水系统的“万能公式”:Q=cmΔt
其中Q是热量;c是比热容,它代表单位质量的物质温升/温降1℃时,吸收/散发的热量。m是物体的质量,Δt是升温或降温前后的温差。这个公式运用到水暖上时:
Q代表水升温/降温过程中,吸收/散发的总热量;
m可以代表水的质量,也可以代表水的体积或流量;
Δt可以代表水的温升和温降的幅度,也可以代表供回水的温差。
水的比热容c会随温度的变化而改变,但变化量极小可以忽略,通常都按照固定不变的4200J/(kg·℃)进行计算,即:1kg水温度升高1℃需要吸收4200J的热量,反之会释放4200J的热量;在自然界常见物质中,水的比热容最大,这也说明自然界常见物质中,水吸热和放热的能力最强。
既然水的比热容可以认为是固定不变的,那么通过Q=cmΔt可以看到:影响热量Q的两个因素确实是流量和供回水温差了。
我喜欢把这个公式叫做万能公式,因为跟热量、流量、温差相关的问题,万事不会都要问它,不管是采暖还是热水。
“万能公式”在应用中存在的问题:
对于大多数朋友来说,这个公式不利于快速计算,因为计算过程中需要进行单位转化,又是千焦又是大卡又是千瓦,一不留神就会算错。你可以借助一组数据,使用该公式进行计算。
已知:水的比热容c=4200J/(kg·℃),假设某系统的总流量为1000L/h,供回水的温差Δt=10℃,问:该系统每小时散发的总热量是多少?得出的结果应该是11.63kW。
我们习惯用kW或者W作为热量单位,当知道了系统的总流量和温差时,该如何利用万能公式快速计算出总热量呢?
只需要将公式稍微变形一下就可以了,把单位转换的问题提前在公式里解决掉。这样我们就得到了一个非常好用的公式:
热量=流量×温差×1.163
1.163是什么?
1.163还是水的比热容,我们只是进行了单位转换。
公式简化过程中,将4200J/(kg·℃)转化成1.163W/(kg·℃)。体积为1L的水,其质量约为1kg,因此以上述案例中具体计算过程可以简化为:
热量=1000kg×10℃×1.163W/(kg·℃)=11630W=11.63kW。当后面的单位是L或者kg时,计算出的热量单位为W;单位是t或m³时,计算出的单位为kW。
在前面木地板案例中,我们并不知道系统的流量有多大,所以无法通过万能公式计算出总热量,但整套系统实际散发的总热量应该会高于通过公式Q=8.92×Δt1.1计算出的1520W。原因在于供水60℃、回水58℃时,木地板下方的整个回填层温度较高,再加上保温板又不能完全绝热,所以业主家的地暖会向楼下传递一部分热量,我们在前面计算出的1520W中,并没有将地暖向下的热损失计算在内。
建筑面积120多平,实铺80㎡的户型,地暖向上的总散热量只有1520W,核算到建筑面积上,每平米约12W,这点热量确实太少了。
那么多少热量才合适呢?
如何进行负荷计算?
一平米需要多少瓦的热量才能热起来?
很不幸,这个问题没有确切的答案。房间需要的热量跟当地的气候条件有关,也会受到保温、门窗气密性、邻里温差等各种因素的影响。因此每套房子都有自己的特性,同一套房子里不同房间单位面积需要的热量也不一样。老房子单位面积需要的热量通常比新建商品房多,外墙多的房间需要的比外墙少的房间多,顶层的房间需要的比中间楼层多。
即使户型完全相同的两套房子,也会因两家业主对室温的需求不同,从而导致要求室温高的业主家需要的热量更多一些。
虽然没有确切答案,但有一些设计指标可以供我们参考:
以郑州为例,冬季日平均温度≤+8℃的天数为125天,这段时间内的室外平均温度为3℃;日平均温度≤+5℃的天数为97天,这段时间内的室外平均温度为1.7℃;郑州供暖室外计算温度为-3.8℃。(数据引自《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB 50736-2012)。
室外平均温度可以理解为采暖季在某段时间内所有天数里室外温度的平均值;室外计算温度指的是日平均温度,其中-3.8℃的含义是:郑州的采暖季中,平均每年会有5天的时间里,日平均温度低于-3.8℃。
郑州当地节能型建筑供暖耗热量指标不到20W/㎡。采暖设计热负荷指标宜为30-37W/㎡,引自《河南省居住建筑节能设计标准》(寒冷地区) DBJ41/062-2012。
耗热量指标的意思是:假设室外温度一直维持在采暖季平均温度,以建筑面积为计算依据,在达到设计室温18℃时,每平米每小时需要的热量;所以耗热量指标可以理解为采暖季的平均热负荷指标。
设计热负荷指标的意思是:当室外温度为-3.8℃时,如果需要达到设计室温18℃,以建筑面积为计算依据,每平米每小时需要的热量;因此设计热负荷指标可理解为在某一特定时刻单位面积需要的热量。我们将设计热负荷指标取中间值34W/㎡,以此来推算实际工作中热负荷如何快速估算。
设计热负荷指标和我们工作中习惯的选型标准相去甚远,工作中大家至少也是按照80W/㎡、100W/㎡选的炉子,有时按照150W/㎡、200W/㎡选的暖气片。为什么选型标准相差这么远呢?
热负荷指标有这么小吗?
有,也没有。
原因在于计算方法不同,上述指标中需要有几个特定的条件:
条件1:计算依据为建筑面积。一个建筑面积150㎡的户型,套内面积通常不会超出110㎡,实铺面积通常不会超出100㎡(受公摊比例和户型的影响,数据会有浮动);我们假设该150㎡的户型,实铺面积为90㎡。则建筑面积和实铺面积的比值为150/90=1.67;如果我们以实铺面积为计算依据,单位面积需要的热量为:34×1.67=56.8W。
条件2:该建筑物符合65%建筑节能标准。很多朋友认为建筑物分为有保温和没保温两种,其实详细区分的话可以分为:基准建筑、建筑节能30%、建筑节能50%、建筑节能65%、建筑节能75%。但严寒及寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖等地区又有很大不同。
我们以严寒及寒冷地区为例做简短说明。
1)基准建筑:以当地1980-1981年的符合采样标准的住宅为依据,其采暖耗热量作为基准能耗,假设此时能耗指标为1。
2)建筑节能30%:与基准建筑相比建筑节能30%,原指节约30%燃煤。此时能耗指标为:1-1×30%=0.7。
3)建筑节能50%:在建筑节能30%的基础上再节能30%,此时能耗指标为0.7-0.7×30%=0.49,与基准建筑的能耗相比,节能约50%,因此称为建筑节能50%。
4)建筑节能65%:在建筑节能50%的基础上再节能30%,此时能耗指标为0.5-0.5×30%=0.35,比基准建筑节能约65%,因此称为建筑节能65%;目前多数地区采用该标准。
5)建筑节能75%:在建筑节能65%的基础上再节能30%,此时能耗指标为0.35-0.35×30%≈0.25,比基准建筑节能约75%,因此称为建筑节能75%;目前少部分地区采用该标准。
有一点需要特别注意:在集中供暖普及的严寒和寒冷地区,下一阶段比上一阶段节能30%并不完全是建筑物本身节能30%;实现此目的可以通过两种不同的途经:一方面是通过增强建筑物围护结构的保温和门窗的气密性,另一方面是通过提高采暖系统的效率来实现,比如提高锅炉的效率和传输系统的效率。在节能的30%中,建筑物本身节能占70%左右,系统效率节能占30%左右。各地区建筑节能标准详见:《公共建筑节能设计标准》
总之在不考虑系统效率的情况下,节能标准为50%的建筑物本身需求的热量比65%的建筑要多出20%左右;65%的比75%的多出20%左右。
郑州本地75%节能型建筑热负荷指标不超过30W/㎡。引自《河南省居住建筑节能设计标准》(寒冷地区75%)。
条件3:室内设计温度为18℃。高于18℃时需求的热量更多,反之更少。
条件4:热源是集中供暖。当一个建筑物内每个房间都采暖时,单位面积需要的热量更少,但总热负荷较大;当建筑物内只有部分房间采暖时,采暖房间单位面积需要的热量更多,整个建筑物消耗的总热量更少。这也是独立采暖地区进行热源和末端选型时,通常会加大型号的一个原因。