拒绝估算！设计院高工教你严谨计算建筑热负荷及热泵主机选型
主讲人_安建新
资深设计师、知名暖通专栏作家
对于热泵主机选型，绝大部分人都是凭经验，或者通过简单的估算。这样做其实有很大的运气成分，一不小心就可能满盘皆输。热泵商学院金牌讲师安建新老师说，对做工程的经销商来说，经验固然重要，但也要有一定的专业知识积累。接下来，我们来听听安老师是如何教大家选主机的。
如何计算基本耗热量
在进行锅炉改造、厂房改造都需要进行设备选型。大家都是怎么选主机的？我想用的最多的应该是热指标法，就是用热指标乘以面积得到需要的热负荷，然后根据热负荷选主机。
这种方法用的很广，今天我还要讲一个简单计算方法。即：
基本耗热量=传热系数*传热面积*室内外温差
大家不要见到公式就发懵，其实很简单。比如说你算窗户的耗热量，就用窗户的传热系数乘以窗户的面积，再乘以室内外温差。同理，如果是外墙，就用墙体的传热系数，乘以外墙面积，再乘以温差。同样也可以算出屋顶的耗热量。也就是说，你要计算哪一部分的耗热量，就用哪一部分的传热系数乘以面积再乘以温差就可以了。
表1：常用维护结构传热系数K（W/㎡·℃）
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名称 |
K |
名称 |
K |
|
外砖墙（内抹灰）一砖 |
2.08 |
实体木外门二层 |
2.33 |
|
外砖墙（内抹灰）一砖半 |
1.56 |
带玻璃的阳台门一层 |
5.82 |
|
外砖墙（内抹灰）二砖 |
1.27 |
带玻璃的阳台门二层 |
2.67 |
|
内砖墙半砖 |
2.30 |
外窗及天窗一层木框 |
5.82 |
|
内砖墙一砖 |
1.72 |
外窗及天窗二层木框 |
2.67 |
|
实体木外门一层 |
4.65 |
外窗及天窗二层金属框 |
3.26 |
注：表中砖指实心粘土砖
表1就是一些常用的传热系数数据，比如说外砖墙，一砖也就是我们说的24墙，传热系数是2.08，而一砖半就是37墙，传热系数是1.56。从传热系数，我们就可以很清楚地看出24墙和37墙的耗热量上的差别有多大。一些常用的围护结构传热系数，比如说外墙、中空玻璃等等，我们查了一次后可以记下来，下次要用到的时候就可以很方便、快捷地计算。
以北京某办公室为例教你计算
下面我们看一个例题：
例：北京某办公室只有一面370外墙和一面双层玻璃的外窗。房间开间4米，进深5米，层高4米。窗户宽2米，高2米。用以上两种方法试求采暖热负荷。
我们可以从传热系数表查到37墙传热系数是1.56，双层中空玻璃的传热系数这里按断桥铝材质取2.4（材质不同区别很大，比如说塑钢的、断桥铝的、玻璃材质的等）。房间的面积是4米*5米=20平米；窗户的面积是2米*2米=4平米；外墙的面积是4米*4米=16平米，再减去窗户的面积，就是12平米。北京的室外温度参数是-7.6℃（查自《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012），室内温度取20℃，室内外温差为27.6℃。
把这些数据代入公式，可知：
外窗耗热量=2.4*4*27.6=265W
外墙耗热量=1.56*12*27.6=517W
基本耗热量=265+517=782W
这里要指出一下，这样算的基本耗热量是不包括冷风耗热量的，我们在取负荷值时，还要计算冷风耗热量，一般按基本耗热量的30%计算，这是简易的算法。这样我们就可以得出：
房间的热负荷=基本耗热量×1.3=783*1.3=1017W
因为我们是计算主机选型，只需计算外围护的耗热量，内墙部分，由于是紧挨着的，不需计算。另外，要注意的是，这里计算是按连续24小时采暖来计算的，如果是间歇性采暖，则需要进行折算。方法为：24小时×连续热负荷/供暖小时数。
还是以刚才的例子来说明。北京20平米的房间，计算出来的热负荷是1017W，这是24小时连续供暖的负荷，如果只是白天12小时供暖，则负荷就不够了，这时候需要除以供暖时长，即：24*1017/12=2034W。
还要注意的是，我们在计算时忽略了一些修正参数，比如说房间的朝向修正、风力附加修正等等。
刚才我们算的是一个标间，就一面外墙和窗户，如果是一栋楼呢？如下图：
两个外门，我们把它简化成窗户，那是不是就是36个标间？我们只要算出一个标间的热负荷，再乘以数量，是不是这面墙的热负荷就算出来了？当然，我们也可以按整面墙的面积减去所有窗户面积，像前面计算的那样代入到公式，也是可以的，计算出来的结果是一样的。这一面算出来了，另外几面也可以算出来，把各个面的热负荷加起来，就是这栋楼的总热负荷。
我们刚才用的就是简单计算的方法，接下来我们用大家经常用的估算方法来算下，即：热负荷=面积*热指标。
还是以北京20平米的房间为例，热指标按煤改电政府要求的80W/㎡，则：热负荷=80*20=1600W
从计算结果可以看出，这种估算的方式和之前计算出来的1017W（煤改电农户都是连续供暖，因此这里也以连续供暖数据来对比）结果还是有很大的差别的。一个20平的小房间都是如此，大型供暖项目就差的更离谱了。
影响热负荷的因素有哪些？
从上面的计算的公式，我们也可以得出影响采暖热负荷的一些因素，跟建筑的围护结构、所在地区、建筑用途、体量等有很大关系。
表2：我国各主要城市的“供暖室外计算温度”（单位：℃）
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城市 |
北京 |
石家庄 |
唐山 |
太原 |
南昌 |
兰州 |
南宁 |
|
温度 |
—7.6 |
—6.2 |
—9.2 |
—10.1 |
0.7 |
—9 |
7.6 |
|
城市 |
上海 |
南京 |
杭州 |
合肥 |
济南 |
郑州 |
武汉 |
|
温度 |
—0.3 |
—1.8 |
0 |
—1.7 |
—5.3 |
—3.8 |
—0.3 |
|
城市 |
广州 |
成都 |
拉萨 |
西安 |
重庆 |
长沙 |
嘉兴 |
|
温度 |
8 |
2.7 |
—5.2 |
—3.4 |
4.1 |
0.3 |
—0.7 |
注：《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736—2012，附录A
举个例子，同样用途的建筑，围护结构等基本情况都差不多，分别位于北京和合肥，在计算时室外温度采暖计算参数就有很大区别，北京是—7.6℃，合肥是—1.7℃，差不多相差6℃，在室内温度要求相同的情况下，温差就有6℃的区别，计算出来的热负荷，合肥差不多只有北京的30%。这个是工程所在地不同，不同气温的差异。
此外，不同体量，也就是建筑物的面积、层数、高度等不同，能耗也是不一样的，出入可能很大。比如说，一个小区，有6层，也有20层的，一般来说，20层的热指标要比6层的要小一点。
即使是同一个建筑，不同的使用功能也可能相差很多。比如某个商业综合体，烧烤餐厅冷指标可能在300W/㎡，而商用办公区域可能只要100W/㎡就够了，相差达到了3倍。
不同的建筑用途，一般来说，同年代的建筑、公共建筑，比如说办公楼、写字楼，热负荷要比居住建筑大一些。比如说，办公楼热指标可能在50W/㎡，但居住建筑可能只要30W/㎡左右。
上面这些都是影响热负荷的一些因素，用途、外保温情况、当地室外气温、建筑面积、层高等等。另外，间歇采暖也对热指标有影响。
热指标的出处是《城镇供热管网设计规范》CJJ34—2010，最初用来计算管网还有热源。要注意的是，这本规范是应用在城镇集中供热的，而且是适用于“三北地区”，即东北、西北、华北这三个地区，并不是所有地区都合适。它的特点是连续供暖，24小时不间断供暖，而热泵改造项目常常不具备这些条件，像办公楼、学校、工厂等，很多都是间歇供暖，这个是需要进行折算的。
表3：各类建筑类型采暖热指标推荐值
|
建筑物类型 |
采暖热指标推荐值（W/㎡） |
|
|
未采取节能措施 |
采取节能措施 |
|
|
住宅 |
58～64 |
40～45 |
|
综合居住区 |
60～68 |
45～55 |
|
学校、办公 |
60～80 |
50～70 |
|
医院、托幼 |
65～80 |
55～70 |
|
旅馆 |
60～70 |
50～60 |
|
商店 |
65～80 |
55～70 |
|
食堂、餐厅 |
115～165 |
100～150 |
|
影剧院、展览馆 |
95～115 |
80～105 |
|
大礼堂、体育馆 |
115～165 |
100～150 |
表3就是《城镇供热管网设计规范》CJJ34—2010给出的热指标，这是连续供暖时的热指标。从这个表也可以得出一些结论：非节能建筑热指标要高于节能节能，公共建筑热指标要高于居住建筑。像学校、办公楼、医院、旅馆、商店等，这些场所的热指标要大一些，而食堂、展馆、大礼堂之类的，很多都是单层建筑，热指标要更高。
间歇采暖的，因此在计算负荷的时候，要根据供暖小时数进行折算：
间歇热指标：24小时*连续供热指标/供暖小时数
表4：各类建筑类型连续供暖、间歇供暖热指标推荐值
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建筑物类型 |
采暖热指标推荐值（W/㎡） |
|||||
|
未采取节能措施 |
采取节能措施 |
|||||
|
连续供暖 |
采暖12h |
采暖18h |
连续供暖 |
采暖12h |
采暖18h |
|
|
住宅 |
58～64 |
116～128 |
77～85 |
40～45 |
80～90 |
53～60 |
|
综合居住区 |
60～68 |
120～138 |
80～91 |
45～55 |
90～110 |
60～73 |
|
学校、办公 |
60～80 |
120～160 |
80～107 |
50～70 |
100～140 |
67～93 |
|
医院、托幼 |
65～80 |
130～160 |
87～107 |
55～70 |
110～140 |
73～93 |
|
旅馆 |
60～70 |
120～140 |
80～93 |
50～60 |
100～120 |
67～80 |
|
商店 |
65～80 |
130～160 |
87～107 |
55～70 |
110～440 |
73～93 |
表4就是根据之前的热指标数据，在间歇供暖12小时、18小时时的热指标。我们看到，间歇供暖的时候，根据实际供暖的时长的不同，供暖热指标也是不同的。当然，不管是《城镇供热管网设计规范》CJJ34—2010给出来的热指标，还是折算出来的，都只是一个参考的数据，只要知道热指标的出处，还有间歇供暖的折算，另外还有不同建筑、功能等情况下热指标有大有小，在我们做工程主机选型有很大帮助，多了解这些东西，可以让我们少走很多弯路。
主机选型要注意温度和融霜修正
下面说一下主机选型。
原来制热功率是多少千瓦的锅炉，等量换成制热量是多少千瓦的热泵，这里面要注意两个修正，千万不要用主机的额定制热量去选机组。比如说，项目在合肥和北京，室外温度是不一样，而主机的额定制热量是相同的，如果不做修正的话肯定不合适。
空气源热泵机组的冬季制热量会受到室外空气温度、湿度和机组本身的融霜性能的影响，在设计工况下的制热量通常采用下面公式计算：
Q=q*k1*K2
式中：Q——机组设计工况下的制热量，KW；q——产品标准工况下的制热量（标准工况：室外空气干球温度7℃，湿球温度6℃），KW；K1——使用点取室外空调计算干球湿度修正系数，按产品样本选取；K2——机组融霜修正系数，应根据生产厂家提供的数据修正，当无数据时，可按每小时融霜一次去0.9，两次取0.8。
请注意：
《暖规》所述空气源热泵标准工况（标准工况：室外空气干球温度7℃，湿球温度6℃）实际上是目前我们所称的“常温空气源热泵”，或者说更接近我们说的“风冷热泵”。当我们选择低温热泵的时候，其名义工况应为：室外空气干球温度-12℃，湿球温度-14℃（依据：GBT25127.2-2010低环境温度空气源热泵(冷水)机组第2部分：户用及类似用途的热泵(冷水)机组）。
无论是常规空气源热泵还是低温空气源热泵，我们应注意其样本额定参数的的标准工况或名义工况，在此基础上进行修正。
表5：某品牌70KW主机在其它工况下性能一览
|
出水温度55℃ |
|||
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环境温度 |
制热量 |
输入功率 |
COP |
|
—20℃ |
35.84W |
20.21W |
1.77 |
|
—15℃ |
40.62W |
20.75W |
1.96 |
|
—10℃ |
46.24W |
21.31W |
2.17 |
|
—5℃ |
52.66W |
21.90W |
2.4 |
|
0℃ |
59.80W |
22.49W |
2.66 |
有的厂家样本比较好，给出了室外不同温度下的实际制热量，我们可以直接查样本。比如说表5，供水温度是55℃，额定制热量是70KW，而项目当地实际工况是—10℃，那么我们就可以直接查样本—10℃环境温度下机组的制热量，即46.24KW。如果样本查不到，也可以向厂家进行咨询，这样是最准确的。
这里说的是基本耗热量，忽略了一些修正的耗热量，比如说冷风附加率、风力附加率、层高附加率、朝向附加率等。