河南城院供热工程课件第3章 热水供暖系统

第三章

热水供暖系统

供暖系统-----在冬季，为了使室内温度保持在一定范围内，必须向室内供给相应的热量。向室内提供热量的设备系统称为供暖系统。以热水为热媒的供暖系统，称为热水供暖系统。划分为：主要内容：

第一节重力(自然)循环热水供暖系统

第二节机械循环热水供暖系统

第三节高层热水供暖系统

第四节低温热水地板辐射供暖系统

第五节室内热水供暖系统的管路布置和主要设备及附件一、工作原理及其作用压力第一节重力(自然)循环热水供暖系统

由此可知，起循环作用的只有散热器中心和锅炉中心之间的这段高度内的水柱密度差。如果取供水温度95℃，回水70℃；则每米高差可产生的作用压力为：

gh（ρh-ρg）

=9.81×1×(977.81-961.92)=156Pa。二、重力循环热水供暖系统的主要型式重力循环热水供暖系统主要分单管和双管两种型式。图3-1为重力循环热水供暖系统的主要图式。左侧图（a）为双管上供下回式系统；右侧图（b）为单管上供下回式系统。

重力循环热水供暖系统内水流速度较慢，水平干管中水的流速小于0.2m/s，而干管中空气气泡的浮升速度为0.1～0.2m/s，在立管中约为0.25m/s，所以水中的空气能够逆着水流方向向高处聚集。在上供下回重力循环热水供暖系统充水与运行时，空气经过供水干管聚集到系统最高处，再通过膨胀水箱排往大气。因此，系统的供水干管必须有向膨胀水箱方向上升的坡向，其坡度为0.5～1.0%。而散热器支管的坡度一般取1%。回水干管则有向锅炉方向下降的坡向，其坡度为0.5～1.0%。这是为了保证系统中的水能通过回水干管顺利地排出。三、双管系统作用压力的计算因此：上部作用压力大于下部作用压力垂直失调四、重力循环单管供暖系统作用压力的计算

单管系统的特点是各层散热器是串联的，热水顺序地沿各层散热器冷却。对于单管系统的作用压力，由于各层的散热器都串联在一个循环环路上，立管上的自然循环作用压力是一个，故单管系统不存在如双管系统那样的垂直失调现象。但由于经过各层散热器的水温越来越低，下层房间散热器的数量要增加。

在单管系统里，如图3-4，散热器S1和S2串联；热水在散热器S2、S1里顺序地冷却；在循环环路中的压力，按图3-2分析结果，引起自然循环作用压力的高是（h1+h2），水冷却后的密度分别为ρ2，ρh，

故循环作用压力的值为：ΔP=gh1（ρh-ρg）+gh2（ρ2-ρg）Pa也可写为：ΔP=g（h1+h2）（ρ2-ρg）+gh1（ρh-ρ2）

=gH2（ρ2-ρg）+gH1（ρh-ρ2）Pa同理，若循环环路中有许多串联的冷却中心（即散热器），如图3-5所示，其作用压力可写为

从上面作用压力的计算公式可知，热水供暖系统的循环环路中的作用压力与水温变化有关，同时，与加热中心和冷却中心的相对位置、高度差以及冷却中心的个数有关。为了计算单管顺流式系统重力循环作用压力，需要求出各个冷却中心之间管路中水的密度ρi。为此，就首先要确定各散热器之间管路的水温ti。现仍以图3-5为例，设供、回水温度分别为tg、th。建筑物为八层（N=8），每层散热器的散热量分别为Q1，Q2…Q8,即立管的热负荷为:∑Q=Q1+Q2+……+Q8W通过立管的流量,按其所负担的全部热负荷计算,可用下式确定:

kg/h流出某一层（如第二层）散热器的水温t2，根据上述平衡方程式，同理，可按下式计算：

kg/h两式相等，由此，可求出流出第二层散热器的水温t2为：

℃根据上述方法，串联N组散热器的系统，流出第i组散热器的水温ti（令沿水流动方向最后一组散热器为i=1），可按下式计算：

℃

在上述的计算中，并没有考虑水在管路中沿途冷却的因素，假设水温只在加热中心和冷却中心发生变化，水的温度和密度沿循环环路不断变化，不仅影响各层散热器的进、出口水温，同时也增大了循环作用压力。由于重力循环作用压力不大。

因此，在确定实际循环作用压力时，必须将水在管路中冷却所产生的作用压力也考虑在内。在工程计算中，首先确定只考虑水在散热器内冷却时所产生的作用压力；然后再根据不同情况，增加一个考虑水在循环环路中冷却的附加作用压力。它的大小与系统供水管路布置状况、楼层高度、所计算的散热器与锅炉之间的水平距离等因素有关。其数值选用，可参见附录3-2。

总的重力循环作用压力，可用下式表示：

ΔPzh=ΔP+ΔPfPa

[例题3-1]如图3-6。设h1=3.2m，h2=h3=3.0m；散热器热负荷：Q1=700W，Q2=600W，Q3=800W。供水温度为95℃，回水温度为70℃。要求确定：1.双管系统的循环作用压力；2.单管系统各层之间立管的水温；3单管系统的重力循环作用压力。为了简化计算，此题不考虑热水在沿途的冷却。五、简易热水采暖系统的设计制作在没有条件采用集中供暖的平房、分散的小型楼房，以及农村家庭中，可以安装水暖炉(即土暖气)采暖。水暖炉就是简单的重力循环采暖系统。由于水暖炉具有安装简便、使用安全及一炉多用的优点，很受城乡一般家庭的欢迎。(1)炉具可以购买成品，也可以自行加工砌筑。燃料主要为型煤(蜂窝煤块)及块煤(硬煤或煤球)。炉具最好安装在厨房或其它非居住房间内，以保持居室的清洁，防止煤气中毒。(2)各种类型的散热器，都可以用在水暖炉采暖系统上。(3)系统的连接与膨胀水箱的安装等，应遵守重力循环采暖系统的设计要点。当系统只有一组散热器时，不可安装阀门。有两组以上散热器时，只在需要关闭的散热器上安装一个阀门即可.(4)为防止炉具内结垢，系统内应充满软化水；无软化水时，可以投药或充灌开水。停火后也不可放空，系统内充满水可以减缓内部锈蚀。第二节机械循环热水供暖系统一、机械循环热水供暖系统的工作原理如果系统作用半径较大，重力循环往往难以满足系统的工作要求。因此，与重力循环系统相比，以水泵为主要动力的机械循环热水供暖系统应用就更为广泛。

由图可见，机械循环系统区别于重力循环系统的主要特征是：

在回水总管上设有循环水泵。

循环水泵的作用压头，是机械循环系统热水循环的主要动力。

膨胀水箱是连接在回水干管上，其主要目的在于使水泵的压头在系统中得到合适的分布。这也是与重力循环系统的明显差别。因此，膨胀水箱在机械循环系统中只起补偿水的体积变化的作用。在运行中，空气通过设在系统最高处的集气罐或排气阀排出。此外，机械循环系统管道的水流速度比重力循环大得多。水中所含铁锈、污泥、铸铁散热器中残留的型砂等会被带至水泵、锅炉，甚至堵塞管路。为避免这些现象，在循环水泵之前的回水总管上或供暖入口的供水总管上装设有除污器。

系统在开始运行前，须先使整个系统充满水。水由连接于回水总管上的补水管补入，并且自下而上缓缓充满整个系统。系统中的空气由膨胀水箱及排气装置（集气罐、手动或自动排气阀）排至大气。当膨胀水箱的信号管有水流出时，表示系统已充满水。此时，启动循环水泵，系统内的水便沿着由供水管、锅炉、散热器及回水管所构成的环路循环。若锅炉也点燃，则水在锅炉中被加热并送至散热器，在散热器中散热冷却，然后返回锅炉，达到向房间供暖的目的。二、机械循环热水供暖系统的主要形式

机械循环热水供暖系统和重力循环系统一样，可分为垂直式和水平式。（一）垂直式系统（二）水平式系统水平式系统按供水管与散热器的连接方式有顺流式（如图3-13）和跨越式（如图3-14）两种。

水平式系统排气比垂直式上供下回系统麻烦。通常采用排气管集中排气或在各个散热器上安装排气阀排气。水平式系统的总造价比垂直式系统少得多。但对较大系统而言，由于有较多散热器处于低温区，尾部的散热器面积可能较垂直式系统多些。与垂直式系统相比，水平式系统还有如下优点：管路简单，便于快速施工；除了总立管外，没有其它穿楼板的立管，因此无需在各层楼板上打洞；沿墙无立管，不影响室内美观；膨胀水箱可布置在最高层的辅助空间，不仅降低了造价，还不影响建筑物外形美观。第三节高层热水供暖系统一、高层建筑供暖系统的特点

1、热负荷计算问题。在计算热负荷时，应考虑热压和风压综合作用的影响。

2、高层建筑供暖系统的型式和与室外热网的连接方式问题。高层建筑供暖系统在与室外热网连接时，应根据散热器的承压能力、外网的压力状况等因素来确定系统形式及其连接方式。此外，在确定系统形式时，还要考虑由于楼层高而加大了系统的垂直失调等问题。二、高层建筑热水供暖系统的主要形式（一）分层式供暖系统

在高层建筑供暖系统中，垂直方向分成两个或两个以上的独立系统称为分层供暖系统。（二）双线式系统双线式系统有垂直式和水平式两种型式。（三）单、双管混合式系统

特点是：既避免了双管系统在楼层数过多时出现的严重竖向失调现象，同时又能避免散热器支管管径过粗的缺点，而且散热器还能进行局部调节。

第四节低温热水地板辐射供暖系统

一、低温热水地板辐射供暖系统的传热特点及负荷计算地板辐射采暖与一般散热器对流采暖方式相比，热工特性有许多区别：

1、由于房间敷设了采暖地板，就不存在室内空气通过地板向外传热的可能，因此不应计算这部分的热损失。

2、由于地板辐射采暖是在辐射强度和对流的双重作用下对房间进行供暖，形成了较合理的室内温度场和热辐射作用，可有比对流采暖低2～3℃的等效热舒适效应。

因此，在计算房间的热负荷时，考虑到地板采暖与散热器对流采暖的不同特点，可采用以下两种方法：（1）修正系数法设Qd为对流采暖的热负荷，Qr为地板辐射采暖时的热负荷，则Qr=aQd，这里a为修正系数，对中、高温热水地板辐射采暖系统：a=0.8～0.9，对低温热水地板辐射采暖系统，a=0.9～0.95。（2）热负荷计算仍按照对流采暖时计算，但室内空气的计算温度降低2～6℃，对低温热水地板辐射采暖系统，可采用下限值。二、低温热水地板辐射供暖系统的构造典型的地板辐射供暖系统的结构如图3-20所示。

目前常用的地板结构有两种：混凝土地板结构与木制地板结构。在木制地板结构中，管道装在槽形板中，而在混凝土地板结构中，管道直接铺设在混凝土中。常用的管道铺设方式有旋转型、直列型和往复型等几种，如图所示。往复式旋转式直列式

对低温热水地板辐射采暖系统用管材的基本要求：（1）在正常的工作温度和压力下，管材的耐热、抗氧化、抗老化预期寿命不得小于50年。（2）管材具有较高的导热系数（3）管材具有较强的柔韧性（4）内壁光滑，不易结水垢（5）具有良好的性能价格比。三、低温热水地板辐射供暖系统的优缺点优点：

1、由于该系统辐射强度和温度的双重作用，造成了真正符合人体散热要求的热状态，因此具有最佳的舒适感。

2、房间温度分布竖向较均匀且呈负梯度分布，使房间顶部不至过热，从而减少了围护结构的无效耗热量。

3、由于地板温度不是太高，所以室内产生的上升气流小，故卫生条件较好。

4、室内表面温度的提高，也减少了四周表面对人体冷辐射，提高了舒适感。

5、节能、保温、热稳定性好、不占室内面积、使用场所广泛。

缺点：

1、地板内埋设管道将使构造层厚度增加，从而将低了房间净高。

2、特殊的构造使得楼板荷载增加

3、室内设施对地板辐射量的遮挡第五节室内热水供暖系统的管路布置和

主要设备及附件一、室内热水供暖系统的管路布置

1、在布置供、回水干管时，首先应确定供、回水干管的走向。系统应合理地分成若干支路，而且尽量使各支路的阻力损失易于平衡。

2、对于上供下回式系统，供水干管多设在顶层顶棚下。顶棚的过梁底标高距窗户顶部之间的距离应满足供水干管的坡度和设置集气罐所需的高度。3、回水干管可敷设在地面上，若地面情况不允许敷设（如过门时）或净空高度不够时，回水干管设置在半通行或不通行地沟内。地沟上每隔一定距离应设活动盖板，过门地沟也应设活动盖板，以便于检修。4、为了有效地排除系统内的空气，所有水平供水干管应有不小于0.002的坡度（坡向根据重力循环或机械循环而定，如前所述）。如因条件限制，机械循环系统的热水管道可无坡度敷设，但管中的水流速度不得小于0.25m/s。

二、热水供暖系统的主要设备和附件（一）膨胀水箱

1、膨胀水箱的结构及原理

膨胀水箱上连有膨胀管、溢流管、信号管、排水管及循环管等管路。

2、膨胀水箱的容积膨胀水箱的容积，可按下式计算确定：

Vp=αΔtmax.VcL

式中Vp——膨胀水箱的有效容积（即由信号管到溢流管之间的容积），L；

α——水的体积膨胀系数，α=0.0006，1/℃；

Vc——系统内的水容量，L；

Δtmax——考虑系统内水受热和冷却时水温的最大波动值，一般以20℃水温算起。如在95/70℃低温水供暖系统中，水箱容积可按下式计算：