供热工程课程设计学习资料.doc

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1、荣晓华、孙喜林《消费者行为学》东北财经大学出版社 2003年2月
供热工程课程设计

设计题目：天津某办公楼供热系统设计

班 级： 建筑节能
姓 名：

学 号：

指导老师：

日 期：

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目录

1.工程概况及设计依据................................................3
1.1 工程概况......................................................3
1.2 设计计算参数..................................................3

2.供热热负荷计算....................................................4
2.1 围护结构基本耗热量计算........................................4
2.2 围护结构附加耗热量............................................4
2.3 门窗缝隙渗入冷空气的耗热量....................................5
2.4 以一层101会议室进行举例计算..................................6
2.5 其他房间热负荷计算............................................9

3.采暖系统的选择及管道布置.........................................16
3.1 热水供暖系统分类.............................................16
3.2 机械循环系统与重力循环系统的主要区别.........................16
3.3 选择及布置...................................................16
3.4 膨胀水箱的计算...............................................17

4.散热器的选择及安装...............................................17
4.1 散热器的选择.................................................17
4.2 散热器的安装.................................................17
4.3 散热器的计算.................................................17

5.系统水力计算.....................................................20
5.1 水力计算方法.................................................20
5.2 水力计算举例.................................................20
5.3 其他管路水力计算.............................................21
5.4 水力平衡校核.................................................26

6.个人总结.........................................................31

参考文献

附录 施工图

一、 工程概况及设计依据
1. 1工程概况
该项目是位于天津市（属于寒冷地区）的一座三层办公楼，包括会议室、办公室、值班室、阅览室、厕所等功能房间。一层建筑层高4.2m，二三层层高3.3m。1.2设计计算参数
1.2.1 气象资料：
冬季采暖室内计算温度办公室为20℃，会议室18℃，走廊、楼梯间、卫生间为16℃
冬季室外计算温度-9℃
冬季室外平均风速6.0m/s
1.2.2 围护结构：
1）外墙：保温外墙（37墙），传热系数为K=0.60W/（m2·K）
　　 2）内墙：两面抹灰一砖墙（37墙），传热系数为K=1.53W/（m2·K）；一楼卫生间隔墙：两面抹灰一砖墙（24墙），传热系数为K=2.03W/（m2·K）；
　　 3）外窗：双层铝合金推拉窗，传热系数为K＝3.0W/（m2·K）
　　 4）门：双层木门；K＝2.0W/（m2·K）
　　 5）屋顶：保温屋顶，传热系数K＝0.55W/（m2·K）；
　　 6）地面为不保温地面，K值按地带决定。其中第一地带传热系数K1=0.465W/（m2·K）；第二地带传热系数K2=0.233W/（m2·K）；第三地带传热系数K3=0.116W/（m2·K）；第四地带传热系数K4=0.07W/（m2·K）；
1.2.3 热源：
室外供热管网，采用机械循环上供下回的方式供水，供水温度75℃，回水温度50℃，引入管处供水压力满足室内供暖要求。

二、 供热热负荷计算
《规范》中所规定的“围护结构的耗热量”实质上是围护结构的温差传热量、加热由于外门短时间开启而侵入的冷空气的耗热量以及一部分太阳辐射热量的代数和。为了简化计算，《规范》规定，围护结构的耗热量包括基本耗热量和附加耗热量两部分。
2.1 围护结构的基本耗热量计算
公式如下：
Q=KA(tR-to,w)α
Q——围护结构的基本耗热量，W；
K——围护结构的传热系数，W/（m2·K）；
A——围护结构的面积，m²；
tR——冬季室内计算温度，℃；
to,w——供暖室外计算温度，℃；
α—围护结构的温差修正系数。
整个建筑的基本耗热量等于它的围护结构各部分基本耗热量的总和，算出基本耗热量后再进行朝向和高度修正（因风速较小，风力修正忽略不计），
2.2 围护结构附加耗热量
2.2.1 朝向修正率

不同朝向的围护结构，收到的太阳辐射是不同的；同时，不同的朝向，风的速度和频率也不同。因此，《规范》规定对不同的垂直外围护结构进行修正，其修正率为：
北、东北、西北朝向： 0—10%
东、西朝向： -5%
东南、西南朝向： -10%— -15%
南向 -15% — -30%
选用修正率时应考虑当地冬季日照率及辐射强度的大小。冬季日照率小于35%的地区，东南、西南和南向的修正率宜采用-10%- 0%，其他朝向可不修正。
2.2.2 风力附加率

在《规范》中明确规定：在不避风的高地、河边、海岸、旷野上的建筑物以及城镇、厂区内特别高的建筑物，垂直外围护结构热负荷附加5%- 10%。该办公楼不计算风力附加。
2.2.3 外门附加率

为加热开启外门时侵入的冷空气，对于短时间开启无热风幕的外门，可以用外门的基本耗热量乘上按下表查出的相应的附加率。阳台门不应考虑外门附加率。
外门附加率（%）
建筑物性质
附加率
公共建筑或生产厂房的主要出入口
500
民用建筑或工厂的辅助建筑物，当其楼层为n时

有两个门斗的三层外门
60n
有门斗的双层外门
80n
无门斗的单层外门
65n

2.2.4 高度附加率

由于室内温度梯度的影响，往往使房间上部的传热量增大。因此规定：当民用建筑和工业企业辅助建筑的房间净高超过4m时，每增加1m，附加率为2%，但最大附加率不得超过15%，该办公楼房间净高均不超过4m，高度附加0%。

2.3 门窗缝隙渗入冷空气的耗热量

由于缝隙宽度不一，风向、风速和频率不一，因此由门窗缝隙渗入的冷空气量很难准确计算。规范推荐，对于多层和高层民用建筑，可按下式计算门窗缝隙渗入冷空气的耗热量：
Qi=0.278Lρao Cp(tR-to.h)
Qi——为加热门窗缝隙渗入的冷空气耗热量，W；

L——渗透冷空气量，m³/h，可按《规范》附录D中给出的公式计算，对多层建筑可按换气次数（下表）计算；
ρao——采暖室外计算温度下的空气密度，kg/m³；
Cp——空气定压比热，Cp=1.0kJ/（kg.℃）；
to.h——采暖室外计算温度，℃。

换气次数
房间类型
一面有外窗房间
两面有外窗的房间
三面有外窗的房间
门厅
换气次数（h-1）
0.5
0.5- 1
1.0- 1.5
2.0

为计算简便，该办公楼各房间的冷风渗入耗热量均采用换气次数为0.5时进行计算。

2.4 下面以一层101会议室进行举例计算

2.4.1 北外墙耗热量计算：
公式：Q=KA(tR-to,w)α
1）K值的确定，根据《公共建筑节能设计标准》规定，天津市属于寒冷地区，外墙设置保温，传热系数取0.6W/（m2·K）。
2）北外墙面积A=3.6×4×4.2-2.1×1.75×4=45.78m²
3）温差修正系数α=1.0
4）冬季室内采暖设计温度18℃，室外设计温度-9℃
5）故北外墙基本耗热量为：
Q=0.60×45.78×27×1.0=741.64W
6）北向朝向修正取5%，风力修正0%，高度附加0%，所以北外墙的耗热量就是： Q′=741.64×（1+5%）=778.72W

2.4.2 北外窗耗热量计算：

公式：Q=KA(tR-to,w)α
1）K值的确定，根据《公共建筑节能设计标准》规定，天津市属于寒冷地区，外窗传热系数取3.0W/（m2·K）。
2）北外窗面积A=2.1×1.75×4=14.7m²
3）温差修正系数α=1.0
4）冬季室内采暖设计温度18℃，室外设计温度-9℃
5）故北外窗基本耗热量为：
Q=3.0×14.7×27×1.0=1190.7W
6）北向朝向修正取5%，风力修正0%，高度附加0%，所以北外墙的耗热量就是： Q′=1190.7×（1+5%）=1250.24W

2.4.3 东外墙耗热量计算：

公式：Q=KA(tR-to,w)α
1）K值的确定，根据《公共建筑节能设计标准》规定，天津市属于寒冷地区，外墙设置保温，传热系数取0.6W/（m2·K）。
2）东外墙面积A=10.8×4.2=45.36m²
3）温差修正系数α=1.0
4）冬季室内采暖设计温度18℃，室外设计温度-9℃
5）故东外墙基本耗热量为：
Q=0.60×45.36×27×1.0=734.8W
6）东向朝向修正取-5%，风力修正0%，高度附加0%，所以北外墙的耗热量就是： Q′=734.8×（1-5%）=698.06W

2.4.4 南外墙耗热量计算：
公式：Q=KA(tR-to,w)α
1）K值的确定，根据《公共建筑节能设计标准》规定，天津市属于寒冷地区，外墙设置保温，传热系数取0.6W/（m2·K）。
2）南外墙面积A=（3.6×3+1.2）×4.2-3×1.75×2=39.9m²
3）温差修正系数α=1.0
4）冬季室内采暖设计温度18℃，室外设计温度-9℃
5）故南外墙基本耗热量为：
Q=0.60×39.9×27×1.0=646.38W
6）南向朝向修正取-15%，风力修正0%，高度附加0%，所以北外墙的耗热量就是： Q′=734.8×（1-15%）=549.42W

2.4.5 南外门耗热量计算：
公式：Q=KA(tR-to,w)α
1）K值的确定，根据《公共建筑节能设计标准》规定，天津市属于寒冷地区，外门传热系数取2.0W/（m2·K）。
2）南外门面积A=1.8×2.1=3.78m²
3）温差修正系数α=1.0
4）冬季室内采暖设计温度18℃，室外设计温度-9℃
5）故南外门基本耗热量为：
Q=2.0×3.78×27×1.0=204.12W
6）南向朝向修正取-15%，风力修正0%，高度附加0%，外门附加取500%，所以南外门的耗热量就是：
Q′=204.12×（1-15%+500%）=1194.1W

2.4.6 西外墙耗热量计算：
公式：Q=KA(tR-to,w)α
1）K值的确定，根据《公共建筑节能设计标准》规定，天津市属于寒冷地区，外墙设置保温，传热系数取0.60W/（m2·K）。
2）西外墙面积A=2.41×4.2=10.122m²
3）温差修正系数α=1.0
4）冬季室内采暖设计温度18℃，室外设计温度-9℃
5）故西外墙基本耗热量为：
Q=0.60×10.122×27×1.0=163.98W
6）西向朝向修正取-5%，风力修正0%，高度附加0%，所以南外门的耗热量就是：
Q′=163.98×（1-5%）=150.86W

2.4.7 不保温地面耗热量计算：
不保温地面分为四种类型，各类型宽度为2m，外墙墙角处面积需要计算两次。各类型地面传热系数如下表所示：

地面类型
Ⅰ型地面
Ⅱ型地面
Ⅲ型地面
Ⅳ型地面
传热系数（W/（m2·K））
0.465
0.233
0.116
0.007

1） Ⅰ型地面耗热量计算：
①传热系数为0.465W/（m2·K）
②地面面积A=3.6×4×2+10.8×2+3.6×4×2+（10.8-2）×2=96.8m²
③温差修正系数α=1.0
④冬季室内采暖设计温度18℃，室外设计温度-9℃
故Ⅰ型地面耗热量为：
Q1=0.465×96.8×27×1.0=1215.32W

2） Ⅱ型地面耗热量计算：
①传热系数为0.233（W/（m2·K）
②地面面积A=（14.4-4）×2×2+（10.8-8）×4=52.8m²
③温差修正系数α=1.0
④冬季室内采暖设计温度18℃，室外设计温度-9℃
故Ⅱ型地面耗热量为：
Q2=0.233×52.8×27×1.0=332.16W

3） Ⅲ型地面耗热量计算：
①传热系数为0.116W/（m2·K）
②地面面积A=（14.4-8）×2.8=19.04m²
③温差修正系数α=1.0
④冬季室内采暖设计温度18℃，室外设计温度-9℃
故Ⅲ型地面耗热量为：
Q3=0.116×19.04×27×1.0=59.63W
4）地面耗热量合计：Q=Q1+Q2+Q3=1607.11W

2.4.8 门窗缝隙渗入冷空气的耗热量计算：
1）计算公式为 Qi=0.278Lρao Cp(tR-to.h)
2）渗入冷空气量按换气次数0.5计算，房间体积为149.04×4.2=625.97m³
3）空气密度取 1.2kg/m³
4）定压比热取 1.0kJ/（kg.℃）
5）室内设计温度18℃，室外设计温度-9℃
故门窗门窗缝隙渗入冷空气的耗热量为：
Qi=0.278×1.2×0.5×625.97×1.0×27=2819.12W

2.4.9 一层101会议室耗热量汇总如下表所示：
分项名称
北外墙
北外窗
东外墙
南外墙
南外门
西外墙
地面
渗入冷空气
耗热量（W）
778.72
1250.24
698.06
549.42
1194.1
150.86
1607.11
2819.12
总计(W)
9047.63
故一层101会议室总热负荷为9047.63W。
2.5 其他房间的热负荷计算
下面以表格的形式体现其他房间的热负荷：
1)一层值班室

2)一层卫生间

3)一层门厅

4)一层楼梯间

5）201办公室

6）202-204办公室

7）205办公室

8）206会议室

9）207办公室

10）208接待室

11） 二层卫生间

12） 二层走廊

13） 二层楼梯间

14）301办公室

15）302办公室

16）303办公室

17）304阅览室

18）305办公室

19）306办公室

20） 三层卫生间

21） 三层走廊

22） 三层楼梯间

三、 采暖系统的选择及管道布置
3.1 热水供暖系统分类
1） 按按系统循环动力的不同，可分为重力(自然)循环系统和机械循环系统；
2） 按供、回水方式的不同，可分为单管系统和双管系统；
3） 按系统管道敷设方式的不同，可分为垂直式和水平式系统；
4） 按热媒温度的不同，可分为低温水供暖系统和高温水供暖系统。
3.2 机械循环系统与重力循环系统的主要区别
1） 循环动力不同。机械循环系统靠水泵提供动力，强制水在系统中循环流动。循环水泵一般设在锅炉入口前的回水干管上，该处水温最低，可避免水泵出现气蚀现象；
2） 膨胀水箱连接点和作用不同。机械循环系统膨胀水箱设在系统的最高处，水箱下部接出的膨胀管连接在循环水泵入口前的回水干管上。其作用除了容纳水受热膨胀而增加的体积外，还能恒定水泵入口压力，保证水泵入口压力稳定。重力循环系统的膨胀水箱的膨胀管连接在供水总立管的最高处；
3） 排气方式不同。机械循环系统中水流速度较大，一般都超过水中分离出的空气泡的浮升速度，易将空气泡带入立管引起气塞。所以机械循环上供下回式系统水平敷设的供水干管应沿水流方向设上升坡度，坡度值不小于0.002，一般为0.003。在供水干管末端最高点处设置集气罐，以便空气能顺利地和水流同方向流动，集中到集气罐处排除。回水干管也应采用沿水流方向下降的坡度，坡度值不小于0.002，一般为0.003，以便于集中泄水。
3.3 选择及布置
结合该办公楼的实际情况和多方面因素的考虑，采用机械循环上供下回双管异程系统。系统中设置了循环水泵，增加了系统的经常运行电费和维修工作量；但由于水泵所产生的作用压力很大，因而供暖范围可以扩大。机械循环热水供暖系统不仅可用于单幢建筑物中，也可以用于多幢建筑，甚于发展为区域热水供暖系统。机械循环热水供暖系统是应用最广泛的一种供暖系统。
该办公楼整个分为南北两个环路，由一根向上的住干管供水，在三楼分为南北向分别供水。北向四个立管，南向四个立管，各个立管上一到两个散热器不等，但是一根立管上的散热器数目不大于6个。系统采用异程式，南北向分别回水致锅炉时汇合。
3.4 膨胀水箱的计算
1） 水箱有效容积 V=0.034×Vc
Vc——每1KW所需的系统水容量
2） 查表可知M-132型散热器对应的Vc=10.7L，总热负荷为40.86KW；
3） 故 V=0.034×10.7×40.86=14.86L；
4） 查表选择膨胀水箱规格为：900×900×900mm。

四、 散热器的选择及安装
4.1散热器的选择
室内供暖系统的末端散热装置是供暖系统完成供暖任务的重要组成部分。它向室内散热以补充房间的热损失，从而保持室内要求的温度。综合各个方面因素考虑，本办公楼采暖散热器采用TZ2-5-5(M-132型)铸铁散热器。该散热器的各项参数如下表所示：
型号
散热面积（m²/片）
水容量（1/片）
重量（kg/片）
工作压力（Mpa）
传热系数计算公式（W/（m2·K）
TZ2-5-5(M-132型)
0.24
1.32
7
0.5
K=2.426△

M-132型散热器为柱型二柱散热器，其宽度为132mm，两边为柱状H1=500mm，H=584mm，L=80mm，中间为波浪形的纵向肋片。
4.2 散热器的安装
散热器布置在外墙窗台下，这样能迅速加热室外渗入的冷空气，阻挡沿外墙下降的冷气流，改善外窗、外墙对人体冷辐射的影响，使室温均匀。为防止散热器冻裂，两道外门之间，门斗及开启频繁的外门附近不宜设置散热器。该办公楼散热器均采用明装的形式，上部加盖板且盖板距离散热器上部100mm。单个散热器的连接形式采用同侧上进下出。
4.3 散热器的计算
4.3.1散热器面积计算公式为：
（m²）
Q——散热器的散热量，W；
tpj——散热器内热媒平均温度，℃；
tn——供暖室内计算温度，℃；
K——散热器的传热系数，W/（m2·K）；
β1——散热器组装片数修正系数；
β2——散热器连接形式修正系数；
β3——散热器安装形式修正系数。
其中tpj=（tsg+tsh）/2 ℃
tsg——散热器进水温度，℃；
tsh——散热器出水温度，℃。
对于双管热水供暖系统，散热器的进、出口温度分别按系统的设计供、回水温度计。
4.3.2 当计算出散热器的面积之后，即可计算每个散热器的散热片数，计算公式为：
n=F/f
f——每片或每1m长的散热器散热面积，m²/片或m²/m。
而该办公楼选取的M-132型散热器每个散热器的片数不能超过20片，在初步选定散热片数之后，要对散热器组装片数修正系数β1进行修正，β1的选取如下表所示：
每组片数
＜6
6~10
11~20
＞20
β1
0.95
1.00
1.05
1.10

4.3.3 以202办公室为例进行散热器计算，该办公室的热负荷为741.66W。
1） 首先已知条件：
Q=741.66W ，tsg=75℃，tsh=50℃，β1首先取1.0，由于该散热器采用同侧上进下出，查表知β2=1.0，同时盖板距散热器100mm，β3=1.02；
2） 由公式K=2.426△=7.089W/（m2·K）；
3） tpj=（tsg+tsh）/2=（75+50）/2=62.5℃；
4） 由=2.5m²；
5） 得到散热器片数n=F/f=2.5/0.24=10.4 ，取整n=11片；
6） β1修正，当n=11时，β1=1.05，带回4）再次进行计算F′=2.6m²，推出 n′=10.83，实际片数仍取11片。
4.3.4 其他房间的散热器计算如下表所示：
1） 一楼

2） 二楼

3） 三楼

五、 系统水力计算

5.1 水力计算方法
1）首先对供暖系统各个管段进行分段编号，并选择最不利环路，方便计算；
2）其次明确各个管段所承担的热负荷；
3）确定了热负荷之后根据公式 G=
G——水流量，Kg/h；
Q——热负荷，W；
Cp——比热，4.2 kJ/（kg.℃）；
tg——设计供水温度，℃；
th——设计回水温度，℃。
4）求出各个管段的流量之后，采用平均比摩阻法确定相应参数，一般选取60～120Pa/m。本次设计供回水温度分别为75℃和50℃，相应数据无法查取，现采用供回水温度为95℃和70℃的数据（《供暖通风设计手册》）查取；
5）在《供热通风设计手册》上可以查到公称管径、比摩阻、水流速等数据；
6）确定相应的管长和该管的动压，即可根据以下公式计算管道压力损失：
ΔP＝ΔPy+ΔPj＝Rl+ΔPj

ΔP——计算管段的压力损失，Pa；
ΔPy——计算管段的沿程损失，Pa；
ΔPj——计算管段的局部损失，Pa；
R——每米管长的沿程损失，Pa ／m；
l——管段长度，m。
7）水力平衡校核。该办公楼采用双管异程系统，一般选择最远端和最近端的两个立管进行水力平衡的计算，相差较大的可选择相邻的立管计算。

5.2 水力计算举例

5.2.1 该办公楼分为南北两个环路，故需要对两个环路分别进行水力平衡的校核，首先需要计算出每个管段的管径，包括回水管和供水管。
5.2.2 现选择北向环路立管Ⅰ1-2管段进行举例计算，计算简图如下图所示：

5.2.3 北向立管Ⅰ1-2管段水力计算过程：
1） 由简图可知，其热负荷包括三层楼梯、二层楼梯、一层楼梯和一层门厅的热负荷，Q= 4398.34W；
2） 根据公式 G= ， G=4398.34×3.6/4.2/25=151.30kg/h；
3） 得出流量G之后，查《供暖通风设计手册》可得公称管径为15mm，比摩阻为69.82pa/m，流速为0.22m/s；
4） 计算沿程阻力。由图可知北向立管Ⅰ1-2管段管长为3.3m，沿程阻力 ΔPy= 69.82×3.3=230.41pa；
5） 计算沿程阻力。由图可知北向立管Ⅰ1-2管段包括一个2个闸阀（ζ=1.5），一个散热器（ζ=2），一个分流三通（ζ=3），一个90°弯头（ζ=2）。再由查得的流速v=0.22m/s，由公式0.5ρv²计算出动压为 24.2pa，故局部阻力就为：ΔPj=（1.5×2+2+3+2）×24.2 =242pa
6）立管Ⅰ1-2管段总阻力为：
ΔPy +ΔPj=230.41+242=472.41pa。

5.3 其他环路的计算列表如下，首先南向的计算简图如下所示：

其他环路的水力计算表格：
1） 供水主立管及其他供水立管

2） 回水立管计算

3） 水平干管供水管水力计算

4） 水平干管回水管水力计算

5） 水平支管水力计算（供回水管径相同）

5.4 水力平衡校核

5.4.1 水力平衡计算管段的选择
该办公楼分南北两向，南北向水力平衡需要分别计算。北向选择北向立管Ⅲ和立管Ⅲ进行水力平衡计算，而南向则选择南向Ⅰ和南向Ⅲ进行水力平衡计算。

5.4.2 北向环路水力平衡计算
1） 计算简图如下所示：

2） 对立管Ⅲ和立管Ⅳ的全部阻力进行计算，计算过程如5.2所示，现仅列表格如下所示：

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（7）通过以上计算可知立管Ⅲ和立管Ⅳ不平衡率为8.28%小于15%，满足设计要求。

5.4.3 南向环路水力平衡计算
1） 计算简图如下所示：

2） 对立管Ⅲ和立管Ⅰ的全部阻力进行计算，计算过程如5.2所示，现仅列表格如下所示：
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(7) 通过以上的计算可知立管Ⅲ和立管Ⅰ的不平衡率为7.74%，小于15%，满足设计要求。

六、 个人总结

参考文献

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[2].陆耀庆.实用供热空调设计手册.中国建筑工业出版社
[3].贺平等.供热工程（第四版）.中国建筑工业出版社
[4].供热通风设计手册.中国建筑工业出版社
[5].付祥钊.流体输配管网（第三版）.中国建筑工业出版社
[6].刘宝林.暖通空调设计图集.中国建筑工业出版社
[7].谢慧.建筑设备工程制图实图实例导读.机械工业出版社
[8].姜湘山.暖通空调设计-专业技能入门与精通.机械工业出版社
[9]. 采暖通风与空气调节设计规范.GB 50019-2003
[10].暖通空调制图标准.GB/T 50114-2001