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1、1. 绪论1.1 国内外采暖技术的研究现状近些年，我国的采暖方式打破了散热器采暖一统天下的传统局面，从热源种类到室内系统型式及设备，已出现了多元化并存和发展的市场趋势。随着我国科技进步，我国的采暖事业有了一个大的发展。目前，多种燃料的热可供选用，已有多种采暖方式可满足不同类型建筑和地区的需要。室内系统的形式也随着设备的发展和人们的要求而不同。1.1.1能源的丰富构成了多种的采暖热源燃煤锅炉房热源：这类热源由于历史的原因和我国能源资源的构成，使得我国采暖的热源主要以燃煤锅炉房为主。据资料表明，我国的能源资源煤占70%，而煤作为采暖燃料是最好的利用途径。热电厂热源：热电联产具有提高能源利用率，改善
2、供热质量等特点，是目前提倡的一种采暖热源。一些有热电厂的城市均建设了城市供热管网，得到了较好的效益，并逐渐在发展。燃气为热源：燃气包括：天然气、液化石油气、煤气等。近些年，一些天然气田的发现，以及有的煤田直接生产煤气等。在采暖地区利用燃气生产热源来采暖越来越普通，甚至一些城市还推出了优惠政策鼓励用燃气采暖。电力为热源：我国近几年电力的发展，为直接采用电能采暖提供了先决条件。电暖气、电热膜、电缆线、电热板的采暖方式应运而生。利用热泵的热源：利用耗电的热泵将空气的热量转化为高温可采暖的热量，称为空气热泵采暖；将地下水的热量用热泵转化为可采暖的温度称为水源热泵。目前已在有的地区的建筑物中使用。地热水
3、为热源：地热水为热源的采暖基本上是室内采用散热器采暖或地面辐射采暖的供热方式，我国有多个地区具有地热资源，有的温度高达90，甚至可直接用于供热，但是由于地热水含有腐蚀性物质，需要处理才能使用。目前，由于技术及投资等原因，以太阳能、低温核能供热并没有推广使用，还处于深入研究试用阶段。1.1.2多种的室内采暖方式供选择目前，建筑物的采暖有着多种采暖方式可选择。按室内采用的散热设备不同，存在以下几种：（1）散热器采暖：室内的散热设备采用散热器，由于散热器的散热大部分以对流方式散入室内，因此也将散热器采暖视为对流型采暖。目前大量的建筑物使用该采暖方式。（2）低温热水地面辐射采暖：由于化学管材的发展，该
4、采暖方式近几年发展较快，已由开始用于公共民用建筑，到现在较多的被住宅采用，并有逐渐扩大的势头。（3）电热膜辐射采暖：采用电热板、电热膜、电缆线的电采暖方式发展较快。尤其是各地的电力部分为售电，对该采暖方式制定了一些用电的优惠政策，而开发商也考虑到物业管理和收费方面原因愿意采用该项采暖技术。（4）单户采暖装置：通常指家庭的壁挂式燃气炉等等。该种采暖方式曾一度在有些城市有着较热的推广。（5）热风采暖装置：每一住户有一热风炉，并将热风用管道送于户内各房间，目前已有使用。这些采暖热源的种类和采暖方式在各地区的使用情况不同。各种供热方式都有各自的特点，但又都不同程度的存在某些不足。因此，不同功能的建筑物
5、和地区可根据具体情况来选择。1.1.3散热器采暖散热器采暖使用历史长，广泛的用于各类建筑物的采暖。尤其是近些年散热器产品的发展，改变了以前产品种类少，型式陈旧的落后局面，基本上满足了不同建筑物的采暖要求。散热器采暖包括：双立管水平串联式散热器采暖、传统单管顺流式散热器采暖。双立管水平串联式散热器采暖。其优点是在热用户入口处安装锁闭阀和热计量表，可以实现分户控制和分户计量；在热用户内安装集水器并加阀门来控制不同房间的温度，实现分室控温；管路简便，施工无立管穿越楼板，本层敷设水平支管时，可埋设在沿墙50mm 深的沟槽中，室内没有明管比较美观；水平支管及跨越管的管材可以选用耐设计温度，寿命较长的交联
6、聚乙烯管，这也符合国家“以塑代钢”节约钢材的政策。缺点是水平方向串联过多散热器时，系统运行易出现水平失调，造成前端过热而末端过冷现象。建筑物下层散热器的设计片数较单管顺流式系统少，系统的散热器初投资比垂直式系统低，但由于每户都增设了锁闭阀、热计量表和散热器温控阀，因而系统的总造价比单管顺流式系统要高。虽然系统总造价稍高一些，但系统本身的优点以及国家政策的导向，使该系统迅速成为目前国内最常用的系统之一，特别是在居住建筑、各层有不同使用功能或不同温度要求的建筑物中得到广泛的应用。传统单管顺流式散热器采暖。单管顺流式系统的特点是立管中全部的水量顺次流入各层散热器。其优点：施工方便、造价低，所以仍被有
7、限地应用于办公建筑、学校、医院、公共建筑、工业企业建筑及公有住宅的采暖中。缺点是不能进行局部调节和分户控制、分户计量，并且易造成供暖系统的垂直失调，出现局部区域过热或过冷的冷热不均现象。如果在系统设计时充分考虑引起垂直失调诸因素的影响，并采取适当技术措施，比如在计算热负荷时扣除管道散热量、适当减少上层散热面积、相对增加底层散热面积、在顶层局部加装跨越管等，单管顺流式供暖系统垂直失调现象是可以避免的。该系统曾是国内一般建筑应用最广泛的采暖型式之一，目前由于国家供暖行业和用户对供暖系统提出了更高的要求，如分户控制、分户计量和分室控温，这样就使得单管顺流式供暖系统在居民住宅建筑中的应用受到很大影响。
8、1.1.4低温热水地面辐射采暖低温热水地面辐射采暖以低温热水作为热源、以地板为发热体、以辐射传热为主，对流换热为辅，是一种对房间热微气候进行调节的节能采暖系统。散热均匀使人热感觉舒适，而且具有管理方便、不占用使用面积、卫生条件好、无噪声、节能、维修量小等优点，缺点是要占用50 70mm 的建筑物高度，不仅造成楼板或地面每平方米要至少增加20Kg 的静荷载，而且土建初投资也有所增加；由于盘管是埋在结构层里，所以系统维修很难。近几年，我国很多地区已广泛采用这种采暖方式，特别是各种新型保温材料和塑料管材的出现，管材价格的下降，都加速了低温热水地面辐射采暖在我国的发展。该系统特别适用于大开间、矮式窗、
9、热媒温度低、装修要求高的建筑物，因系统可以进行局部调节和分户控制、分户计量的功能，如今在住宅中也得到广泛的应用，已成为目前我国常用的供暖型式之一。1.1.5电热膜辐射采暖低温辐射电热膜供暖系统，是以电力为热源、以电热膜为发热体、大部分热量以辐射方式送入房间。电热膜一般安装在天棚内，对房间辐射采暖，工作时表面温度在4060之间。该供暖方式无室外热源和热网，室内部分一次性投资高于室内热水供暖系统投资。其运行费用比同等条件下热水供暖系统高。该方式主要优点是无污染，维修量小，室内美观、空间利用率高。用户可随意调节室温，方便、灵活，室内环境舒适。用户行为节能可较大幅度降低供暖运行费用。1.1.6燃气、燃
10、油单户用采暖炉单体的户用采暖炉仅是一家一户具有了独立的热源，一般仍需配散热器作为室内的采暖设备。虽然室内安装散热器后仍有一些不足之处，但相对于锅炉房或热力站的建筑物系统却减少很多弊端。用户可根据需要进行调节，无需受严格的采暖季节的起止日期的限制，并可按用户认为舒适的程度运行。运行费用完全由用户掌握，能达到保证供热质量，作到分户计量收费的目的。但是该种采暖同样是采用高价位的燃料，运行费用高，并且存在一定的安全隐患。由于单体炉将户内燃烧后的有害物排至建筑物的住户外，使得建筑物周围的有害气体量超标。燃料保存和使用中对室内空气造成污染。该种采暖方式不适合于公寓式的居住建筑，对于别墅建筑具有优势。1.1
11、.7热泵采暖目前正在研究使用，具有很好的发展前景。该方式具有运行费用低，环境无污染的特点，但初投资较大；地下热水采暖同样具有运行费用低，环境无污染的特点，并且初投资较少。这几种采暖方式在目前用于民用建筑较多。而对工业建筑使用较多的燃气辐射采暖，热风采暖。目前也有用于民用建筑的工程中。有较好的效果。但是该种采暖方式不会在住宅建筑中有较多的使用。常用采暖方式的经济比较不同的采暖方式经济性比较应从两个方面考虑，一是建设的初投资，另一个是系统的运行费用。初投资应包括：系统造价和设施的配套费等。运行费应包括：燃料费用、运行水电费、设备折旧费、维修费用和管理费用等。1.2 本课题的研究内容及意义由于本设计
12、是对某住宅楼进行采暖设计，总建筑面积为2799.24,总层数6层,建筑高度为17.4m,工程热指标为55.78w/.根据住宅楼的情况和成本问题，这里采用了传统的散热器采暖的形式。本次课题是对某住宅楼进行采暖设计。通过设计，了解采暖系统设计的基本过程，熟悉绘制图纸的基本方法，提高工程技术素养和实际动手能力，并结合毕业实习培养独立获取本专业和邻近专业知识的能力；同时进一步巩固和加深对所学专业知识和专业技能的理解，并使之系统化和综合化，内化为自己的实际能力，了解本专业主要业务活动类型和从事该类活动需要的专业技能。2. 供暖系统设计热负荷人们进行生产和生活时要求保持一定的室内温度。一个建筑物或房间可有
13、各种得热和散失热量的途径。当建筑物或房间的失热量大于得热量时，为了保持室内在要求温度下的热平衡，需要由供暖通风系统补进热量，以保持室内要求的温度。供暖系统通常利用散热器向房间散热，通风系统送入高于室内要求温度的空气，一方面向房间不断地补充新鲜空气，另一方面也为房间提供热量。供暖系统的设计热负荷是指在供暖室外计算温度下，为保证所要求的室内计算温度，供暖系统在单位时间内向房间供应的热量。供暖系统设计热负荷是系统散热设备计算、管道水力计算和系统主要设备选择计算的最基本依据，它直接影响着供暖系统方案的选择，进而影响系统工程造价、运行管理费用以及使用效果。供暖系统设计热负荷应根据房间得、失热量的平衡进行
14、计算，即房间设计热负荷=房间总失热量房间总得热量房间失热量包括：1.围护结构传热耗热量；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；3.加热由门、孔洞及相邻房间侵入室内的冷空气的耗热量，称冷风侵入耗热量；4.水分蒸发的耗热量；5.加热由外部运入的冷物料和运输工具的耗热量；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；房间得热量包括：7.生产车间最小负荷班的工艺设备散热量；8.非供暖通风系统的其它管道和热表面的散热量；9.热物料的散热量；10.太阳辐射进入室内的热量；此外，还会有通过其它途径散失或得到的热量。对于民用建筑或产生热量很少的工业建筑，计算供暖系统的设
15、计热负荷时，失热量只考虑围护结构传热耗热量、冷风渗透耗热量和冷风侵入耗热量；得热量只考虑太阳辐射进入室内的热量。其它得失热量不普遍存在，只有当其经常稳定存在时，才将其计入设计热负荷中，否则不予计入。根据本住宅楼具体情况，供暖系统的设计热负荷包括围护结构的传热耗热量和冷风渗透耗热量两部分。其中围护结构的传热耗热量包括围护结构的基本耗热量和围护结构的附加（修正）耗热量2.1 围护结构的基本耗热量在工程设计中，围护结构的基本耗热量是按一维稳定传热过程进行计算的，即假设在计算时间内，室内、外空气温度和其它传热过程参数都不随时间变化。实际上，室内散热设备散热不稳定，室外空气温度随季节和昼夜变化不断波动，
16、这是一个不稳定传热过程。但不稳定传热计算复杂，所以对室内温度容许有一定波动幅度的一般建筑物来说，采用稳定传热计算可以简化计算方法并能基本满足要求。但对于室内温度要求严格，温度波动幅度要求很小的建筑物或房间，就需采用不稳定传热原理进行围护结构耗热量计算。围护结构稳定传热时，基本耗热量可按下式计算 （1）式中 围护结构的传热系数，W/(m2)； 围护结构的面积，m2； 冬季室内计算温度，； 供暖室外计算温度，； 围护结构的温差修正系数。（1）室内计算温度室内计算温度是指距地面2m以内人们活动地区的平均空气温度。室内温度的选定，应满足人们生活和生产工艺的要求。生产要求的室温，一般由工艺设计人员提出。
17、生活用的房间温度，主要取决于人的生理平衡。它和许多因素有关，如与房间的用途、室内的潮湿状况和散热强度、劳动强度以及生活习惯、生活水平等有关。本次设计是对兰州的住宅楼进行采暖设计。查暖通规范民用建筑物的主要房间，冬季温度宜采用1620。本次设计取室内计算温度见下表1。表1 室内设计温度房间名称客厅卧室餐厅厨房卫生间室内计算温度1818181625 （2）供暖室外计算温度目前国内外选定室外计算温度的方法可归纳为两种：一是根据围护结构的热惰性原理，另一种是根据不保证天数的原则来确定。我国现行的暖通规范采用了不保证天数的方法确定北方城市的供暖室外计算温度值。规范规定：供暖室外计算温度，应采用历年平均不
18、保证5天的日平均温度。由晨光空调负荷计算软件查得的兰州市供暖室外计算温度为-11。（3）温差修正系数围护结构温差修正系数的大小，取决于非供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与室外空气流通的情况，不供暖房间或空间的空气温度更接近室外空气温度，则值更接近于1。本次设计住宅楼围护结构温差修正系数取1。（4）围护结构传热系数此住宅楼围护结构由外墙和外窗两部分组成，外墙为300厚多孔砖+35厚挤塑聚乙烯保温板，外窗为单框中空玻璃塑钢窗，查得传热系数分别为0.553 W/(m2)和2.703W/(m2)。（5）围护结构的面积围护结构的面积包括两部分，外墙面积和外窗面积，具体计算见表。2.
19、2 围护结构的附加（修正）耗热量围护结构的基本耗热量，是在稳定条件下，按公式（1）计算得到的。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，包括朝向修正、风力附加和高度附加等。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。风速增大时，围护结构外表面的对流换热量会增强，围护结构的基本耗热量也随之增大，所以，需要对垂直的外围护结构的基本耗热量进行风力修正，修正系数应为正值。计算围护结构基本耗热量时，外表面换热系数是在室外风速为4m/s时得到的，我国冬季各地平均风速
20、一般为23m/s，因此，暖通规范规定：在一般情况下，不必考虑风力附加，只对建筑物在不避风的高地、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，才对其垂直外围护结构基本耗热量附加510。这座住宅楼位于市区，风速不大，所以不计风力附加。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。由于室内空气对流作用的影响，房间上部空气温度高于室内计算温度，使围护结构上部实际传热量大于按室内设计温度计算的传热量，为此需要进行高度附加，附加率应为正值。暖通规范规定：民用建筑和工业企业辅助建筑的高度附加率，房间高度大于4m时，每高出1m附加围护结构基本耗热量和其它修正耗热量总和的2，
21、但总的附加率不应大于15；房间高度小于4m时，不考虑高度附加。朝向修正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。同时受阳面的围护结构较干燥，外表面和附加气温较高，围护结构向外传递热量减少。修正的方法是按围护结构的不同朝向而采用不同的修正率，将垂直外围护结构的基本耗热量乘以朝向修正率，得到该围护结构的朝向修正耗热量。朝向修正系数可按表2查取。表2 朝向修正率朝向北；东北；西北东东南；西南西南修正率1.001.000.500.150.502.3 冷风渗透耗热量在风力和热压共同作用下，室内、外产生了压力差，室外冷空气从门窗缝隙渗入
22、室内，被加热后逸出。使这部分冷空气被加热到室温所消耗的热量称为冷风渗透耗热量。计算冷风渗透耗热量时，应考虑建筑物的高低、内部通道状况、室内外温差、室外风向、风速和门窗种类、构造、朝向等影响，凡暴露于室外的可开启的门窗均应计算这部分耗热量。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。这里采用了缝隙法。缝隙法是计算不同朝向门窗缝隙及每米缝隙渗入的空气量，进而确定其耗热量的一种常用的较精确的方法。从门窗缝隙渗入室内的空气量为 m3/h (2)式中 每米门、窗缝隙渗入室内的空气量，m3/hm； 门，窗缝隙的计算长度，m； 渗透空气量的朝向修正系数。n的值可查下表3：表 3 渗透空气量的
23、朝向修正系数n值朝向北东北东东南南西南西西北n1110.70.50.20.150.5当房间仅有一面或相邻两面外墙时，全部计入其门，窗可开启的部分的缝隙长度；当房间有相对两面的外墙时，仅计入风量较大一面的缝隙；当房间有三面外墙时，仅计入风量较大两面的缝隙。确定门，窗缝隙渗入空气量后，冷风渗透耗热量Q可按下式计算: Q2 = 0.28VCP(tn-tw)式中 Q2 _ 冷风渗透耗热量 （ W ）; CP _ 冷空气的定压比热容 ， CP = 1kJ/(kg); ; V _ 冷空气的渗入量 （ m3/h ）; _ 供暖室外计算温度下的空气密度 （ kg/ m3 ）; 0.28 _ 单位换算系数，1K
24、J/h = 0.28 W 在工程设计中，多层（六层或六层以下）的建筑物计算冷空气的渗入量时主要考虑风压的作用，忽略热压的影响。而超过六层的多层和高层建筑物，则应综合考虑风压和热压的共同影响。2.3.1房间热负荷计算例如：601房间主卧供暖设计热负荷计算查供热工程附录1，冬季室内计算温度tn=18.查附录3兰州供暖室外计算温度twn=-11.1 计算围护结构传热耗热量Q1(1) 南外墙 传热系数K=0.55 W/(m2)，温差修正系数=1，传热面积F=2.82.9 - 1.51.5=5.87。南外墙基本耗热量为 Q1=KF(tn-twn)=10.555.8729=93.63W查表2，兰州南向的朝
25、向修正率取=0.5朝向修正耗热量为Q1=93.630.5=46.82W南外墙实际耗热量为 Q1= Q1+ Q1=93.63+46.82=140.4W（2） 南外窗 传热系数K=3.45 W/(m2)，温差修正系数=1，传热面积F=1.51.5=2.25。南外窗基本耗热量为 Q1=KF(tn-twn)=13.452.2529=225.11W朝向修正耗热量为Q1=225.110.5=112.56W南外窗实际耗热量为 Q1= Q1+ Q1=225.11+112.56=337.7W（3） 西外墙 传热系数K=0.55 W/(m2)，温差修正系数=1，传热面积F=4.82.9 =13.92。西外墙基本耗
26、热量为 Q1=KF(tn-twn)=10.5513.9229=222.02W查表2，兰州西向的朝向修正率取=0.15朝向修正耗热量为Q1=222.020.15=33.3W西外墙实际耗热量为 Q1= Q1+ Q1=222.02+33.3=255.3W（4） 屋面 传热系数K=0.52 W/(m2)，温差修正系数=1，传热面积F=(4.8-0.24)(2.8-0.24) =11.7。屋面的基本耗热量为 Q1=KF(tn-twn)=10.5211.729=176.4W间歇附加耗热量为Q1=176.40.86=151.7W屋面实际耗热量为 Q1= Q1+ Q1=176.4+151.7=327W2. 计算冷风渗透耗热量Q2（缝隙法）