出品：科普中國
制作：科了個普 翼
監(jiān)制：中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心
凌冬已至，各位小伙伴各種抱團取暖：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，因為我會抖啊。
'我是一匹來自北方的狼,卻在南方被凍成了狗。'這個在網(wǎng)上流傳頗廣的段子,是不少北方人長期以來對南方冬天的印象。那么北方的冬天是什么樣的呢？
若你曾體會過北方的冬季，或許記憶中會有這樣的一幕：從天寒地凍的室外回到家中，你馬上迫不及待地與暖氣進行了一場全身心的'親密接觸'，一會兒就能滿血復活，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，同一時間火起來的還有一個問題：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，因為以前網(wǎng)絡不發(fā)達，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年的全國兩會上已經(jīng)有代表建議過，我國南方地區(qū)冬天也實行集中供暖，但均沒得到政策層面的認可。究其根源，這要追溯到新中國建國的時候了。
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，當時很多行業(yè)的建設都是借鑒蘇聯(lián)的經(jīng)驗和模式，而取暖一事恰好也在學習之列。在蘇聯(lián)援助之下，中國于1957年開始建設北京第一熱電廠，并參照當時蘇聯(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)模的建設集中供暖系統(tǒng)既消耗財力又消耗能源，為節(jié)約經(jīng)濟成本，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福利來提供。
根據(jù)前蘇聯(lián)的氣候計算方法規(guī)定，室外溫度5攝氏度以下才被定義為冬天（實際上南方很多地區(qū)冬季平均溫度經(jīng)常性打破這個記錄）。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。
中國南方也想實現(xiàn)集中供暖？
同學們不禁想問，如今經(jīng)濟條件好了，南方總該可以實現(xiàn)集中供暖了吧？
事實上，如今想在南方實現(xiàn)供暖依然要考慮經(jīng)濟、節(jié)能、環(huán)保等重要因素。
一是基礎設施建設問題。由于歷史原因，南方地區(qū)的城市集中供暖基礎設施基本為零。若要像北方一樣，全面建立起取暖管道、供暖泵房等基礎設施，工程浩大且利用率低。此外，傳統(tǒng)的集中供暖按面積收費，供熱時間早晚、暖氣溫度高低甚至家中是否使用，都得按同樣標準交費，這也是老百姓最大的'吐槽點'。
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，燃氣鍋爐與燃煤相比，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'等不良習慣均會帶來能源的巨大浪費。其中，建筑損耗占比達到40%以上，因為傳統(tǒng)的南方住宅建筑外墻并不能滿足要求，實現(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)能標準，可惜開發(fā)商們?yōu)榱斯?jié)約成本往往不會主動考慮這方面問題。
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
科學解釋：供暖季，北方屋內(nèi)為何如此暖和？
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從物理學上來說屬于熱傳遞。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，熱輻射與熱對流。在上述提到的日常中，來自暖氣的'熱'傳導到了冰冷的你。如果只是單單把雙手放在暖氣上，溫暖你需要很長的時間，而當像壁虎一樣'趴'在暖氣上時，你就像回到了出生點，馬上就滿血復活了。
熱傳導示意圖
如圖所示，這就是與暖氣親密接觸時，發(fā)生的熱傳導過程。下面，我們就要搬出傳導熱的計算公式：
上式中，k是熱傳導率，由物質(zhì)本身而決定，可以理解為密度，并不會隨便改變。L為接觸面的厚度，當你與暖氣之間隔了一堵墻之類的，我們才會考慮它。通過這個式子，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。
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？
多層介質(zhì)熱傳導示意圖（紅色箭頭為溫度變化趨勢）
當我們無法改變接觸面積（窗戶大?。?、熱傳導率（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)傳遞到室外的傳導熱的唯一辦法，就是從接觸面溫差下手了。
當玻璃只有一層時，接觸面溫差就是室內(nèi)外溫差，此時傳導熱最大，保溫效果最差。每增加一層玻璃，意味著室內(nèi)外溫度之間，又多了一個玻璃的溫度T3，這個溫度可比室外要高不少，于是第一段的傳導熱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的專業(yè)書了，讓我們換個話題，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抗嚴寒的終極武器？
我國北方實施的集中供暖實現(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)濟效益和社會效益。
實際操作中，集中供暖的實現(xiàn)卻并不是簡單地建個管道，注些熱水那么簡單。
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）及散熱設備（熱媒利用）三部分組成，這三個部分都是要統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)籌安排、同步建設的。
低溫熱媒（低溫水）需要在熱源中被加熱，吸收熱量后，變?yōu)楦邷責崦剑ǜ邷厮蛘羝?，?jīng)輸送管道送往室內(nèi)，通過散熱設備放出熱量，實現(xiàn)上文提到的熱傳遞過程，使室內(nèi)的溫度升高；高溫熱媒散熱后溫度降低，變成低溫熱媒，再通過回收管道返回熱源，進行循環(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，地熱、核能、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)劣做了如下對比：
選擇水還是蒸汽做熱媒，根據(jù)安全、衛(wèi)生、經(jīng)濟、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℃的低溫熱水；其他民用建筑可用高溫熱水，但不應高于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，用戶的鏈接方式簡單，運行也較方便。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)）負責實現(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用戶室內(nèi)設施的管道稱為'二次管網(wǎng)'。換熱站中，一次管網(wǎng)中從熱源出出發(fā)的高溫熱媒同二次管網(wǎng)中來自用戶的低溫熱媒在此完成熱量交換。二次管網(wǎng)中的熱媒被加熱后，由二次供熱管道重新進入建筑物內(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合型的，不同的材料各有優(yōu)勢。
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。
銅鋁復合散熱器內(nèi)部采用紫銅管，導熱性能好，不會腐蝕，外部采用鋁材質(zhì)硬度高，表面細膩均勻，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，因為銅資源稀缺，這種材料的散熱器報價也相對較高。
銅鋁復合散熱器
另外，想要衡量供暖系統(tǒng)的工作效率，就很有必要來認識一下集中供暖中最重要的基礎資料——熱負荷。熱負荷是指為達到要求的室內(nèi)溫度，供熱系統(tǒng)單位時間需要向建筑物內(nèi)供給的熱量。在集中供熱設計中，無論確定供熱熱源、供熱系統(tǒng)，還是選擇各類供熱設備都離不開熱負荷。
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?！钡臉幼印o論是南方還是北方冬天都是美麗的，是個孕育生機、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。
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