天津城市建设学院图书馆中供热系统设计方案

1 天津城市建设学院图书馆中供热系统设计方案 第 1章 建筑物概述 程概述 本系统为天津城市建设学院图书馆中供热系统。建筑物位于天津城市建设学院老校区。 图书馆 围绕着学校“ 以工为主，工、管、文、理 等多学科协调发展”的办学定位，通过引进、自建数据库，以及资源的共建共享，充分整合、链接，使 纸质文献和电子文献互补、馆藏文献和网络文献互补、实际拥有文献和可获得文献互补 ，形成了一套学科门类较为齐全，多类型多载体多语种的文献保障系统。该馆具有纸质文献藏、借、阅功能、数字资源网上服务功能、参考咨询功能、读者学术交流功 能等。该馆南北走向，总建筑面积共三层，一层为 展览室、图书阅览室， 二层为 图书阅览室、休息室 、展览室、编目室， 三层为 图书阅览室、贮藏室、 图书预定室 。图书馆开放时间为 8:30 16:00。 计参数与气象数据 筑物参数 （ 1） 外墙 ：一砖半厚（ 370， K= )； （ 2） 内墙 ： 240墙 ； 表 1墙结构说明表 图 1墙结构图 （ 3） 外窗 :双 层 玻璃钢窗 ， K=w/( )； （ 4） 外门： 双层金属框 ， K=w/( )； （ 注： 门窗 供热工程 附录 1值表查取。 ） 表 1窗、门参数表 （ 5） 顶棚：通风屋面，保温材料为水泥膨胀珍珠岩， =200= )， D= 序号 材料层名称 (m) R (./ W) 1 石灰 水泥沙浆 泡沫混凝土 重砂浆砖砌墙 2 （注： 顶棚 材料参数参考实用供热空调设计手册表 （ 6） 地面：贴土非保温地面， K 值按划分地带选取。即把地面划分成四类地带，各地带有确定的计算传热系数值。按下式计算房间地面的温差传热量。要注意的是第一地带靠近墙角的地面面积需要计算两次。 d d i d i n w( - )Q K A t t= 式中 ： 各计算地带的面积， m2 各计算地带的计算用传热系数。 （注：参考供热工程第四版表 1 图 1象数据 表 1外气象参数 台站位置 大气压力（ 室外计算温度（） 供暖期天数 冬季室外平均风速 (m/s) 风向 北纬( ) 东经( ) 海拔 （ m） 102 66 22 1暖室内计算温度 房间名称 室内温度 （） 书报资料库 16 阅览室 18 目录厅、出纳厅 16 特藏库 20 胶卷库 15 展览厅、报告厅 16 办公室 18 休息室 16 走道、门厅 14 楼梯间 14 （ 注：参考 供暖通风设计手册 68 70,183页） 第 2章 建筑物供暖热负荷计算 暖设计热负荷 供暖系统的设计热负荷，是指在设计室外温度 下， 为达到室内温度 ， 供暖系统在单位 时间内向建筑物供给的热量 Q。它是供暖系统的最基本依据。 在工程设计中， 房间采暖热负荷是供暖设计中最基本的数据，这个数据计算的正确是否，将直接影响着供暖设备的大小、供暖方案的选择及供暖系统的使用效果。 3 护结构基本耗热量 围 护结构是指墙、屋顶、地面、门、窗等。围护结构的传热是由室内、外温差引起的。工程上将二维传热问题近似为一维传热。 ( W 式中： K 围护结构传热系数， W/； F 围护结构传热面积， 室内温度，； 室 外计算温度， ； a 围护结构温差修正系数。详见下表（参考供热工程 第四版 附录 1 表 2护结构的附加耗热量 围护结构的基本耗热量是在假定条件下计算的，但由于气象条件及建筑物情况的变化，实际的传热量与基本耗热量会有出入，故要对其进行修正，这包括朝向、风力及高度 修正三项。围护结构的总耗热量为 ： a 朝向修正耗热量 朝向修正耗 热量是考虑建筑物受太阳照射影响而对围护结构基本耗热量的修正。当太阳照射建筑物时，阳光直接透过玻璃而使房间得到热量。同时受阳光照射的围护结构比较干燥，外表面温度升高，故围护结构的传热量减少。采用的修正方法是按围护结构的不同朝向，采用不同的修正率。需要的朝向修正耗热量等于垂直外围护结构基本耗热量乘以相应的朝向修正系数。暖通规范规定：宜按下列规定的数值 选用不同的朝向修正率： 北、东北、西北 0 10 ； 东南 、 西南 ； 东、西 南 30。 在这次设计中建筑物的外墙朝向分别为东 、西、南、北四向。其朝向的修正率分别为：东： ，西： ，南： ，北： 10。 b 风力附加耗热量 风力附加耗热量是考虑室外风速变化而对维护结构基本耗热量的修正。我国各地区冬季平均风速一般都 4 不大，大部分地区冬季平均风速为 2 3m/s。天津室外平均风速 3.1 m/s，故对传热系数的影响不显著，一般情况下不修正。 暖通规范规定：在一般情况下，不考虑风力附加。只有建在不避风的高地、河边、海岸、旷野上的建筑物，以及城镇厂区内特别突出 的建筑物才考虑垂直外维护结构附加 5 10。 ， c 高度附加耗热量 高度附加耗热量是考虑房屋高度对维护结构耗热量的影响而附加的耗热量。暖通规范规定： 民用建筑和工业辅助建筑物（楼梯间除外）的高度修正率， 当房间高度大于 4m 时，高度每高出 1m 应附加 2，但总的附加率不应大于 15。 高度附加率 是附加在房间各围护结构的基本耗热量和其他附加（修正）耗热量的综合上。 本设计的房间高度为 此高度修正可以不与考虑。 风渗透耗热量的计算 冬季，在 风压 、 热压 的综合作用下，室外的冷空气通过门、窗缝隙渗入室 内，把这部分空气从 加热到 要消耗一定的热量，这部分热量称为 冷风渗透耗热量 (占总负荷的 20 30 )。 )( 式中 ： 冷风渗透耗热量（ W）； V 经门、窗隙入室内的总空气量， m3/h； w 供暖室外计算温度下的空气密度， kg/ 冷空气的定压比热， 1 ）； 单位换算系数， 1KJ/h= 空气渗入量与门窗的制作材料 、朝向、室外风速及建筑内部的通气状态有关。 V Lln m3/h 式中： L 单位长度缝隙每小时渗入的空气量， m3/hm。 L 门、窗的缝隙长度， m； N 透空气量的朝向修正系数。 表 2地点 东 南 西 北 天津 注：参考 实用供热空调设计手册 第 89页） 取 一层门卫值班室 103 的冷风渗透量 的计算为例 。由 实用供热空调设计手册 第 89 页 ， 天津 市的冷风朝向修正系数，北向 为 房间仅有一面外 墙时全部计入其门、窗可开启部分的缝隙长度。由前面的数据，在冬季室外平均风速 ， 双 层钢窗每米缝隙的冷风渗透量 L= h m） ) 2 2=等于 =h 冷风渗透量2)( =1 27= 风侵入耗热量 冬季在热压、风压的作用下，室外冷空气通过开启的外门侵入室内，被加热后逸出。把这部分冷空气加热到室内温度所消耗的热量，称冷风侵入耗热量 )(2 7 w/3 式中 ： 流入的冷空气量 m3/h。 由于流入的冷空气量据经验总结，冷风侵入耗热量可采用外门基本耗热量乘以供热工程表 1即 5 外门基本耗热量 ； N 考虑冷风浸入的外门附加率。 取 计算 一层 楼梯间 1 的冷风侵入量 为例 ， 则，代入数值得 14+9）*。 房间耗热量计算表 第 3章 采暖系统方案设计及说明 统方案的选取 根据建筑物的结构特点和用途在此 提出三种系统设计方案： 方案一：重力循环双管式系统 ； 方案二：机械循环单管异程式系统； 方案三：机械循环单管同程式系统 。 6 根据以下原则进行技术和经济比较： 原则一：热媒的选择， 热水供暖与蒸汽供暖的比较 。 供暖系统的设计和布置都比较复杂且其维护和维修费用较大。对该三层 图书馆 ，只需要设计一个小型的供暖系统，选用热水供暖系统比较经济合理。 原则二： 热媒温度的选择。 =95 ； =70 原则三： 供暖管网布置形式 。 根据建筑物平面图，考虑到管网布置的经济合理并且易于设计计算，便于维护和管理，该系统的布置如平面图和轴测图所示。 原则四： 供暖系统动力的选择 。 由于楼梯间的热负荷相对于其它立管很小，选用重力循环系统很难达到水力平衡，因此采用将管道接到室外机械供暖管道上的形式。 原则五： 考虑到设计计算的方便，将供暖系统布置成单管顺流上 供下回 同程式系统。 原则六： 经济 性 比较 。 通过对各个系统的管长 L、管径 D 以及厚度 D 进行估算，并进行比较 Y=2 D D L，计算出各个系统的 Y 值，取其最小值。 最后综合比较三种方案的技术和经济，考虑到本工程的实际规模和施工的方便性，本设计采用机械循环、单管制垂直式的上供下回系统。散热片安装形式为同侧的 上供下回。供水立管之间为同程式，在底层设一根总的回水同程管。 根据建筑的结构形式，布置干管和立管，为每个房间分配散热器组。（见图纸 ） 。 统方案说明 （ 1） 本 设计的供暖系统，其热媒为热水，供水温度为 95，回水温度是 70。 （ 2） 本 采用机械循环上供下回垂直单管 同程式 系统 ， 介质流过各环路的路程大体一致，各环路阻力几乎相等，易于达到水力平衡，因而流量分配也比较均匀，不致象异程系统那样产生热不均匀现象。 同程系统比异程系统 可能多用管材。但调试简单方便，供热安全可靠。 （ 3）把 主立管布置在中间，采用了较多的 环路，使每一环路负担的热负荷尽可能的 少一些，而且基本相等， 这样既可以使管路的消耗量最少而且易于平衡。 （ 4）大多立管每层可以带两 个散热器，在供回水支管不太长的情况下，这样对管道较经济，而且有利于提高水力稳定性。 （ 5） 系统的最高点设立集气罐。供水管上升坡度为 水管下降坡度为 （ 6） 管路穿墙或楼板时埋设钢套管，套管直径比穿行管大一号，穿墙套管两端与墙面齐平，穿楼板套管比楼板高 20 （ 7） 管径 d 40用焊接连接， d 40用丝接。 第四 章 散热器的选型 与计算 热器选 型 热器的选择原则 供暖系统的散热设备是系统的主要组成部分，它向房间散热以补充房间的热损失，保持室内要求的温度，其中散热器是最为常用的散热设备，供暖系统的热媒通过散热器的壁面，主要以对流的传热方式向房间散热。对散热器的基本要求，主要有以下几点： 7 a、热工性能方面的要求，散热器的传热系数值越高，说明其散热性能越好。提高散热器的散热量，增大散热器传热系数的方法，可以采用增加外壁散热面积（在外壁上加肋片）、提高散热器周围空气的流动速度和增加散热器向外辐射强度等途径。 b、经济方面的要求，散热器传 给房间的单位热量所需金属耗量越少，成本越低，其经济性越好 。 c、安装使用和工艺方面的要求，散热器应具有一定机械强度和承压能力；散热器的结构形式应便于组合成所需要的散热面积，结构尺寸要小，少占房间面积和空间；散热器的生产工艺应满足大批量生产的要求。 d、卫生和美观方面的要求，散热器外表光滑，不积灰和易于清扫，散热器的装设不应影响房间观感。 e、使用寿命的要求，散热器应不易被腐蚀和破损，使用年限长。 在散热器的选择方面优先考虑铸铁散热器，它结构简单，防腐性能好，使用寿命长以及热稳定性好的 优点；但其金属耗量大、金 属热强度低于钢制散热器。 热器的选择 在 此 设计中，考虑多方面原因，选用 散热器。 这种散热器金属热强度及传热系数高，外形美观，易于清除积灰，容易组成所需的面积，便于落地和靠墙安装，因此得到广泛应用，其性能参数如下 : 表 4132型散热器参数表 型号 散热面积 ( 水容量 (L/片 ) 重量 ( ) 工作压力 (传热系数 k w/( ) t热 器 的计算 热器的散热面积 散热器的散热面积 F= 2 3(m 式中 ： Q 散热器的散热量， W: 散热器热媒平均温度， ； 供暖室内计算温度，； K 散热器的传热系数， W/m.； 1 散热器组装片数修正系数； 2 散热器连接形式修正系数； 3 散热器安装形式修正系数。 散热器内热媒的平均温度 : ： 散热器进水温度，； 散热器出水温度，； 在单管热水供暖系统中，由于热水是依次进入散热器的，供水温度逐渐降低，所以每组散热器的进水、出水温度需要逐一进行计算，后一组散热器的进水温度，既为前一租散热器的出水温度。 某一组散热器的进水温度，可按下式计算： ti= Q 式中 ： 立管供水温度， ； 立管回水温度， ； 所在立管的该组散热器之上各层散热器的散热量（不包括该组散热器）之和， W； Q 所在立管所有散热器的散热量总和， W。 8 散热器传热系数 K 值的物理概念，是表示当散热器内热媒平均温度 室内气温 差 1时，每m散热器面积所散出的热量 W/ m.。它是散热器散热能力强弱的主要标志。 散热器的传热系数 值是在一定的条件下，通过实验测定的。若实际情况与实验条件不同，则应对所测值进行修正。 散热器组装片数修正系数 1（其值选取按照供热工程 第四版 附录 2 3） 。 散热器连接形式修正系数 2 值，可按供热工程 第四版 附录 2 4取用。此次设计是采用的简单的同侧上进下出，所以 2 1。 散热器安装形式修正系数 3 值，安装在房间内的散热 器，可有种种方式，如敞开装置、在龕盒内、或加装遮挡罩板等。 供热工程 第四版 附录表 2 5，在此次设计为明装，上部有窗台板覆盖 取 3= 热器片数及长度的确定 在确定所需的散热器面积后，现假定 1 1，可按下式进行计算 n F/f 式中： f 每片或每 1 此系统的 f 暖通规范规定，柱型散热器面积可比计算面积小 片数 。 热器的布置 布置散热器时，应注意下列一些规定： 散热器一般应安装在外墙的窗台下，这样，沿散热器上升的对流热气能阻止和改善从玻璃窗下降的冷气流和玻璃冷辐射的影响，使流经室内的空气比较暖和舒适。 为防止冻裂散热器，两道外门之间，不准设置散热器。在楼梯间或其他有冻结危险的场所，其散热器应有单独的立、支管供热且不得装设调节阀。 散热器一般明装，在内部装修有特殊要求的场合可采用暗装。 同一房间的散热器可以串连，贮藏室、盥洗室、厕所和厨房等辅助用室及走廊的散热器，可同邻室串连连接。两串连散热器之间的串连管径应与散热器接口的直径相同 ，以便水流畅通。 在楼梯间布置时，考虑楼梯间热流上升的特点，应布置在底层。 铸铁散热器的组装片数四柱一般不易超过 50片。 热器计算示例 取 三 层 的 休息室 304为例，已知 Q 1710W ， 95+ 16， t K t m. 修正系数： 散热器组装片修正系数，先假定 1 散热器连接形式修正系数，查附录 2 2 散热器安装形式修正系数，查附录 2 3 根据 式 F = 2 3 /K t=1710* =m 则计算片数 n为： n F /f 查 供热工程 附录 2 3，当散热器片数为 11 20 片时， 1 此实际所需散热面积为： F F * 1 实际采用的片数 n F/f 9 因为 0.1 m 取整数，应采 散热器 12 片 。 所以 实际每台散热器为 12 片。 其余房间 散热器计算 同理 ， 计算结果列于 下 表内 ： 表 4楼层 立管编号 散热器 编号 Q t K F n 三层 5 8 5 8 5 8 5 8 1214 95 86 18 1009 95 86 16 1009 95 6 1699 95 8 5 0 3 0 5 88 20 0 1 5 88 20 0 2 5 88 20 0 3 5 8 4 5 8 5 5 8 6 5 8 7 5 8 8 5 8 9 5 8 0 5 8 1 5 8 2 5 86 18 3 1857 95 86 14 3 4 1710 95 6 2 5 5 8 18 17 26 5 8 18 17 27 5 8 18 18 28 5 8 18 18 29 5 8 18 10 二层 8 8 8 8 6 8 705 86 6 705 0 16 0 16 0 16 0 8 6 1 8 6 2 8 6 3 8 4 8 5 8 6 8 7 8 8 8 9 8 0 8 1 8 2 6 8 3 1857 86 4 5 4 1407 6 2 5 8 6 8 7 8 8 8 9 8 一层 0 18 0 18 0 18 0 18 0 18 1689 0 18 7 0 16 5 0 16 5 0 16 5 11 0 5 70 14 4 1 5 70 14 4 2 0 18 3 0 18 4 0 18 5 0 18 6 0 18 7 0 18 8 0 18 9 0 18 0 0 18 1 1857 0 14 7 2 0 18 3 0 18 4 0 18 5 0 18 6 0 18 7 0 18 8 0 18 第五章 系统的水力计算 热系统水力计算原理 设计热水供暖系统，为使系统中各管段的水流量符合设计要求，以保证流进各散热器的水流量符合需要，就要进行管路的水力计算。 当流体沿管道流动时，由于流体分子间及其与管壁间的摩擦就要损失能量；而当流体流过管道的一些附件（如阀门、弯头、三通、散热器等）时，由于流动方向或速度的改变产生局部旋涡和撞击，也要损失能量。前者成为沿程损失，后者称为局部损失。因此，热水供暖系统单个计算管段的阻力损失可用下式表示： +=+=式中： 计算管段的阻力损失 ； 计算管段的沿程损失； R 每米管长的沿程损失； l 管段长度， m； 管段的局部损失， 在管路的水力计算中，通常把管路中水流量和管径都没有的一段管子称为一个计算管段。任何一个热水供暖系统的管路都是由许多串联或并联的计算管段所组成的 。 每米管长的沿程阻力损失（比摩阻）可用流体力学达西维期巴赫公式来计算： 12 供热介质在管内流动的摩阻系数取决于管内供热介质流动状态和管壁粗糙度。对于流动状态，目前专业书中都认为室内供暖系统管内流动状态处于过渡区，室外热水管网管内流动状态处于阻力平方区。 段的局部损失 管段的局部损失，可按下式计算： 式中 ： 管段中总的局部阻力系数。 水流过热水供暖系统管路的附件（如三通、弯头、阀门等）的局部阻力系数值可查阅文献 1中所给出的数值都是用实验方法确定的。文献 1 中 4出热水供暖系统局部阻力系数 l 时的局部损失值。 利用上述公式可分别确定系统中备管段的沿程阻力损失 局部损失 者之和就是该管段的阻力损失。在实际设计中，为了简化计算，也有采用所谓“当量阻力法”或“当量长度法”来进行管路的水力计算。 段的局部损失 管段的局部损失计算如下： y 量局部阻力法（动压头法） 当量局部阻力法的基本原理是将管段的沿程阻力损失转变为局部损失来计算。该管 段的沿程阻力损失相当于某一局部损失 式中 ： 当量局部阻力系数 热系统水力计算的任务与方法 室内热水供暖系统是由许多串联或者并联管段所组成的管路系统。热水供暖系统水力计算的最终目的是要选择适当的管径，使作用于每一循环环路上的作用压力能保证在环路的每一管段流过所需要的热水流量。 根据最不利循环环路管段的流量和给定的管径，利用水力计算图表，确定该循环环路各管段的阻力损失以及整个系统所必需的循环作用压力。 通过选用适当的 R 值（或流速 v 值）来决定管径，是一个技术经济问题。 如选用较大的管径可缩小，但系统的阻力损失增大，水泵电能消耗增加。同时为了各循环环路易于平衡，最不利循环环路的平均比摩阻不宜选得太大。目前在设计实践中0120Pa/m。剩余的资用循环压力，由入口处的调压装置节流。 在机械循环系统中，循环压力主要是由水泵提供，同时也存在着重力循环作用压力。管道内水冷却产生的重力循环作用压力，占机械 循环总循环压力的比例很少，可忽略不计。对机械循环单管系统，如各建筑物各部分层数相同时，每根立管所产生的重力循环作用压力近似相等，可忽略不计。 利计算步骤 （ 1）在轴侧图上进行管段编号，立管编号并注明各管段的热负荷和管长。 （ 2） 确定最不利环路。本系统为异程单管系统，一般取最远立管的环路作为最不利环路。 （ 3） 计算最不利环路各管段的管径： a) 虽然引入口处外网的供回水压差较大，但考虑到系统中各环路的压力损失易于平衡，设计采用推荐的平均的比摩阻 0 120Pa/管径。 22 2222 13 b) 根据各管段的热负荷，求出各管段的流量，计算公式如下： G 3600Q/4187*（ Kg/h 式中： Q 管段的热负荷， W； 系统的设计供水温度，； 系统的设计回水温度，。 c) 根据平均比摩阻和各管段的流量查供热工程 第四版 附录表 4 1，选定合适的管径、流速和压降。 （ 4） 确定各管段的长度。 （ 5） 确定局部阻力损失。 （ 6） 求各管段的压力损失 P （ 7） 求环路的总压力损失。 （ 8） 计算富裕压力值。考 虑到施工的具体情况，可能增加一些在设计计算中未计入的压力损失。因此，要求系统应有 10以上的富裕度。 （ 9） 通过调节调节系统上的阀门和管径进行调节，把系统的不平衡率控制在 15的范围之内。入口处的剩余循环压力，用调解阀节流消耗掉。 力 计算 过程及 结果