暖通管道沿途冷、热损失规律分析

郭志龙

（厦门陆原建筑设计院有限公司，福建 厦门 361012）

0 引言

暖通管道通常敷设在非空调、非供暖房间或区域进行保温，而敷设在空调、供暖的房间或区域时通常不保温，因为沿途的冷、热量会散到空调、供暖的房间或区域，认为没有冷热量损失。但能量不光有量的多少，也有质的高低，以上两种情况管道的冷、热量都会有损失，会导致供冷的空调管道内流体温度升高，供热的采暖管道内流体温度降低，也就是造成能量品质降低。末端的散热设备散热量会受到供给它的冷冻水或采暖热水的温度影响。在管道沿程不长，管道冷、热量损失不大的情况下影响不明显。但当管道较长时，如不考虑管道沿途散热的影响，则会造成设备供冷或供热量不足，从而导致热力失调。如果能够找到管道沿途热损失的规律，就可以根据该规律合理选择换热设备的换热面积（风机盘管、散热器等），有效减少热力失调的现象。同时也可以采取管道保温的措施减少沿途冷、热量散失，提升下游冷、热媒品质，避免散热设备因换热面积加大而导致投资增加。

在实际工程设计中对管道沿途散热的规律是不了解的，不能进行定量计算和分析，甚至没有考虑这一因素，导致末端散热量不足，系统前后的热力失调。由此可见，由于缺乏理论依据，因此，无法将设计做到最优[1]。研究管道沿途热损失规律及其对散热设备的影响有助于提高设计水平、减少能耗，对指导工程实践具有非常现实的意义。

1 理论推导

随着管道沿途长度的增加，空调供冷管道内水温升高，与室内温度的差值缩小，因此水温的下降速率是变化的，同样供暖管道水温的变化速率也是变化的。推导这一规律首先应找出内在的函数关系，建立微分方程。为便于分析做如下假设：室内温度始终不变，管道各处的传热系数均相同，管道内流体的流量始终不变。在某一微小管段内流体向室内传递的热量等于这一微小管段内流体前后的温差与质量流量及比热的乘积。根据管道散热的能量守恒关系，建立如下微分方程。

式中：G-流体质量流量（kg/s）；c-流体比热[J/（㎏·℃）]；D-管道直径（mm）；k-管道传热系数[（w/（m2·℃）]；t-管道内流体温度（℃）；L-管道长度（m）；t1-起始端内流体温度（℃）；tn-室内温度（℃）。

对公式（1）进行变换，得到公式（2）。

对上式两端进行积分：

积分并整理得：

公式（4）就是管道内流体温度与管道沿程长度之间的函数关系式。当L增大时值减少，当L足够大时趋近于0。所以流体沿管道长度方向温度趋向于室内温度方向变化，当管道最够长时管道内流体的温度等于室内温度。管道内流体的变化趋势如图1所示。

图1 管道内流体温度沿管长变化曲线

由图1可以看出夏季空调的冷冻水管道起始温度和冬季供暖管道起始温度均随着管道长度L的增加而趋向于室内温度 。这一变化过程不是线性的，起始端变化速率较快，随着沿程长度的增加变化速率逐渐减缓，这一结果也与前面的分析一致。有了该理论方程就可以结合具体的项目进行定量分析计算。

2 实例分析

结合笔者自己设计的两个项目具体应用该理论计算公式。两个项目分别是硬质合金工业园（一期）和兰州恒大文化旅游城A-57地块九年一贯制学校。前一个项目工程地点在厦门市，厂房内设集中空调，冷源为3台螺杆式冷水机组，末端有风机盘管、吊顶式新风机组和组合式空调机组，其中工艺空调区域为溶液除湿空调机组。由于项目面积较大且为单层厂房，因此管道输送距离较远。冷冻水由制冷机房通过管道输送到空调末端[2]。后一个项目位于兰州市，设有集中采暖系统。地下室设置换热站，将一级网热水换热为75℃/50℃，供给该项目各单体，末端散热设备为散热器。考虑到采暖管道室外辐射施工难度大、费用较高且以后维护困难、改造费用高，二级网尽量减少直埋敷设，大部分管道设置于室内供暖区域，如采暖连廊等区域。因此室内设置的二级网管道距离较长。这两个项目都存在室内管道距离较长的情况，了解管道沿程冷热损失量，对掌握系统的热力失调状况是非常必要的[3]。以下就是应用上述推导的理论公式结合这两个具体的项目进行分析。

2.1 空调冷冻水管道沿途温度变化分析

结合硬质合金工业园（一期）项目中的一段冷冻水管道，利用公式 （2）～公式（4）分析如表1。

表1和表2为硬质合金工业园（一期）项目空调管道的温度变化表。选择了累计管长为244m的管段作为分析对象，为该项目最长管段。由表1看出，当管道有保温的情况下，末端温度升高仅为0.3℃，温度变化的相对值为0.5%。由表2可以看出末端温度升高为1.45℃，温度变化的相对值为20.7%。依该方法分析，当空调管道敷设在吊顶内等非空调区域时按同样的方法进行分析，保温和未保温的管道温度变化绝对值分别是0.05℃和1.97℃，相对值分别是0.7%和28.1%。

表2 不保温空调管道温度沿程变化表

可见在管道保温情况下，管道沿途冷损失造成的温度升高并不大。而在管道未保温的情况下，升高较大，对末端设备的制冷量会产生影响。由此可见，空调管道无论是否敷设在空调区域均应进行保温[4]。

2.2 供热管道沿途温度变化分析

结合兰州恒大文化旅游城A-57地块九年一贯制学校一段采暖管道，利用公式（2）～公式（4）分析如表3。

表3中计算管道取自兰州恒大文化旅游城A-57地块九年一贯制学校项目最长的一段管道。通常采暖管道敷设在非供暖区域保温，而供暖区域则不保温的。表3中所列数据除0～1管段外均未保温。0～1管段为由热源处引出敷设在采暖连廊区域的一段长达240m供热干管。如果0～1段不保温则温降达到19.7℃，温度相对变化量为26.3%，这样对末端散热器的散热量会造成非常大的影响，因此表3中该段为保温管段。扣除0～1管段外管道总长58m，温度的绝对变化值和相对变化值分别为11.05℃和14.84%。以某一钢制椭柱型散热器为例进行分析，该散热器的单片散热量计算公式为Q=0.59755×ΔT1.2367，中心距为600mm。起始端散热器的平均传热温差ΔT为42.5℃，单片散热量为61.7W/片。末端散热器的平均传热温差ΔT为36.7℃，单片散热量为51.5W/片。单片散热器的散热量下降16.6%，也就意味着末端的散热器面积要相应增加16.6%。一方面散热器的增加会影响工程投资，另一方面会由于安装位置的限制导致无法设置更多的散热器。可见当管道敷设在供暖的区域时也应该考虑沿途散热损失的影响，尤其是散热器供暖系统受温度降低的影响较大，更应该引起重视。设计时应尽量减少供热半径[5]，必要时应对敷设在供暖区域的采暖管道进行保温。该项目是利用散热器采暖，这里也是以散热器为例进行分析。如为地热采暖的项目也可结合该公式进行分析，由于地热采暖的温度较低，温度越低的区域管道沿程温度的降低速率会越慢。同时地热采暖的面积较大，受温度变化的影响比散热器小，得出的末端散热量变化值会小于散热器。

为分析保温采暖管道内流体的温度变化，假设敷设在室内的供暖干管进行保温，还是以表3所列的管段为例，经过分析整理出表4。

表3 采暖管道温度沿程变化表

由表4可见最末端的26～27管段内水温相比1～2管段内水温变化仅为0.28℃，相对变化量仅为0.38%。由0～1管道可见，保温采暖管道即使长度达到240m，温度的下降值也仅有0.55℃。同样以前文中提到的散热器为例进行分析，在管道保温状况下末端散热器的平均传热温差ΔT 为42.1℃，单片散热量为60.9W/片。单片散热器的散热量下降仅为1.2%。因此，保温采暖管道能够有效减少热量损失。当然，该分析仅从保障供热介质温度角度考虑，设计过程中应结合增加保温材料增加工程造价和增加散热器面积增加的造价进行对比等，综合考虑是否设置保温。

表4 保温采暖管道温度沿程变化表

2.3 影响温度变化的因素分析

由公式 （2）～公式（4）及图1可知，管道的直径D、长度L以及传热系数K越大，温度升高或降低的速度就越快；而流量G越大温度升高或降低的速度就越慢。据此可以进行如下分析。

管道的管径选择要适当，不能过大。在供热和空调管道设计过程中，设计者往往会非常重视水力平衡和热力平衡。尤其是供热管道经常会出现水力和热力不平衡的现象，每年的供暖初期调节工作量都非常大。为减少这种不平衡的现象，通常采取的方法是加大管径、加大流量缩小温差的方式。形成了所谓的“大流量、小温差”运行。依笔者实际工作经验，供热管道在选取比摩阻如严格按照规范选择（60 Pa/m～120Pa/m）[1]则可能会偏大，一般供热干管的比摩阻大约50 Pa/m ～70 Pa/m。如管径选择小则一方面是水力失调较为严重[6]，另一方面由于水质原因几年之后管道会堵塞严重，实际流通面积会减少很多，严重影响供热效果。但也不能一味追求大管径，这样不仅会增加投资和运行费用，而且大管径会使流体流速变慢，管道沿程散热损失加剧。尤其是当管道较长时一定要考虑该因素的影响。

管道不宜过长。管道长度大，一方面半径过大，系统干管所带的采暖立管数量增加不利于水力平衡；另一方面半径过大，管道沿途热损失会增加，末端热媒品质下降增大了热力失调的概率。在《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB 50736-2012中，第5.9.11条第1款中规定“环路布置应力求均匀对称，环路半径不宜过大，负担的立管数不宜过多。”[1]虽然在规范中也规定供热半径不宜过大，但却没有给出具体数值。在实际工程设计中采暖供热半径差别很大，有的供热系统设计较大供热半径长达150m，笔者认为这样的设计不合理，应该拆开成几个环路，这样才能进行有效调节并保证供暖质量。

在经济合理范围内应加强保温。减少传热系数K可以有效地降低流体的沿程散热速率，但会增加投资。应该结合管道长度、末端散热设备散热面积、水力及热力失调的影响等因素综合考虑保温层材质和厚度。

流量G是由末端的冷热负荷需求决定的，不能随意增减。从绝对数值上来说空调的冷负要大于采暖的热负荷，而空调的供回水设计温差为5℃，采暖的供回水设计温差为25℃[2]，这样实际空调冷冻水管道内的流体流量要远大于采暖管道。从这里也能解释为什么空调冷冻水管道可以做的很长（如表1所列管道长达244m）但温度上升并不明显。空调冷冻水管道流量较大这一特点，也有利于水力平衡。实际工程设计中空调冷冻水管道很多设计为异程式且管道较长，而又不至于水力和热力失调严重其流量较大是重要原因。

表1 保温空调管道温度沿程变化表

由于篇幅有限，该文所论及内容可从以下方面继续开展[7]。1）该文仅为理论分析，可进一步结合项目实地进行测量验证。也可建立模型进行CFD模拟。将实测数值、模拟数值和理论计算值进行对比分析。2）可进一步结合不同的末端设备的散热量、管道保温对造价的影响、水力及热力稳定性等因素进行分析，完善理论数值，作为设计的参考依据。

3 结论

空调冷水管道无论是否敷设在空调区域均应进行保温，保温后管道沿途的冷损失较小，温度变化不大。当然从防结露的角度来说，空调冷冻水管均应该进行保温，这里只是从另一个方面去印证。关于空调供冷半径也没有相关规范作为依据。根据该文的分析仅从冷冻水管道沿途温升的角度考虑，较大的供热半径不会对此产生很大影响。关于空调的供冷半径应结合运行费用和水力平衡等方面综合考虑。

敷设在供热区域的采暖干管应尽量短，当管道长度大于60m时应考虑热水温降对末端散热设备散热量的影响，尤其是散热器供暖系统更应该注意该变化的影响。可采取增加末端散热面积（增加散热器或地热盘管数量等）的方式确保末端散热量满足需求。

当供热管道较长，尤其是供暖主干管较长时即使敷设在供热区域也应该进行保温，不能忽略这部分热损失的影响。

管径选择应合理。虽然加大管径可以防止水力失调，但也会加剧由于沿途散热速率增加造成的热力失调，应结合水力稳定性和热力稳定性综合考虑管径大小。