供热工程--第章供暖系统的设计热负荷

本章的主要内容：供暖系统的设计热负荷；围护结构的基本耗热量和附加耗热量的计算；室内计算温度和室外设计温度的确定；围护结构的最小传热阻与经济传热阻的保证。本章的难点和重点：围护结构的基本耗热量和附加耗热量的计算围护结构的最小传热阻的计算和保证。第一章供暖系统的设计热负荷第一节供暖系统设计热负荷供暖系统的热负荷是指某一室外温度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。供暖系统的设计热负荷，是指在设计室外温度tw'下，为达到要求的室内温度tn’,系统在单位时间内向建筑物供给的热量Q＇。它是设计供暖系统的最基本依据。建筑物或房间的得、失热量的确定失热量有：1．围护结构传热耗热量Q1；2．加热出门、窗缝隙渗人室内的冷空气的耗热量Q2，称冷风渗透耗热量，3．加热由门、孔洞及相邻房间侵入的冷空气的耗热量Q3，称冷风侵入耗热量，4．水分蒸发的耗热量Q4；5．加热由外部运入的冷物料和运输工具的耗热量Q5；6．通风耗热量。通风系统将空气从室内排到室外所带走的热量Q6；得热量有：7．生产车间最小负荷班的工艺设备散热量Q7；8．非供暖通风系统的其它管道和热表面的散热量Q8，9．热物料的散热量Q9；10．太阳辐射进入室内的热量Q10；此外，还会有通过其它途径散失或获得的热量Q11。对没有装置机械通风系统的建筑物，供暖系统的设计热负荷可用下式表示：“′”的上标符号均表示在设计工况下的各种参数。'''''''12310shdQQQQQQQ=-=++-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'=Q1.j'+Q1.x'+Q2'+Q3'式中Q1.j'—围护结构的基本耗热量;Q1.x'——围护结构的附加(修正)耗热量。围护结构的基本耗热量——是指在设计条件下，通过房间各部分围护结构（门、窗、墙、屋顶、地板等）从室内传到室外的稳定传热量的总和。围护结构的附加(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、高度附加和朝向附加等耗热量。Q'=Q1.j'+Q1.x'+Q2'+Q3‘式中前两项表示通过围护结构的计算耗热量，后两项表示室内通风换气所耗的热量。对具有供暖及通风系统的建筑(如工业厂房和公共建筑等)、供暖及通风系统的设计热负荷，需要根据生产工艺设备使用或建筑物的使用情况，通过得失热量的热平衡和通风的空气量平衡综合考虑才能确定。这部分内容将在“通风工程”课程中详细阐述。第二节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，这是一个不稳定传热过程。第二节围护结构的基本耗热量对室内温度容许有一定波动幅度的—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，详见《空气调节》工程的书籍。围护结构基本耗热量计算q'＝KF(tn-tw')aW（1-3）式中K:围护结构的传热系数，W／m2℃；F:围护结构的而积，m2；tn:冬季室内计算温度，℃tw':供暖室外计算温度，℃a:围护结构的温差修止系数。一、室内计算温度tn室内计算温度是指距地面2米以内人们活动地区的平均空气温度。·室内空气温度的选定，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。•生活用房间的温度，主要决定于人体的生理热平衡。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。冬季室内温度标准许多国家所规定的冬季室内温度标准，大致在16—22℃范围内。根据国内有关卫生部门的研究结果认为：当人体衣着适宜，保暖量充分且处于安静状况时，室内温度20℃比较舒适。18℃无冷感，15℃是产生明显冷感的温度界限。《采暖通风与空气调节设计规范》(GBJl9-87)规定设计集中供暖时，冬季室内计算温度，应根据建筑物的用途，按下列规定采用：1．民用建筑的主要房间,宜采用16℃~20℃；2．生产厂房的工作地点轻作业（能量消耗在140W的工种，如仪表、机械加工、印刷、针织等）不应低于15℃，中作业（能量消耗在140~220W的工种，如木工、钣金工、焊接等）不应低于12℃,重作业（能量消耗在220~290W的工种，如人力运输、大型包装等）不应低于10℃；3．辅助建筑物及辅助用室的冬季室内计算温度值，见附录1—1。《采暖通风与空气调节设计规范》(GBJl9-87)规定对于高度较高的生产厂房，由于对流作用，上部空气温度必然高于工作地区温度，通过上部围护结构的传热量增加。因此，当层高超过4m的建筑物或房间，冬季室内计算温度tn，应按下列规定采用：(1)计算地面的耗热量时，应采用工作地点的温度，tg(℃)(2)计算屋顶和天窗耗热量时，应采用屋顶下的温度，td(℃)(3)计算门、窗和墙的耗热量时，应采用室内平均温度tp.j=(tg+td)/2(℃)《采暖通风与空气调节设计规范》(GBJl9-87)规定屋顶下的空气温度td受诸多因素影响，难以用理论方法确定。最好是按已有类似厂房进行实测确定；或按经验数值，用温度梯度法确定即td＝tg+(H-2)△t℃式中H—屋顶距地面的高度，m△t—温度梯度，℃／m。对于散热量小于23w／m2的生产厂房，当其温度梯度值不能确定时，可用工作地点温度计算围护结构耗热量，但应按后面讲述的高度附加的方法进行修正，增大计算耗热量。二、供暖室外计算温度tw'供暖室外计算温度的确定，对供暖系统设计有很关键性的影响。如采用过低的tw’值，使供暖系统的造价增加；如采用值过高，则不能保证供暖效果。目前国内外选定供暖室外计算温度的方法，可以归纳为两种：—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。我国供暖室外计算温度值的确定原则《暖通规范》采用了不保证天数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，应采用历年平均不保证5天的日平均温度”。对大多数城市来说，是指1951一1980年共30年的气象统计资料里。不得有多于150天的实际日平均温度低于所选定的室外计算温度值。我国北方一些城市的供暖室外计算温度值，详见《暖通规范》附录。采用不保证天数方法的原则人为允许有几天时间可以低于规定的供暖室外计算温度值，亦即容许这几天室内温度可能稍低于室内计算温度值。不保证天数根据各国规定而有所不同，有规定l天、3天、5天等。三、温差修正系数a值温差修正系数a值：对供暖房间围护结构外侧不是与室外空气直接接触，而中间隔着不供暖房间或空间的场合(如图1—1)，通过该围护结构的传热量的计算采用了围护结构的温差修正系数。''()()nwnhqaKFttKFtt=-=-W(1-6)式中F——供暖房间所计算的围护结构表面积，m2；K——供暖房间所计算的围护结构的传热系数，2WmC×nt——不供暖房间或空间的空气温度，℃；a——围护结构温差修正系数。三、温差修正系数a值P321附录1-2注意事项：•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于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于室外空气温度，则a值更接近于1。•此外，如两个相邻房间的温差大于或等于5℃时，应计算通过隔墙或楼板的传热量。四、围护结构的传热系数K值1．匀质多层材料(平壁)的传热系数K值。2．由两种以上材料组成的、两向非匀质围护结构的传热系数值。3．空气间层传热系数K值。1．匀质多层材料(平壁)的传热系数K值传热系数K值可用下式计算K=1/R。=1/（1/αn+∑δi/λi+1/αw）=1/(Rn+Rj+Rw)式中R。一围护结构的传热阻，m2℃／W；αn,αw—围护结构内表面、外表面的换热系数；Rn，Rw—围护结构内、外表面的传热阻，m2℃／W；δi一围护结构各层的厚度，mλi—围护结构各层材料的导热系数，W／m℃；Rj——由单层或多层材料组成的围护结构各材料层的热阻。见P12表1-1、1-2、P322附录1-3、1-42．两向非匀质围护结构的传热系数值传统的实心砖墙：传热系数值较高；从节能角度出发，采用各种形式的空心砌块，或填充保温材料的墙体等日益增多。这种墙体用于由两种以上材料组成的、非匀质围护结构，属于两维传热过程，计算它的传热系数时，通常来用近似计算方法或实验数据。下面介绍中国建筑科学研究院物理所推荐的方法先求出围护结构的平均传热阻10()()pjnwniiiARRRARj×=轾犏犏犏=-+?犏犏犏臌å2mCW×pjR×——平均传热阻，2mCW×A——与热流方向垂直的总传热面积，iA——按平行热流方向划分的各个传热面积，0iR——对应于传热面积iA上的总热阻，nR、wR——内、外表面还热阻，2mCW×，j——平均传热阻修正系数，按表1-3取值。两向非匀质围护结构的传热系数K值用下式确定：011npjwKRRRR×==++2WmC×3．空气间层传热系数K值应用场合严寒地区；一些高级民用建筑。常用的形式双层玻璃、复合墙体的空气间层等。空气间层传热系数作用原理1.间层中的空气导热系数比组成围护结构的其它材料的导热系数小，增加了围护结构传热阻。2.空气间层传热同样是辐射与对流换热的综合过程。在间层壁面涂覆辐射系数小的反射材料，如铝箔等，可以有效地增大空气间层的换热阻，3.对流换热强度，与间层的厚度、间层设置的方向和形状、以及密封性等因素有关。当厚度相同时．热流朝下的空气间层热阻最大，竖壁次之，而热流朝上的空气间层热阻最小。4.同时，在达到一定厚度后，反而易于对流换热，热阻的大小几乎不随厚度增加而变化了。室内地面的传热系数随着离外墙的远近的变化在冬季，室内热量通过靠近外墙地面传到室外的路程较短，热阻较小；而通过远离外墙地面传到室外的路径较长，热阻增大；在离外墙约8米以远的地面，传热量基本不变。所以，工程上一般采用近似方法计算。4．地面的传热系数地面的传热系数的近似计算方法(1)贴土非保温地面(组成地面的各层材料导热系数都大于1.16W／m．℃)见表1-5；(2)贴土保温地面(组成地面的各层材料中，有导热系数小于1．16w／m．℃的保温层)，其热阻等于非保温地面的换热阻加保温层的热阻；(3)铺设在地垄墙上的保温地面贴土非保温地面第一地带靠近墙角的地面面积(图1-4的阴影部分)需要计算两次。工程计算中，也有采用对整个建筑物或房间地面以平均传热系数进行计算的简易方法，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—5的规定计算。外墙面积的丈量：高度从本层地面算到上层的地面(底层除外，见图1—5所示)。对平屋顶的建筑物，最顶层的丈量是从最顶层的地面到平屋顶的外表面的高度；而对有闷顶的斜屋面，算到闷顶内的保温层表面。平面尺寸应按建筑物外廓尺寸计算；两相邻房间以内墙中线为分界线。门、窗的面积按外墙外面上的净空尺寸计算。闷顶和地面的面积，应按建筑物外墙以内的内廓尺寸计算。对平屋顶，顶棚面积按建筑物轮廓尺寸计算。地下室面积的丈量，位于室外地面以下的外墙，其耗热量计算方法与地面的计算相同，但传热地带的划分，应从室外地面相平的墙面算起，以及把地下室外墙在室外地面以下的部分，看作是地下室地面的延伸。五、围护结构传热面积的丈量第三节围护结构的附加(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—4)计算得出的。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，需要对围护结构基本能热量进行修正。围护结构的附加耗热量有：朝向修正耗热量、风力附加耗热量、高度附加耗热量一、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。计算方法：需要修正的耗热量等于垂直的外围护结构(门、窗、外墙及用顶的