供热工程课程设计(【供热工程教材】单元2：采暖系统设计热负荷)

供热工程课程设计

【培训】集中供热系统二次网平衡调控技术暨泵阀选用技术实操培训班（9月19-21日 沈阳市）（点击打开链接）

链接：?【供热工程教材】单元1：热水采暖系统

单元2：采暖系统设计热负荷

【知识目标】?
　　2、了解围护结构的基本耗热量；
　　4、掌握围护结构的最小传热阻和经济传热阻；
　　6、掌握辐射采暖系统热负荷计算。
【能力目标】
　　2、能够进行冷风渗透耗热量的计算；
　　4、能够进行一般建筑物采暖热负荷的计算；
　　6、能够进行辐射采暖系统热负荷计算。

课题 １  采暖系统设计热负荷

　　2.1.1  采暖系统设计热负荷
　　采暖系统的热负荷是指在某一室外温度t′wn下，为了达到要求的室内温度tn，采暖系统在单位时间内向建筑物供给的热量。它随着建筑物得失热量的变化而变化。

　　2.1.2　建筑物失热量和得热量
建筑物失热量包括：
　　（２）加热由门、窗缝隙渗入室内的冷空气的耗热量，称冷风渗透耗热量；
　　（４）水分蒸发的耗热量；
　　（６）通风耗热量，即通风系统将空气从室内排到室外所带走的热量；
　　建筑物得热量包括：
　　（２）热管道及其他热表面的散热量；
　　（４）太阳辐射进入室内的热量。

　　2.1.3　 热负荷确定的基本原则
　　对于没有由于生产工艺所带来得失热量而需设置通风系统的建筑物或房间 （如一般的民用住宅建筑、办公楼等），失热量只考虑上述的前三项耗热量，得热量只考虑太阳辐射进入室内的热量。至于住宅中其他途径的得热量，如人体散热量 、炊事和照明散热量，一般散发量不大且不稳定，通常可不予计入。
　　计算围护结构附加（修正）耗热量时，太阳辐射得热量可采用对基本耗热量附加（减）的方法列 ，而风力和高度影响用增加一部分基本耗热量的方法进行附加。本单元主要阐述采暖系统设计热负荷的计算原则和方法。对具有采暖及通风系统的建筑（如工业厂房和公共建筑等），采暖及通风系统的设计热负荷需要根据生产工艺设备使用或建筑物的使用情况，通过得失热量的热平衡和通风的空气量平衡综合考虑才能确定。

课题 ２ 围护结构的基本耗热量

　　围护结构的传热耗热量是指当室内温度高于室外温度时，通过房间的墙、窗、门、屋顶、地面等围护结构由室内向室外传递的热量。常分为两部分计算，即围护结构的基本耗热量和附加耗热量。基本耗热量是指在设计的室内外温度条件下通过房间各围护结构稳定传热量的总和。
　　围护结构稳定传热时，基本耗热量计算公式为：
　Q＝KF（t－twn）a    （2.1）
式中 Q—— 围护结构的基本耗热量，Ｗ；
   　  F—— 围护结构的传热面积，ｍ２；
   　  twn—— 采暖室外计算温度，℃；

　　整个建筑物或房间围护结构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。

　　2.2.1 采暖室内计算温度tn
　　许多国家所规定的冬季室内温度标准为16～22℃。根据国内卫生部门的研究结果认为：
　　《暖通空调规范》规定，设计采暖系统时，冬季室内计算温度应根据建筑物用途，按下列规定采用：
　　（2）工业建筑的工作地点，宜采用轻作业18～21℃，中作业16～18℃，重作业14～16℃，过重作业12～14℃。
　　（3）辅助建筑物及辅助用室不应低于下列数值：浴室25℃，更衣室25℃，办公室、休息室18℃，食堂18℃，盥洗室、厕所12℃。
　　对于高度较大的生产厂房，由于对流作用，上部空气温度必然高于工作地区温度 ，通过上部围护结构的传热量增加。因此，当层高超过4m的工业建筑，冬季室内计算温度tn尚应符合下列规定：
　　② 计算屋顶和天窗耗热量时，应采用屋顶下的温度td；

式中   tnp—室内平均温度，℃;
       　tg—工作地点的温度，℃。

　　屋顶下的空气温度td受诸多因素影响，难以用理论方法确定。最好是按已有的类似厂房进行实测确定，或按经验数值用温度梯度法确定，即
ｔ＝tg＋ΔtH（H－2）℃　  (2.3)
式中 Ｈ—— 屋顶距地面的高度，ｍ；

　　对于散热量小于23W／m3的工业建筑，当其温度梯度值不能确定时，可用工作地点的温度计算围护结构耗热量，但应按后面讲述的高度附加的方法进行修正，增大计算耗热量。

　　2.2.2　 采暖室外计算温度twn
　　目前国内外选定采暖室外计算温度的方法可以归纳为两种，一种是根据围护结构的热惰性原理确定，另一种是根据不保证天数的原则来确定。
　　采用不保证天数方法的原则是：人为允许有几天时间可以低于规定的采暖室外计算温度值，亦即容许这几天室内温度可能稍低于室内计算温度值tn。不保证天数根据各国规定而有所不同，有规定１天、３天、５天等。
　　对大多数城市来说，是指1951—1980年共30年的气象统计资料里，不得有多于 150天的实际日平均温度低于所选定的室外计算温度值。例如在1951—1980年间，北京市室外日平均温度低于或等于－9.1℃共有134天，日平均温度低于或等于－8.1℃共有233天。取整数值后，确定北京市的采暖室外计算温度为－9℃。以前参照前苏联采用热惰性原理进行计算，曾规定过北京市的采暖室外计算温度为－12℃。通过对许多城市的气象资料统计分析，采用不保证5天的方法确定twn值，使我国大部分城市的twn值普遍提高了１～４℃（与采用热惰性原理对比 ），从而降低了采暖系统的设计热负荷并节约了费用，而对人们居住条件则无甚影响。我国北方一些主要城市的采暖室外计算温度twn值见附录1.3。其他地区的采暖室外计算温度可查有关资料。
　　twn＝0.57tip＋0.43tp,min     (2.4)
式中 twn—— 冬季采暖室外计算温度，℃；
　　tp,min—— 累年最低日平均温度，℃。?

　　2.2.3 温差修正系数α值
　　围护结构温差修正系数α值的大小取决于非采暖房间或空间的保温性能和透气状况。对于保温性能差和易于室外空气流通的情况，不采暖房间或空间的空气温度ｔｈ更接近室外空气温度，则ａ值更接近１。围护结构的温差修正系数见表2.1。

表 2.1 　温差修正系数α

　　此外，当两个相邻房间的温差大于或等于5℃时，应计算通过隔墙或楼板等的传热量；与相邻房间的温差小于5℃，且通过隔墙或楼板等的传热量大于该房间热负荷的10％时，尚应计算其传热量。

　　2.2.4  围护结构的传热系数K值
　（１）匀质多层材料（平壁）的传热系数K值

　　传热系数K值可用下式计算 ：

　　一些常用建筑材料的导热系数几值见附录2-2.

　　常用围护结构的传热系数K值可直接从有关资料中查得。一些常用围护结构的传热系数Ｋ值见附录2-3。
　　首先求出围护结构的平均传热阻Rpj

　　两向非匀质围护结构传热系数Ｋ值由下式确定：

　　（３）空气间层传热系数K值
　　空气间层的热阻难以用理论公式确定。在工程设计中，可按表2.5的数值计算 。

　　（４）地面的传热系数

　　① 贴土非保温地面（组成地面的各层材料导热系数 λ 都大于1.16Ｗ/（m? ℃））的传热系数及热阻值见表1.6。第一地带靠近墙角的地面面积（图2.3 中的阴影部分）需要重复计算。

　　② 贴土保温地面（组成地面的各层材料中，有导热系数λ小于1.16Ｗ／（m?℃）的保温层）各地带的热阻值可按下式计算：

　　③ 铺设在地垄墙（如图2.4所示）上的保温地面各地带的换热阻Ｒ0″（m2?℃／Ｗ）值可按下式计算：
Ｒ0″＝1.18Ｒ0′       (2.9)

图2.4 　 铺设在地垄墙上的地面

　　2.2.5 　护结构传热面积的丈量
　　外墙面积的丈量，高度从本层地面算到上层的地面（底层除外，如图2.5所示）。对平屋顶的建筑物，最顶层的丈量是从最顶层的地面到平屋顶的外表面的高度；而对有闷顶的斜屋面，算到闷顶内的保温层表面。外墙的平面尺寸应按建筑物外廓尺寸计算。两相邻房间应以内墙中线为分界线。
　　闷顶和地面的面积应按建筑物外墙以内的内廓尺寸计算。对平屋顶，顶棚面积按建筑物外廓尺寸计算。

图2.5　 围护结构传热面积的尺寸丈量规则

图2.6 　 地下室面积的丈量

课题 ３ 围护结构的附加（修正）耗热量

　　围护结构实际耗热量会受到气象条件以及建筑物情况等各种因素影响而有所增减。由于这些因素的影响，需要对房间围护结构基本耗热量进行修正，这些修正耗热量称为围护结构附加（修正）耗热量。通常按基本耗热量的百分率进行修正。

　　2.3.1　 朝向修正耗热量
　　《暖通规范》规定:宜按下列规定的数值，选用不同朝向的修正率：
　　东、西-5%;
　　南-15%～-30%。
　　选用上述朝向修正率时，应考虑当地冬季日照率、辐射照度、建筑物使用和被遮挡等情况。对于冬季日照率小于35％的地区，东南、西南和南向修正率宜采用-10％～0。东向、西向可不修正。

　　2.3.2 　风力附加耗热量

　　2.3.3　 高度附加耗热量
　　民用建筑和工业辅助建筑物（楼梯间除外 ）的高度附加率，当房间高度大于4m时，每高出1m应附加２％，但总的附加率不应大于15％ 。
　　对于多层建筑物的楼梯间不考虑高度附加。

　　2.3.4 　 外门附加耗热量

    课题４ 　冷风渗透耗热量

　　在冬季，建筑物由于室外空气与建筑物内部的竖直贯通通道（如楼梯间 、电梯井等）空气之间的密度差形成的热压以及风吹过建筑物时在门窗两侧形成的风压作用下，室外的冷空气通过门、窗等缝隙渗入室内，被加热后逸出。把这部分冷空气从室外温度加热到室内温度所消耗的热量，称为冷风渗透耗热量，通常用Q2表示。冷风渗透耗热量在设计热负荷中占有不小的份额。
　　在计算高层建筑冷风渗透耗热量时，则应考虑风压与热压的综合作用。

　　2.4.1 缝隙法
　　1、多层和高层民用建筑，加热由门窗缝隙渗入室内的冷空气的耗热量，可按下式计算:

　　2、渗透冷空气童可根据不同的朝向，按下列计算公式确定:

　　2.4.2  换气次数法（用于民用建筑的概算法）

　　然后将L代入式2-11即可算出冷风渗透耗热量Q2。

　　2.4.3 百分数法

课题 ５ 围护结构的最小传热阻与经济传热阻

　　2.5.1 围护结构最小传热阻与经济传热阻的概念
　　室内空气温度tn与围护结构内表面温度τｎ的温度差还要满足卫生要求。当内表面温度过低时，人体向外辐射热过多，会产生不舒适感。根据上述要求而确定的围护结构传热阻称为最小传热阻。
　　按经济传热阻原则确定的围护结构传热阻值要比目前采用的传热阻值大得多。利用传统的砖墙结构，增加其厚度将使土建基础负荷增大、使用面积减少，因此，建筑围护结构采用复合材料的保温墙体将是今后建筑节能的一个重要措施。

　　2.5.2 最小传热阻的确定

式中 R0?min—— 围护结构的最小传热阻，ｍ２?℃／Ｗ；
　　tw—— 冬季围护结构室外计算温度，℃ ,按表2.14选用。

　　式（2.19）是稳定传热公式。实际上随着室外温度波动 ，围护结构内表面温度也随之波动 。热惰性不同的围护结构，在相同的室外温度波动下，围护结构的热惰性越大，则其内表面温度波动就越小。

　　冬季围护结构室外计算温度tw按围护结构热惰性指标Ｄ值分成四个等级来确定，见表2.15。

　　匀质多层材料组成的平壁围护结构的热惰性指标Ｄ值，可按下式计算：

　　当居住建筑、医院、幼儿园、办公楼、学校和门诊部等建筑物的外墙为轻质材料或内侧复合轻质材料时，外墙的最小传热阻应在按式（2.19）计算结果的基础上进行附加，其附加值应按表2.16的规定采用。

课题6  辐射供暖系统热负荷计算

　　供暖所用的铸铁散热器的散热方式是自然对流与热辐射，其中自然对流散热量占整个散热量的75%，剩余热量以辐射的方式传播。热辐射是处于一定温度下的物体所发射的能量，辐射传热的机理与导热、对流存在温度梯度的传热机理不同，其传播不需要介质，在真空中的辐射传热效率最高。由于组成物体的原子与分子中的电子排列发生变化引起内能变化，一部分内能以光子、量子或是电磁波的形式传播出去，当它们到达另一个物体表面时，这一部分能量又转化为内能，使物体的温度升高。对于两个温度不同的物体，高低温物体都在不停地放出和吸收能量，根据斯蒂芬一波尔兹曼定律，高温物体放出的能量多得到的少，低温物体放出的少得到的多，宏观的结果表现为高温物体向低温物体传递能量。
　　根据辐射设备的构造不同，可分为单体式辐射板(带状或块状辐射板、红外辐射器等)和与建筑构造相结合的辐射板(天棚式、墙壁式、地板式等)。
　　（1）舒适度高，节能。没有因为人离散热器较近时因热空气上升而引起的窒息感，室内温度场均匀，温度梯度合理，减少了人体的辐射热量，使人比较舒适，室内温度的设计标准可适当降低。设计水温低，可采用电厂余热等低品位热源供暖。
　　下面介绍《暖通规范》中提到的几种常见的辐射供暖热负荷计算方法。

　　2.6.1 低温辐射采暖负荷的计算
　　全面辐射采暖的热负荷，应按照常规采暖的方法进行计算，并对计算出的热负
　　局部辐射采暖的热负荷，可按整个房间全面辐射采暖的热负荷乘以该区的建筑面积与所在房间的面积的比值和表2.17所规定的附加系数确定。

　　低温热水地板辐射采暖的供、回水温度应计算确定。考虑到塑料管材的使用寿命，民用建筑的供水温度不应超过60℃，供、回水温差宜小于或等于10 ℃。

　　采用低温加热电缆地板辐射采暖负荷的计算同上。但低温加热电缆地板辐射采暖是直接电采暖的方式，电是二次能源，直接用于采暖，必须经技术经济比较合理时方可采用。

　　2.6.2  热水吊顶辐射采暖负荷的计算

　　2.6.3  燃气红外线辐射供暖负荷的计算
　　燃气红外线采暖器用于全面采暖时，建筑围护结构的耗热量应按照常规供暖的方法进行计算，可不计算高度附加，并在此基础上再乘以0.8～0.9的修正系数。辐射器安装过高时，应对总耗热量进行必要的高度修正。

课题7  分户热计量采暖热负荷

　　2.7.1  计量采暖系统与常规采暖系统热负荷计算方法比较

　　2.7.2　 房间热负荷的计算
　　由于人为调节所造成的邻户传热过程是一个随机不确定过程，目前规范并未给出户间传热的统一计算方法。根据实测数据，某些地方规程中对此作了较具体的规定。总体来看，主要有两种计算方法：一种是按实际可能出现的温差计算传热量，然后考虑可能同时出现的概率；另一种是对房间按常规计算的外围护结构耗热量再乘以一个附加系数。第二种方法较简单，但是系数的确定有一定的困难，因户间隔断的建筑热工不同，不同房间的户间传热量不会与外围护结构传热量形成同一比例，因此，目前使用第一种计算方法较多。
　　《大连市住宅采暖（分户计量）工程技术暂行规定》提出：对于一般住宅，可按计算房间通过内围护结构（楼板、隔墙等）向各邻户房间传递热量中的较大者考虑，计算温差可确定为14℃。

　1、按面积传热计算方法的基本传热公式

式中 Ｑ— 户间总热负荷，Ｗ；
        Ｆ— 户间楼板或隔墙面积，ｍ2；
        Ｎ—户间楼板及隔墙同时发生传热的概率系数。

当有一面可能发生传热的楼板或隔墙时,N取0.8；
当有两面可能发生传热的楼板及一面隔墙，或两面隔墙与一面楼板时，N取0.6；

　　2、按体积热指标计算方法的计算公式
式中Q——户间总热负荷，W；
　　qn——房间供暖体积热指标系数，W/(m3·℃)；
　　△t ——户间热负荷计算温度差，℃，按体积传热计算时宜为8℃；
　　M——户间楼板及隔墙数量修正率系数：

　　当有两面可能发生传热的楼板或隔墙，或一面楼板与一面隔墙时，M取0.5；
　　当有两面可能发生传热的楼板及两面隔墙时，M取1。
　　当有一面可能发生传热的楼板或隔墙时，Q=2.64V；
　　当有两面可能发生传热的楼板及一面隔墙，或两面隔墙与一面楼板时，Q=5.94V；

　　上述几个规程采用的户间传热计算方法是完全相同的，均是按实际可能出现的温差计算传热量，然后考虑可能同时出现的概率，只是各规程所选取的传热温差和概率有所不同，相对而言，天津市《集中供热住宅计量供热设计规程》关于概率的选取规定得较细。

课题8 　采暖设计热负荷计算示例

【例2.1】图2.7所示为徐州市某办公楼的平面图。试计算一层101办公室的采暖设计热负荷。

图2.7 　 例2.1热负荷计算示意图

　　采暖室外计算温度Ｔwn＝－5℃；冬季室外风速:3.6m／s。
　　围护结构 ：
　　外窗 ：单层钢窗，C-3:1500mm×2300mm，采用密封条封窗 。
　　地面 ：不保温地面。
【解】

（1）南外墙
　　传热面积Ｆ１１＝（3.3＋0.12）×3.3－1.5×2.3≈7.84（ｍ２）
　　Ｑ11 ′＝αＫＦ11（ｔn－ｔwn）＝１×2.08×7.84×［18－（－５）］≈375.07（Ｗ）

　　南外墙的实际耗热量 ：
　　（2） 南外窗
　　传热面积 Ｆ12＝1.5×2.3＝3.45（ｍ２）
　　Ｑ12′＝αＫＦ12（ｔn－ｔwn） ＝1×6.40×3.45 ×［18－（-５）］≈507.84（Ｗ）
　　Ｑ12＝ Ｑ12′(1-15%)＝507.84×(1-15%+0%)×（1+0%）＝431.66（Ｗ）
（3）西外墙（计算方法同南外墙，计算结果见表2.19）。
（4）北内墙
　　传热面积Ｆ14＝（3.3＋0.12）×3.3－1.2×2.6≈8.17（ｍ2）
　　内围护结构不需要修正，实际耗热量
　　（5）北内门（计算方法同北内墙，计算结果见表2.19）
（6）地面
　　第一地带传热系数Ｋ1＝0.47Ｗ／（ｍ２?℃ ）
　　第一地带传热耗热量为 ：
　　第二地带传热系数 Ｋ２＝0.23Ｗ／（ｍ２?℃ ）
　　第二地带传热耗热量为：
　　地面的传热耗热量为 ：
　　101室房间围护结构的总传热耗热量为：

2、冷风渗透耗热量

　　缝隙的总长度为：
　　查表2.11：在ν＝3.6ｍ／ｓ的风速下单层钢窗每米缝隙每小时渗入的冷空气量为3.38ｍ3/（ｍ?ｈ）。
　　Ｌ0′＝3.38×0.6＝2.028ｍ3/（ｍ?ｈ）
　　南外窗的冷空气渗入量为 ：
　　南外窗的冷风渗透耗热量为 ：
　　　　＝0.28 ×1×1.4×17×［18－（-5）］

小　结

　　本单元系统介绍了采暖系统设计热负荷的基本概念，围护结构的基本耗热量的计算公式和计算方法，围护结构的附加（修正）耗热量和冷风渗透耗热量的计算方法，围护结构的最小传热阻和经济传热阻的计算等知识。同时还介绍了辐射供暖、分户热计量供暖的负荷计算。

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