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監(jiān)制：中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心
凌冬已至，各位小伙伴各種抱團(tuán)取暖：有男朋友抱男朋友，有女朋友抱女朋友，然后小編我呢就比較厲害了，為啥呢，因?yàn)槲視?huì)抖啊。
“我是一匹來自北方的狼,卻在南方被凍成了狗?！边@個(gè)在網(wǎng)上流傳頗廣的段子,是不少北方人長期以來對(duì)南方冬天的印象。那么北方的冬天是什么樣的呢？
若你曾體會(huì)過北方的冬季，或許記憶中會(huì)有這樣的一幕：從天寒地凍的室外回到家中，你馬上迫不及待地與暖氣進(jìn)行了一場(chǎng)全身心的“親密接觸”，一會(huì)兒就能滿血復(fù)活，看著雙層玻璃窗外的大雪紛飛，感嘆著冬天也不過如此，再好的暖男也不如暖氣。
而南方的小伙伴就沒有這么愜意了：大家哭訴著自己在室內(nèi)都要穿厚厚的衣服取暖，打游戲都要擔(dān)心手指凍傷。睡覺要以電熱毯、電暖氣為伴，難受得不要不要的。
大家不禁有個(gè)疑問：為啥在北方過冬可以那么幸福，在南方就要凍成狗？這就要說到了供暖的問題了。
我國集中供暖的制度是如何確定的？
中國的集中供暖制度始于20世紀(jì)的50年代，以秦嶺、淮河為界，劃定南北供暖線，北方為集中供暖區(qū)，南方不集中供暖。
一河之隔，冬季卻是兩種模樣。這好像正應(yīng)了《南山南》那句歌詞：你在南方的艷陽里大雪紛飛，我在北方的寒夜里四季如春。這首歌在前幾年火遍大江南北，同一時(shí)間火起來的還有一個(gè)問題：為什么南方不能如北方一樣集中供暖呢？
北方的小伙伴們訝異，南方這么多年沒供暖都熬過來了，為什么這兩年供暖的呼聲突然高漲？南方的小伙伴們委屈，因?yàn)橐郧熬W(wǎng)絡(luò)不發(fā)達(dá)，誰知道北方人冬天過得這么舒服……
玩笑歸玩笑，問題卻是值得討論的。在2010年和2012年的全國兩會(huì)上已經(jīng)有代表建議過，我國南方地區(qū)冬天也實(shí)行集中供暖，但均沒得到政策層面的認(rèn)可。究其根源，這要追溯到新中國建國的時(shí)候了。
眾所周知，剛剛成立的新中國在外交上幾乎是“一邊倒”的格局，當(dāng)時(shí)很多行業(yè)的建設(shè)都是借鑒蘇聯(lián)的經(jīng)驗(yàn)和模式，而取暖一事恰好也在學(xué)習(xí)之列。在蘇聯(lián)援助之下，中國于1957年開始建設(shè)北京第一熱電廠，并參照當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)的模式，初步建立了住宅鍋爐供暖體系。建國初期，中國的經(jīng)濟(jì)水平可以說是捉襟見肘，這種情況下每一分錢都要花在刀刃上。以中國的國土面積，大規(guī)模的建設(shè)集中供暖系統(tǒng)既消耗財(cái)力又消耗能源，為節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，只能優(yōu)先考慮氣候寒冷的北方地區(qū)，把集中供暖作為一種社會(huì)福利來提供。
根據(jù)前蘇聯(lián)的氣候計(jì)算方法規(guī)定，室外溫度5攝氏度以下才被定義為冬天（實(shí)際上南方很多地區(qū)冬季平均溫度經(jīng)常性打破這個(gè)記錄）。因此，只有累年日平均氣溫穩(wěn)定低于或等于5攝氏度的日數(shù)大于或等于90天（一個(gè)季度）才被界定為集中供暖的地區(qū)，在我國主要包括我國華北、東北、西北等地區(qū)。
而在具體操作過程中，一直作為中國南北地理氣候的分界帶的“北嶺淮水”成為了是否供暖的界線：從海濱到江蘇淮安，到河南信陽，一直到陜西安康，長約上千公里，寬約數(shù)十公里，兩岸氣候差異較大。
中國南方也想實(shí)現(xiàn)集中供暖？
同學(xué)們不禁想問，如今經(jīng)濟(jì)條件好了，南方總該可以實(shí)現(xiàn)集中供暖了吧？
事實(shí)上，如今想在南方實(shí)現(xiàn)供暖依然要考慮經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保等重要因素。
一是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)問題。由于歷史原因，南方地區(qū)的城市集中供暖基礎(chǔ)設(shè)施基本為零。若要像北方一樣，全面建立起取暖管道、供暖泵房等基礎(chǔ)設(shè)施，工程浩大且利用率低。此外，傳統(tǒng)的集中供暖按面積收費(fèi)，供熱時(shí)間早晚、暖氣溫度高低甚至家中是否使用，都得按同樣標(biāo)準(zhǔn)交費(fèi)，這也是老百姓最大的“吐槽點(diǎn)”。
二是環(huán)境污染問題。一到供暖季，北方霧霾指數(shù)便迅猛飆升，讓生活在北方的同學(xué)們苦不堪言。為降低燃煤污染，北方使用優(yōu)質(zhì)煤，北京更是全面“煤改氣”。不過，業(yè)內(nèi)人士曾指出，燃?xì)忮仩t與燃煤相比，粉塵、二氧化碳減少了，但作為霧霾主要成分的氮氧化物的排放量依然很大。
三是國家能源消耗問題。集中供暖的管網(wǎng)熱損耗、建筑熱損耗以及居民“開窗散熱”等不良習(xí)慣均會(huì)帶來能源的巨大浪費(fèi)。其中，建筑損耗占比達(dá)到40%以上，因?yàn)?/span>傳統(tǒng)的南方住宅建筑外墻并不能滿足要求，實(shí)現(xiàn)集中供暖前必須要做節(jié)能改造，新建房屋也必須提高節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，可惜開發(fā)商們?yōu)榱斯?jié)約成本往往不會(huì)主動(dòng)考慮這方面問題。
讓南方冬天的室內(nèi)和北方一樣溫暖或許無法一蹴而就，但其實(shí)現(xiàn)在南部許多城市已經(jīng)開始退而求其次嘗試自主供暖的形式，期待南方的小伙伴們也能享受冬日的溫暖生活。
北方有暖氣的屋里是這樣的（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
科學(xué)解釋：供暖季，北方屋內(nèi)為何如此暖和？
l 迅速從熱源獲取熱量：與暖氣“親密接觸”
說完我國南北方的供暖情況，再來從原理上說說供暖的北方，屋里為何如此暖和？
北方屋里的暖氣其實(shí)從物理學(xué)上來說屬于熱傳遞。熱傳遞，顧名思義，就是熱的傳遞。而熱傳遞主要存在三種基本形式：熱傳導(dǎo)，熱輻射與熱對(duì)流。在上述提到的日常中，來自暖氣的“熱”傳導(dǎo)到了冰冷的你。如果只是單單把雙手放在暖氣上，溫暖你需要很長的時(shí)間，而當(dāng)像壁虎一樣“趴”在暖氣上時(shí)，你就像回到了出生點(diǎn)，馬上就滿血復(fù)活了。
圖1.熱傳導(dǎo)示意圖
如圖1所示，這就是與暖氣親密接觸時(shí)，發(fā)生的熱傳導(dǎo)過程。下面，我們就要搬出傳導(dǎo)熱的計(jì)算公式：
上式中，k是熱傳導(dǎo)率，由物質(zhì)本身而決定，可以理解為密度，并不會(huì)隨便改變。L為接觸面的厚度，當(dāng)你與暖氣之間隔了一堵墻之類的，我們才會(huì)考慮它。通過這個(gè)式子，我們可以輕而易舉地看出，接觸面積越大，或者
的差（溫差）越大，單位時(shí)間的傳熱量越大。這也就是為什么“趴”在暖氣上，回暖越快。另外，房子的墻壁（L）越厚，保暖越好，上式也可以解釋。
l 隔音保暖的雙層玻璃同樣功不可沒
接下來讓我們說下雙層玻璃窗。我們都知道，雙層玻璃窗除了防噪音外，也有保持室溫的功能，這是為什么呢？
圖2.多層介質(zhì)熱傳導(dǎo)示意圖（紅色箭頭為溫度變化趨勢(shì)）
當(dāng)我們無法改變接觸面積（窗戶大?。?、熱傳導(dǎo)率（玻璃材質(zhì)種類）以及介質(zhì)厚度（玻璃厚度）的前提下，想要減少從室內(nèi)傳遞到室外的傳導(dǎo)熱的唯一辦法，就是從接觸面溫差下手了。
當(dāng)玻璃只有一層時(shí)，接觸面溫差就是室內(nèi)外溫差，此時(shí)傳導(dǎo)熱最大，保溫效果最差。每增加一層玻璃，意味著室內(nèi)外溫度之間，又多了一個(gè)玻璃的溫度T3，這個(gè)溫度可比室外要高不少，于是第一段的傳導(dǎo)熱Q1自然也就比一層玻璃的Q要小了不少。我們也知道，多層玻璃窗中，玻璃與玻璃之間是有空氣的，而空氣的熱傳導(dǎo)率要比身為固體的玻璃要小，這一來二去，再看著示意圖和公式，你是不是就明白了為何多層玻璃保溫效果好了。
看到這里，相信有的讀者已經(jīng)懷疑自己是不是在看熱力學(xué)的專業(yè)書了，讓我們換個(gè)話題，再說說讓南方小伙伴們羨慕嫉妒的集中供暖。
北方的集中供暖如何成為對(duì)抗嚴(yán)寒的終極武器？
我國北方實(shí)施的集中供暖實(shí)現(xiàn)的是將集中熱源所產(chǎn)生的熱量，通過管網(wǎng)供給一個(gè)城市或部分區(qū)域生產(chǎn)、采暖和生活所需的熱量的過程。集中供暖提供的穩(wěn)定可靠的高品位熱源，極大地改善了北方人民冬季的生活，而且能節(jié)約能源，減少城市污染，有效地利用城市有效空間，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
實(shí)際操作中，集中供暖的實(shí)現(xiàn)卻并不是簡(jiǎn)單地建個(gè)管道，注些熱水那么簡(jiǎn)單。
集中供暖系統(tǒng)由熱源（熱媒制備）、熱循環(huán)系統(tǒng)（管網(wǎng)或熱媒輸送）及散熱設(shè)備（熱媒利用）三部分組成，這三個(gè)部分都是要統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)籌安排、同步建設(shè)的。
低溫?zé)崦剑ǖ蜏厮┬枰跓嵩粗斜患訜幔諢崃亢?，變?yōu)楦邷責(zé)崦剑ǜ邷厮蛘羝?，?jīng)輸送管道送往室內(nèi)，通過散熱設(shè)備放出熱量，實(shí)現(xiàn)上文提到的熱傳遞過程，使室內(nèi)的溫度升高；高溫?zé)崦缴岷鬁囟冉档?，變成低溫?zé)崦剑偻ㄟ^回收管道返回?zé)嵩?，進(jìn)行循環(huán)使用。如此不斷循環(huán)，從而將熱量不斷從熱源送到室內(nèi)，以補(bǔ)充室內(nèi)的熱量損耗，使室內(nèi)溫暖如春。
熱源是制造產(chǎn)生具有壓力、溫度等參數(shù)的蒸汽或熱水的設(shè)備，大多為熱電聯(lián)產(chǎn)的電廠、集中鍋爐房、工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的余熱。近年來，地?zé)帷⒑四?、太陽能、熱泵等也逐漸加入。此外，以上幾種熱源共同組成形成的多熱源聯(lián)合供熱也是可行的。
熱媒主要有兩種：蒸汽和熱水。我們就兩種熱媒的優(yōu)劣做了如下對(duì)比：
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分類 |
優(yōu)點(diǎn) |
缺點(diǎn) |
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熱水 |
①熱能效率高。熱水往往是用低壓抽汽加熱而得到，所以能提高聯(lián)產(chǎn)發(fā)電量。 ②調(diào)節(jié)方便。溫度可以根據(jù)室外空氣溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到節(jié)能和保證室內(nèi)采暖溫度的目的。 ③熱水蓄熱能力強(qiáng)，熱穩(wěn)定性好，熱損失小。 ④輸送距離長。一般可達(dá)5到10km。 ⑤系統(tǒng)使用的壽命長，一般可使用25年。 |
①輸送耗電量大，不能滿足蒸汽熱用戶的需要。 ②管材與散熱器的耗散較多，初期投資較大。 ③當(dāng)建筑物較高時(shí)，系統(tǒng)的靜水壓力大，散熱器容易產(chǎn)生超壓現(xiàn)象。 ④水的熱惰性大，房間升溫、降溫速度較慢。 ⑤熱水排放不徹底時(shí)，容易發(fā)生凍裂事故。 |
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蒸汽 |
①可以適應(yīng)多種熱用戶的需要。 ②輸送靠自身壓力，不用循環(huán)泵，節(jié)能。 ③使用和輸送過程中不考慮靜壓，甚至輸送到15到20km也不會(huì)有什么問題。 ④蒸汽在換熱中溫度與傳熱系數(shù)大，換熱面積更小，熱用戶的散熱設(shè)備面積可減小。 |
①能源效率低。輸送蒸汽需要的壓力高，降低了聯(lián)產(chǎn)發(fā)電量。 ②蒸汽使用后凝結(jié)水回收困難，不僅除鹽水（或軟化水）損失大，而且熱損失亦大。 ③蒸汽在使用和輸送過程中損失大。 ④比熱水介質(zhì)輸送距離短，一般可以輸送到3到5km，最大可以輸送到5到7km。 ⑤蒸汽供暖的回水管使用年限短。 |
選擇水還是蒸汽做熱媒，根據(jù)安全、衛(wèi)生、經(jīng)濟(jì)、建筑性質(zhì)和地區(qū)供熱條件等因素綜合考慮決定。
從上表的對(duì)比中我們可以看到，選擇熱水作為熱媒便于調(diào)解，穩(wěn)定性較好，適合遠(yuǎn)距離輸送熱量，而且有較長的使用壽命，比較適用于日常生活中人們對(duì)于生活環(huán)境恒溫、穩(wěn)定、安全的要求。所以，民用建筑采用熱水做熱媒，其中居住、辦公、醫(yī)療衛(wèi)生宜采用低于100 的低溫?zé)崴?；其他民用建筑可用高溫?zé)崴?，但不?yīng)高于130 。
蒸汽的密度很小，若選擇蒸汽作為熱媒，在一些地形起伏很大的地區(qū)或高層建筑中，不會(huì)產(chǎn)生如熱水系統(tǒng)那樣大的水靜壓力，用戶的鏈接方式簡(jiǎn)單，運(yùn)行也較方便。所以，蒸汽熱媒多作為工業(yè)建筑、大型公共建筑空氣集中處理時(shí)的熱媒。我國大多數(shù)集中供熱的城市，從熱電廠到換熱站的熱媒一般都是高溫高壓的蒸汽。
熱循環(huán)系統(tǒng)（供熱管網(wǎng)）負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞。在上面的居民集中供熱系統(tǒng)示意圖中可以看到，熱循環(huán)系統(tǒng)共有兩部分管網(wǎng)構(gòu)成。從熱源廠到換熱站的輸送管道是“主管網(wǎng)”，也被稱為“一次管網(wǎng)”；從換熱站連接到各個(gè)用戶室內(nèi)設(shè)施的管道稱為“二次管網(wǎng)”。換熱站中，一次管網(wǎng)中從熱源出出發(fā)的高溫?zé)崦酵喂芫W(wǎng)中來自用戶的低溫?zé)崦皆诖送瓿蔁崃拷粨Q。二次管網(wǎng)中的熱媒被加熱后，由二次供熱管道重新進(jìn)入建筑物內(nèi)供熱；一次管網(wǎng)的熱媒完成使命，從回水管道回到主管網(wǎng)中，循環(huán)回供熱站。
散熱設(shè)備顧名思義，就是我們常說的暖氣啦，是供熱系統(tǒng)的末端裝置。要完成上述使命，它必須具備能夠承受熱媒輸送系統(tǒng)的壓力、有良好的傳熱和散熱能力、能夠安裝在室內(nèi)和具有必要的使用壽命等特性?，F(xiàn)在市面上比較流行的是鋼制或銅鋁復(fù)合型的，不同的材料各有優(yōu)勢(shì)。
鋼制散熱器壁薄，空間占用更少，重量輕，使用更加環(huán)保。然而如果不采取內(nèi)防腐工藝，散熱器很容易腐蝕漏水，帶來不便。
鋼制散熱器（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
銅鋁復(fù)合散熱器內(nèi)部采用紫銅管，導(dǎo)熱性能好，不會(huì)腐蝕，外部采用鋁材質(zhì)硬度高，表面細(xì)膩均勻，更適合塑粉的附著，可以很好的適用于各種供暖系統(tǒng)，能最大程度提升散熱量，高效節(jié)能。然而，因?yàn)殂~資源稀缺，這種材料的散熱器報(bào)價(jià)也相對(duì)較高。
銅鋁復(fù)合散熱器（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
另外，想要衡量供暖系統(tǒng)的工作效率，就很有必要來認(rèn)識(shí)一下集中供暖中最重要的基礎(chǔ)資料——熱負(fù)荷。熱負(fù)荷是指為達(dá)到要求的室內(nèi)溫度，供熱系統(tǒng)單位時(shí)間需要向建筑物內(nèi)供給的熱量。在集中供熱設(shè)計(jì)中，無論確定供熱熱源、供熱系統(tǒng)，還是選擇各類供熱設(shè)備都離不開熱負(fù)荷。
在作者心中，南方的冬天是白居易詩中所寫的“霜輕未殺萋萋草，日暖初干漠漠沙。老柘葉黃如嫩樹，寒櫻枝白是狂花。”的樣子。無論是南方還是北方冬天都是美麗的，是個(gè)孕育生機(jī)、迎接新生的季節(jié)，愿我們都能在冬季留下幸福美好的回憶。