热水供应系统贮热量极限值分析

王家海
(江都市建筑工程设计院，江苏 江都 225200)

　　摘要：在建筑热水供应系统中，按现行规范计算容积式水加热器的客积偏大，通过对热水供应系统贮热量分采用贮热量极限值分析的方法，得出以45min最大时耗热量确定的加热器贮热量值偏大，应适当减小的结论。
　　关键词：贮热量；最大时耗热量；最高时平均秒耗热量；最高时耗热量变化曲线；极限值；设计秒耗热量
　　中图分类号：TU822　　 文献标识码：B　　 文章编号：1009—2455(2004)01—0025-03

1 问题提出

　　民用建筑热水供应系统设计中容积式水加热器容积偏大，以致部分加热器使用效率不高，闲置的现象比较突出。其主要原因有3个：
　　①根据《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003的规定，容积式水加热器贮热量取45min最大时耗热量偏高^[1]。
　　②小时耗热量的计算中往往把建筑物内各个热水用户的小时耗热量简单累加，太偏安全^[2]。
　　③按时变化系数计算最高时耗热量比国外的按器具小时耗热量法计算偏大。

2 容积式水加热器贮热量时间取值偏大问题分析

　　本文主要分析第一个原因，即贮热量时间取值偏大问题，并在分析中依据《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003的规定，最高时总耗热量Q_h的值是准确而合适的。
　　容积式水加热器为调节热水供应系统水压、水温不均匀性而设置的，建筑热水供应系统中最高时的贮热量主要根据最高时加热设备的产热曲线及建筑秒耗热变化曲线共同确定。在工程设计中，热水供应系统的加热设备的产热量按最高时耗热量确定。本文在分析贮热量时把加热设备的产热量设定为最高小时耗热量。最高时的产热曲线应该是一条水平直线，与最高时平均秒耗热量线重合。如图1线B。

2.1 贮热量的计算方法
　　根据最高时耗热量变化曲线(图1中线A)和最高时平均耗热量来求取。图1中阴影面积为贮热量。
　　不同建筑最高时耗热量变化曲线各不相同。耗热量愈均匀，则图1中的阴影面积愈小，反之，阴影面积就大，贮热量也大。
2.2 贮热量的实际计算
　　在实际情况下，建筑最高时耗热量变化曲线是很难得到的。因此我们无法根据耗热量变化曲线计算贮热量。然而，我们可假定一种特殊情况，即极端不平均的最高时耗热量变化曲线，这条曲线可把建筑的耗热量变化的不均匀性推到极限。根据这条曲线求贮热量，任何一个建筑热水供应系统都不会超越。它是贮热量的极限。
　　图2中线A就是这样的一条曲线。线A表示，在最高用热小时，最大秒耗热量qs持续发生，且最高时耗热量Q_h全部集中在某一连续时段t。这样，耗热变化曲线与耗热平均线B围成的阴影面积达到了最大，即贮热量达到最大极限值。
　　在图2所示耗热状态下贮热量y的计算如下：
　　V=(q_s—q_h)t　　 (1)

　　q_st=Q_h　　 (2)
　　由(1)、(2)式得：　　 V=(1-q_h/q_s)Q_h (3) 或 V=(1-t／3600)Q_h　　 (4)　　
　　式中q_h为最高时平均秒耗热量，即3600q_h=Q_h
　　令K_s表示设计秒耗热量q_s，与平均秒耗热量q_h之比，即Ks=q_s／q_h (5)
　　则由(3)式得：
　　V=(1-1／K_s)Q_h　　 (6)
　　当Ks=1，V=0；
　　当Ks=2，V=0.5Q_h；
　　当Ks=3，V=0.667Q_h
　　当Ks=4，V=0.75Q_h
　　贮热量随Ks的增加而增大，我国的贮热量取45minQ_h，相当于Ks=4时的V。
　　又由(4)式得：
　　当t=1h， V=0；
　　当t=0.5h， V=0.5Q_h；
　　当t=0.333h， V=0.667Q_h；
　　当t=0.25h， V=0.75Q_h；
　　贮热量随着耗热时间的集中(t减小)而增大。
　　当设计秒流量q_s与最高时平均秒耗热量Q_h相等(Ks=1)即耗热时间在整个最高时内持续(t=1h)，则V=0，无需贮热量，当q_s为q_h的4倍(Ks=4，Q_h集中在0.25h内耗完，则v=0.75Q_h，需要45min的Q_h的贮热量。
　　式(6)可用来淘汰工程中那些设计不合理取值，比如若热水供应系统的Ks≤3，贮热量取0.75Q_h，显然是不合理的。
2.3 贮热量计算存在问题分析
　　实际上，设计秒耗热量g。是最高时内最大5min耗热的平均秒耗量，因此其余的55 min时间任何一个5min平均秒耗用量将均小于q_s,因此图2中的线A在耗用时段t不可能全部取q_s值,这样，B线上方的阴影面积即贮热量进一步缩小。
　　为了进一步缩小贮热量的极值范围，使得其判定作用更为具体，我们又可设定一条新的最高时耗热量变化的极值不均匀曲线。如图3的线A所示。

　　图3的变化曲线表示，最高时内发生的秒耗热量，均高于最高时平均秒耗热量q_h，介于q_h与q_s之间，并且时耗热量Q_h全部集中在一连续的时段t₁内耗用掉。
　　根据图3，可推导出贮热量的又一极限值V_lim。
　　用q_t1，表示时段t₁上耗热量的秒平均值。则由:V_lim=(q_t1-q_h)t₁ 和 q_t1 t1=Q_h得：V_lim=(1-q_h/q_t1)Q_h
　　若q_t1用q_h和q_s的算术平均值表示，即q_t1=0.5(q_h+q_s),则(7)式为
　　
　　(8)式中，当K_s→1，即q_s→q_h，则V_lim→O
　　此时最高时耗热几乎在该小时内均匀分布，t₁→3600s，如大型热水供应系统；当K_s→∞，即q_s>>q_h，则有V_lim→Q_h，此时整个最高时耗热量Q_h几乎全部集中在极小的时段耗用，t₁→0。
　　在实际工程中，q_s／q_h(或K_s)值通常不超过1-4的范围，这样，贮热量的极限Vlim如表1所列：

表1 贮热量的极限值

　　当建筑内热水供应系统容积式热水装置的产热能为最高时耗热量时，对于较小型的系统，其设计秒流量q_s与最高时平均秒流量的比值K_s较大(可达3-·4)，贮热量极限值V_lim应在0.5Q_h—0.6Q_h范围内，对于大型的系统，K_s值较小(一般1-2),V_lim应在0.33Q_h范围内。

3 结论与建议

　　①表1是与图3所示耗热量变化规律相联系牲热量极限。实际运行中的任何一个民用建筑。慌热量分布是不可能如此不均匀的，因此所需贮热量不可能达到表1所列的值。
　　国家现行规范贮热量取0.75Q_h(45 min的Q_h)，超出了表1值的范围，其不合理性确实是存在的，虽然加热器的贮热量还受锅炉、水加热器的工作制度、供热能力、自动温控装置等因素的影响，但这些不是主要因素。
　　②表1所列只是贮热量的极端安全范围。实际上图3中t₁以外即3600-t₁的范围，耗热量q是不可能为0的，在这段范围，只要曲线A不取0值（即不大于O)，则B线上方的A线段就要向下移，这样，V_lim又可缩小。因此，我们还可假设新的、可被接受的极端曲线，求得更小一些的安全的贮热量极限值。
　　③按最高的时耗量变化曲线计算的贮热量将不能满足秒流量管网(即建筑内管网)的贮热要求。秒流量管网的贮量要求更为严格。需要指出的是，用最高日耗热量而不是用最高时耗热量变化曲线分析椎求贮热量是不正确的，其求出的贮热量既不安全也不能满足供热管网的贮热要求。
　　②②④根据最高时耗量变化曲线求得的贮热量，满足了管网的最不利的热水耗用量，不需再附加另外的值，这如同快速加热系统中的设备产热率达到了管网的设计秒流量便不再附加贮热量一样。本文秒耗热量的计算是按5 min平均耗热量推断的，可以证明，如果秒耗热量的计算是按3 min甚至1min的平均耗量，其结果是一样的。

参考文献：
[1] GB50015—2003，建筑给水排水设计规范[S]．
[2] 陈耀宗，姜文潭，胡鸽均，等．建筑给水排水设计手册[M]．北京：中国建筑工业出版杜，1992．

作者筒介：王家海(1964—)，男，扛苏江都人．工程师，江都市 工农西路35#，电话(0114)61371939