置，大约2 3 的居民是根 据建筑热力入口处热量总表的读数，按用户的居住面积进行分摊。供热费用可分 为可变的热量消耗费和固定费用。在实施供热计量收费的2 年中，节能率为 1 5 2 5 。法国政府正式公布的数据是1 5 ，并以此作为投资经济回报率的依据。 ( 4 ) 波兰 9 0 年代经济转型之前，波兰的建筑节能工作远落后于西方。房屋建筑为混 凝土砌块，热损失大，采暖及生活热水的单位建筑面积能耗约为发达国家的2 倍 左右。供热采暖按建筑面积收费，对住户而言采暖收费也较少，其差额由国家财 政部补贴。转入市场经济后，为缩小与发达国家的差距，波兰政府明确提出建筑 热工与供热现代化方案，不仅对不少既有建筑围护结构进行技术改造，而且对供 热系统的热源、热网和热用户也同时进行技术改造，对热网的改造，包括应用高 效保温管道、水力平衡及温度补偿设备；对热用户的改造，包括对室内采暖系统 加装计量仪表及室温调控设备。与此同时，还对分散锅炉房进行技术改造，与集 中供热管网相联接。采暖收费模式从按建筑面积收费变为按热量收费。 ( 5 ) 韩国 韩国是唯一的一个有法律规定采用热水流量计来计量采暖能耗的国家。根据 1 9 8 9 年的法律，集中采暖的建筑必须采用分户计量。韩国最初采用的是分户热 量表，1 9 9 8 年又出台允许采用热水表进行分户计量的法律。这一变化的主要原 因是因为热量表的性能较差，同时由于水质差而使计量流量的元件很快磨损，因 此热量表需要经常进行修理。另外热量表电池的预期寿命只有5 年。韩国的供热 方式主要是采用低温热水地板辐射采暖，循环水的流量大、温差小。所以采用热 水表分摊计算耗热量的精度还是能够接受的，并且热水表具有成本低的优点。 ( 6 ) 日本 日本于1 9 7 2 年颁布供热事业法。目前日本的热供给事业采用的收费体系有 两种：定额制、两步收费制( 固定费用加计量费用) 。定额制的特证是：适用于 采暖量差异不大的一些客户，不需分别进行复杂的采暖计量和采暖费的计算，而 是单纯的针对价格便宜，采用单一的定额收费制度。两步收费制的特征是，以固 定部分作为基本费用，变动部分要依用用热量的多少来收取费用。 在中国，热计量技术从9 0 年代起开始了偿试，由于国情不同，不能照搬国 第一章绪论 外的技术，两应根据我们国家的具体情况制订相应规范。天津市于1 9 9 5 年1 0 月 就组织了供热计量对比试验，迈出了天津市供热计量技术研究的第一步，其试验 的结果和方法为我市供热改革做了技术上的准备【4 】。 2 0 0 6 年我市开始在部分试点小区进行计量收费，从目前试点的情况来看， 总的情况与预期是相近的，也有部分的情况有待进一步深入研究，制定出切实可 行的供热计量政策。 众所周知，对于传统的供暖系统，用户不具备调节供热量的能力，而且热费 按面积收取，用户不论住在几层，不论住在阴面还是阳面，所交纳的采暖费均是 按面积计算。所以用户不会去调阀门。不存在“人为因素导致的热负荷的变化， 所以近似按照稳态传热工况进行计算足以满足工程要求。实施分户计量后，用户 可以根据自己的需要在不同时段开大、关小甚至关断暖气设施，但是新的问题随 之而来：户内的动态调节对整个热网系统有什么样的要求；居住建筑中各用户在 进行温度调节时会对邻室产生什么样的影响：户间传热量是怎样的情况；户间传 热在多大程度上会影响用户的热舒适性等一系列的问题。 1 3 本课题研究的内容和方法 1 3 1 本课题的研究内容 1 3 1 1 热计量对热网系统的要求 实施分户计量供热后，由于户内动态可调，所以对整个热网也提出了新的要 求，必须进行一系列的改进，增加设备与动态运行匹配，才能达到节能的目的。 本文对热计量系统的必要设施进行阐述，并结合试点中出现的问题，提出相应的 解决办法。 1 3 1 2 热用户调温对邻室产生的影响 用户有了室温调节设备可以调节室内温度，那么用户可以根据自己对舒适度 的要求调节室温。特别是当某一住户因特殊原因，如临时不住或为了节省热费开 支等，将室温调的比较低甚至关断阀，这会使户间热传递造成的影响加重，这种 影响有多大，是否影响正常用热户的室内温度，或者，正常热用户为了维持室内 舒适温度，耗热量会增加多少。本文将对这个问题重点研究。 1 3 2 本课题的研究方法 当用户行为调节时，室内温度处于波动状态，被调节的采暖房间和其相邻的 第一章绪论 房间处于一种非稳态传热状态。由于非稳态传热的计算繁琐复杂且计算量很大， 用户的行为调节又具有很大的随意性和不可预知性，在设计中对上述因素的影响 进行精确地计算几乎是不可能的。但是可以在一定的前提条件下，适当简化热负 荷波动的影响因素，对其进行模拟，并与实际的情况进行对比，从而找到一定的 规律。 ( 1 ) 以热计量小区实践为出发点，对热计量系统的特点及存在的问题进行了 论述。 ，( 2 ) 针对热计量中的典型情况分别建立模型进行模拟，先建立单户采暖房间 模型，此模型旨在研究单户采暖房间里温度分布情况。邻室采暖模型是根据实际 住宅建筑每层有4 个单元的情况建立的4 个简化的相邻房间。并分6 种工况： 中间层4 户全部供暖的情况；中间层房间l 和房间3 不供暖，房间2 和房间4 供暖，不调整散热器散热量时的情况；工况2 调整散热器散热量使室内温度达 到要求的情况；中间层房间3 不供暖，其余房间均供暖的情况；顶层房间1 和房间3 不供暖，房间2 和房间4 供暖，不调整散热器散热量时的情况；项层 房间3 不供暖，其余房间均供暖的情况，进行研究并得出结论。借助a i r p a k 软 件对4 个相邻供暖房间6 种工况下，室内温度的变化及邻室传热进行研究分析。 ( 3 ) 对存在户问传热的房间用p m v p p d 评价指标进行室内热舒适性分析。 ( 4 ) 用热计量试点小区北岸小区及百花园小区的实际抄表数据与所建立模 型的模拟状况进行对比。 第二章分户计量供热对热源及系统的要求 第二章分户计量供热对热源及系统的要求 分户计量系统与传统供热方式相比，热源或系统需要增加以下基础设施：热 表、散热器恒温阀、气候补偿器、平衡阀、水泵变频设备。户内系统应采用单户 分环。 2 1 户内系统设施 户内系统设施本文所指为热力入口以内的设施，包括热表、散热器温控阀、 平衡阀等设施。 2 1 1 热表 热表分为户用热计量表和热分配表两种。 。 热量分配表：热量分配表是通过散热器平均温度与室内温度的差值的函数关 系来确定散热器的散热量，结合热表来测量散热器向房间散发出的热量，它的缺 点是：不能直观读取数据，不同散热器与蒸发量的关系需要大量的标定工作，各 户实际用热值需经过复杂的计算才能得出，管理较复杂。在单户分环系统中不采 用。在目前的计量试点中也极少使用这种热表。因为热计量不仅仅是简单地对热 系统改造后挂表，它对住宅的节能标准也有相当的要求，下一章内的实例对比中 可以明显地看出这一点。 户用热计量表由一个水流量计、温度传感器积算仪组成。长期应用和水质恶 劣等因素要求仪表的可靠性与适应性要高，电器元件低功耗以延长电池寿命等。 目前天津市所用户用热量表分机械和超声波两种。为了进行超声波表与机械表 的性能比较，分别对4 片小区，共计2 9 2 8 户的试点进行了统计分析结果见表2 1 。 表2 - 1 试点统计结果 小区名称华泰小区 胜景小区百花小区北岸小区 热表类型进口机械国产机械进口超声波 进口超声波 户数( 户) 5 8 8 9 0 44 8 69 4 9 表损坏数( 块) 5 81 0 00 4 损坏率 9 8 6 1 1 100 4 从以上数字可以看出超声波表的性能还是比较好的。究其原因，还是的供热 第二章分户计量供热对热源及系统的要求 系统水质杂质含量较多，以及施工过程中未按操作规程严格操作，施工后未对管 道进行彻底的冲洗，造成大量杂质混入管网。而机械表中的流量计是叶轮式，易 被堵塞。从以上华泰试点小区的情况统计看，热表报损5 8 块，其中5 5 块损坏原 因是表堵。超声波表因其优越的性能，在计量试点收费项目中作为首选。本文中 采用数据的两个试点小区皆使用的是超声波表。 2 1 2 散热器温控阀 散热器恒温阀是安装在散热器上的自动控制阀门。在目前安装散热器恒温阀 的建筑中，温度的垂直失调能够普遍得到解决，系统能够正常运转并且实现室内 温度控制，恒温阀会按设定要求自动控制和调节散热器的热水供应，可以保证稳 定舒适的室温。但在大多数试点小区出现安装和使用温控阀在存在问题。安装问 题为： 温控阀安装位置应为水平垂直安装，但这个位置常常比较占用空间，不 方便家具摆设或通行，用户往往自行改动为竖直安装位置或拆掉阀头。这样造成 的结果为无法进行温控调节，或温控阀调节温度不准确。解决这个问题的方法为： 在户内设计中可以选用角装温控阀或选用下供下回式散热器即可解决这个问题。 除此之外，是还要继续加大热计量的宣传力度，让用户有节能意识去主动调节设 定温度。下表为温控阀开度与室内设定温度的对应表，表2 2 t 5 1 。 表2 - 2 温控阀开度与室内设定温度的对应表 l 温控阀开度 l2345 i 对应温度 81 21 62 02 42 8 2 1 3 平衡阀 平衡阀是调节系统平衡与稳定性，达到控制设备发挥应用作用的一个关键设 备。此处所指平衡阀为热力入口所使用的。平衡阀分为自力式流量调节阀、自力 式压差调节阀。计量系统应选用自力式压差调节阀。但在目前的计量小区中有的 选用的为流量式平衡阀，这虽然可以对系统进行调控，但效果较差。或虽然选用 了压差平衡阀，但调节阀的有效调节范围在出厂时已限定，与实际热力系统所需 要的参数并不匹配，以上两种情况都达不到计量供热的需求，甚至产生副作用， 以至于有的供热区域因平衡阀选择不当而造成户内供热效果不好而将已安装的 平衡阀全部拆掉的情况。所以在今后的设计及施工中应明确这一点，选用可预调 的自力式压差平衡阀，这样在平衡阀安装后可以根据供热区域的具体情况重新进 行设定。 以上就热计量户内供暖系统需要增加的设施做了阐述，对在实践中存在的问 第二章分户计量供热对热源及系统的要求 题指出并提出了解决的方案。总的来说，目前采暖系统的阻力、压降、流速、水 质等与国外有很大差别，而现在热计量系统所使用的设施目前多为进口，如恒温 阀、热表等，从实践来看，其设备的流通能力较小，在设计选用中必须充分考虑 到这一点，适当增大选型，或有待于开发出适合国情的产品，否则在实际运行中 会出现压力损失大，供热不足，产生啸震、噪音等一系列问题，从而影响热计量 工作的推行。 2 2 外网系统 在户内系统安装恒温阀等控制元件后，动态地调节势必会给系统带来波动， 系统稳定性受到影响：影响其它末端设备工况，如影响水泵、换热站、锅炉等设 备。因此需要自控设备来增强系统稳定性。此外，为适合室内动态控制的需要， 外网及热源必须采取相应的控制手段，随着户内的波动同时进行动态调节，这样 才能达到节能的目的。但目前热计量只在局部试行，所以试点系统的改造只对换 热站以内的部分进行，对热源影响不大，所以本文只在二次网到换热站范围内进 行讨论。 2 2 1 气候补偿器 在计量试点小区的换热站内，一律要求加装气候补偿器，主要原因在于：目 前集中供热缺乏量化管理，锅炉出水或换热站的换热只在供热初进行调试。而分 户计量后供热系统将是动态运行，如果不能及时根据室内外情况调节出水，必然 会造成浪费。在换热站内加装气候补偿器正可以针对这一点，实现动态质调节： 气候补偿器可以根据室外气候温度变化，根据回水温度与室外温度，随时控制出 水温度。也可用户设定的不同时间的室内温度要求，按照设定曲线求出恰当的供 水温度，自动控制供水温度，实现供热系统的供水温度的气候补偿，也可以通过 室内温度传感器根据室温调节供水温度实现室温补偿，还有限定最低回水温度的 功能。加装气候补偿控制可以节能1 0 1 5 ，见图2 1 例。 第二章分户计量供热对热源及系统的要求 2 2 2 水泵变频设备 热交撬曩 6避镌 2 电动舅节瓣 7碧通一 3靛水童度传蓐8气爱扑蕾 4二次承鬈珲i 跃可囊j 彩g童井薯菠俺矗 5瓤t 计1 0 热用户 图2 - 1 气候补偿器的使用图示 水泵变频的作用是根据系统阻力、水量变化，改变转速，调节出力，使水泵 始终在较高的效率下工作，降低耗电量。这对当前推广的动态变流量系统是十分 重要的。目前燃煤锅炉房大多具备此条件。 2 2 3 管网系统 供热计量的最终目的是节能，所以热计量对供热管网的规划也要进行统筹安 排，否则即使户内系统全部按热计量的要求设计施工，换热站也按计量要求进行 了改造，也不能达到节能的目的。如在目前试点小区中发现存在以下问题：在计 量小区的回路内加杂非计量供热区，这样会造成计量小区节能，而把节省的能源 挤到了非计量区。当然热计量正处在推行过渡阶段，这种情况将会随管网的调整 而改进。 此外，计规范规定系统供回水温度为9 0 c 7 0 c ，实际的运行情况表明供回 水温度均比规范规定的要低得多，而且供回水温差明显小于规范规定的2 0 。c 。 其原因主要有两个：一个是由于系统水力失调，为保证最不利用户的用热要求， 采取不断加大流量的方法，导致“大流量，小温差 的落后的运行方式；另一个 是散热器片数的计算和选取过于保守，导致供水温度很低。如果要推行热计量就 要改变这种运行方式，因为用户调节温控阀时，都希望温度能尽快升高或降低， 低温大流量的运行方式，不利于热计量，而且能耗很大。因此供回水温度的设定 应按规范掌握。 第二章分户计量供热对热源及系统的要求 2 3 建筑围护结构保温状况 建筑围护结构保温状况与供热计量是相辅相成的，仅实行供热计量而没有相 应的节能住宅则供热计量是无法推行的，这个问题在第五章的计量试点小区的实 测数据中可以明显地看出建筑围护结构保温状况对耗热量的影响。值得欣慰的是 建筑的节能标准在不断提高，目前对建筑已经提出新的节能标准并已制定了相应 的规范，目前再建的项目的一律按三步节能执行。 2 4 收费方法 本次计量用户的热费是按两个部分计算固定热费与计量热费，两部分之 间的分配比例为各占5 0 t 7 1 。 固定热费与计量表读数没有直接的比例关系，即在完全没有使用的情况下也 必须付出的费用，这项费用中包括两项内容：一、如土地使用，设备折旧，维修 管理，职工工资等。二、建筑中公共部分耗热及邻室传热。固定热费提供了用户 相应的使用功能，并不因为少用、停用或用得多少而变化。这部分费用是按照用 户房屋的供热建筑面积来计算的。 、 计量热费是随用户计量表数字而变化的部分，即使用热量越多，计量开支越 大。这部分费用包含着燃料消耗、运行耗电、系统用水、废料处理等。这部分费 用按照各用户热量表计量的实际用量进行计算。以下是两个试验小区整个采暖期 ( 当年1 1 月1 0 日至转年的3 月2 0 日) 的热负荷情况表2 3 。 表2 3 试验小区热负荷 北岸小区百花园小区 热负荷范围 户数比例( ) 户数 比例( ) 1 2 0 k w h i n 2 0 4 2 1 5 0 1 3 82 8 4 0 合计 9 4 9 4 8 6 从以上两个小区来看北岸小区的热负荷低于9 8 k w h m 的超过5 0 ，而百花 园小区只有3 9 7 0 。究其原因，北岸小区为按表计费小区，事先已进行宣传， 部分业主进行了主动节能。而百花园小区大部分业主无主动节能，在测温过程中 还发现有用户开窗散热现象。 从以上分析中可以看出，供热计量不只是简单地在供热系统上加装计量装置 第二章分户计量供热对热源及系统的要求 而是，而是要在在整个热网系统内全盘统筹，总体规划，才会达到节能的目的。 2 5 本章小结 本章阐述了分户计量供热对热源及系统的要求及对建筑围护结构保温状况 的要求。在本文的范围内定义户内设施是指热力入口以内的设施，其余为外网设 施。户内系统设施需要增加热表、散热器温控阀、平衡阀。外网系统设施需要增 添气候补偿器，水泵变频设备，对于增添的设施在安装使用中所易产生的问题及 解决的办法做了说明。对计量供热的收费进行了说明。 第三章分户计量邻宣传热筷型建i 第三章分户计量邻室传热模型的建立 本章选取试点小区中几种典型情况建立模型，进行供热工况的模拟，对模拟 结果分析的总结，并进行对照研究，分析产生差别的原因并得出相应的结论，以 便对供热中出现的问题进行指导。 3 1c f d 模拟计算简介 a i 础是一种方便快捷的计算机设计辅助工具。主要应用于对通风系统的室 内空气品质、热舒适性、空调或污染控制等的研究。a i r 口a k 为设计者提供了简捷 的操作界面和方便的后处理系统。a i q , a k 调用f l u e n t 流体动力学计算( c f d ) 程 序进行热和流体的计算。该软件方便实用在应用的过程中也验证了它在研究流 体流动和传热问题中的重要作用 8 1 。 求解过程如图3 - 1 所示，a i r p a k 把计算域利用网格离散成一系列的控制容积， 将控制方程在控制容积内作积分并对扩散项离散从而导出离散代数方程组，再采 用分离式的迭代求解方法即”，v ，w 速度场依次求解，然后计算压力修正值使 之对应的流场满足连续性方程，最后求解能量方程、湍流方程、辐射方程，这样 完成一个层次的迭代。在每一个迭代层次中，所有的方程都“同时”求解一次： 在计算每一个变量时，所有控制容积单元均计算。述代计算循环进行直至收敛。 圉3 - la i r p a k 求解过程 目* g 星亨 甲l 卜呈章窿 第三章分户计量邻室传热模型的建立 3 1 1 问题简化及建立模型 建立了两个供暖模型见图3 2 和图3 3 ，单户采暖模型房问高为3 米( y 方向) ， 宽5 米( x 方向，由西指向东) ，长为8 米( z 方向，由南指向北) ，房间南墙开一 个2 0 x1 8 米的窗户，在窗户下面设置散热器，中间有隔墙，每个房间分别设散 热器。此模型旨在研究单户采暖房间里温度分布情况，主要是垂直方向温度分布 情况。邻室采暖模型是根据实际住宅建筑每个单元有4 户的情况建立的4 个简化 的相邻房间，四个房间由西向东依次编号为房间1 、房间2 、房间3 、房间4 。每 个房间高为3 米( y 方向) ，宽3 米( z 方向，由西指向东) ，长为5 米( x 方向，由 南指向北) ，房间南墙开一个2 0 1 8 米的窗户，在窗户下面设置散热器。其中 房间1 和房间4 有3 面外墙，房间2 和房间3 为中间户，只有2 面外墙。 丁 八x 图3 - 2 单户采暖模型 第三章分户计量邻室传热模型的建立 么x 图3 3 邻室采暖模型 以上模型除去顶边房间，其他房间只有南墙、北墙为外墙。 3 1 2 问题的简化 对房间模型进行以下设定： ( 1 ) 所有采暖房间的温度都相同，采暖房间户与户隔墙温度相同无传热。房 间通过外围护结构和窗户向室外传热，通过隔墙向不供暖房间传热。楼板间假设 无传热。 ( 2 ) 将每户简化为包含4 间相通的房间的供暖房间。 ( 3 ) 忽略冷风渗透，供暖房间作为一个封闭空间来模拟计算。户门视为与内 墙相同，仅考虑玻璃的传热作用； ( 4 ) 不考虑生活和阳光得热； ( 5 ) 每个房间设置一个散热器。供暖房间室内散热器简化为一个块。 ( 6 ) 供暖房间传热过程为：散热器以对流和辐射的方式向供暖房问散热。 ( 7 ) 散热器：在本课题中采用的是恒热流，所以除内部发射率以外其它物性参 数均不予考虑。 根据文献【4 】，分户计量控制系统供暖房间室内计算温度，应按相应的设计 标准提高2 c 。本课题中供暖房间室内计算温度取2 0 ，室外计算温度取天津地 区供暖室外计算温度为9 。c 9 1 。 第三章分户计量邻室传热模型的建立 3 1 3 散热器散热面积的计算 散热器的散热面积是根据供暖房间热负荷确定的，散热器面积计算如下： f = i 羔层屈屈 ( 3 一1 ) k 一名) 、。 式中，f 散热器散热面积，m 2 ； p 散热器散热量，w ； k 散热器传热系数，w m 2 ； 散热器内热媒平均温度，； 磊供暖室内计算温度，； 届、屈、屈依次为散热器组装片数修正系数、连接形式修正系数、安装形式修 正系数，计算中可以参阅文献9 1 。 散热器内热媒平均温度计算如下： 。一l s g + 毛h 龟2 芋 ( 3 2 ) 其中，t g 、分别为散热器进水温度和出水温度( ) ，本文中取位9 5 7 0 。c 。 3 2 控制方程组的选择 3 2 1 控制方程组 本文模型控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程。 ( 1 ) 连续性方程 ( 2 ) 动量方程 a 叫t 、 - = u 鼠 等= 一言+ 丢罔l 慨+ 只 a ) c ；瓠；a x ：i 。r 锄膀针如v v ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 - 5 ) 第三章分户计量邻室传热模型的建立 式中 0 应力张量； 互a i r p a k 中模块( 如r e s i s t 趾c e ) 引起的源项。 ( 3 ) 胃邑重万崔 流体流动： 警2 扑磅 - 4 - 瓯 p 6 ， - ：一= 一i1 一i 、一 i n - m j呶八呶j1 固体： 毒卜针删 p 7 ， i 钙 6 、7 式中厅- 焓，j i i = c p a t ，其中乃取2 9 8 1 5k ； 最计算单元内热源； 1 h ，t 一散系数，r ，= 鲁； k 固体导热率。 3 2 2 边界条件及物理条件 数值计算有三类边界条件，模拟研究的模型采用的是设计室外空气参数包括 室外空气温度和围护结构外壁面的对流换热系数，属于第三类边界条件。房间模 型中外围护结构的材料是相同的，均为普通砖混结构，导热系数为0 7 w ( m k ) 。 每问房间的散热器型号和片数也是相同的，散热量根据不同情况再做调整，作为 中间层时，散热量分别取1 4 0 0 w 、7 0 0 w 、7 0 0 w 、1 4 0 0 w ；作为项层时，散热量 分别取2 2 0 0 w 、1 6 0 0 w 、1 6 0 0 w 、2 2 0 0 w 。 3 3 湍流模型的选择 3 3 1 流态的判断 首先来研究建立房问模型内的流态，流体流动特性以四个无因次量来表征： 雷诺数( r e y n o l d sn u m b e r ，r e ) 、贝克莱数( p e c l e tn u m b e r , p e ) 、瑞利数( r a y l e i g h n u m b e r , r 西、普朗特数( p r a n d t ln u m b e r , 刖，前两个应用于强制对流，后两个应 用于浮升力作用的自然对流。当雷诺数大于2 0 0 0 ，瑞利数大于5 1 07 时，认为 流动为湍流。经计算判断此室内流场为高瑞利数自然对流，流态处于由层流向湍 流过渡并最终形成湍流 1 0 1 1 。 第三章分户计量邻室传热模型的建立 3 。3 2 湍流模型 目前的湍流数值模拟方法可以大概分为直接数值模拟和非直接数值模拟两 类【1 2 1 。直接数值模拟是指直接求解瞬时湍流控制方程。非直接数值模拟方法是指 不直接计算湍流的脉动特性，而是设法对湍流作某种程度的近似和简化处理。根 据近似和简化的方法不同，非直接模拟方法又可以分为大涡模拟、统计平均法和 r e y n o l d s 平均法。与i 沁y n o l d s 应力模型对应的是涡粘模型，粘涡模型分为：零方 程模型，一方程模型，两方程模型【1 3 1 4 j ，见图3 _ 4 。 图3 - 4 湍流数值模拟方法及相应的湍流模型 ( 1 ) 零方程模型 零方程模型是指不需要微分方程而用代数关系式把湍流粘性系数与时均值 联系起来的模型。最简单的零方程模型是常系数模型，这时以的计算式为： 鸬= c s l u 。, 一u m i p ( 3 - 8 ) 另一种零方程模型是混合长度理论： 鲳= 成2l 剖d u ( 3 - 9 ) 第三章分户计量邻室传热模型的建立 这里为主流时均速度，y 是与主流方向相垂直的坐标。乙为混合长度，它 与流体分子的平均自由程有同一数量级，但它不是一个常数，它与i 车i 的乘积可 i 砂i 以认为是湍流特征的速度。混合长度模型的局限性是不适用于有回流的比较复杂 的流动，也无法处理表面曲率的影响、来流湍流度的影响等问题f j 5 1 。 ( 2 ) 一方程的模型 在混合长度理论中，材，仅与几何位置及时均速度场有关，而与湍流的特性参 数无关。事实上，湍流粘性系数应当与湍流本身的特性量有关。湍流脉动动能的 平方根可以作为湍流脉动速度的代表。p r a n d t l 和k o l m o g o r o v 从上述考虑出发， 提出了计算z i t 的表达式： = q 肚2 ， ( 3 一l o ) 其中e 为经验系数，；，为湍流脉动的长度标尺，一般它不等于混合长度乙。 采用( 3 - - 5 ) 式来确定t t 时，关键在于确定流场中各点的尼和，。 从k 的定义出发，经过近似处理并对方程简化后，的亨程的最终形式为【1 6 】： 掣= 苦陋+ 訇筹 + 鸬考( 等+ 考卜印竽( 3 ) 这里称为脉动动能的p