河南城院供热工程课件第1章 供暖系统的设计热负荷

第一篇

供暖工程第一章供暖系统的设计热负荷第二章供暖系统的散热设备第三章热水供暖系统

第四章室内热水供暖系统的水力计算第五章室内蒸汽供暖系统

第一章

供暖系统的设计热负荷主要内容第一节供暖系统设计热负荷

第二节围护结构的基本耗热量

第三节围护结构的附加(修正)耗热量

第四节围护结构的最小传热阻与经济传热阻

第五节冷风渗透及冷风侵入耗热量

第六节供暖设计热负荷的计算实例

第七节高层建筑供暖热负荷计算方法简介第一节供暖系统设计热负荷一、供暖系统的热负荷的概念

供暖系统的热负荷是指在某一室外温度tw下，为了达到要求的室内温度tn，供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。

供暖系统的设计，通常应完成以下内容的设计计算，即确定系统的设计热负荷、散热设备选择计算、管道水力计算以及系统主要设备的选择计算等。其中确定系统的设计热负荷是设计计算的第一步，它是散热设备的选择、水力计算、锅炉及其它设备的选择计算的基本依据。为能准确地确定热负荷，就应掌握确定热负荷的正确方法。房间内散失热量一般包括：(1)通过围护结构两边的温差传出的热量Q1；(2)由门窗缝隙渗入的室外空气吸热量Q2；(3)由外门、外墙的孔洞等侵入的室外空气吸热量Q3；(4)由外部运入的冷物料和运输工具等的吸热量；(5)机械排风的排热量Q4；(6)水分蒸发的吸热量Q5；(7)通过其它途径散失的热量Q6。

房间内获得热量的来源一般包括：(1)最小负荷班的工艺设备散热量Q7；(2)热物料在车间内的散热量Q8；(3)热管道及其它热表面的散热量Q9；(4)通过围护结构进入的太阳辐射热量Q10；(5)人体散热量Q11；(6)照明灯光散热量Q12；(7)通过其它途径获得的热量Q13。如房间获得的热量小于散失的热量，其差值即为供暖系统的热负荷。二、供暖系统的设计热负荷的概念供暖系统的设计热负荷，是指在设计室外温度tw

下，为了达到要求的室内温度tn，供暖系统在单位时间内向建筑物供给的热量。它是设计供暖系统的最基本依据。对于一般居住和公共建筑，以及产热量很少的工业建筑，得热量Qd

可以认为除太阳辐射得热外，其它均不计；失热量Qsh

也只考虑围护结构的传热耗热量Q1，门窗缝隙渗入的室外空气吸热量Q2，以及外门、外围护结构孔洞和其它生产跨间流人的室外空气吸热量Q3；太阳辐射得热又可在Q1中按一定比例扣除。故供暖系统设计热负荷为：

Q

＝Qsh

－Qd

＝Q1

+Q2

+Q3

－Q10

在工程设计中，计算供暖系统的设计热负荷时，常把它分成围护结构传热的基本耗热量和附加(修正)耗热量两部分进行计算。基本耗热量是指在设计条件下，通过房间各部分围护结构(门、窗、墙、地板、屋顶等)从室内传到室外的稳定传热量的总和。附加(修正)耗热量是指围护结构的传热状况发生变化而对基本耗热量进行修正的耗热量。附加(修正)耗热量包括风力附加、高度附加和朝向修正等耗热量。朝向修正是考虑围护结构的朝向不同，太阳辐射得热量不同而对基本耗热量进行的修正。因此，在工程设计中，供暖系统的设计热负荷，一般可分几部分进行计算。

Q

＝Q1j

+Q1x

+Q2

+Q3

式中Q1j

－围护结构的基本耗热量，

Q1x

一围护结构的附加(修正)耗热量。第二节围护结构的基本耗热量围护结构耗热量--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。

在稳定传热情况下，围护结构的基本耗热量

Q=KF（tn-tw′）a

对于供暖房间来说，房间基本耗热量，应为其各外围护结构(墙、窗、门、楼板、屋顶、地面等)传热量的总和，即：

Q′＝∑KF(tn－tw′)aW

一、室内计算温度tn：

民用建筑采暖室内计算温度tn，见附录1-1。

工业厂房，计算地面传热量时，采用工作地点的温度；

计算屋顶、天窗传热量时，采用屋顶下的温度，td=tg+Δt(H-2)

计算墙、门和窗传热量时，采用室内的平均温度

tnp＝(td+tg)／2℃

辅助建筑物及辅助用室的冬季室内计算温度值，见附录

。

在一些散热比较均匀的车间，可用温度梯度法确定。即

td＝tg+∆t(H－2)℃

二、供暖室外计算温度tw′

我国《采暖通风与空气调节设计规范》(GBJl9—87)里规定：“采暖室外计算温度，应采用历年平均每年不保证5天的日平均温度”。

供暖设计室外计算温度值详见有关设计手册。三、温差修正系数a值当供暖房间的围护结构，其外侧不直接与室外相接触，而是中间隔着不供暖的房间或空间。此时通过该围护结构的传热量应为

q＝KF(tn－th)W

式中，th是传热达到平衡时，非供暖房间(或空间)的温度。由于非供暖房间的温度th，要通过热平衡确定，为了计算方便工程中可用

(tn—tw)a＝(th－tw)进行计算。

a称为围护结构的温差修正系数。根据经验得出的各种不同情况的a值可见附录1—3。四、围护结构的传热系数K值

围护结构的传热系数K值，是指在单位时间内，单位面积的围护结构，两侧温差为1℃时，由一侧传至另一侧的热量。建筑物的围护结构，如墙、楼板、屋面、门窗等，一般为平壁，其计算方法如下：1、匀质多层均质材料组成的平壁一般建筑物的外墙和屋顶都属于匀质多层均质材料的平壁结构，其传热过程如图1－1所示，

传热系数K值可用下式计算：

W／m2﹒℃；

式中Ro－围护结构的总传热热阻，m2﹒℃／W；

an－围护结构内表面换热系数，W／m2﹒℃；

aw－围护结构外表面换热系数，W／m2﹒℃；

δi－围护结构各层材料的厚度，m；

λi－围护结构各层材料的导热系数，W／m﹒℃。一些常用的建筑材料的导热系数λ值；见附录1—4。常用的an和aw值见表1—1和表1—2。常用围护结构的传热系数K值，已编列成表，可直接由附录1—5中查出。2、围护结构中有空气间层的传热系数

在严寒地区的高级民用与公共建筑，其围护结构内常采用空气间层以减少传热量，如双层玻璃、空心层面板、空心墙等。这是由于间层中的空气导热系数比固体材料小的多，空气间层的存在增加了结构的总热阻，减少了向外的传热量。围护结构中有空气间层的传热系数，在工程中可用下式计算

W／m2﹒℃；

式中Rx─空气间层的热阻m2.℃／W

其他符号同式1-7表1-3给出了空气间层的热阻值

从表1-3中看出，当空气层厚度相同时，热流朝下的空气层热阻最大，竖壁的空气层热阻次之，而热流朝上的空气间层热阻最小。尤其当空气间层达到一定厚度后，热阻不随空气层厚度而增加，甚至会减少。因此空气层厚度的选择要适当。

3、非均质材料组成的围护结构传热系数有些墙体或屋面，无论是在垂直于热流方向，还是在平行于热流方向，其组成材料都是不均匀的。如图1－2即为某种墙体和屋面的作法。采用近似算法

首先求出围护结构的平均热阻

Rp.j=[()]W／m2﹒℃；式中A－与热流方向垂直的总传热面积，m2A1－按平行热流方向划分的与热流方向垂直的各个传热面积AⅠ，AⅡ，…，m2；

Roi－各个传热面积的总传热阻，m2．℃／W;

－修正系数，由表1-4选取。非均质材料围护结构的传热系数K由下式确定：

K=W／m2﹒℃；

4、地面的传热系数

室内的热量通过地面下的土壤，传到室外大气。通过靠近外墙的地面下的土壤传热途径较短，热阻较小；通过远离外墙的地面下的土壤传到室外大气时，所经过的途径较长，热阻较大。因此，室内地面的传热系数是随着离外墙的远近而有变化的。但当离外墙8m以外时，其传热系数变化很小，可认为是常数。

由于地面的耗热量在房间总耗热量中占的比重较小，工程中常用近似计算法。把地面沿外墙平行的方向，分成四个计算地带，如图1—3所示

对于不保温地面(组成地面的各层材料的导热系数λ，都大于1.16W/m.℃),各地带的传热系数见表1—5。第一地带图中的阴影部分的地面面积，需要计算两次。工程计算中，也可以采用整个房间地面取平均传热系数的方法，进行更简便的计算。可详见《供暖通风设计手册》。五、围护结构传热面积的丈量

不同围护结构传热面积的丈量方法按图1－4的规定计算。图1-41、门、窗面积2、外墙面积3、地面与顶棚面积第三节围护结构的附加(修正)耗热量

附加(修正)耗热量有朝向修正、风力附加和高度附加耗热量等。一、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，阳光直接透过玻璃窗，使室内得到热量。同时由于受阳面的围护结构较干燥，外表面和附近气温升高，围护结构向外传递热量减少。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。需要修正的耗热量等于垂直的外围护结构(门、窗、外墙及屋顶的垂直部分)的基本耗热量乘以相应的朝向修正率。《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北、东北、西北0～10％，东南、西南－10％～－15％，东、西－5％，南－15％～－30％。选用上面朝向修正率时，应考虑当地冬季日照率、建筑物使用和被遮等情况。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、西向可不修正。在实际工程设计中，目前还有

几种观点和方法：

1、认为朝向修正率与该城市的日照时间和太阳辐射强度密切相关，不同城市的朝向修正率有较大的差别。

2、认为即使在同一城市，外围护结构的窗、墙面积比例不同，各朝向接受太阳辐射热也不一样，因而认为采用朝向修正值方法代替朝向修正率更为合理。即根据各朝向围护结构在该城市所接受太阳辐射热的绝对值大小，在基本耗热量中予以扣除。

3、认为应以采暖季平均温度为基准，而不是以供暖室外计算温度以为基准确定朝向修正率，调整各朝向热负荷的比例。二、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围护结构基本耗热量的修正。在计算围护结构基本耗热量时，外表面换热系数α，是对应风速约为4m／s的计算值。我国大部分地区冬季平均风速一般为2～3m／s。因此，《暖通规范》规定：在一般情况下，不必考虑风力附加。只对建在不避风的高地、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，才考虑垂直外围结构附加5％～10％。三、高度附加耗热量

高度附加耗热量是考虑房屋高度对围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)的高度附加率，当房间高度大于4m时，每高出lm应附加2％，但总的附加率不应大于15％。应注意：高度附加率，应附加于房间各围护结构基本耗热量和其它附加(修正)耗热量的总和上。

综合上述，建筑物或房间在室外供暖计算温度下，通过围护结构的总耗热量Q1′，可用下式综合表示

Q1′=Q1.j′+Q1.x′=(1+xg)∑aKF(tn一tw′)(1+xch+xf)W

式中Xch－朝向修正率，％，

Xf－风力附加率，％，xf≥0，

xg－高度附加率，％，15％≥xg≥0。其它符号同公式(1—3)和(1—5)。第四节围护结构的最小传热阻

与经济传热阻一、围护结构的最小传热阻围护结构的内表面温度τn应满足：

①、内表面不结露。结露会导致围护结构耗热量增大。

②、室内空气温度tn与围护结构内表面温度τn的差值不能过大。否则人体感觉不舒适。根据这两个条件确定的传热阻称为最小传热阻。

在稳定传热条件下，围护结构传热阻、室内、外空气温度、围护结构内表面温度之间的关系式为：

Ro=m2.℃／W围护结构的最小传热阻应按下式确定

Ro.min=Rnm2

．℃／W

式中

Ro.min－围护结构的最小传热阻，m2

．℃／W，

Δty－供暖室内计算温度tn与围护结构内表面温度τn的允许温差，℃，按附录1－6选用，

tw.e－冬季围护结构室外计算温度，℃。

随着室外温度波动，围护结构内表面温度也随之波动。因此，冬季围护结构室外计算温度tw.e按围护结构热惰性指标D值分成四个等级来确定(见表1—6)。

匀质多层材料组成的平壁围护结构的D值，可按下式计算

D=式中Ri－各层材料的传热阻，m2.℃／W，

si－各层材料的蓄热系数，W／m2.℃。

材料的蓄热系数s值，可由下式求出

S=W／m2

．℃

式中c－材料的比热，J／kg.℃，

ρ－材料的密度，kg／m3，

λ－材料的导热系数，W／m．℃，

Z－温度波动周期，s(一般取24h=86400S计算)。二、围护结构经济传热阻

建筑物围护结构采用的传热阻值，应大于最小传热阻。在一个规定年限内，使建筑物的建造费用和经营费用之和最小的围护结构传热阻，称围护结构的经济传热阻。建造费用包括围护结构和供暖系统的建造费用。经营费用包括围护结构和供暖系统的折旧费、维修费及系统的运行费(水、电费，工资，燃料费等)。国内外许多资料分析表明，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，增加其厚度特使土建基础负荷增大，使用面积减少，因而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。第五节冷风渗透及冷风侵入耗热量

冷风渗透耗热量Q2′——在风力和热压造成的室内外压差作用下，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。冷风渗透耗热量，在设计热负荷中占有不小的份额。一、冷风渗透耗热量计算冷风渗透耗热量的常用方法有缝隙法、换气次数法和百分数法。

(一)、按缝隙法计算多层建筑的冷风渗透耗热量对多层建筑，可通过计算不同朝向的门、窗缝隙长摩以及从每米长缝隙渗入的冷空气量，确定其冷风渗透耗热量。这种方法称为缝隙法。对不同类型的门，窗，在不同风速下每米长缝隙渗入的空气量L，可采用表1—7的实验数据。

《暖通规范》明确规定：

V=Llnm3／h

式中L一每米门、窗缝隙渗入室内的空气量，按当地冬季室外平均风速，采用表1－7的数据，m3

／h．m；

l－门、窗缝隙的计算长度，m，

n－渗透空气量的朝向修正系数。门、窗缝隙的计算长度，建议可按下述方法计算，当房间仅有一面或相邻两面外墙时，全部计入其门，窗可开启部分的缝隙长度，当房间有相对两面外墙时，仅计人风量较大一面的缝隙，当房间有三面外墙时，仅计入风量较大的两面的缝隙。《暖通规范》给出了我国104个城市的n值。部分摘录见附录1—7。

确定门、窗缝隙渗入空气量V后，冷风渗透耗热量Q2′可按下式计算

Q2′=0.278Vρwcp(tn-tw′)W

式中V－经门，窗缝隙渗入室内的总空气量，m3／h：

ρ－供暖室外计算温度下的空气密度，kg／m3cp－冷空气的定压比热，c=lkJ／kg·℃0.278－单位换算系数，lkJ／h=0.278W。（二）用换气次数法计算冷风渗透耗热量——用于民用建筑的概算法

在工程设计中，按房间换气次数来估算该房间的冷风渗透耗热量。计算公式为

Q2ˊ＝0.278nkVncpρw(tn-tw)W

式中Vn－房间的内部体积，m3

；

nk－房间的换气次数，次／h，可按表1—8选用。其它符号同前。概算换气次数表1—8

(三)用百分数法计算冷风渗透耗热量－用于工业建筑的概算法

由于工业建筑房屋较高，室内外温差产生的热压较大，冷风渗透量可根据建筑物的高度及玻璃窗的层数，按表1—9列出的百分数进行估算。二、冷风侵入耗热量

冷风侵入耗热量就是加热从开启的大门或孔洞冲入室内的冷空气，使其达到室温所消耗的热量称为冷风侵入耗热量。对于开启时间较短，不设热风幕的外门，通常按外门附加的方法计算。外门附加率为：

一道门65n％两道门(有门斗)80n％三道门(有两个门斗)60n％公共建筑和生产厂房主要出入口为500％。

n为建筑物的楼层数。注意，阳台门不考虑外门附加。外门附加率乘以外门基本耗热量即为冷风侵入耗热量。第六节供暖设计热负荷的计算实例试计算某医院综合楼中一层101中药局，102门厅、二层201五官科、三层301手术室的采暖设计热负荷，图1—5为建筑物平面图。已知条件：

地点；哈尔滨市

气象参数；采暖室外计算温度tw′=-26℃，冬季主导方向：SSW，冬季室外风速：3.8m／s。

室内计算温度：101中药局18℃，102门厅16℃，201五官科20℃，301手术室25℃.建筑物方位；见平面图。围护结构：层高，3.3m(从底层地板上表面到二层楼板上表面)。外墙:厚2砖的红砖墙，内表面白灰粉刷，厚20mm，外表面水泥砂浆厚20mm。外窗：双层木框C—1，2500×2000;C—2，1500×2000，(冬季采用密封条封闭窗缝)。外门：双层带玻璃木门M—14000×3000。地面：不保温地面。屋面：构造如图1—6所示。

屋面结构第七节高层建筑供暖热负荷计算

方法简介什么是高层建筑？

10层及10层以上的居住建筑，（包括首层设置商业服务网点的住宅）或建筑高度超过24米（不包含单层主体建筑超过24米的）的公共建筑。

冷风渗透耗热量的计算方法，主要考虑风压，即根据冬季室外平均风速确定冷风渗入量，而不考虑热压作用。高层建筑由于高度的增加，使它受到风压和热压的综合作用，因而采用相应不同的冷风渗透耗热量计算方法。一、热压作用热压作用即通常讲的“烟囱”作用。冬季室内空气温度高于室外空气温度，则室外空气密度大于室内空气密度，由于空气的密度差，室外空气不断进入，通过建筑物内部楼梯间、电梯间等竖直贯通通道上升，形成一股上升的热气流，而后排出。较低楼层室外空气压力大于室内空气压力，冷空气通过外门、窗缝隙渗入。在室内被加热后继而通过内门、窗等缝隙进入贯通通道。而较高楼层室内压力高于室外压力，热空气由贯通通道通过内门、窗缝隙进入房间后，通过外门、窗缝隙渗出室外。渗入和渗出的空气量相等。在高层与低层之间必然有一内外压差为零的界面，称为中和面。当建筑物上下开口均等时，中和面在接近高度一半的地方。这种引起空气流动的压力称为热压。如图1—11所示。

热压、风压作用原理图二、风力作用室外风速从地面到上空是逐渐增大的。气象资料中采用的冬季室外风速υw，是指地面以上基准高度(一般用10m)测得的风速。高度增加相应的风速也会增加。

三、风压与热压共同作用实际作用的冷风渗透现象，都是风压与热压共同作用的结果。理论推导在风压与热压共同作用下，建筑物各层、各朝向的门窗冷风渗透量时，考虑下列两个假设条件：

1、建筑物各层门窗两侧的有效作用压差ΔPr，仅与该层所在的高度位置、建筑物内部竖井空气温度和室外温度所形成的密度差、以及热压系数Cr值大小有关，而与门窗所处的朝向无关。

2、建筑物各层不同朝向的门窗，由于风压作用所产生的计算冷风渗透量是不相等的，需要考虑冷风渗透量的朝向修正系数(见附录1－7的n值)。

[例1—2]北京地区一幢12层办公楼，层高3.2m。室内温度tn＝18℃，供暖室外计算温度tw＝一9℃(ρw＝1.34kg／m3)。楼内楼梯间不供暖，走道内平均温度tn′＝5℃。每间办公室有一单层钢窗，取b＝0.67；缝隙长L＝16m。北京市冬季室外平均风速ν0=2.8m／s，相应单位缝长基准渗透量l＝2.4m3／m·h。由于房门频繁开启，取Cf＝0.7，Cr＝0.5。试计算北向底层、第8层楼东南朝向、第10层东北朝向和北向顶层的窗户渗透空气耗热量。(解)1、计算北向底层窗户渗透空气耗热量。设中和面标高在整个建筑物高度的一半位置上，hz＝3.2×12／2＝19.2m。设窗中心线在层高一半处，对最底层，当考虑热压时h＝1.6m；当考虑风压时，h＝10m计算。

(1)求压差比C值，根据式(1—43)

C－作用在计算门窗上的有效热压差与有效风压差之比，简称压差比。

Cr－热压系数。按我国实际情况，热压系数C，可取0.2～0.5。

Cf－作用于门窗上的风压差相对于理论风压的百分数，简称风压差系数。当风垂直吹到墙面上，且建筑物内部阻力很小时，风压差系数最大，可取Cf＝o.7；当建筑物内部阻力很大时，风压差系数降低至0.3～0.5。

(2)求Ch值，根据式(1—29)Ch－计算门窗中心线标高为h时的渗透空气量对于基准渗透量的高度修正系数(当h<lOm时，按基准高度h＝lOm计算)。

α、b－与门窗构造有关的特性常数。

(3)求m值，北京北向的朝向修正系数n＝1.0(主导风向)，根据式(1—37)。

m=Ch(n+(1+C)-1)=1.003(1+(1+1.61)0.67-1)