区域供能管网散热损失计算方法及分析

张新记（华东建筑设计研究院有限公司华东建筑设计研究总院，上海200002）

区域供能管网散热损失计算方法及分析

张新记
（华东建筑设计研究院有限公司华东建筑设计研究总院，上海200002）

对管网散热损失的计算方法、关键参数的选择和数据来源进行详细介绍；根据全年的气象参数和全年负荷预测结果，结合上海某项目的实际情况，对项目设计状态和全年的散热损失进行计算，其结果表明：供冷管网在设计工况下的散热损失占冷量的比例为0.2%左右，全年散热损失占供冷量的比例为0.8%左右，且供冷管网散热损失所占比例较小，且远小于供热管网的散热损失。

区域供能；管网；散热损失；埋设深度；土壤温度；地表温度

0 引言

区域供能（含供冷与供热）项目，尤其是南方地区以供冷为主的区域供能项目，一直以来存在支持与反对两种声音。区域供能项目可以降低总体装机容量、采用大型高效设备、采用新型节能技术、集约化运行管理等方面的优势是广为接受的，反对的主要原因集中在能源价格过高、输送能耗高、管网损失大等方面。

在上海某区域供能项目的实施过程中，包括建设单位、潜在用户、相关专家等对管道的输送损失和输送温升（降）都比较关注。该项目位于上海前滩地区，能源站供能面积约200万m2，该项目采用四管制，考虑全年供冷、冬季4个月供热；供冷管网主干管径DN1300，供热管网主干管径DN800，管网最不利环路长度（供、回水总长度）约5000m，管网供回水总长度8000m。冷水供回水温度5℃/13℃，热水供回水温度61℃/45℃。

管网热损失已有较多文献结合实际案例进行过计算分析，但结论有较大差异。文献[1]结合实际项目对管网散热损失进行了计算分析，认为区域供冷系统二次管网的总冷量损失很小，在其输送冷量的1%以内；文献[2]根据项目实例计算得出冷水管道温升达0.8℃，冷量损失接近售冷量的10%，并认为水泵能耗高为主因。文献[3]～[7]针对区域供冷系统管网的优化设计及合理的供冷半径都做出了比较详细的分析。不同项目的供能规模和管网长度均有较大差异，难以简单得出结论，但区域供能项目需在合适的区域（容积率高，输送距离短）和控制适当的规模是业内的共识。

区域供能系统由于周边环境要求、造价等方面的因素，绝大多数项目采用直埋敷设的方式，且直埋管网系统在标准化、制造和施工工艺等方面十分成熟，结合项目的实际情况，只针对直埋管网的散热损失计算进行讨论。

1 管网散热损失计算方法

根据计算已知的条件不同，直埋管道的散热损失不同文献的计算方法略有差异，已知埋深土壤温度的计算方法和已知土壤地表温度的计算方法分别详述如下:

1.1 方法1-已知埋深的土壤温度[8]

已知直埋管埋深的土壤温度时，管道的散热损失可采用公式（1）和公式（2）进行计算:

式中Δq1，Δq2—供、回水管单位长度散热损失，W/m；

t1，t2—供回水管道内介质温度，℃；

t0—管道周围土壤温度，℃；

Rb1，Rb2—供水管、回水管保温层的热阻，m·℃

/W；

Rt—土壤热阻，m·℃/W；Rc—附加热阻，m·℃/W；dw—钢管外径，m；

dz—保温层外表面直径，m；

λb—保温材料导热系数，W（/m·℃）；λt—土壤导热系数，W（/m·℃）；

h—从地表面到管中心线的埋设深度，m；

b—两管中心线间的距离，m。

1.2 方法2-已知土壤的地表温度[9]

已知直埋管的土壤地表温度时，管道的散热损失可采用公式（6）和公式（7）进行计算:

式中td.b—土壤地表温度，℃；

ΣR1，ΣR2—供水管、回水管的总热阻，m·℃/W；

Hz—管道的折算埋设深度，m；

αk—土壤表面的放热系数，可采用αk=12-15W/

（m·℃）计算；

hj—假想土壤层厚度，此厚度的热阻等于土壤

表面层的热阻，m。

从上述计算公式可知，管道的散热损失与供回水管道内介质温度、管道周围土壤温度或土壤地表温度、管道保温材料热阻、土壤热阻及管道埋设深度有关。

2 两种计算方法的差异及关键数据取值

两种计算方法的主要差异在于对管道周围土壤温度的处理方法不同，方法1直接采用管道周围的土壤温度；而方法2则采用地表土壤温度。

当设计条件确定后，供回水管道内介质温度、管道保温材料热阻及管道埋设深度都可以确定；但管道周围土壤温度或土壤地表温度及土壤热阻因受气象条件、土壤热物性影响较大，且一般没有现成资料可供参考，对计算结果的准确性影响较大。

2.1 土壤导热系数的取值

土壤的热物性根据土壤的性质、土壤的湿度不同有很大差异，一般的文献会给出参考的取值范围[9]:“当土壤温度为10-40℃时，中等湿度土壤的导热系数在1.2-1.5W/（m·℃）范围内；对于湿土，可取1.5-2.0W/（m·℃）；对于干砂，可取1.0W/（m·℃）”，但这种取值对具体项目的指导意义不大。针对具体项目的计算，一般是根据地勘资料或土壤热物性实验结果取值。

文中根据该实际项目的地质勘察资料，土壤导热系数=2.235W/（m·℃），土壤密度=2400k g/m3，土壤比热=922J/（k g·℃）。

2.2 土壤温度的取值

土壤的温度数据尤其是不同埋深的全年温度数据，实际项目能够获得的数据非常有限。目前关于土壤温度数据较多的是地埋管地源热泵系统的研究、测试获取的数据，这些数据一般是地表下数十米至几十米的温度数据；而直埋管网的敷设深度一般在地表下2m左右，无法直接采用。

文献[10]给出了土壤温度计算的理论模型，且与实测数据有较高吻合度。该模型的计算方法见公式（13）:

式中t（x，τ）—地面下x米处、τ时刻的土壤温度，℃；

τ—温度的计算时刻，s；

x—土壤地面以下的深度，m；

α—土壤热扩散系数（导温系数），α=λt/（ρCp），W/（m·℃）;

ρ—土壤密度，k g/m3；

Cp—土壤比热，J/（k g℃）；tm—地表面平均温度，℃；

A—地表温度波动的振幅，℃；

T—波动周期，T=365×24×3600，s；

tfj—地表条件温度附加值，℃；对于光秃地表面，温度附加值为0℃，树木杂草地面为1℃，冬季积雪为1-2℃，一般地下每深30m土壤温度升高1℃，所以tfj=x/30。

表1 地表下2.0m埋深处的土壤温度

针对该项目，地表下2.0m埋深处的土壤温度计算结果见表1。

2.3 土壤地表温度的取值

根据相关研究，月平均的土壤地表温度接近月平均空气温度。月平均空气温度的取值可以参考历年气象参数的统计值，也可以参考建筑能耗模拟软件的气象数据库，如中国建筑用标准气象数据库、中国典型气象年气象数据、D e S T软件数据库等。

文中采用基于实测数据分析整理的典型气象年数据做为计算依据，其月平均温度见表2。

表2 月平均温度

3 项目实例计算及结果分析

表3 管网设计工况散热损失计算结果

表4 管网全年散热损失计算结果

文章采用上述两种计算方法，分别针对上海某项目的实际情况进行了设计工况和全年散热损失的计算。管网散热损失的计算结果见表3、表4。

从上述计算结果可知:

（1）除供冷管网在设计工况下两种计算方法存在较大差异外，其余计算结果两种计算方法均较为接近。此种差异存在的原因在于计算方法1采用数学模型计算得出的地下土壤温度不能完全反映出土壤温度的波动，得出的散热损失结果较小。因此，建议在气象数据较全面的情况下，尽量采用方法2计算，结果相对更可靠；或者在有实际统计的管网埋深下的土壤温度数据的情况下，采用计算方法1。如果气象数据、土壤温度数据均不全面，初步估算管网散热损失可，采用文中的方法得出土壤的温度数据结合方法1进行计算。

（2）供冷管网在设计工况下的散热损失占冷量的比例为0.2%左右，全年散热损失占供冷量的比例为0.8%左右。

（3）供热管网在设计工况下的散热损失占热量的比例为0.8%左右，全年散热损失占供热量的比例为6%左右。

（4）相较于供热，供冷管网在设计工况、全年的散热损失所占的比例均远小于供热管网。原因在于供热管网输送介质的温度与土壤的温差远大于供冷管网与土壤的温差，以该项目为例，供热工况为供冷工况的3倍以上。

4 结语

通过对该项目的实际计算，可以发现供冷管网在设计工况下和全年的散热损失占冷量的比例均较小，且供热管网的散热损失远大于供冷管网，尤其是在供热参数高的项目中会更明显。因此，针对区域供能项目中冷热管网输送损失的关注点应该有所区别。供热管网输送损失的研究可以重点关注管网的散热损失，而供冷管网的输送损失应更加关注输送能耗、水泵温升等方面。

文中所引述的两种计算方法可以根据项目的阶段、已掌握的项目信息、准确性要求等，结合具体条件选用。无论采用哪种方法，数据来源的准确性对计算结果影响很大。根据该项目中的实践，采用计算方法2的相关数据更容易获取，且数据相对可靠；采用方法1的埋设深度土壤温度一般没有相关资料，文中采用数学模型计算埋设深度土壤温度可作为一种参考。

[1]唐英姿，左政.区域供冷系统二次管网的冷量损失分析[J].暖通空调，2009，39（11）:31-36．

[2]朱颖心，王刚，江亿.区域供冷系统能耗分析[J].暖通空调，2008，38（1）:36-40.

[3]康英姿，华贲.区域供冷系统二次管网的优化设计[J]．暖通空调，2010，40（1）:33-38．

[4]刘金平,陈志勤.区域供冷系统枝状冷水输送管网的优化设计[J].暖通空调，2006，36（7）：18-22.

[5]朱纪军，刘谨.区域供冷系统及其供冷半径探讨[J]．制冷，2004，23（1）:69-72.

[6]张思柱，杨俊，龙惟定.区域供冷系统最佳供应半径研究[J].暖通空调，2008，38（4）:116-119.

[7]康英姿，仵浩，华贲.区域供冷系统经济供冷距离研究[J].暖通空调，2010，40（8）:135-139.

[8]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].第二版.北京:中国建筑工业出版社，2007．

[9]王飞，张建伟．直埋供热管道工程设计[M].北京:中国建筑工业出版社，2006．

[10]陈友明，王宇航，莫志姣.土壤初始温度模型[J].湖南大学学报（自然科学版），2007，34（7）:27-29．

Calculation Method and Analysis of Piping Network Heating Loss in District Energy System

ZHANG Xin-ji
（East China Architectural Design&Research Institute Co.，Ltd，East China Architectural Design&Research Institute，Shanghai 200002，China）

T h e calculation met h o d o f t h e h eatin g lo ss o f p i p in g net w or k,t h e s election o f t h e k ey p arameter s an d t h e d ata s ource are intro d uce d in d etail in t h i s p a p er.Accor d in g to t h e annual meteorolo g ical d ata an d t h e annual loa d p re d iction，com b ine d w it h t h e actual s ituation o f a p ro j ect in S h an gh ai，t h e d e s i g n con d ition an d t h e annual h eatin g lo ss are calculate d,t h e re s ult s sh o w t h at：t h e h eatin g lo ss o f coolin g p i p e net w or k in d e s i g n con d ition i s a b out 0.2%o f coolin g ca p acity；t h e annual coolin g lo ss accounte d f or a b out 0.8% o f t h e coolin g ca p acity；an d t h e p ro p ortion o f h eatin g lo ss o f t h e coolin g p i p e net w or k i s s mall，an d muc h s maller t h an t h e h eatin g lo ss o f t h e h eatin g p i p e net w or k.

d i s trict ener g y s y s tem；p i p in g net w or k；h eatin g lo ss；b urie d d e p t h；s oil tem p erature；lan d s ur f ace tem p erature

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.03.018

T U83

B

2095-3429（2017）03-0071-04

2017-04-28

修回日期：2017-06-06

张新记（1981-），男，河南叶县人，硕士，工程师，主要从事暖通空调系统的设计工作。