供暖系统的设计热负荷

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,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t,w,下,为了达到要求的室内温度t,n,，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t,n,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,Q 7,；,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,Q 9,；,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,。,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,qKF(tn- tw )a W （1-3）,式中 K: 围护结构的传热系数，Wm,2,；,F: 围护结构的而积，m,2,；,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,1622,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,(GBJl 9-87),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1620；,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140220W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220290W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11。,采暖通风与空气调节设计规范,(GBJl 9-87),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,4 m,的建筑物或房间，冬季室内计算温度,t n,，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,(GBJl 9-87),规定,屋顶下的空气温度t,d,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 t,d,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,m,2,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。,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/,n+,i/i+1/w）,=1/(Rn+Rj+Rw),式中 R。一围护结构的传热阻， m,2,W ；,n,w,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，m,2,W；,i,一围护结构各层的厚度，m,i,围护结构各层材料的导热系数，Wm；,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、1-4,2,两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,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,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,。,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，,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。,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116wm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15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15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(14)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、外墙及用顶的垂直部分)的基本耗热量乘以相应的朝向修正率。,暖通规范规定：宜按下列规定的数值选用不同朝向的修正率：,北、东北、西北 010；,东南、西南 -10一-15；,东、西,-5%,；,南-15一-30。,选用上面朝向修正率时，应考虑当地冬季日照率、建筑物使用和被遮挡等情况。,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10一0，东、西向可不修正。,二、风力附加耗热量,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。计算基本耗热量时，外表面换热系数是对应风速为4米每秒的计算值。,计算方法：,在一般情况下，不必考虑风力附加。,只对建在不避风的高地、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，才考虑,垂直外围结构,附加,5,一,10,。,三、高度附加耗热量,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。,计算方法：,暖通规范规定：,民用建筑筑和工业辅助建筑物,(,楼梯间除外,),的高度附加率，当房间高度,大于,4m,时，,高出,1m,应附加,2,，但总的附加率不应大于,15,。,应注意；高度附加率，,应附加于房间各围护结构基本耗热量和其它附加,(,修正,),耗热量的总和上,。,通过围护结构的总耗热量,建筑物或房间在室外供暖计算温度下，通过围护结构的总耗热量，可用下式综合表示 ：,Q1Q1.j + Q1.x ,(1+xg),KF(tn-tw )a(1+xch+xf),式中xch朝向修正率，；,xf一风力附加率，xf,0；,xg一高度附加率，15%,xg,0。,其它符号同前。,第四节 围护结构的最小传热阻与经济传热阻,运用最小传热阻与经济传热阻的意义：,在供暖期间，围护结构应满足使用要求、卫生要求和经济要求，这就需要利用“围护结构最小传热阻”或“经济传热阻”的概念。,确定围护结构传热阻时，,围护结构内表面温度是一个最主要的约束条件,。,除浴室等相对湿度很高的房间外，围护结构内表面温度值应满足,内表面不结露,的要求。内表面结露，可导致耗热量增大和使围护结构易于损坏。,室内空气温度与围护结构内表面温度的温度差还要满足卫生要求。当内表面温度过低，人体向外辐射热过多，会产生不舒适感。根据上述要求而确定的外围护结构传热阻，称为,最小传热阻,。,围护结构的最小传热阻的确定,工程设计中，规定了在不同类型建筑物内，冬季室内计算温度与外围护结构内表面的允许温度差值。,R。,min,=（a(tn-t,w.e,)/,ty ）Rn,m,2, / W,式中 R。,min,维护结构的最小传热阻m,2, / W,ty 供暖室内计算温度与围护结构内表面温度的允许温差，；按附录1-5选用,tw.e 冬季围护结构室外计算温度 ,冬季围护结构室外计算温度,tw.e,，按围护结构,热惰性指标,D,值,分成四个等级来确定,(,见表,l,6),。,当采用,D,6,的围护结构,(,所谓重质墙,),时，采用供暖室外计算温度,tw,作为校验围护结构最小传热阻的冬季室外计算温度。当采用,D,6,的中型和轻型围护结构时，为了能保证与重质墙围护结构相当的内表面温度波动幅度，就得采用比供暖室外计算温度更低的温度，作为检验轻型或中型围护结构最小传热阻的冬季空外计算温度，亦即要求更大些的围护给构最小传热阻值。,冬季围护结构室外计算温度,tw.e的确定,例题1-1,哈尔滨市住宅建筑，外墙为,2,砖墙，内抹灰,(20m m),。试计算其传热系数值，并与应采用的最小传热阻相对比。,解 ： 1哈尔滨市供暖室外计算温度：,tw=-26。由附录12查出，,砖墙的导热系数,0.81Wm,，,内表面抹灰砂浆的导热系数,087Wm,。,根据公式(1-8)、表(1-1)和表(1-2)，得,R。=1/,n+,i/i+1/w,= 1/8.7+0.49,/0.81+0.02/0.87+1/23,=0.786 m,2,W,K=1/R。=1.27 Wm,2,通过计算可见，该外墙围护结构的,实际传热阻,R,。小于最小传热阻,R,。,min,值,。不满足暖通规范规定，故外墙应加厚到两砖半,(620mm),，或采用保温墙体结构型式。,民用建筑节能设计标准,在一个规定年限内，使建筑物的建造费用和经营费用之和最小的围护结构传热阻，称为围护结构的,经济传热阻,。,由于按经济传热阻确定围护结构，需要增加许多基建投资。目前我国尚难立刻实现。,为了节约能源和逐步加强围护结构保温措施，建设部1986年制订了民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)。,标准中规定了不同地区供暖居住建筑围护结构平均传热系数的最大值和一些具体要求,，从总体控制供暖的能耗,。,第五节 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，被加热后逸出。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,冷风渗透耗热量,Q,2,。,冷风渗透耗热量，在设计热负荷中占有不小的份额。,影响冷风渗透耗热量的因素,影响冷风渗透耗热量的因素有门窗构造、门窗朝问、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。,总的来说，对于,多层(六层及六居以下)的建筑物,，由于房屋高度不高，在工程设计中，冷风渗透耗热量主要考虑,风压,的作用，可忽略热压的影响。对于,高层建筑，应考虑风压和热压的综合作用,。,计算冷风渗透耗热量的常用方法,缝隙法,：,对多层建筑，可通过计算不同朝向的门、窗缝隙长度以及从每来长缝隙渗入的冷空气量，确定其冷风渗透耗热量。这种方法称为缝隙法。,每米长缝隙渗入的空气量,L 的确定：可采用表17的实验数据。,换气次数法,百分数法,经门、窗缝隙渗入室内的总空气量,VL* l* n m,3,h (119),式中 L： 每米门、窗缝隙渗入室内的空气量，按当地冬季室外平均风速，采用表17的数据，m,3,h,m,l ： 门、窗缝隙的计算长度，m,n： 渗透空气量的朝向修正系数。,门、窗缝隙的计算长度,当房间仅有,一面或相邻两面外墙,时，,全部计入,其门、窗可开启部分的缝隙长度；,当房间有,相对两面外墙,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,风量较大的两面,的缝隙。,冷风渗透耗热景,Q2,Q,2,0278 V,W,c,p,(tn- tw,) w (1-20),式中,V： 经门、窗缝隙渗入室内的总空气量m,3,h,W,： 供暖室外计算温度下的空气密度，kgm,3,c,p,： 冷空气的定压比热，c1kJkg，,0.278： 单位换算系数，1kJh=0278W,二、用,换气次数法,计算冷风渗透耗热量 用于,民用建筑,的概算法,在工程设计中，也有按房间换气次数来估算该房间的冷风渗透耗热量。,Q,2,=0.278n,k,V,n,c,p,W,(tn-t,w,) w （1-21）,式中,V,n,：房间的内部体积，m,3；,；,n,k：,：房间的换气次数，次h，可按表18选用。,其它符号同前。,三、用,百分数法,计算冷风渗透耗热量用于,工业建筑,的概算法,由于工业建筑房屋较高，室内外温差产生的热压较大，冷风渗透量可根据建筑物的高度及玻璃窗的层数，按表19列出的百分数进行估算。,