王家海
(江都市建筑工程設計院，江蘇 江都 225200)

　　摘要：在建筑熱水供應系統中，按現行規范計算容積式水加熱器的客積偏大，通過對熱水供應系統貯熱量分采用貯熱量極限值分析的方法，得出以45min最大時耗熱量確定的加熱器貯熱量值偏大，應適當減小的結論。
　　關鍵詞：貯熱量；最大時耗熱量；最高時平均秒耗熱量；最高時耗熱量變化曲線；極限值；設計秒耗熱量
　　中圖分類號：TU822　　 文獻標識碼：B　　 文章編號：1009—2455(2004)01—0025-03

1 問題提出

　　民用建筑熱水供應系統設計中容積式水加熱器容積偏大，以致部分加熱器使用效率不高，閑置的現象比較突出。其主要原因有3個：
　　①根據《建筑給水排水設計規范》GB50015-2003的規定，容積式水加熱器貯熱量取45min最大時耗熱量偏高^[1]。
　　②小時耗熱量的計算中往往把建筑物內各個熱水用戶的小時耗熱量簡單累加，太偏安全^[2]。
　　③按時變化系數計算最高時耗熱量比國外的按器具小時耗熱量法計算偏大。

2 容積式水加熱器貯熱量時間取值偏大問題分析

　　本文主要分析第一個原因，即貯熱量時間取值偏大問題，并在分析中依據《建筑給水排水設計規范》GB50015-2003的規定，最高時總耗熱量Q_h的值是準確而合適的。
　　容積式水加熱器為調節熱水供應系統水壓、水溫不均勻性而設置的，建筑熱水供應系統中最高時的貯熱量主要根據最高時加熱設備的產熱曲線及建筑秒耗熱變化曲線共同確定。在工程設計中，熱水供應系統的加熱設備的產熱量按最高時耗熱量確定。本文在分析貯熱量時把加熱設備的產熱量設定為最高小時耗熱量。最高時的產熱曲線應該是一條水平直線，與最高時平均秒耗熱量線重合。如圖1線B。

2.1 貯熱量的計算方法
　　根據最高時耗熱量變化曲線(圖1中線A)和最高時平均耗熱量來求取。圖1中陰影面積為貯熱量。
　　不同建筑最高時耗熱量變化曲線各不相同。耗熱量愈均勻，則圖1中的陰影面積愈小，反之，陰影面積就大，貯熱量也大。
2.2 貯熱量的實際計算
　　在實際情況下，建筑最高時耗熱量變化曲線是很難得到的。因此我們無法根據耗熱量變化曲線計算貯熱量。然而，我們可假定一種特殊情況，即極端不平均的最高時耗熱量變化曲線，這條曲線可把建筑的耗熱量變化的不均勻性推到極限。根據這條曲線求貯熱量，任何一個建筑熱水供應系統都不會超越。它是貯熱量的極限。
　　圖2中線A就是這樣的一條曲線。線A表示，在最高用熱小時，最大秒耗熱量qs持續發生，且最高時耗熱量Q_h全部集中在某一連續時段t。這樣，耗熱變化曲線與耗熱平均線B圍成的陰影面積達到了最大，即貯熱量達到最大極限值。
　　在圖2所示耗熱狀態下貯熱量y的計算如下：
　　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為最高時平均秒耗熱量，即3600q_h=Q_h
　　令K_s表示設計秒耗熱量q_s，與平均秒耗熱量q_h之比，即Ks=q_s／q_h (5)
　　則由(3)式得：
　　V=(1-1／K_s)Q_h　　 (6)
　　當Ks=1，V=0；
　　當Ks=2，V=0.5Q_h；
　　當Ks=3，V=0.667Q_h
　　當Ks=4，V=0.75Q_h
　　貯熱量隨Ks的增加而增大，我國的貯熱量取45minQ_h，相當于Ks=4時的V。
　　又由(4)式得：
　　當t=1h， V=0；
　　當t=0.5h， V=0.5Q_h；
　　當t=0.333h， V=0.667Q_h；
　　當t=0.25h， V=0.75Q_h；
　　貯熱量隨著耗熱時間的集中(t減小)而增大。
　　當設計秒流量q_s與最高時平均秒耗熱量Q_h相等(Ks=1)即耗熱時間在整個最高時內持續(t=1h)，則V=0，無需貯熱量，當q_s為q_h的4倍(Ks=4，Q_h集中在0.25h內耗完，則v=0.75Q_h，需要45min的Q_h的貯熱量。
　　式(6)可用來淘汰工程中那些設計不合理取值，比如若熱水供應系統的Ks≤3，貯熱量取0.75Q_h，顯然是不合理的。
2.3 貯熱量計算存在問題分析
　　實際上，設計秒耗熱量g。是最高時內最大5min耗熱的平均秒耗量，因此其余的55 min時間任何一個5min平均秒耗用量將均小于q_s,因此圖2中的線A在耗用時段t不可能全部取q_s值,這樣，B線上方的陰影面積即貯熱量進一步縮小。
　　為了進一步縮小貯熱量的極值范圍，使得其判定作用更為具體，我們又可設定一條新的最高時耗熱量變化的極值不均勻曲線。如圖3的線A所示。

　　圖3的變化曲線表示，最高時內發生的秒耗熱量，均高于最高時平均秒耗熱量q_h，介于q_h與q_s之間，并且時耗熱量Q_h全部集中在一連續的時段t₁內耗用掉。
　　根據圖3，可推導出貯熱量的又一極限值V_lim。
　　用q_t1，表示時段t₁上耗熱量的秒平均值。則由: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的算術平均值表示，即q_t1=0.5(q_h+q_s),則(7)式為
　　
　　(8)式中，當K_s→1，即q_s→q_h，則V_lim→O
　　此時最高時耗熱幾乎在該小時內均勻分布，t₁→3600s，如大型熱水供應系統；當K_s→∞，即q_s>>q_h，則有V_lim→Q_h，此時整個最高時耗熱量Q_h幾乎全部集中在極小的時段耗用，t₁→0。
　　在實際工程中，q_s／q_h(或K_s)值通常不超過1-4的范圍，這樣，貯熱量的極限Vlim如表1所列：

表1 貯熱量的極限值

　　當建筑內熱水供應系統容積式熱水裝置的產熱能為最高時耗熱量時，對于較小型的系統，其設計秒流量q_s與最高時平均秒流量的比值K_s較大(可達3-·4)，貯熱量極限值V_lim應在0.5Q_h—0.6Q_h范圍內，對于大型的系統，K_s值較小(一般1-2),V_lim應在0.33Q_h范圍內。

3 結論與建議

　　①表1是與圖3所示耗熱量變化規律相聯系牲熱量極限。實際運行中的任何一個民用建筑。慌熱量分布是不可能如此不均勻的，因此所需貯熱量不可能達到表1所列的值。
　　國家現行規范貯熱量取0.75Q_h(45 min的Q_h)，超出了表1值的范圍，其不合理性確實是存在的，雖然加熱器的貯熱量還受鍋爐、水加熱器的工作制度、供熱能力、自動溫控裝置等因素的影響，但這些不是主要因素。
　　②表1所列只是貯熱量的極端安全范圍。實際上圖3中t₁以外即3600-t₁的范圍，耗熱量q是不可能為0的，在這段范圍，只要曲線A不取0值（即不大于O)，則B線上方的A線段就要向下移，這樣，V_lim又可縮小。因此，我們還可假設新的、可被接受的極端曲線，求得更小一些的安全的貯熱量極限值。
　　③按最高的時耗量變化曲線計算的貯熱量將不能滿足秒流量管網(即建筑內管網)的貯熱要求。秒流量管網的貯量要求更為嚴格。需要指出的是，用最高日耗熱量而不是用最高時耗熱量變化曲線分析椎求貯熱量是不正確的，其求出的貯熱量既不安全也不能滿足供熱管網的貯熱要求。
　　②②④根據最高時耗量變化曲線求得的貯熱量，滿足了管網的最不利的熱水耗用量，不需再附加另外的值，這如同快速加熱系統中的設備產熱率達到了管網的設計秒流量便不再附加貯熱量一樣。本文秒耗熱量的計算是按5 min平均耗熱量推斷的，可以證明，如果秒耗熱量的計算是按3 min甚至1min的平均耗量，其結果是一樣的。

參考文獻：
[1] GB50015—2003，建筑給水排水設計規范[S]．
[2] 陳耀宗，姜文潭，胡鴿均，等．建筑給水排水設計手冊[M]．北京：中國建筑工業出版杜，1992．

作者筒介：王家海(1964—)，男，扛蘇江都人．工程師，江都市 工農西路35#，電話(0114)61371939