北方供暖到底多舒服?
发布时间:2017-12-25
出品:科普中国
制作:科了个普
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  凌冬已至,各位小伙伴各种抱团取暖:有男朋友抱男朋友,有女朋友抱女朋友,然后小编我呢就比较厉害了,为啥呢,因为我会抖啊。 

    

 

    

 

  “我是一匹来自北方的狼,却在南方被冻成了狗。”这个在网上流传颇广的段子,是不少北方人长期以来对南方冬天的印象。那么北方的冬天是什么样的呢? 

  若你曾体会过北方的冬季,或许记忆中会有这样的一幕:从天寒地冻的室外回到家中,你马上迫不及待与暖气进行了一场全身心“亲密接触”一会就能满血复活看着双层玻璃窗外的大雪纷飞,感叹着冬天也不过如此,再好的暖男也不如暖气。 

    

   而南方的小伙伴就没有这么惬意了:大家哭诉着自己在室内都要穿厚厚的衣服取暖,打游戏都要担心手指冻伤。睡觉要以电热毯、电暖气为伴,难受得不要不要的。 

   

  大家不禁有个疑问:为啥在北方过冬可以那么幸福,在南方就要冻成狗?这就要说到了供暖的问题了。 

    

  我国集中供暖的制度是如何确定的? 

  中国的集中供暖制度始于20世纪的50年代,以秦岭、淮河为界,划定南北供暖线,北方为集中供暖区,南方不集中供暖。 

   

    

  一河之隔,冬季是两种模样。好像正应了《南山南》那句歌词:你在南方的艳阳里大雪纷飞,我在北方的寒夜里四季如春。这首歌在前几年火遍大江南北,同一时间火起来的还有一个问题为什么南方不能如北方一样集中供暖呢? 

  北方的小伙伴们讶异,南方这么多年没供暖都熬过来了,为什么这两年供暖的呼声突然高涨?南方的小伙伴们委屈,因为以前网络不发达,谁知道北方人冬天过得这么舒服…… 

  玩笑归玩笑,问题却是值得讨论的。在2010年2012年的全国两会上已经有代表建议过,我国南方地区冬天也实行集中供暖,但均没得到政策层面的认可。究其根源,这要追溯到新中国建国的时候了。 

  众所周知,刚刚成立的新中国在外交上几乎是“一边倒”的格局,当时很多行业的建设都是借鉴苏联的经验和模式,而取暖一事恰好也在学习之列。在苏联援助之下,中国于1957年开始建设北京第一热电厂,并参照当时苏联的模式,初步建立了住宅锅炉供暖体系。建国初期,中国的经济水平可以说是捉襟见肘,这种情况下每一分钱都要花在刀刃上。以中国的国土面积,大规模的建设集中供暖系统消耗财力又消耗能源,为节约经济成本,只能优先考虑气候寒冷的北方地区,把集中供暖作为一种社会福利来提供。 

  根据前苏联的气候计算方法规定,室外温度5摄氏度以下才被定义为冬天(实际上南方很多地区冬季平均温度经常性打破这个记录)。因此,只有累年日平均气温稳定低于或等于5摄氏度的日数大于或等于90天(一个季度)才被界定为集中供暖的地区,我国主要包括我国华北、东北、西北等地区。 

  而在具体操作过程,一直作为中国南北地理气候的分界带的“北岭淮水”成为是否供暖界线:从海滨到江苏淮安,到河南信阳,一直到陕西安康,长约上千公里宽约数十公里,两岸气候差异较大。 

   

    

  中国南方也想实现集中供暖? 

  同学们不禁想问,如今经济条件好了,南方总该可以实现集中供暖了吧? 

  事实上,如今想在南方实现供暖依然要考虑经济、节能、环保等重要因素。 

  一是基础设施建设问题。由于历史原因,南方地区的城市集中供暖基础设施基本为零。若要像北方一样,全面建立起取暖管道、供暖泵房等基础设施,工程浩大且利用率低。此外,传统的集中供暖按面积收费,供热时间早晚、暖气温度高低甚至家中是否使用,都得按同样标准交费,这也是老百姓最大的吐槽点 

  二是环境污染问题。一到供暖季,北方雾霾指数便迅猛飙升,让生活在北方的同学们苦不堪言。为降低燃煤污染,北方使用优质煤,北京更是全面煤改气。不过,业内人士曾指出,燃气锅炉与燃煤相比,粉尘、二氧化碳减少了,但作为雾霾主要成分的氮氧化物的排放量依然很大。 

  三是国家能源消耗问题。集中供暖的管网热损耗、建筑热损耗以及居民开窗散热等不良习惯均会带来能源的巨大浪费。其中,建筑损耗占比达到40%以上,因为传统的南方住宅建筑外墙并不能满足要求,实现集中供暖前必须要做节能改造,新建房屋也必须提高节能标准,可惜开发商们为了节约成本往往不会主动考虑这方面问题。 

  让南方冬天的室内和北方一样温暖或许无法一蹴而就,但其实现在南部许多城市已经开始退而求其次尝试自主供暖的形式,期待南方的小伙伴们也能享受冬日的温暖生活。 

   

  北方有暖气的屋里是这样的(图片来源于网络) 

    

  科学解释供暖季,北方屋内为何如此暖和? 

  迅速从热源获取热量:与暖气亲密接触 

  说完我国南北方的供暖情况,再来从原理上说说供暖的北方,屋里为何如此暖和? 

  北方屋里的暖气其实物理学来说属于热传递。热传递,顾名思义,就是热的传递。而热传递主要存在三种基本形式:热传导,热辐射与热对流。在上述提到的日常中,来自暖气的“热”传导到了冰冷的你。如果只是单单把双手放在暖气上,温暖你需要很长的时间,而当像壁虎一样“趴”在暖气上时,你就像回到了出生点,马上就满血复活了。 

   

  1.热传导示意图 

  如图1所示,这就是与暖气亲密接触时,发生的热传导过程。下面,我们就要搬出传导热的计算公式: 

   

  上式中,k是热传导率,由物质本身而决定,可以理解为密度,并不会随便改变。L为接触面的厚度,当你与暖气之间隔了一堵墙之类的,我们才会考虑它。通过这个式子,我们可以轻而易举看出,接触面积越大,或者的差(温差)越大,单位时间的传热量越大。这也就是为什么“趴”在暖气上,回暖越快。另外,房子的墙壁(L)越厚,保暖越好,上式也可以解释。 

    

  隔音保暖的双层玻璃同样功不可没 

  接下来让我们说下双层玻璃窗。我们都知道,双层玻璃窗除了防噪音外,也有保持室温的功能,这是为什么呢? 

   

  2.多层介质热传导示意图(红色箭头为温度变化趋势) 

    

  当我们无法改变接触面积(窗户大小)、热传导率(玻璃材质种类)以及介质厚度(玻璃厚度)的前提下,想要减少从室内传递到室外的传导热的唯一办法,就是从接触面温差下手了。 

  当玻璃只有一层时,接触面温差就是室内外温差,此时传导热最大,保温效果最差。每增加一层玻璃,意味着室内外温度之间,又多了一个玻璃的温度T3,这个温度可比室外要高不少,于是第一段的传导热Q1自然也就比一层玻璃的Q要小了不少。我们也知道,多层玻璃窗中,玻璃与玻璃之间是有空气的,而空气的热传导率要比身为固体的玻璃要小,这一来二去,再看着示意图和公式你是不是明白了为何多层玻璃保温效果好了 

  看到这里,相信有的读者已经怀疑自己是不是在看热力学的专业书了,让我们换个话题,说说让南方小伙伴们羡慕嫉妒的集中供暖。 

    

  北方集中供暖如何成为对抗严寒的终极武器? 

  我国北方实施的集中供暖实现的是集中热源所产生热量,通过管网供给一个城市或部分区域生产、采暖和生活所需的热量的过程。集中供暖提供的稳定可靠的高品位热源,极大地改善了北方人民冬季的生活,而且能节约能源,减少城市污染,有效地利用城市有效空间,具有显著的经济效益和社会效益。 

   

  实际操作中,集中供暖的实现却并不是简单建个管道注些热水那么简单。 

  集中供暖系统由热源(热媒制备)、热循环系统(管网或热媒输送)及散热设备(热媒利用)三部分组成,这三个部分都是要统一规划、统筹安排、同步建设的。 

  低温热媒(低温水)需要在热源中被加热,吸收热量后,变为高温热媒(高温水或蒸汽),经输送管道送往室内,通过散热设备放出热量,实现上文提到的热传递过程,使室内的温度升高;高温热媒散热后温度降低,变成低温热媒,再通过回收管道返回热源,进行循环使用。如此不断循环,从而将热量不断从热源送到室内,以补充室内的热量损耗,使室内温暖如春。 

  热源是制造产生具有压力、温度等参数的蒸汽或热水的设备,大多为热电联产的电厂、集中锅炉房、工业生产中产生的余热近年来地热、核能、太阳能、热泵等也逐渐加入。此外,以上几种热源共同组成形成的多热源联合供热也是可行的。 

  热媒主要有两种:蒸汽和热水。我们就两种热媒的优劣做了如下对比: 

分类 

优点 

缺点 

热水 

热能效率高。热水往往是用低压抽汽加热而得到,所以能提高联产发电量。 

调节方便。温度可以根据室外空气温度进行调节,以达到节能和保证室内采暖温度的目的。 

热水蓄热能力强,热稳定性好,热损失小。 

输送距离长。一般可达510km 

系统使用的寿命长,一般可使用25年。 

输送耗电量大,不能满足蒸汽热用户的需要。 

管材与散热器的耗散较多,初期投资较大。 

当建筑物较高时,系统的静水压力大,散热器容易产生超压现象。 

水的热惰性大,房间升温、降温速度较慢。 

热水排放不彻底时,容易发生冻裂事故。 

蒸汽 

可以适应多种热用户的需要。 

输送靠自身压力,不用循环泵,节能 

使用和输送过程中不考虑静压,甚至输送到1520km也不会有什么问题。 

蒸汽在换热中温度与传热系数大,换热面积更小,热用户的散热设备面积可减小。 

能源效率低。输送蒸汽需要的压力高,降低了联产发电量。 

蒸汽使用后凝结水回收困难,不仅除盐水(或软化水)损失大,而且热损失亦大。 

蒸汽在使用和输送过程中损失大。 

比热水介质输送距离短,一般可以输送到35km,最大可以输送到57km 

蒸汽供暖的回水管使用年限短。 

  选择水还是蒸汽做热媒,根据安全、卫生、经济、建筑性质和地区供热条件等因素综合考虑决定。 

  从上表的对比中我们可以看到,选择热水作为热媒便于调解,稳定性较好,适合远距离输送热量,而且有较长的使用寿命,比较适用于日常生活中人们对于生活环境恒温、稳定、安全的要求。所以,民用建筑采用热水做热媒,其中居住、办公、医疗卫生宜采用低于100的低温热水;其他民用建筑可用高温热水,但不应高于130 

  蒸汽的密度很小,若选择蒸汽作为热媒,在一些地形起伏很大的地区或高层建筑中,不会产生如热水系统那样大的水静压力,用户的链接方式简单,运行也较方便。所以,蒸汽热媒多作为工业建筑、大型公共建筑空气集中处理时的热媒。我国大多数集中供热的城市,从热电厂到换热站的热媒一般都是高温高压的蒸汽。 

  热循环系统(供热管网)负责实现热量的传递。在上面的居民集中供热系统示意图中可以看到,热循环系统共有两部分管网构成。从热源厂到换热站的输送管道是主管网,也被称为一次管网;从换热站连接到各个用户室内设施的管道称为二次管网。换热站中,一次管网中从热源出出发的高温热媒同二次管网中来自用户的低温热媒在此完成热量交换。二次管网中的热媒被加热后,由二次供热管道重新进入建筑物内供热;一次管网的热媒完成使命,从回水管道回到主管网中,循环回供热站。 

  散热设备顾名思义,就是我们常说的暖气啦,是供热系统的末端装置。要完成上述使命,它必须具备能够承受热媒输送系统的压力、有良好的传热和散热能力、能够安装在室内和具有必要的使用寿命等特性。现在市面上比较流行的是钢制或铜铝复合型的,不同的材料各有优势。 

  钢制散热器壁薄,空间占用更少,重量轻,使用更加环保。然而如果不采取内防腐工艺,散热器很容易腐蚀漏水,带来不便。 

   

  钢制散热器图片来源于网络) 

  铜铝复合散热器内部采用紫铜管,导热性能好,不会腐蚀,外部采用铝材质硬度高,表面细腻均匀,更适合塑粉的附着,可以很好的适用于各种供暖系统,能最大程度提升散热量,高效节能。然而,因为铜资源稀缺,这种材料的散热器报价也相对较高。 

   

  铜铝复合散热器(图片来源于网络 

  另外想要衡量供暖系统的工作效率,就很有必要来认识一下集中供暖中最重要的基础资料——热负荷。热负荷指为达到要求的室内温度,供热系统单位时间需要向建筑物内供给的热量。在集中供热设计中,无论确定供热热源、供热系统,还是选择各类供热设备都离不开热负荷。 

  在作者心中,南方的冬天是白居易诗中所写的霜轻未杀萋萋草,日暖初干漠漠沙。老柘叶黄如嫩树,寒樱枝白是狂花。的样子。无论是南方还是北方冬天都是美丽的,是个孕育生机、迎接新生的季节,愿我们都能在冬季留下幸福美好的回忆。 

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