某化工装置供暖热负荷确定方法探讨

靳 军

(中石化南化集团研究院,江苏 南京 210048)



某化工装置供暖热负荷确定方法探讨

靳 军

(中石化南化集团研究院,江苏 南京 210048)

结合工程实例，分析了供暖热负荷的确定方法，重点探讨了围护结构传热系数、通风换气次数等因素对体积热指标的影响，提出了一些合理选用体积热指标进行热负荷估算的建议。

热负荷，化工装置，供暖，通风体积

0 引言

建筑物供暖设计热负荷确定是进行供暖设计十分重要的环节，热负荷值确定准确与否直接关系着供暖设计的合理性。热负荷偏小，供暖设计达不到预期效果，热负荷过大，造成供暖能耗过高。通常供暖设计热负荷由围护结构耗热量、冷风渗透耗热量、外门开启冲入冷风耗热量、通风耗热量、其他耗热量等几部分构成。其确定方法主要包括通过分项详细计算各部分耗热量、采用体积热指标法估算、采用面积热指标法估算等，后者多适用于民用建筑，本文主要针对工业建筑，故对前两种热负荷确定方法进行讨论。

1 建筑物供暖设计热负荷确定方法

1.1 方法一：分项详细计算[1]

Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5

(1)

其中，Q为建筑物供暖热负荷，W；Q1为围护结构耗热量(包括基本耗热量和附加耗热量)，W；Q2为通过外门、窗缝隙冷风渗透耗热量，W；Q3为外门开启侵入冷空气耗热量，W；Q4为通风耗热量，W；Q5为其他途径散失或获得的热量(获得的热量为负值，散失的热量为正值)，W。

Qj=kF(tn-tw)a

(2)

其中，Qj为供暖房间某一面围护结构基本耗热量，W；k为该面围护结构的传热系数，W/(m2·℃)；F为该面围护结构的散热面积，m2；tn为室内空气计算温度，℃；tw为供暖室外计算温度，℃；a为温差修正系数。

Q1=Qj(1+βch+βf+βlang+βm)(1+βfg)(1+βjan)

(3)

其中，Q1，Qj含义同前；βch为朝向修正；βf为风力修正；βlang为两面外墙修正；βm为窗墙面积比过大修正；βfg为房高修正；βjan为间歇供暖附加。

Q2=CpρwV(tn-tw)

(4)

其中，Q2,tn,tw含义同前；Cp为干空气定压质量比热容，取1.005 6 kJ/(kg·℃)；ρw为室外采暖计算温度下的空气密度，kg/m3；V为房间冷风渗透体积流量，m3/s。

V=∑(l·L·n)

(5)

其中，l为房间某朝向上可开启门、窗缝隙长度，m；L为每米门窗缝隙的渗风量，m3/(m·h)；n为渗风量朝向修正。

Q3=Qj·βkq

(6)

其中，Q3含义同前；Qj为外门基本耗热量，W；βkq为外门基本耗热量附加率。

Q4=CpρwV(tn-twt)

(7)

其中，Q4为通风耗热量，W；twt为冬季室外通风计算温度，℃；V为通风量，可通过房间体积与通风换气次数的乘积求得，m3/s；其余符号含义同前。

1.2 方法二：按热负荷指标估算[2]

建筑物供暖热负荷可按建筑外轮廓体积用下式估算：

Qn=aqnVV(tnp-tw)

(8)

Qf=aqfVV(tnp-twt)

(9)

其中，qnV,qfV为建筑物供暖、通风体积热指标，W/(m3·℃)，见表1；Qn，Qf为供暖、通风热负荷，W；tnp为室内平均计算空气温度，℃；a为室外计算温度修正系数，见表2；其他符号含义同前。

式(1)～式(9)中相关参数文献[1]～[4]中均有详细介绍可参考，由于篇幅原因，此处不再做详细说明。值得注意的是：对于工业建筑中较为常见的高度大于4 m的空间，计算热负荷时应进行相应高度修正。对于高度修正通常有两种方法[3]，一种是利用式(3)中的房高修正系数βfg进行修正，一种是对式(2)中的室内空气计算温度按照文献[1]中不同情况分别确定。前者方法比较简单，后者比较麻烦，但适应各种性质建筑。当室内散热量不大(小于23 W/m3)的情况，采用两种方法计算的结果虽有差异但出入不大，故可采用前者方法；当室内散热量较大、上部空间温度明显升高的情况，采用后者方法进行修正的结果更为准确。值得一提的是，两种方法是并列关系，计算热负荷进行高度修正时，应根据实际情况选取一种方法，不能同时使用。

2 工程案例

项目位于吉林省松原市的某化工装置，该装置包括多个工段，其中四个工段需要进行供暖设计，要求冬季保证室内温度不低于5 ℃，且局部要求设置机械通风。四个工段分别位于四个建筑单体内，两栋单层建筑，两栋多层建筑。

2.1 案例分析

表1 工业建筑体积热指标qnV,qfV

表2 修正系数a值

本例中，需要采暖的房间有数十间，房间大小、层高不一，门窗大小、朝向也各有不同，如按照方法一详细计算热负荷，工作量较大，即使通过负荷软件计算，由于各房间情况不一，需要每个房间输入相关计算参数，也相对繁琐。如果采用方法二进行热负荷估算，则只需计算出每个房间的体积，再选取合适的体积热指标，就能得到热负荷值。而方法二中体积热指标qnV,qfV的选取是关键，取值是否合理直接影响热负荷估算结果的准确度。

从方法一可知，影响建筑热负荷的因素有很多，包括采暖室内外设计温度，围护结构传热系数，围护结构面积，门窗尺寸、朝向，外墙个数，房间高度等等。不同的房间上述因素均不尽相同。采取体积热指标进行热负荷估算而导致的偏差有多大，对于表1中所列典型建筑，体积热指标可按表1中数值范围选取，对于表1中未提及的建筑该值应如何选取，如何选取合适的体积热指标来进行热负荷的估算,下文将对这些问题进行分析讨论。

2.2 供暖体积热指标

通过对方法二中式(8)进行分析可知，式(8)中已考虑了供暖室内外设计温度对于热负荷的影响，因此可忽略不同供暖室内外设计温度下对于供暖体积热指标的取值影响。下文着重分析围护结构传热系数，围护结构面积，门窗尺寸、朝向，外墙个数，房间高度等因素对于供暖体积热指标的影响。

分析方法：选取案例中多层建筑中的一个房间建立模型，利用方法一进行热负荷详细计算，根据计算所得的热负荷值利用方法二中式(8)反求其供暖体积热指标，再通过改变该房间的围护结构传热系数，围护结构面积，门窗尺寸、朝向，外墙个数等参数重新计算热负荷及供暖体积热指标，得出供暖体积热指标与各因素之间的关联。

房间基本参数：长7 m，宽5 m，高3.3 m，依据房间围护结构形式，外墙、窗户、外门的传热系数K分别为0.54 W/(m2·℃)，3.16 W/(m2·℃)，3.12 W/(m2·℃)，一扇北向外窗，窗墙面积比为0.2，一扇西向外门，尺寸为2.1 m×0.9 m，无其他途径散失或获得的热量。

通过对上述模型利用式(1)～式(8)计算得到供暖体积热指标与各因素的关联如图1～图4所示。

从图1中可见，当窗墙面积比、外门尺寸在±20%之间变化时，qnV分别在0.614～0.661及0.611～0.665之间变化，最大变化率分别为7%，8%；从图2可见，当房间高度、围护结构传热系数在±20%之间变化时，qnV分别在0.613～0.675及0.528～0.748之间变化，最大变化率分别为9%，29%；从图3可见，当窗户、外门朝向发生变化时，qnV分别在0.599～0.655及0.586～0.638之间变化，最大变化率分别为9%，8%；从图4可见，当房间外墙个数发生变化时，qnV在0.453～0.638之间变化，最大变化率分别为29%。可见围护结构传热系数与外墙个数对qnV的影响较大，而窗墙面积比、外门尺寸、房间高度、门窗朝向对qnV的影响较小。当改变模型房间长、宽、高尺寸重新进行上述分析时，得到了相似的结论。

2.3 通风体积热指标

当对模型房间分别给予不同换气次数(即不同的通风量)的机械通风时，通过方法一式(1)～式(7)计算得到房间的各项耗热量情况如表3所示。

表3 不同通风量下房间热负荷情况

由表3可见，当通风换气次数由5次/h变化到6次/h即通风量增加20%时，通风耗热量占供暖热负荷比例由41%上升至45%。通风体积热指标由0.56 W/(m3·℃)提高到0.67 W/(m3·℃)，提高了19.64%，可见通风换气次数的大小对于通风体积热指标的取值影响较大。

3 分析与讨论

1)当窗墙面积比、外门尺寸、房间高度在±20%之间变化时，qnV最大变化率分别为7%，8%，9%；当窗户、外门朝向发生变化时，qnV最大变化率分别为9%，8%。表明当房间其他参数相同，仅仅是上述其中某个参数不同时，采用同一供暖体积热指标值对房间热负荷进行估算时导致的误差在10%以内，可见此类参数对于供暖体积热指标的取值影响相对较小。

2)当围护结构传热系数在±20%之间变化时，qnV最大变化率为29%；表明当房间其他参数相同，而围护结构传热系数不同(即围护结构形式不同)时，采用同一供暖体积热指标对房间热负荷进行估算时导致的误差接近30%，可见围护结构传热系数(即围护结构形式)对于供暖体积热指标的取值影响相对较大。同一建筑，围护结构形式通常是一致的，而当一个项目包括多个建筑单体时，不同建筑围护结构形式可能不尽相同，此时如采用同一供暖体积热指标对所有建筑进行热负荷估算，将会导致较大误差，应对供暖体积热指标予以修正。

3)当房间外墙个数发生变化时，qnV最大变化率为29%。表明当房间其他参数相同，而房间外墙个数不同时，采用同一供暖体积热指标值对房间热负荷进行估算时导致的误差接近30%，可见房间外墙个数对于供暖体积热指标的取值影响较大，对于建筑中处于边角的房间供暖体积热指标应予以相应修正。

4)当房间设有机械通风时，通风换气次数增加20%后，通风体积热指标提高了19.64%，可见通风换气次数的大小对于通风体积热指标的取值影响相对较大。当不同的房间通风换气次数不同时，应采用不同的通风体积热指标进行通风耗热量估算。

4 结语

本文以某化工装置供暖设计为例，讨论了工业建筑采暖热负荷的确定方法。采用体积热指标法进行热负荷估算，方法简单，工作量小，当工业建筑对于供暖要求不是十分严格时，是一种简单可行的热负荷确定方法。而对于供暖要求相对严格的工业建筑，通过合理选取体积热指标值，由热负荷估算导致的偏差能够控制在可接受的范围内，同样能得到比较满意的结果。通过文中分析讨论，当采用体积热指标法进行热负荷估算时，建议对于同一建筑(或者说围护结构形式相同的多个建筑)，选取一个代表性房间，计算出供暖热负荷，进而反求出供暖体积热指标，以此热指标为基准，其他房间再根据上文中分析的影响供暖体积热指标因素对其进行相关修正，进行各房间供暖热负荷估算，即可得到相对准确的结果；而对于通风耗热量，由于不同的房间通风要求可能不同，通风换气次数有所区别，而通风换气次数对于通风体积热指标的影响较大，加之计算通风耗热量不像计算供暖热负荷那样繁琐，已知房间体积和通风换气次数的情况下，运用式(7)即可方便求得通风耗热量，因此建议，对于此部分耗热量可采取计算而非估算的方式得到更加准确的结果。

[1] 陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].第2版.北京：中国建筑工业出版社，2008.

[2] 许居鹓，陆哲明，邝子强.机械工业采暖通风与空调设计手册[M].上海：同济大学出版社，2007.

[3] GB 50019—2015，工业建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].

[4] 住房和城乡建设部工程质量安全监管司，中国建筑标准设计研究院.全国民用建筑工程设计技术措施：暖通空调·动力[M].北京：中国计划出版社，2009.

Discussion on the determination method of heat load of a chemical unit

Jin Jun

(ResearchInstituteofSinopecNanjingChemicalIndustryGroup,Nanjing210048,China)

Based on the engineering example,the method of determining the heat load is analyzed and discussed,focus on the analysis of the influence of heat transfer coefficient,ventilation frequency and other factors on the volume thermal index.Some suggestions are put forward on how to reasonably select the volume thermal index for heat load estimation.

heat load， chemical unit， supply heating,ventilation volume

1009-6825(2016)29-0119-04

2016-08-03

靳 军(1984- )，女，硕士，工程师

TU833

A