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摘要
本次进行了西宁市某中学实验楼采暖系统设计;采用散热器采暖,系统以95℃/70℃的热水为热媒,采用机械循环上供下回垂直单管顺流式系统进行采暖;
首先计算出系统的热负荷,总热负荷为;在此基础上,通过对散热器的比较,选择性能好且经济的四柱760及型散热器和钢制高频焊翅片管散热器;由于采用上供下回单管系统,根据各房间热负荷可以计算出每间房屋所需的散热片数量;进行系统管路设计,绘制各层的平面图及系统图;进行水力计算,求出并联环路的不平衡率,对于不平衡率较大的并联管路用立管阀门进行节流;在水力计算的基础上选择合理的选取排气阀、除污器等其他附件设备;
关键词:采暖;热负荷计算;散热器选型和计算;系统设计;水力计算
绪论
在人类很长的历史时期中,人们以火的形式利用能源;后来人们为了取得热量,开始用原始的炉灶获得热能取暖、做饭和照明;这种局部的取暖装置至今还保留和使用着,如火炉、火墙、火坑等;
蒸汽机的发明,促进了锅炉制造业的发展;十九世纪初期开始出现了以蒸汽或热水作为热媒的供暖系统;在供暖系统中,由一个锅炉产生的蒸汽或热水,通过管路供给一座建筑物各房间取暖;1877年在美国建成了区域供热系统,由一个锅炉房供给全区许多座建筑物和生产与生活所用的热能;
二十世纪初期一些工业发达的国家开始利用发电厂中汽轮机的废汽,供给生活与生产用热;其后逐渐发展为现代化的热电厂,联合生产电能与热能,显着地提高了燃料利用率;
二次大战后,特别是六十年代,世界能源的消耗,随着城市工业的发展和城市人口的增加而迅速地增加,1950~1965年间,联邦德国、捷克斯洛伐克等国热能消耗量增长了2倍,日本增长了倍;巨大的热能消耗,不仅要求有足够的供应能力,而且要求提高供热效率和降低成本;此外,锅炉房多建于城市人口稠密区,煤烟粉尘和锅炉排出的二氧化硫气体是造成城市环境污染的主要原因;
在区域供热系统中采用大型现代化锅炉,燃烧效率高,尤其是综合生产热能与电能的热电厂可以大量节省能源、大型区域供热系统供热半径长、热源可以远离城市中心人口稠密区,并可装设有效的排烟除硫和除尘设备以防止城市环境的污染;因此,近30年来区域供热事业的发展极为迅速;
苏联和东欧各国的区域供热的热源以热电厂为主;美国和西欧各国的区域供热的热源,多以区域锅炉房为主,早期以蒸汽作为主要热媒,二次世界大战以后,以高温水为热媒的区域供热系统发展很快;近年来,在法国、瑞士等国出现了一些城市区域供热锅炉,以城市垃圾作为主要燃料;
在旧中国,仅只是在一些大城市的个别建筑和特殊区域内设置有集中供热设备;以北京为例,当时的六国饭店现北京饭店老楼、清华大学图书馆、体育馆、东单的德国医院现北京医院等都装有功能完善的暖气系统;甚至冬季很短、气温不太低的上海的某些宾馆,如国际饭店、沙逊大厦现和平饭店和个别高档公寓,如华山公寓、霞飞公寓等也装有可随气候调节温度的真空式蒸汽采暖系统;当时这些系统基本上由洋人设计,所用设备由国外运来;显然那时的集中供热只是达官贵人和显要们的专利,与广大老百姓无缘;
随着经济建设的发展和人民生活水平的提高,我国的供热事业也得到迅速发展;北方地区的绝大多数公共建筑和工业企业都装设了集中供暖设备,居民住宅也陆续装设了供暖系统,居住的舒适、卫生与环境条件得到很大的改善;
建国初期,“三北”地区东北、西北、华北居民住宅以平房为主,冬季采用火炉、火炕或火墙取暖;自1951年我国第一座城市热电站——北京东郊热电站投入运行,到改革开放前,全国只有哈尔滨、沈阳等8个城市有集中供热;改革开放后发展迅速,1956年增加到151个城市,到1961年这5年中有集中供热的城市猛增到516个,供热面积也从1956的年的91亿m2猛增到5年的292亿m2;
此外,从80年代开始,我国已经能够自行设计大、中、小型的成套设备,各型锅炉,设计与制造多种铸铁、钢材和铝合金的散热设备;特别是近年来拓宽了国际技术交流的渠道,大量先进技术陆续引进,国内供热技术的开发力度也不断增强,城镇供热在设计标准、工艺水平和技术性能、自动化程度等方面都有长足的进步;
设计原始资料
设计题目
西宁市某中学实验楼采暖系统设计
设计原始资料
1、建筑物所在地点:西宁;
2、建筑物周围环境:市内,无遮挡;
3、建筑资料:详见建筑施工图纸;
4、热源:集中供热锅炉房;
5、热媒参数:95/70℃热水,引入口处资用压差100kPa;
6、建筑面积:占地面积:;
7、层数:五层;总高度米;
8、结构形式:框架结构;
9、耐火等级:二级;
10、屋面防水等级:二级;
11、设计年限:二级50~100年;
12其他土建资料详见图纸;
采暖系统设计热负荷计算
设计气象资料的确定
设计气象资料确定原则
冬季室外计算温度:
采暖室外计算温度,应采用历年冬季平均不保证5天的日平均温度,这主要用于计算采暖设计热负荷;
在采暖热负荷计算中,如何确定室外计算温度是非常重要的;从气象资料中就可以看出,最冷的天气并不是每年都会出现;如果采暖设备是根据历年最不利条件选择的,即把室外计算温度定得过低,那么,在采暖运行期的绝大多数时间里,会显得设计能力富余过多,造成浪费;反之,如果把室外计算温度定得过高,则在较长的时间内不能保证必要的室内温度,达不到采暖的目的和要求;因此,正确地确定和合理的采用采暖室外计算温度是一个技术与经济统一的问题;采暖通风与空气调节设计规范GB50019—2003所规定的采暖室外设计温度,适用于连续采暖或间歇时间较短的热负荷计算;
冬季室外平均风速:
冬季室外平均风速应采用累年最冷3个月各月平均风速的平均值,“累年最冷3个月,系指累年逐月平均气温最低的3个月,主要用来计算风力附加耗热量和冷风渗透耗热量;
冬季主导风向
冬季“主导风向”即为“虽多风向”,采用的是累年最冷3个月平均频率最高的风向,风向的频率指在一个观测周期内,某风向出现的次数占总数的百分数,主要用来计算冷风渗透耗热量;用四个字母ESWN分别表示东南西北四个方向,其它方位用这四个字母组合表示风的吹向,即风从外面刮来的方向;当风速小于米/秒时,用字母c来表示,各地区冬季主导风向可参见供热手册,如哈尔滨主导风向为SSW,安达主导风向为NW,即分别表示为南西南风和西北风;
冬季日照率
冬季日照率冬季日照百分率,采用历年最冷3个月平均日照率的平均值,系指在一个观测周期全月内,实测日照总时数占可照总时数的百分率,用来确定朝向修正率;
具体气象参数选取
计气象资料建筑物所在城市:西宁
查出当地的气象资料如下:
地理位置:
北纬度;
东经度;
海拔米;
大气压力:
冬季Pb=;
夏季Pb=;
冬季供暖室外计算温度:℃;
冬季最低日平均:℃;
冬季室外平均风速:s;
冬季通风:-10℃;
冬季日照率:66%;
设计计算用采暖期天数及平均温度
供暖期:日平均温度:<+5℃,天数:149天;
采暖设计热负荷计算方法
采暖设计热负荷包括围护结构的基本耗热量和围护结构的附加耗热量,利用下式计算:
3-1
式中:
——围护结构的基本耗热量,W;
——围护结构的附加修正耗热量,W;
——冷风渗透耗热量,W;
——冷风侵入耗热量,W;
——供暖总耗热量,W;
其中,为围护结构的基本耗热量,围护结构附加耗热量为、、之和;
说明:围护结构的基本耗热量是在稳定条件下计算得出的;实际耗热量会受到气象条件以及建筑物因素等各种影响而有所增减;所以要对房间围护结构的基本耗热量进行修正;修正后的耗热量即为附加耗热量;通常按基本耗热量的百分率计算;包括朝向修正,风力附加和高度附加等;基本耗热量还不是建筑物围护结构的全部耗热量,因为建筑物围护结构的耗热量还与它所处的地理位置及它的形状等因素如朝向、风速、高度等有关,这些因素在计算它的基本耗热量时并没有考虑进去;在附加耗热量中,应按其占基本耗热量的百分率确定;
围护结构的基本耗热量
计算公式
围护结构基本耗热量按照下式计算:
W3-2
式中:
K——围护结构的传热系数,W/·℃;
F——围护结构的面积,;
——围护结构的温差修正系数;
——冬季室内计算温度,℃;
——供暖室外计算温度,℃;
围护结构的传热系数
屋面:加气混凝土保温屋面,II型,k=m2·k
外墙:砖+泡沫混凝土+木丝板+白灰粉刷,II型墙,k=m2·k
外窗:采用塑钢窗,中空玻璃,k=m2·k
门:根据用途不同查有关资料确定传热系数值;
内墙:采用200厚KP1型空心砖,k=m2·k,两侧各抹20厚水泥砂浆;
楼板:120厚钢筋混凝土楼板,40厚水泥珍珠岩砂浆垫层,k=m2·k
楼梯间:为不使用空调区域,内抹30厚保温砂浆;
地面:采用地带划分方法
表3-1地面划分地带传热系数
地带
K0W/·℃
第一地带
第二地带
第三地带
第四地带
室内计算温度及温差修正系数
室内计算温度
民用建筑的主要房间,室内计算温度宜采用16~24℃,当工艺或使用条件有特殊要求时,各类建筑物的室内温度可按国家现行有关专业标准、规范执行;
辅助建筑物及辅助用室,不应低于下列数值:
1、浴室24℃;
2、更衣室24℃;
3、办公室休息室18℃;
4、食堂18℃;
5、走廊及门厅16℃;
6、盥洗室及厕所16℃;
温差修正系数:
当围护结构外侧直接对大气时,=1;但是,在计算围护结构时,还常遇到围护结构外侧不直接与室外空气接触,它的外侧是不供暖的房间或空间如顶棚或地下室等,而这些房间或空间通常是有与外侧相通的门或窗;为了便于计算,规定仍利用温差tn-tw′计算耗热量,而用系数进行修正;温差修正系数是根据经验确定的,可查表3-2;
还有一种情况,有时采暖房间围护结构的另一侧也是采暖房间,但两侧室温不同,与相邻的房间温差大于或等于5℃时,应该算通过隔墙或楼板等的传热量;与相邻房间的温差小于5℃时,且通过隔墙和楼板的等的传热量大于该房间的10%时,也应计算传热量;
表3-2围护结构的温差正系数
序号
围护结构特征
1
外墙、屋顶、地面以及与室外相通的楼板等
2
闷顶和与室外空气相通的非采暖地下室上面的楼板等
3
与有外门窗的不采暖楼梯间相邻的隔墙1~6层建筑
4
与有外门窗的不采暖楼梯间相邻的隔墙7~30层建筑
5
非采暖地下室上面的楼板,外墙上有窗时
6
非采暖地下室上面的楼板,外墙上无窗且位于室外地坪以上时
7
非采暖地下室上面的楼板,外墙上无窗且位于室外地坪以下时
8
与有外门窗的非采暖房间相邻的隔墙、防震缝墙
9
与无外门窗的非采暖房间相邻的隔墙
10
伸缩缝墙、沉降缝墙
基本耗热量的计算举例
首先将房间编号,编号应简单明了且有层次,编号详见平面图;
以101房间为例;
已知的围护结构条件:
1、房间高,长12m,宽,含一扇外通窗和一面外墙,无外门
2、采暖室外计算温度:=℃,该房间为化学实验室,室内计算温度为18℃;
3、外窗传热系数为=m2.℃,外墙传热系数为=m2.℃,地面传热系数按照地带划分为1、2、3、4四个地带,传热系数分别为m2.℃m2.℃m2.℃m2.℃
代入公式3-2得:
围护结构的附加耗热量
围护结构的附加修正耗热量
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而对外围护结构传热损失的修正;
1、不同朝向的围护结构所得的太阳辐射热是不同的,如为连续采暖时,朝向修正率应按规定的数值选用;
2、需要减少或附加的耗热量等于垂直的外围结构门、窗、外墙及屋顶的垂直部分基本耗热量乘以相应的朝向修正率;
3、建筑物被遮挡时不进行朝向修正,此要了解所设计建筑物的周边环境;本设计建筑物不被遮挡;
4、一般情况下,课程设计提供的建筑图上都有指南针,在进行朝向修正时要按建筑物的方位进行设计,如图中无指南针,仍按上北下南来考虑;
朝向修正耗热量的修正率为:
东:-5%;
西:-5%;
南:-20%;
北:5%;
风力附加耗热量
风力附加是考虑室外风速变化而对外围结构传热耗热量的修正;设计规范规定:在一般情况下,不必考虑风力附加,只对建筑在不避风的高地、河边、海岸、旷野上的建筑物,以及城镇、厂区内特别高出的建筑物,垂直的外围护结构附加5%~10%;
风力附加率,是指在采暖耗热量计算中,基于较大的室外风速会引起围护结构外表面换热系数增大即大于23w/㎡.℃而增加的附加系数;由于我国大部份地区冬季平均风速不大,一般为2~3m/s,仅个别地区大于5m/s,影响不大,为简化计算起见,一般建筑物不必考虑风力附加,仅对建筑在不避风的高地、河边、海岸、旷野上的建筑物,以及城镇、厂区内特别高出的建筑物的风力附加系数做了规定;
本次设计不做附加计算;
高度附加耗热量
民用建筑和工业企业辅助建筑楼梯间除外的高度附加率,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%;
高度附加率,是基于房间高度大于4m时,由于竖向温度梯度的影响导致上
部空间及围护结构的耗热量增大而加的附加系数;由于围护结构耗热作用等影响,%的限制;
对于多层建筑物楼梯间的耗热量计算不考虑高度附加,因为楼梯间的空气和各楼层相通,只是在布置散热器时,尽量放在底层;这就已考虑竖向温度梯度了;
本次设计办公楼层高最高,无高度附加;
注意:高度附加率,应附加于围护结构的基本耗热量和其他附加耗热量上;
冷风渗透耗热量
由于本设计选取缝隙长度不便,所以按照换气次数法计算,公式如下:
W3-3
式中:
——房间内部体积,;
——房间的换气次数,次/h;
——采暖室外计算温度下的空气密度kg/m3;本设计取m3
Vn——采暖房间的体积m3;
tn——采暖室内计算温度℃;
tw——采暖室外计算温度℃;
可以按表3-3选取:
本次设计外墙有一面外窗和两面外窗的,取,外墙含两面以上外窗的,取1;
表3-3概算换气次数
房间外墙暴露情况
一面有外窗或外门
1/4—2/3
两面有外窗或外门
1/2—1
三面有外窗或外门
1—
门厅
2
冷风侵入耗热量
在冬季受风压和热压作用下,冷空气由开启的外门侵入室内;把这部分冷空气加热到室内温度所消耗的热量称为冷风侵入耗热量;
冷风侵入耗热量较大,占热负荷比例不容忽视;
例如:设楼层数n=5,
一道门的附加65%n为:65%5=
两道门的附加80%n为:80%5=
按照下列公式计算:
3-4
式中:——外门的基本耗热量,W;