撬装将终极解决住宅集中供热、热水采暖热力失调

中国大陆大约自上世纪70年代开始集中供暖，到现在已经七十多年。居民楼房住宅采暖热力失调问题至今仍困扰着行业，成为老大难问题。何以如此困难？是否真的无解？

我们生活的地球环境受太阳影响。昼夜交替，春来暑往，风霜雨雪变化无常。相反，人类需要的舒适热环境相对固定。具体到北方的住宅，冬季必须取暖。否则人会感到极度不适，甚至无法生存。集中供暖的从业人员的使命就在于提供一个小环境，一个稳定的小环境。无论外面艳阳高照，亦或狂风暴雪，住宅室内应温暖如春。实现这个目标的过程就是达成理想的热平衡。用火炉取暖的年代，实现热平衡是个很简单的事。早年并没有热力失调这回事。是施行集中供热以后才出现了热力失调问题。解决热力失调问题当然不能倒退回火炉取暖的方式。弄明白集中供热为什么会出现热力失调，才能根本解决困扰业界几十年的问题。

采暖热平衡

1. 让住宅楼房居室内保持设定的舒适环境，例如 18℃。当室外昼夜平均温度低于 18℃ 时，室内必须有热量释放，才能维持理想的室内外热平衡。这个热平衡关系式为：

公式1：Q₁ = F₁ · K₁ · (t_in − t_a)

符号说明：

· Q₁ — 投放到室内的热量，W； 

· F₁ — 建筑物维护结构面积，m²；

· K₁ — 建筑物维护结构综合传热系数，W/(m²·℃)；

· t_in — 室内温度，℃；

· t_a — 室外平均温度，℃。

2. 散热器释放的热量

通过散热器向室内投放热量

公式2：Q₂ = F₂ · K₂ · ((t_s + t_r)/2 − t_in)^1.3

符号说明：

· Q₂ — 散热器向室内释放的热量，W；

· F₂ — 散热器散热面积，m²；

· K₂ — 散热器放热系数，W/(m²·℃)；

· t_s — 供水温度，℃；

· t_r — 回水温度，℃。

3. 输送到采暖房间的热量

热水经供水管道将热量输送给散热器

公式3：Q₃ = G · C_p · (t_s − t_r) × 3.6^-1

符号说明：

· Q₃ — 采暖系统投放到室内的热量，W；

· G — 供给到采暖房间的循环水流量，kg/h；

· C_p — 水的定压比热容，kJ/(kg·℃)。

要想实现任何室外温度 t_a 条件下，室内保持温度 t_in 恒定（例如 18℃），则必须使供给和散失维持平衡，即使：

公式4：Q₁ = Q₂ = Q₃

因为这里讨论的是热水采暖。所以在分析上述热平衡关系式之前，还需要列出热水在管道及有关设备（散热器、弯头、阀门……）中流动的水力学公式：

公式5：ΔP = H · G²

符号说明：

· ΔP — 驱动水在管中流动的动力，这里称作水头，MPa；

· H — 水系统阻力系数，MPa/(t/h)²；

· G — 水流量，t/h。

采暖运行调节

公式 1 中的变量ta是室外空气温度,其他参数不是变量。公式 2 中变量是供水温度 ts 和回水温度 tr。ts 是主动变量，tr 是被动变量。在公式 3 中又出现了一个变量 G，是循环水流量。根据室外温度 t_a，供暖运行管理工程师指定一个供水温度值 t_s 和一个循环水流量值 G。系统达到状态稳定后，得到一个稳定的室内温度 t_in 和回水温度 t_r。检测室温 t_in，如果比设定室温值低，可以提高循环水流量 G。G 值增加，回水温度 t_r 将升高。散热器表面平均温度增加，散热器释放更多的热量，最终使室温 t_in 上升。这种方法称作量调节；如果不变更循环水量 G，可以提高供水温度 t_s。当 t_s 提高以后，回水温度 t_r 也跟着升高。带到室内的热量增加，达到提升室温 t_in 的目的。这种调节方法称作质调节。当然还可以同时既改变流量 G，又改变供水温度 t_s，实现提升室温 t_in。这种方法称作质—量调节。

从理论上分析，问题相当简单。变量只有室外温度 t_a 一个参数。室外温度不会在极短时间急剧变化，更不可能交变。根据公式① 很容易地得到需要投入的热量 Q₁，再根据公式 ② 和公式 ③，很方便地就可以得到流量 G 和供、回水温度 t_s、t_r。那么为何采暖用户热力失调会成为覆盖全行业，且持续几十年的问题。自然事出有因。回头再看公式①，房间维护结构面积 F₁ 是固定不变的量值。剩下最后一个参数 K₁不是变量。但对同一个区域的采暖用户K₁ 的量值不是唯一的。每幢建筑 K₁ 值和其它建筑物的 K₁ 值可能有明显差别；同一幢建筑物在不同的时间 K₁ 值也不相同。相比之下，流量 G 和供水温度 t_s 是变量，可调可控。K₁ 值不可调节。与 K₁ 值有关的主要因素有如下几项：

1. 阳光照射

受到光照的墙体从阳光中获得热量。位于建筑顶层的房间可以获得充分的光照；底层房间可能被前方建筑遮挡，得不到光照。透过窗玻璃进入室内的阳光作用的差别一个样。房间的朝向也决定了通过光照得热的差别。

2. 冷风渗透

强风吹到建筑物立面形成风压。在风压作用下，冷风通过门、窗缝隙进入室内。进入房间的冷风挤走室内的热气，使室内温度下降。风的强度不同对房间失热的影响程度则不同。不同朝向的房间受风吹影响的程度不同。房间所处的层高不同，受到风吹影响也不同。风向是变化不定的，因此室外的风使建筑物热负荷变化无常。

3. 烟囱效应

采暖建筑内部气温可能 18℃。楼外气温可能零下 18℃。热空气轻，冷空气重。房间内外空气密度的差异导致热空气从高层房间门、窗缝隙逸出；冷风则从底层的各种孔、洞、缝渗入建筑物内。建筑的高度与烟囱效应正相关；越是寒冷的时间、地区烟囱效应越强烈。建筑物越高，烟囱效应越强烈。烟囱效应带给低层住户的伤害比高层住户重，底层住户受伤害尤甚。

4. 散热器面积 F₂ 的影响

对采暖运行调节效果有关的因素还有一项是公式② 中的 F₂。F₂ 是散热器的面积。F₂ 是确定不变化的参数。F₂ 在采暖过程中不发生变化，但是 F₂ 可以被改变。在其他因素都不变的前提下，将散热器换成一件面积更大的，结果该房间的室内温度 t_in 会明显升高。而相邻的房间没有改变散热器面积 F₂，其室内温度不变化。在福利分房的年代，这种事极少发生，对集中供暖运行管理没有多大影响。但是住宅变成商品房后，散热器面积 F₂ 变得不可控。对于传统的集中供暖运行构成影响是不可避免的，难以控制的因素。

5. 水系统驱动与水力关系

系统中的水受到驱动作用，水就会在管道中流动。驱动作用越强烈，水流速度越大。在既定的强度的驱动作用下，增加系统的阻力，水的流速会降低。公式③ 描述的就是上面谈到的水力学关系。

在热水采暖系统中，为了让水流动，通常设置循环水泵。这里将电机带动下，水泵提供的“驱动作用”称作机械水头，用 ΔP_p 表示。相对于水泵驱动，热水采暖系统还可以采用自然水循环。热水采暖系统一定有一个供水管，还有一个回水管。供水管中水温度高；回水管中水温度低。温度高的水密度低。温度低的水的密度高。当供、回水管竖向设置时，在密度差作用下，水会循环流动。竖向布置的供回水管高度越大，密度不同的水流动越强烈。不设水泵的采暖系统中水流动称作自然循环。构成自然循环的驱动水流动的作用称作自然水头，用 ΔP_ρ表示。热水采暖系统中可以没有水泵。当然没有泵就没有机械水头 ΔPp。但系统中一定有重力水头 ΔP_ρ。当水泵的驱动作用占据绝对优势的时候，系统中的水会全部从供水管经散热器，然后流入回水管；如果水泵的作用弱，弱到可以忽略不计时，可以发现处于系统高层的循环水从供水管经散热器流到回水管。自上而下各楼层水流强度逐级衰减。最下层水从回水管经散热器流入供水管。这个现象或者作用不可避免。并且给采暖运行调节带来很大干扰。经常见到的高层热，底层冷，这是一个重要原因。

6. 近热远冷

热水采暖集中供热管网中近热远冷是另一个常见现象。所谓远近指的是热用户到热力站的距离。集中供热系统从热力站送出到各热用户的热水温度是一样的（忽略沿程散热对水温度的影响）。根据公式③，流量 G 越大，用户得到的热量 Q 就越多。不考虑重力水头 ΔP_ρ 的作用，热网上的全体用户获得热水的驱动力来自同一个热力站的循环泵。公式 ③ 里 ΔP 代替水泵的机械水头。假如全体热用户需要相同数量的循环水流量 G，则每个热用户与热力站之间管道对循环水的阻力应相等。管路对循环水流动的阻力在公式 ⑤中的 H 当中。管线越长阻力越大。管径越小阻力越大。管线上的各种管件如阀门、弯头、变径等等构成局部阻力

公式6：H = 0.00103(L + L') × 10⁻⁶ × (ρ · d_in^5.25)⁻¹

符号说明：

· H — 循环水管路的阻力系数，MPa/(t/h)²；

· L — 管线长度，m；

· L' — 管路中管件形成局部阻力折算成的当量长度，m；

· ρ — 水密度，kg/m³；

· d_in — 管道内径，m。

集中供热管网如果没有中间管道泵，则网上全体用户享有同一个水泵（组）提供的驱动水头 ΔP。如果不加干涉，离泵站越近的用户与泵站之间管线长度 L 越短，得到的循环水量就越多，形成近热远冷热力失调的结果。

为此，在管网各处设置众多调节阀。关小阀门开度，增加局部阻力，期望获得全网水力平衡。然而此项工作难度极大。无序的随机出现改变的众多相关参数（比如室外风力、风向）使调节变得不胜其难。问题在于自己为自己设定了不可能而且也没有必要的指标（例如全体热用户全程保持室温 18±1℃）。结果成千上万的从业者耗时五十～六十年也实现不了。变换一下思路，不要大包大揽。用热用户入口装置（撬装）将户—网隔离。宏观调节由热网运行管理工程师来负责。室温微调节交给热用户自己去操作。纳入多索取多付费的原则（当然不必是唯一条件）热网用户不满意度将会下降。热网运营方工作负荷会明显减轻。采暖能耗（热、电、水）会明显降低。预期引入撬装将会使集中热水采暖行业发生革命性变化。

管网水力调节对热用户水力工况不再产生直接影响。一幢楼内用户水力工况调节不会对其他楼栋热用户产生任何影响。集中供热热水采暖热力失调将成为历史。