热学应用教学课程设计书.docx
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热学应用教学课程设计书
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1设计原始资料
1.1设计题目阜新市某办公楼采暖设计
本工程为阜新市一栋三层的办公楼，其中有办公室、休息室、展示厅、会议室等功能用途的房间。
一层高为4.2米，二、三层层高为3.6米，本工程以市政管网提供的80℃/60℃低温热水作为采暖热媒，为本办公楼设计供暖系统。
1.2设计依据
1.2.1任务书<<采暖与空调系统设计任务书>>
1.2.2规范及标准
（1）采暖通风与空气调节设计规范（GB50019-2003）；
（2）建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范（GB5024-2002）；
（3）通风与空调工程施工质量验收规范（GB50243-2002）；
（4）现行其他有关国家规范；
（5）黑龙江省公共建筑节能设计标准。
1.3设计参数
根据建筑物所在城市哈尔滨市，查《实用供热空调设计手册》，以下简称《供热手册》及《供热工程》。
1.3.1室内外设计参数
室外设计参数：
冬季采暖室外计算温度：
-24.1℃
冬季采暖室外平均风速：
3.2m/s
最大冻土深度：
196cm
室内设计参数
冬季采暖室内设计温度：
办公室、会议室、标准客房、休息室、恒温室：
18℃
走廊、楼梯间、卫生间、展示厅、储藏室：
16℃
1.3.2.土建资料
本工程为一栋三层的办公楼，一层高为4.2米，二、三层层高为3.6米；
外墙：
一砖半厚，外表面为水泥砂浆抹面导热系数λ=0.93W/（m2*℃）。
内表面为水泥砂浆抹面导热系数λ=0.87W/（m2*℃）。
外墙保温，水泥砂浆珍珠岩的导热系数为λ=0.26W/（m2*℃）
内墙：
选用24墙（双面抹灰），K=1.72W/（m2*℃）。
外窗：
单层玻璃塑料钢窗，K=1.7W/（m2*℃）。
外门：
单层旋转玻璃门，K=1.7W/（m2*℃）。
屋面：
选用厚200mm沥青膨胀珍珠岩，K=0.35W/（m2*℃）。
地面：
不保温地面。
K值按地带划分计算，分为周边与非周边。
哈尔滨市地方节能标准中，周边地面当量传热系数为0.13W/（m2*℃）；非周边地面当量传热系数为0.07W/（m2*℃）。
2热负荷计算
2.1围护结构的耗热量
2.1.1围护结构耗热量包含的内容
围护结构耗热量包含内容：
（1）围护结构温差传热量；
（2）缝隙渗入冷空气的耗热量；
（3）门窗开启侵入；
上述代数和，分为基本耗热量和附加耗热量。
计算公式如下：
（2-1）
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。
2.1.2围护结构的基本耗热量
围护结构的基本耗热量按（2-2）式计算
（2-2）
式中：
——j部分围护结构的基本耗热量，W；
——j部分围护结构的基本传热面积，
；
——j部分围护结构的基本传热系数，
；
——冬季室内计算温度，
；
——冬季室外计算温度，
；
——围护结构的温差修正系数，无量纲,见表2-1；
表2.1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
1.00
2
闷顶和与室外空气相通的非采暖地下室上面的楼板等
0.90
3
与有外门窗的不采暖楼梯间相邻的隔墙（1~6层建筑）
0.60
4
与有外门窗的不采暖楼梯间相邻的隔墙（7~30层建筑）
0.50
5
非采暖地下室上面的楼板，外墙上有窗时
0.75
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
0.60
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
0.40
8
与有外门窗的非采暖房间相邻的隔墙、防震缝墙
0.70
9
与无外门窗的非采暖房间相邻的隔墙
0.40
10
伸缩缝墙、沉降缝墙
0.30
11
抗震缝墙
0.70
F的确定：
（1）外墙高度，本层地面到上层地面（中间层）（底层，由地面下表面到上层地面；顶层，平屋顶到屋顶外表面）。
斜屋面：
到门顶的保温层表面。
长：
外表面到外表面，外表面到中心线，中心线到中心线。
（2）门、窗按净空尺寸。
（3）地面、屋顶面积，地面和门顶按内廓尺寸，平屋顶，按外廓。
2.1.3围护结构的附加耗热量
（1）朝向修正耗热量
产生原因：
太阳辐射对建筑物得失热量的影响,《规范》规定对不同朝向的垂直围护结构进行修正.
修正方法：
朝向修正耗热量的修正率可根据不同地区进行选取，哈尔滨市的朝向修正率为：
东：
-5％；
西：
-5％；
南：
-15％；
北：
5％；
将垂直外围护结构（门、窗、外墙及屋顶的垂直部分）的基本耗热量乘以朝向修正率，得到该维护结构的朝向修正耗热量：
；之后把
加减到基本耗热量上。
（2）外门附加
产生原因：
冬季，在风压和热压的作用下，大量从室外或相邻房间通过外门、孔洞侵入室内的冷空气被加热成室温所消耗的热量称为冷风侵入耗热量。
冷风侵入耗热量可采用外门附加的方法计算。
外门附加率的确定方法为：
对短时间开启，无热风幕的外门附加率值如下表：
表2-2外门附加率
值
外门布置状况
附加率
一道门
65%
两道门（有门斗）
80%
三道门
60%
供暖建筑和生产厂房的主要出口
50%
2.1.4门窗缝隙渗入冷空气的耗热量
1、产生原因：
因风压与热质作用室外空气经门窗缝隙进入室内。
2、方法：
《规范》规定，对六层以下的按缝隙法。
（2-3）
式中：
——渗入冷空气耗热量W；
0.28——换算系数，1KJ/h=0.28W；
——门窗缝隙渗入室内的冷空气量m3/（h·m），据冬季室外平均风速；查的为1.72m3/（h·m）
l——门窗可开启部分缝隙长度m；
——室外空气密度kg/m3；银川为1.093g/m3
——空气压质量比热1KJ/（kg·℃）；
——冷风渗适量的朝向修正系数；
高层建筑计算冷风渗透耗热量时，首先要计算门、窗冷风渗透压差综合修正系数m。
计算m值，需要先确定压差比C值。
在本设计中因为楼层较高，负荷面积热指标值偏小，而且本建筑处于严寒A区，冬季温度比较低，所以为了保证热负荷指标符合设计规范要求，对每一层的冷风渗透耗热量都进行计算。
2.2负荷计算
下面以景观办公室和羽毛检验室为例进行热负荷计算：
（见附表2-1）
2.3热指标计算
（1）房间的负荷面积热指标计算公式：
（2-4）式中：
面积热指标；
建筑物面积；
（2）汇总的供暖热负荷及采暖热指标
根据本建筑物的特点知:
建筑面积F=2907.73m2，所以供暖面积热指标，按式（2-4）：
X=80032.13/2907.73=27.52W/m2
3采暖系统的选择与确定
3.1系统形式的选择与确定
可供选择的系统形式
按系统循环动力的不同，可分为重力循环系统和机械循环系统。
其中靠水的密度差进行循环的系统，称重力循环系统。
表3-1供暖系统型式表
序号
形式名称
适用范围
特点
1
单管上供下回式
作用半径不超过50m的多层建筑
升温慢、作用压力小、管径大、系统简单、不消耗电能，水力稳定性好，可缩小锅炉中心与散热器中心距离。
2
双管上供下回式
作用半径不超过50m的三层（≯10m）以下建筑
升温慢、作用压力小、管径大、系统简单、不消耗电能；易产生垂直失调，室温可调节
3
单户式
单户单层建筑
一般锅炉与散热器在同一平面，故散热器安装至少提高到300~400mm高度，尽量缩小配管长度减少阻力
（2）靠机械（水泵）力进行循环的系统，称机械循环系统。
机械循环热水供暖系统常用的几种型式：
表4-2供暖系统型式表
序号
型式名称
适用范围
特点
1
双管上供下回式
室温有调节要求的四层
以下建筑
常用的双管系统做法，排气方便，室温可调节，易产生垂直失调。
2
双管下供下回式
室温有调节要求且顶层不能敷设干管时的四层以下建筑
缓和了上供下回式系统的垂直失调象，安装供回水干管需设置地沟，室内无供水干管，顶层房间美观，排气不便。
3
双管中供式
顶层供水干管无法敷设或边施工边使用的建筑
可解决一般供水干管挡窗问题，解决垂直失调比上供下回有利，对楼层扩建有利，排气不利。
4
双管下供上回式
热媒为高温水，室温有调节要求的四层以下建筑
解决垂直失调有利，排气方便，能适应高温水热媒，可降低散热器表面温度，降低散热器传热系数，浪费散热器。
5
垂直单管顺流式
一般多层建筑
常用的一般单管系统做法，水力稳定性好，排气方便，安装构造简单。
6
垂直单管双线式
顶层无法敷设供水干管的多层建筑
当热媒为高温水时可降低散热器表面温度，
排气阀的安装必须正确。
7
垂直单管下供上回式
热媒为高温水的多层建筑
降低散热器的表面温度，降低散热器传热量、浪费散热器。
8
垂直单管上供中回式
不易设置地沟的多层建筑
节约地沟造价，系统泄水不方便，影响室内底层房屋美观，排气不便。
9
垂直单管三通阀跨越式
多层建筑和高层建筑
可解决建筑层数过多垂直失调的问题
10
单双管式
八层建筑以上
避免垂直失调现象产生，可解决散热器立管管径过大的问题，克服单管系统不能调节的问题。
11
水平单管串联式
单层建筑或不能敷设立管的多层建筑
常用的水平串联系统，经济、美观、安装简便，散热器接口处易漏水，排气不便。
12
水平单管跨越式
单层建筑串联散热器组数过多时
入口设换热装置造价高
13
分层式
高温水热源
入口设换热装置造价高
14
双水箱分层式
低温水热源
管理较复杂
采用开式水箱，空气进入系统，易腐蚀管道
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上供下回异程式散热片安装形式为同侧的上供下回。
设计供回水温度为80/60℃。
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。
回水干管的坡度不应小于0.003，坡度应与水流方向相同。
4散热器的选型
考虑到散热器耐用性和经济性，本工程选用铜铝复合式散热器。
结合室内负荷，选择TLZY8-6/8-1.0型散热器。
结合室内负荷，散热片主要参数如下，散热面积0.65m2，中心距为800mm，安装高度为845mm，工作压力1MPa。
多数散热器安装在窗台下的墙龛内，距窗台底20mm。
4.1散热器的计算
本设计采用铜铝复合式TLZY8-6/8-1.0型散热器。
（1）散热器散热面积的计算
散热面积的计算可按《供热手册》的计算公式进行计算。
散热器内热媒平均温度t的确定。
本设计在计算时，不考虑管道散热引起的温降。
对于双管热水供暖系统，为系统计算供、回水温度之和的一半，而且对所有散热器都相同。
（2）散热器片数的计算
散热器片数的计算可按下列步骤进行：
1）利用散热器散热面积公式求出房间内所需总散热面积（由于每组片未定，故先按1计算）；
2）得出所需散热器总片数或总长度H；
3）确定房间内散热器的组数m；
4）将总片数n分成m组，得出每组片数n`，若均分则n`=n／m（片／组）；
5）对每组片数n`进行片数修正，乘以b，即得到修正后的每组散热器片数，可根据下述原则进行取舍；
6）对柱型及长翼型散热器，散热面积的减少不得超过0.1
；
7）对圆翼型散热器散热面积的减少不得超过计算面积的10％。
4.1.1散热器数量的计算
确定了供暖设计热负荷、供暖系统的形式和散热器的类型后，就可进行散热器的计算，确定供暖房间所需散热器的面积和片数。
4.1.2散热器的散热面积
供暖房间的散热器向房间供应热量以补偿房间的热损失，根据热平衡原理，散热器的散热量应等于房间的供暖设计热负荷。
散热器散热面积的计算公式为：
式中：
——散热器的散热面积（m²）；
——散热器的散热量（W）；
——散热器的传热系数[W/（m²·℃）]；
——散热器内热媒平均温度（℃）；
——供暖室内计算温度（℃）；
——散热器组装长度修正系数；
——散热器连接形式修正系数；
——散热器安装形式修正系数；
本设计中，取值如下：
表4-1修正系数取值
0.95
1
0.95
4.1.3散热器的传热系数K
（1）散热器的传热系数
表示当散热器内热媒平均温度tpj与室内空气温度tn的差为1℃时，每平方米散热面积单位时间放出的热量，单位为W/（m²·℃）。
选用散热器时希望散热器的传热系数越大越好。
通过实验方法可得到散热器传热系数公式为
式中：
——在实验条件下，散热器的传热系数，
；
——由实验确定的系数，取决于散热器的类型和安装方式；
从上式可以看出散热器内热媒平均温度与室内空气温差
越大，散热器的传热系数K值就越大，传热量就越多。
（2）散热器内热媒平均温度
散热器内热媒平均温度
应根据热媒种类（热水或蒸汽）和系统形式确定。
1）热水供暖系统
式中：
——散热器内热媒平均温度（℃）；
——散热器的进水温度（℃）；
——散热器的出水温度（℃）；
对于单管热水供暖系统，各组散热器是串联关系，所以各组散热器的进出口水温不同，应用以下公式计算：
式中：
——散热器内热媒平均温度（℃）；
——散热器的进水温度（℃）；
——散热器的出水温度（℃）；
——散热器热负荷（W）；
——散热器的进流系数；
——水的比热；
——立管流量，Kg/s；
散热器的进出口水温与选择计算见附表（4-1和4-2）（以4号和8号立管为例）。
5管道的布置
5.1干管的布置
供回水干管设置在管道井中，每个用户都从干管上接出一个支管，而形成各自的独立环路以便于分户计量。
5.2支管的布置
本设计入户的支管均设置在户内垫层内，垫层的厚度不应小于50mm,本系统散热器支管的布置形式有供、回水支管同侧连接和供、回水支管异侧连接两种形式，且支管均保证为0.01的坡度，以便于排出散热器内积存的空气，便于散热。
5.3管道支架的安装
管道支架的安装，应符合下列的规定：
（1）位置应准确，埋设应平整牢固；
（2）与管道接触应紧密，固定应牢靠，对活动支架应采用U形卡环。
支架的数量和位置可根据设计要求确定，若设计上无具体要求时，可按下表的规定执行：
表5-1支架间距的选择
公称直径mm
15
20
25
32
40
50
70
支架的最大间距
保温管
1.5
2
2
2.5
3
3
4
不保温管
2.5
3
3.5
4
4.5
5
6
6管道的水力计算
6.1绘制系统图
根据暖气片组装片数的最大值将其分为几组后，确定总的立管数，绘制系
统图，标明各段干管的负荷数，以及每组暖气片的片数和负荷数，并对各个管
段进行标注（见系统图）。
6.2供暖系统水力计算的任务
在满足热负荷所要求的热媒流量条件下，确定系统的管段管径，以及系统的压力损失。
水利计算应具备的条件是，必须首先确定供暖系统的设备及管道布置，已知系统各管段的热负荷及管段的长度。
（1）按已知系统各管段的流量和系统的循环作用压力（压头）。
确定各管段的管径；
（2）按已知系统各管段的流量和各管段的管径，确定系统所必需的循环作用压力（压头）；
（3）按已知系统各管段的管径和该管段的允许压降，确定通过该管段的水流量。
室内热水供暖管路系统是由许多串联或并联管段组成的管路系统。
管路的水力计算从系统的最不利环路开始，也即从允许的比摩阻最小的一个环路开始计算。
由n个串联管段组成的最不利环路，它的总压力损失为n个串联管段压力损失的总和。
热水供暖系统的循环作用压力的大小，取决于机械循环提供的作用压力，水在散热器内冷却所产生的作用压力和水在循环环路中困管路散热产生的附加作用压力。
进行水力计算时，可以预先求出最不利循环环路或分支环路的平均比摩阻Rpj，即
（7-1）
式中:
ΔP——最不利循环环路或分支环路的循环作用压力，Pa；
∑L——最不利循环环路或分支环路的管路总长度，m；
a——沿程损失约占总压力损失的估计百分数。
根据式中算出的及环路中各管段的流量．利用水力计算图表，可选出最接近的管径．并求出最不利循环环路或分支环路中各管段的实际压力损失和整个环路的总压力损失值。
当系统的最不利循环环路的水力计算完成后，即可进行其它分支循环环路的水力计算。
《暖通规范》规定，热水供暖系统最不利循环环路与各并联环路之间（不包括共同管段）的计算压力损失相对差额，不应大于±15％。
在实际设计过程中，为了平衡各并联环路的压力损失，往往需要提高近循环环路分支管段的比摩阻和流速。
但流速过大会使管道产生噪声。
目前，《暖通规范》，规定，最大允许的水流速不应大于下列数值：
民用建筑1.2m/s
生产厂房的辅助建筑物2m/s，
整个热水供暖系统总的计算压力损失，宜增加10％附加值，以此确定系绕必需的循环作用压力。
6.3确定最不利环路并进行水力计算
本设计的计算过程为异程式单管热水供暖系统管路的水力计算过程，最不利环路为最远的环路，每根立管均与最不利环路所在的立管并联；每根立管流量上相同，立管与立管之间流量不同；对于同一立管上各个散热器进出口水温不同，因此必须单独计算每层散热器的及出口水温。
对于每根立管计算步骤如下：
（1）首先在系统图上，对各管段进行编号，并注明管段长度和热负荷。
（2）对于每根立管上的散热器，其进出口水温不同因此用不等温降法计算进出口温差，公式为：
（3）根据上式计算出的进出口水温即可得出每个散热器的热媒平均温度，这样便可得到每个散热器的散热量，公式为：
（4）通过上面计算出的散热量便可确定每个房间的散热器片数与组数，并得到每根立管的流量，计算公式为：
（5）合理确定管径，并根据各管段的流量和确定的流速，确定各管段的断面尺寸。
计算最不利环路的阻力，并依次确定各立管的阻力，使其与最不利环路提供的资用压力相平衡，使其不平衡率在
15%以内，以确定立管各管段的管径。
最不利环路水力计算和第五号立管水力计算见附表6-1和6-2。
6.4水力计算中应注意的问题
（l）采暖系统水力计算必须遵守流体连续性定律，即对于管道节点（如三通、四通等处）热媒流入流量之和等于流出流量之和。
热媒的流速是影响系统的经济合理程度的因素之一。
为了满足热媒流量要求，对于机械循环热水采暖系统，增大热水流速虽然可以缩小管径，节省管材，但流速过大，压力损失增加，会多消耗电能，甚至可能在管道配件（如三通、四通等）处产生抽力作用，破坏系统内热水正常流动，使管道发生振动．产生噪音。
因此，《采暖规范》中规定：
采暖管道中的热媒流速，应根据热水或蒸汽的资用压力、系统形式、防噪声要求等因素确定。
（2）采暖系统水算必须遵守并联环路压力损失平衡定律。
系统在运行中，构成并联环路的各分支环路的压力损失总是相等的，并且等于其分流点与合流点之间的压力总损失。
在设计时只能尽量的选择在保证热媒设计流量的同时使各个并联环路的压力损失接近于平衡的管径。
只要保证并联环路各分支环路之间的计算压力损失差值在允许范围之内，则流量的变化是不大的。
热水采暖系统的并联环路各分支环路之间的计算压力损失允许差值查表。
在进行系统水力计算时，系统并联环路各分支环路之间的计算压力损失差值如果超过了允许差值，就必须调整一部分管道的管径，使之满足要求。
并联环路备分支环路之间的压力损失允许差值查手册。
表6-1并联环路各分支环路之间的压力损失允许差值
系统形式
允许差值（%）
系统形式
允许差值（%）
双管同程式
双管异程式
15
25
单管同程式
单管异程式
10
15
（3）热水采暖系统最不利环路的单位长度沿程压力损失，除很小的系统外，一般以不超过60～120Pa／m为宜。
（4）由于计算、施工误差和管道结垢等因素的存在，采暖系统的计算压力损失宜采用10％的附加值。
（5）供水干管末端和回水干管始端的管径不宜小于DN20，以利于排除空气，并小数显著的影响热水流量。
（6）采暖系统各并联环路，应设置关闭和调节装置。
主要是为了系统的调节和检修创造必要的条件。
7辅助设备的选择
7.1水泵选型
供回水温差按20℃计算，热水流量约为3809.072kg/h，取1.1安全系数，热水泵流量选择4189.9792kg/h。
扬程按下式计算：
（7-1）
式中：
――水系统总的沿程阻力和局部阻力损失，Pa；
――设备阻力损失，Pa；
本工程选择的半集热式盘管换热器压阻损失为20kPa，则Hp=9530.6+20000＝29530.6Pa。
取1.1安全系数后，水泵扬程选32483.7Pa，即3.18mH2O。
选择“格兰富”立式管道泵，性能参数见厂家提供的选型计算书。
水泵选择一用一备的方式安装。
7.2补偿器的选择
为了防止供热管道升温时，由于热伸长或温度应力热引起管道变形或破坏，需要在管道上设置补偿器，以补偿管道的热伸长，从而减小管壁的应力和作用在阀件或支架结构上的作用力。
（1）供热管道上采用补偿器的种类很多，主要有管道的自然补偿、方形补偿器、波纹管补偿器、套筒补偿器和球型补偿器等。
前三种是利用补偿器的材料的变形来吸收热伸长；后两种是利用管道的位移来吸收热伸长。
（2）在考虑热补偿时，应充分利用管道的自然弯曲来吸收热力管道的温度变形。
（3）当地方狭小，方形补偿器无法安装时，可采用套管补偿器和波纹管补偿器。
但套管补偿器易漏水漏汽，亦安装在地沟内，不宜安装在建筑物上部。
波纹管补偿器材质为不锈钢制作，补偿能力大又耐腐蚀，但造价较高，可视具体工程情况选用。
在本设计中补偿采用管道的自然补偿弯管补偿。
自然补偿是一种最简便、最经济的补偿方式，应充分加以利用。
在本建筑两侧拐弯的地方比较多，应充分利用作为自然补偿，但是采用自然补偿器吸收热伸长时，其各臂的长度不宜采用过大的数值，其自由臂不宜大于30m。
在本建筑北面供回水干管上设置弯管补偿，位置在中间旋转楼梯中间处，并在10号与11号、14号与15号立管之间设置固定支架。
在本设计中同时采用了波纹补偿器。
波纹补偿器是多层或单层薄壁金属管制成的具有轴向波纹的管状补偿设备。
工作时，它利用波纹变形进行管道热补偿，供暖管道上使用的波纹管，多用不锈钢制造。
常用的轴向波纹补偿器通常都作为标准的管配件，用法兰或焊接的形式与管道连接。
本设计中用法兰连接。
补偿器的选择按照管路的伸长量来确定，管道受热的自由伸长量可按下式计算：
（7-2）
式中：
——管道的伸长量，m；
——管道的线膨胀系数，一般取0.012，[mm/（m·℃）]；
——管壁最高温度，可取热媒的最高温度，（℃）；
——管道安装时的温度，在温度不能确定时，可取最冷月平均温度（℃）；
L——计算管段的长度，（m）；
参考文献
[1]《采暖通风与空气调节设计规范》（GBJ19－87）北京：
中国计划出版社.2001
[2]贺平，孙刚.《供热工程》.北京：
中国建筑工业出
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