哈尔滨工业大学教授 董重成 李庆娜
引言
欧洲很多国家已开始采用60℃以下低温热水采暖，并正朝着进一步降低系统温度的方向发展。而我国散热器采暖过去一直用95/70℃的热媒参数，目前，国内也开始提倡低温连续供热，并开始降低传统的供暖温度。研究既有建筑散热器采暖系统在低温下运行的可行性，为既有建筑散热器采暖系统的改造，节能降耗，提高散热器采暖的舒适程度都有重要的作用。
散热器主要依靠对流传热，因此热气流上升，使上部空间的温度明显高于下部，增大了上部无益的热损失，如果散热器进出口温度降低，那么在室内空间范围内，温度梯度减小，空间温度分布会趋于均匀，也就会使人感到舒适。同时，散热器供水温度高于70℃时，有机灰尘会在散热器表面分解，散发气味，熏黑墙面的情况明显。其次，低温采暖更加节能。供暖热水温度的降低可以减少网路管道的热损失。以供回水温度为95/70℃的系统为例，供回水平均温度每降低1度，外网的热损失相对减少1.3%。当供回水温度变更至55/45℃时，外网热损失相对可减少35%以上。
1 散热器采暖低温运行的计算分析
哈尔滨市既有住宅进行节能改造前、后的散热器采暖系统，按高、低温运行对散热器数量的变化做了计算分析。该住宅建于上世纪80年代，一字形平面，南北向布置，为六层砖混结构，建筑面积1700m2，室内采暖系统为传统的单管顺流式系统，散热器选用铸铁四柱660型。该建筑共有3个单元，每个单元12户，层高3m，楼梯间不采暖。
1.1 系统管径变化
既有建筑节能改造前冬季设计热负荷为110651W，按节能50％节能改造后，保温性能大大提高，冬季设计热负荷仅为66960W。节能建筑与非节能建筑热负荷不同，当采暖散热器供回水温差不同时，需要通过水力计算分析散热器采暖系统管径的变化。
由水力计算可知，既有建筑节能改造后低温采暖与该既有建筑高温采暖相比，采暖系统供回水管管径略有变化。
1.2 散热器数量的变化
虽然节能建筑保温效果好，热负荷小，但若散热器采暖系统低温运行，为达到用户的用热需求必须增加原有散热器数量。因此，需要对既有建筑节能改造后采暖系统低温运行时散热器数量的变化情况进行计算分析。
计算可知：当既有建筑节能改造后采暖系统不变，只降低供回水温度时，散热器片数增加，相比于改造前采暖系统高温运行的散热器数量增加1.45倍。
1.3 增加散热器数量对室内空间的影响
虽然节能改造后建筑采用低温散热器采暖使得散热器片数增加，但是散热器片数增加后，其所占的空间拉长，即宽度不变，长度L变大，使得散热器占地面积增加，室内可用空间减小，但由于散热器所接的供回水管占用一定空间使得散热器两侧的可利用空间原本就不大，所以即使散热器低温运行时片数增加，占地面积加长，室内空间的利用率不会改变，用户的活动范围不会受影响，因此，使得散热器的尺寸设计趋向于减小散热器宽度，使其值基本保持在100mm以内。
1.4散热器数量增加对初投资的影响
既有建筑节能改造后保留原有采暖系统形式，若分别采用传统的95/70℃的供回水温度和60/45℃甚至更低的供回水温度，由计算可知两种供回水温度下的供回水管管径基本不变，室内散热器的数量随着供回水温度的降低而增加。以哈尔滨市既有建筑为例进行，散热器采用铸铁四柱660型，目前其市场价格为28.6元/片，比较既有建筑节能改造后散热器采暖系统分别高温与低温运行时的系统初投资。
既有建筑节能改造后原散热器采暖系统形式不变，高温运行时，散热器采暖系统初投资为90396元。既有建筑节能改造后原有采暖系统形式不变，低温运行时，散热器片数增加，其采暖系统初投资为109529.4元。若既有建筑节能改造后采用低温散热器采暖系统，因其供回水温度降低引起的散热器片数增加而造成的采暖系统投资的增加幅度为21.2%。
2 散热器采暖系统低温运行实验测试
对现有的换热站的供暖参数、具有代表性的节能住宅的室内外逐时温度和低温散热器采暖系统供回水温度进行测试，表明了低温散热器采暖系统具有良好的供暖效果。
2.1住宅低温供暖效果的实测
对哈尔滨地区现有的具有代表性的节能住宅的室内外逐时温度和低温散热器采暖系统供回水温度进行测试，确定应用于节能建筑的散热器采暖系统低温运行是否能满足热用户的用热需求。被测住户有南、北朝向带窗外墙，是标准层住宅，节能墙体，窗户均为双层玻璃塑钢窗，其供热方式为实行分户计量的低温连续供热。
哈尔滨地区采暖季由10月20日开始，至次年4月20日结束，共179天。本文测试开始于2008年11月30日9时，至2009年3月2日12时结束。数据采集前期为每15min自动记录一次数据，后期为每30min自动记录一次数据，共取得测试数据29000多个。将测试数据整理成曲线，见图1。
由图1还可以看出供暖运行方式采用连续供热，其状况比较稳定，供回水温差维持在15℃左右，供水温度只是在50℃左右，而室内温度基本保持在18℃以上，比较好地满足热用户的舒适性要求。
2.2换热站低温供暖参数的实测
对哈尔滨、牡丹江等城市部分换热站冬季采暖供回水温度进行测试，证明了现有系统改造成低温运行是完全可行。
2.2.1哈尔滨工大园区换热站供热参数
哈尔滨供暖公司第二分公司的1号换热站建成于1994年，负责哈尔滨工业大学校园以及周边建筑的冬季采暖，供热面积达到17.9万平方米，其运行方式为连续供热。由调研得到哈尔滨供暖公司第二分公司工大锅炉房1号换热站的二级网供回水温度记录，作出曲线如图2所示。
图2所示为哈尔滨工大园区2008-2009年冬季采暖季的供回水温度曲线。由图可知，室外气温曲线相对供回水温度曲线较陡，变化幅度较大。其中冬季最低气温达到-26℃；工大园区冬季采暖供水温度除个别天外，基本不超过60℃，供回水温差保持在20℃以内，供回水温度随室外温度的变化而变化。随着室外温度的升高，供水温度有一个明显的下降趋势，与其相对应的回水温度也降低。随着室外温度的降低，供水温度有一个明显的上升趋势，与其相对应的回水温度也升高。由供回水温度变化曲线图可以看出，工大园区的供暖运行方式采用连续供热，其状况比较稳定，比较好的满足热用户的舒适性的要求。
图3所示为2008年12月25日换热站的供回水温度曲线图。从图中可以看出，室外气温在早晨4：00达到最低值-22.6℃，下午13：00达到最高值-16℃；从凌晨开始供回水温度逐渐上升，直到室外温度达到最高值时才开始下降，但随着晚上室外气温逐渐降低供回水温度又逐渐上升，在晚上19：00达到最高值60℃；傍晚至凌晨阶段，供回水温度略有下降。由此可知，供回水温度是随着室外温度的变化而变化的。
2.2.2牡丹江民航换热站供热参数
牡丹江市位于黑龙江省东南部，属中温带大陆性季风气候，处于我国建筑热工分区中的严寒地区。通过调研得到牡丹江市民航热力站2009年1月份运行记录，将数据整理成曲线形式如图4所示。
此运行记录为民航换热站2009年1月的供回水温度记录。由图4知，民航小区冬季采暖供水温度不超过60℃，平均在54℃。供回水温差基本维持在15℃左右。同时该小区冬季采暖运行方式也采用连续供热，虽然供水温度较低，但仍可比较好的满足热用户的舒适性要求。
3散热器热工性能测试实验
3.1实验方法
对五种不同类型的常用散热器的热工性能进行了实验研究。所有的实验数据都是按照中华人民共和国国家标准《采暖散热器散热量测定方法》（GB/T13754-92）在哈尔滨工业大学ISO散热器热工性能实验室测试得到。对于不同种类的散热器，依据热平衡方法测量其在不同计算温差时的散热量。当室内温度保持稳定时，测试小室处于热平衡状态，测试小室的得热量与失热量达到平衡。在测试小室处于密闭状态时，得出散热器的散热量，失热量是冷却系统通过壁面换热带走的热量。
本实验散热器进口热水温度范围35~95℃，取值覆盖了低温区和高温区。根据国家标准《采暖散热器散热量测定方法》，测试的内容是在变热媒温差的条件下对散热器进出口热水的平均温度为50±5℃、65±5℃、80±3℃三个工况点进行测试，且按其规律再补充三个工况点：70±5℃，45±5℃，30±5℃。每次测试均在相同流量下进行，其流量偏差不超过±2%。
将实验数据通过回归整理成下列表达式的形式：
式中： ——热媒平均温度，℃；
——室内温度，℃；
A,B——由实验确定的系数。
3.2 实验数据的处理与分析
应用最小二乘法将五种散热器的实验数据整理成低温散热量计算公式，具体如表1所示。
4 结论
(1)本文研究的低温散热器采暖系统适用于居住性节能建筑，而对于那些需要高温采暖或要求迅速升温的建筑物不应采用低温运行的方式。同时，为保证热用户的用热需求，供暖方式应采用连续供热。
(2)既有建筑节能改造后仍使用原有采暖系统，但供回水温度由原来的95/70℃降至60/45℃左右，为满足用户用热需求，需增加散热器的散热面积，即增加散热器片数。通过计算，可知既有建筑节能改造后散热器采暖系统低温运行时散热器片数增加到节能改造前散热器高温工况运行时散热器片数的1.4倍左右。
(3)既有建筑节能改造后原有采暖系统不变，若仍采用95/70℃供回水温度则势必造成室内过热，若降低至低温60℃供水温度，为满足用热需求需增加散热器的投资。相对于节能改造后建筑采暖系统高温运行，当其降低供回水温度即低温运行时设备投资增加20%左右。但若与节能改造前建筑采暖系统高温运行相比，节能改造后的建筑散热器采暖系统低温运行时设备投资增加不大。
(4)通过对现有的具有代表性的节能住宅的低温采暖系统的实际测试，验证了应用于节能建筑的低温散热器采暖系统连续供热时完全能满足热用户的用热需求。
(5)该研究成果将改变散热器采暖传统的供热参数，以低于60℃的水温作为供水温度，从而改善室内温度场不均匀的状况，提高舒适程度。并且使散热器采暖系统可利用低位能作为热源，改变散热器采暖仅能使用高温能源的状况。
参与课题研究的单位：国际铜业协会（中国），佛瑞德（郑州）工业有限公司，宁波宁兴金海水暖器材有限公司，圣春冀暖散热器有限公司，宁波中龙高科散热器制造有限公司。
参考文献
[1] 采暖通风与空气调节设计规范(GBJ 19-87)[S]
[2] 采暖通风与空气调节设计规范(GB 50019-2003) [S]
[3] 民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)(JGJ 26-95) [S]
[4] 陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].第二版.北京：中国建筑工业出版社，2007：396
[5] 李庆娜等.低温建筑技术[J].2009,31(10)
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