供暖系统组成、热负荷计算及供暖设备

中国供热信息网 中国供热热电第一网http www china 供暖工程 供暖是指用人工方法向室内供给热量 以创造适宜的生活或工作条件的技术 营房供暖的主要目的就是不断地向房间供给相应的热量 维持房间必须的温度 以改善官兵的工作和生活条件 另一目的就是为了保证产品质量 延长营房和部队装备的使用寿命 供暖系统的组成 热媒制备设施 热源 热媒输送管道 热媒利用设施 散热设备 供暖方式 1 局部供暖 将热源和散热设备合并成一个整体 分散设置在各个房间里 叫做局部供暖 如火炉 火墙 火炕 电红外线供暖 等均属于局部供暖 2 集中供暖 热源和散热设备分别设置 热源通过热媒管道向各个房间或各个建筑物供给热量的供暖系统 称为集中式供暖系统 以热水和蒸汽作为热媒的集中采暖系统可以较好地满足人们生活 工作以及生产对室内温度的要求 并且卫生条件好 减少了对环境的污染 广泛应用于营房建筑供暖工程 供暖系统的分类 集中供暖 热媒 热水供暖系统 蒸汽供暖系统 热风供暖系统 散热方式 对流供暖 散热器供暖系统 辐射供暖 金属板辐射或顶棚 地板辐射 第一节供暖系统的设计热负荷 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 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Q 供暖系统的热负荷与供暖系统的设计热负荷并不相同 供暖系统的设计热负荷一般包括 围护结构的基本耗热量 围护结构的附加耗热量 冷风渗透及侵入耗热量 有时还需考虑建筑物内部散热以抵消若干耗热量 如人员较多的公共建筑应适当考虑人体的散热量等 一 围护结构的基本耗热量 围护结构基本耗热量指经过墙 窗 门 地面和屋顶等 由于室内外的空气温差而造成的从室内传向室外的热量 围护结构的温差修正系数 主要用于计算与大气不直接接触的外围护结构基本耗热量 W 温差修正系数 1 室内计算温度tn距地面2米以内人们活动区域的空气平均温度 民用建筑的主要房间宜采用16 20 2 供暖室外计算温度tw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 3 围护结构的传热系数K一般建筑物的外墙和屋顶都属于匀质多层材料的平壁结构 常用维护结构的传热系数可直接从有关手册中查得 民用及工业辅助建筑的冬季室温要求 建筑围护结构既要满足结构方面的要求 也要满足建筑热工方面的要求 在技术上主要的要求如下 1 要满足建筑结构上的强度要求 2 要保证在建筑结构内表面不结露 即外墙及顶棚内表面温度不应低于室内空气的露点温度 3 围护结构内表面温度不应过份低于室内空气温度 否则人体将因辐射散热过大而感到不舒适 4 要考虑建筑物的热稳定性 即由于室外温度或室内产生的热量发生变化而使经过围护结构的热流发生变化时 室内保持原有温度的能力 对于不同的建筑物 若在相同的热流变化下 室温波动越小则建筑物的热稳定性越好 5 建筑物围护结构的厚度 应根据技术经济比较确定 但其传热热阻不得小于按下式确定的数值 m2 二 围护结构的修正耗热量 1 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 2 风力修正耗热量风力修正耗热量是考虑室外风速变化而对围护结构耗热量的修正 对建在不避风的高地 河边 海岸 旷野上的建筑物以及营区内特别突出的建筑物 应考虑垂直外围护结构附加5 10 北 东北 西北0 10 东 西 5 东南 西南 10 15 南 15 25 选用朝向修正时 应考虑当地冬季日照率 建筑物使用和被遮挡情况 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 西向可不加以修正 3 高度修正耗热量高度修正耗热量是考虑房间的高度对围护结构耗热量的影响而附加的耗热量 当房间高度在4m以下时 可以不考虑高度附加 高度超过4m时 每高出1m附加2 但总的附加率不应大于15 综合上述 建筑物或房间在室外供暖计算温度下 通过维护结构的总耗热量Q1 可用下式表示Q1 Q1 j Q1 xW 三 加热进入室内冷空气所需热量 1 冷风渗透耗热量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 被加热后又逸出室外 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 称为冷风滲透耗热量 影响冷风渗透耗热量的因素很多 如门窗构造 门窗朝向 室外风向和风速 室内外空气温差 建筑物高低以及建筑物内部通道状况等 2 外门冷风侵入耗热量 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 由于流入的冷空气量Vw不易确定 因此对于开启时间不长的外门如果能确定冷风侵入量V 冷风侵入耗热量可以采用外门的基本耗热量乘以下列百分数的简便方法进行计算 无门斗的双层外门100n 有门斗的双层外门80n 无门斗的单层外门65n 对出入频繁的公共建筑主要出入口 其外门冷风侵入耗热量 可按外门冷风侵入耗热量的5倍考虑 四 建筑物热负荷的估算 在进行初步设计或规划设计时 需要估算建筑物的供暖负荷 此时可用热指标法 热指标是在调查了同一类型建筑物的供暖热负荷后 得出的该类建筑物每 2建筑面积或在室内外温差为1 时每 3建筑物体积的平均供暖热负荷 一种是单位面积热指标法 另一种是在室内外温差为1 时的单位体积热指标法 第二节室内热水供暖系统 以热水为热媒的供暖系统 称为热水供暖系统 热水供暖系统是目前广泛使用的一种供暖系统 居住和公共建筑常采用热水供暖系统 分类 1 按系统循环动力不同 可分为重力 自然 循环系统和机械循环系统 靠水的密度差进行循环的系统 称为重力循环系统 靠机械 水泵 力进行循环的系统 称为机械循环系统 2 按系统供 回水方式不同 可分为单管系统和双管系统 热水经立管或水平供水管顺序流过多组散热器 并顺序地在各散热器中冷却的系统 称为单管系统 热水经供水立管或水平供水管平行地分配给多组散热器 冷却后的回水自每个散热器直接沿回水立管或水平回水管流回热源的系统 称为双管系统 3 按系统的管道敷设方式不同 可分为垂直式系统和水平式系统 4 按热媒温度不同 可分为低温热水供暖系统 热水温度低于100 和高温热水供暖系统 热水温度高于100 室内热水供暖系统大多采用低温水作为热媒 设计供 回水温度多采用95 70 也有采用85 60 高温水供暖系统一般宜在生产厂房中应用 设计供 回水温度大多采用120 130 70 80 一 重力 自然 循环热水供暖系统 1 系统工作原理及其作用压力当水在锅炉内加热后 水的密度减小 在散热器内被冷却后 水的密度增加 整个系统将因供回水密度差的不同而维持循环流动 维持该系统循环流动的压力称为自然作用压力 重力循环热水供暖系统的循环作用压力的大小取决于水温 水的密度 在循环环路的变化 作用压力 断面A A右侧的水柱压力为 断面A A左侧的水柱压力为 起循环作用的只有散热器中心和锅炉中心之间这段高度内的水柱密度差 如果取供水温度95 回水70 则每m高差可产生的作用压力为 9 81 1 977 81 961 92 156Pa 重力循环热水供暖系统维护管理简单 不需消耗电能 但由于其作用压力小 管中水流速度不大 所以管径就相对大一些 作用范围也受到限制 自然循环热水供暖系统通常只能在单幢建筑物中使用 作用半径不宜超过50m 这种系统尤其适用于边防连队宿舍 2 重力循环热水供暖系统的主要形式 双管单管 重力循环供暖系统 为了使系统内的空气能顺利地排除 对于上供下回式自然循环热水供暖系统 其供水干管必须有向膨胀水箱方向上升的坡向 其坡度宜采用0 5 1 0 散热器支管的坡度一般取1 为保证系统中的水能通过回水干管顺利地排出 回水干管应有向锅炉方向向下坡向 其坡度一般为0 5 1 3 膨胀水箱的作用 容纳膨胀体积 排气 定压 参见P 157 158 二 机械循环热水供暖系统 系统中设置了循环水泵 靠水泵的机械能使水在系统中强制循环 一 主要形式1 机械循环上供下回式热水供暖系统 机械循环上供下回式热水供暖系统 机械循环系统除膨胀水箱的连接位置与自然循环系统不同外 还增加了循环水泵和排气装置 在机械循环系统中 水流速度往往超过自水中分离出来的空气气泡的浮升速度 为了使气泡不致被带入立管 供水干管应按水流方向设上升坡度 使气泡随水流方向流动汇集到系统的最高点 通过设在最高点的排气装置 将空气排出系统外 供回水干管的坡度宜采用0 3 不得小于0 2 回水干管的坡向与自然循环系统相同 应使系统水能顺利排出 2 机械循环下供下回式双管系统 系统的供水和回水干管都敷设在底层散热器下面 在设有地下室的建筑物中或在平屋顶建筑棚下难以布置供水干管的场合 常采用下供下回式系统 下供下回式系统排除空气的方式主要有两种 通过顶层散热器的冷风阀手动分散排气 或通过专设的空气管手动或自动集中排气 为避免立管中的水通过空气管串流 集气装置的连接位置 应比水平空气管低h米以上 即应大于图中a和b两点在供暖系统运行时的压差值 机械循环下供下回式系统 3 中供式 水平供水干管敷设在系统中部 下部 上供下回 上部 下供下回 左 上供下回 右 4 机械循环下供上回式 倒流式 供暖系统 系统的供水干管设在下部 而回水干管设在上部 顶部还设置有顺流式膨胀水箱 机械循环下供上回 倒流式 热水供暖系统 5 异程式系统与同程式系统 通过各个立管的循环环路的总长度不相等 这种布置形式称为异程式系统 同程式系统的特点是通过各个立管的循环环路的总长度都相等 同程式系统 6 水平式系统 按供水管与散热器的连接方式可分为顺流式和跨越式 单管水平串联式图单管水平跨越式1 冷风阀 2 空气管1 冷风阀 2 空气管 二 水平失调与垂直失调 在机械循环系统中 由于作用半径较大 连接立管较多 因而通过各个立管环路的压力损失较难平衡 有时靠近总立管最近的立管即使选用了最小的管径DN15 仍有很多剩余压力 初调节不当时 会出现近处立管流量超过要求 而远处立管流量不足 在远近立管处出现流量失调而引起在水平方向冷热不均的现象 称为系统的水平失调 P 146 在双管系统中 由于各层散热器与锅炉的高差不同 虽然进入和流出各层散热器的供 回水温度相同 不考虑管路沿途冷却的影响 但仍将形成上层作用压力大 下层压力小的现象 如选用不同管径仍不能使各层阻力达到平衡 由于流量分配不均 必然要出现上冷下热的现象 而且楼层数越多 上下层的作用压力差值越大 这种现象就会越严重 在建筑物内 同一竖向的各层房间的室温不符合设计要求的温度 而出现上 下层冷热不均的现象 通常称作系统垂直失调 p 144 三 高层建筑热水供暖系统 1 分层式供暖系统 1 在垂直方向上分为两个或两个以上的独立系统 2 双水箱分层式供暖系统 2 双线式系统 1 垂直双线式单管热水供暖系统 2 水平双线式热水供暖系统 3 单双管混合式系统 第三节蒸汽供暖系统 一 蒸汽供暖系统的分类1 按供气压力大小高压蒸汽供暖系统P 70kPa低压蒸汽供暖系统P 70kPa真空真气供暖系统P 大气压 2 按蒸汽干管布置 上供式中供式下供式 3 按立管的布置特点 单管式双管式 4 按回水方式 重力回水机械回水 高压蒸汽系统均采用机械回水方式 二 低压蒸汽供暖系统的基本形式 1 重力回水低压蒸汽供暖系统由蒸汽管道 散热器 凝结水管构成一个循环回路 重力回水低压蒸汽供暖系统示意图 下供式 上供式 重力回水低压蒸汽供暖系统型式简单 宜在小型系统中采用 当供暖系统作用半径较大时 就要采用较高的蒸汽压力才能将蒸汽输送到最远散热器 如仍用重力回水方式 凝水管里水面II II高度就可能达到甚至超过底层散热器的高度 底层散热器就会充满凝水并积聚空气 蒸汽就无法进入 从而影响散热 因此 当系统作用半径较大 供汽压力较高 通常供汽表压力高于20kPa 时 就采用机械回水系统 2 机械回水低压蒸汽系统 1 是一个开式系统 凝结水返回凝结水箱 再由凝结水泵送回锅炉加热 2 水击蒸汽管道中沿途凝结水被高速运动的蒸汽推动产生的浪花或水塞与管件相撞产生振动和巨响的现象 3 减少水击的措施及时排除凝结水 降低蒸汽流速 设置合适的坡度使凝结水与蒸汽同向流动 机械回水低压蒸汽供暖系统1 低压恒温式疏水器2 凝水箱3 膨胀水箱4 凝水泵 三 高压蒸汽供暖系统 减压 分汽缸 供暖 高压蒸汽 分汽缸 供热 回水 锅炉 凝结水箱 凝结水泵 四 热水供暖与蒸汽供暖的比较 1 蒸汽供暖系统所需蒸汽质量流量比热水流量少得多 相同负荷时 热水供暖系统依靠其温度降放出热量 而且热水的集态不发生变化 蒸汽供暖系统依靠水蒸汽凝结成水放出热量 集态发生了变化 蒸汽的汽化潜热比起每kg水在散热器中靠温度降放出的热量要大得多 因此 对同样的热负荷 蒸汽供暖时所需的蒸汽质量流量要比热水流量少得多 2 蒸汽供暖系统比热水供暖系统在设计和运行管理上较为复杂热水在封闭系统内循环流动 其状态参数 主要指流量和比容 变化很小 蒸汽和凝水在系统管路内流动时 其状态参数变化很大 还会伴随集态变化 例如湿饱和蒸汽沿管路流动时 由于管壁散热会产生沿途凝水 使输送的蒸汽量有所减少 又如从散热器流出的饱和凝水通过疏水器和在凝结水管路中压力下降 沸点改变使凝水部分重新汽化 形成 二次蒸汽 以两相流的状态在管路内流动 蒸汽和凝水状态参数变化较大的特点是蒸汽供暖系统比热水供暖系统在设计和运行管理上较为复杂的原因之一 由这一特点引起系统中出现 跑 冒 滴 漏 问题解决不当时 会降低蒸汽供暖系统的经济性和适用性 3 对同样热负荷蒸汽供暖要比热水供暖节省散热设备的面积 在热水供暖系统中 散热器内热媒温度为热水进出口温度的平均值 若热水进出口温度为95 70 散热器内热媒的平均温度为82 5 蒸汽在散热器内定压凝结放热 散热器的热媒温度为该压力下的饱和温度 在低压及高压蒸汽供暖系统中 散热器内热媒的温度等于或高于100 因此 对同样热负荷蒸汽供暖要比热水供暖节省散热设备的面积 为什么民用建筑不适宜采用蒸汽供暖系统 但蒸汽供暖系统散热器表面温度高 易烧烤积在散热器上的有机灰尘 产生异味 卫生条件较差 由于上述跑 冒 滴 漏而影响能耗以及卫生条件差两个主要原因 在营房建筑中不适宜采用蒸汽供暖系统 4 蒸汽供暖系统静压小 升温快 适用于某些公共场所 由于蒸汽具有比容大 密度小 的特点 在高层建筑供暖时不会像热水供暖那样产生很大的水静压力 此外 蒸汽供暖系统的热惰性小 供汽时热得快 停汽时冷得也快 对于人数骤多骤少或不经常有人停留而要求迅速加热的建筑物如俱乐部 会议室 礼堂等是比较合适的 5 蒸汽供暖系统不能调节蒸汽温度 采用间歇运行时 系统腐蚀较快 使用年限比热水采暖系统短 一般蒸汽供暖系统不能调节蒸汽温度 当室外温度高于供暖室外计算温度时 蒸汽供暖系统必须运行一段时间 停止一段时间 即采用间歇运行 这样会使房间温度上下波动 另外 由于蒸汽供暖系统间歇工作 管道内时而充满蒸汽 时而充满空气 管道内壁的氧化腐蚀要比热水供暖系统快 蒸汽供暖系统的使用年限要比热水供暖系统短 特别是凝水管更易损坏 第四节散热器 散热器的功能是将供暖系统热媒所携带的热量通过散热器壁面传给房间 对散热器的基本要求主要有以下几点 1 热工性能方面的要求散热器的传热系数K值越高 说明其散热性能越好 可以采用增加外壁散热面积 在外壁上加肋片 提高散热器周围空气流动速度和增加散热器向外辐射散热的比例等措施来提高散热器的传热系数 2 经济方面的要求散热器传给房间的单位热量所需金属耗量越少 成本越低 其经济性越好 3 安装使用和工艺方面的要求散热器应具有一定机械强度和承压能力 散热器的结构形式应便于组合成所需要的散热面积 结构尺寸要小 少占房间面积和空间 散热器的生产工艺应满足大批量生产的要求 4 卫生美观方面的要求散热器外表面光滑 不积灰和易于清扫 在公共建筑中 散热器的形式 色泽 装璜应与房间的内部装饰相协调 5 使用寿命的要求散热器应耐腐蚀 不易损坏和使用年限长 按其制造材质 主要有铸铁 钢制散热器两大类 按其构造形式 主要分为柱型 翼型 管型 平板型等 圆翼型 长翼型 柱型散热器 闭式钢串片对流散热器示意图 钢制板型散热器示意图 散热器的布置 1 散热器一般应安装在外墙的窗台下 这样 沿散热器上升的对流热气流能阻止和改善从玻璃窗下降的冷气流和玻璃冷辐射的影响 使流经室内的空气比较暖和舒适 2 为防止散热器冻裂 两道外门之间不允许设置散热器 在楼梯间或其它有冻结危险的场所 其散热器应由单独的立 支管供热 且不得装设调节阀 3 散热器一般采用明装 内部装修要求较高的营房可采用暗装 托儿所和幼儿园一般采用暗装或加防护罩 以防烫伤儿童 4 在垂直单管和双管热水供暖系统中 一房间的两组散热器可以串联连接 贮藏室 洗室 厕所和厨房等辅助用室及走廊的散热器可与邻室串联连接 两串联散热器之间的串联管直径应与散热器接口直径相同 以便水流畅通 5 在楼梯间布置散热器时 考虑楼梯间热气流上升的特点 应尽量布置在底层或按一定比例分布在下部各层 6 铸铁散热器的组装片数 不宜超过下列数值 二柱 132型 20片 柱型 四柱 25片 长翼型 7片 第五节室内供暖系统的管路布置和主要设备及附件 膨胀水箱膨胀水箱的作用是用来贮存热水供暖系统加热的膨胀水量 在重力循环上供下回式系统中还起着排气作用 膨胀水箱的另一作用是恒定供暖系统的压力 箱上连有膨胀管 溢流管 信号管 排水管 循环管和补水管 膨胀管与供暖系统管路的连接点 在重力循环系统中接在供水总立管的项端 在机械循环系统中一般接至循环水泵吸入口前 膨胀水箱与机械循环系统的连接方式1 膨胀管2 循环管3 热水锅炉4 循环水泵 疏水器蒸汽疏水器能自动阻止蒸汽逸漏 迅速排出凝水 同时能排除系统中积留的空气和其他不凝性气体 第六节暖风机 暖风机由风机 电机及空气加热器组成 在风机的作用下 空气由吸风口进入机组 经加热器加热后从送风口送至室内 以维持室内要求的温度 第七节供热锅炉及锅炉房 供热系统通常是利用锅炉及锅炉房设备生产出蒸汽 或热水 而后通过热力管道 将蒸汽 或热水 输送至用户 以满足生产工艺或生活采暖等方面的需要 因此 锅炉是供热之源 锅炉及锅炉房设备的任务 在于安全可靠 经济有效地把燃料的化学能转化为热能 进而将热能传递给水 以生产热水或蒸汽 一 常用供热锅炉的类型 1 蒸汽锅炉高压锅炉p 70kPa低压锅炉P 70kPa2 热水锅炉高压锅炉t 115 C低压锅炉t 115 C 集中供暖 区域供暖 二 锅炉的基本构造与工作原理 1 基本构造 1 汽锅锅筒 又称汽包 管束 水冷壁 集箱和下降管等组成的一个封闭汽水系统 2 炉子煤斗 炉排 除渣板 送风装置等组成的燃烧设备 3 附件蒸汽锅炉还必须装设安全阀 水位表 高低水位警报器 压力表 主汽阀 排污阀 止回阀等 还有用来消除受热面上积灰以利传热的吹灰器 以提高锅炉运行的经济性 2 锅炉的工作过程 1 燃料的燃烧过程良好的燃烧需要高温的环境 必需的空气量 空气与燃料的良好混合 2 烟气向水的传热过程高温烟气 水冷壁 对流管束 蒸汽过热器 省煤器 排出 3 水的汽化过程 即蒸汽的生产过程 冷水 省煤器 气锅 对流管束 上下锅筒 上锅筒 汽水分离 蒸汽过热器 引出 SHL型锅炉1 上锅筒 2 下锅筒 3 对流管束 4 炉膛 5 侧墙水冷 6 侧水冷壁上集箱 7 侧水冷壁下集箱 8 前水冷壁 9 后墙水冷壁 10 前水冷壁下集箱 11 后水冷壁下集箱 12 下降管 13 链条炉排 14 加煤斗 15 风仓 16 蒸汽过热器 17 省煤器 18 空气预热器 19 烟窗及防渣管 20 二次风管 三 锅炉基本特性的表示 1 蒸发量 供热量蒸发量指锅炉在额定参数和保证一定效率下的最大连续蒸发量 即每h所生产的额定蒸汽量 用以表征锅炉容量的大小 蒸发量常用符号D来表示 单位是t h 供热用热水锅炉 用额定供热量来表征容量的大小 常以符号Q来表示 单位是KW 2 蒸汽 或热水 参数 锅炉产生蒸汽的参数 是指锅炉出口处蒸汽的额定压力 表压力 和温度 对生产饱和蒸汽的锅炉来说 一般只标明蒸汽压力 对生产过热蒸汽 或热水 的锅炉 则需标明压力和蒸汽 或热水 温度 供热锅炉的容量 参数 既要满足生产工艺上对蒸汽的要求 又要便于锅炉房的设计 锅炉配套设备的供应以及锅炉本身的标准化 因而要求有一定的锅炉参数系列 如表9 6所示 3 锅炉的热效率 锅炉的热效率是指每h送进锅炉的燃料全部完全燃烧时所发出的热量中用来产生蒸汽或加热热水的百分比 以符号 或 gl 表示 它是一个能真实说明锅炉运行的热经济性的指标 煤气比 每kg燃煤能产生多少kg蒸汽 煤水比 根据煤质的好坏和锅炉种类的不同 差别较大 50 90 4 锅炉的金属耗率及耗电率 金属耗率 就是相应