第三章 热水供暖系统

第三章热水供暖系统热水供暖系统，可按下述方法分类：1.按系统循环动力区分：可分为靠水的密度差进行循环的重力循环系统。靠机械（水泵）力进行循环的机械循环系统。2.按供、回水方式区分：可分为单管和双管系统。3.按系统管道敷设方式区分：可分为垂直式和水平式系统。4.按热媒温度区分：可分为低温水和高温水供暖系统。我国习惯认为水温低于100℃为低温水，水温高于100℃为低温水。室内热水供暖系统，大多数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采用，设计供、回水温大多采用120～130℃/70～80℃第一节重力（自然）循环热水供暖系统一、重力循环热水供暖的工作原理及其作用压力如假设图3-1的循环路最低点的断面A－A处有一个假想阀门，若突然将阀门关闭，则在断面A－A两侧受到不同的水柱压力。这两方所受的水柱压力差就是驱动水在系统内进行循环流动的作用压力。设P1和P2分别表示A－A断面右侧和左侧水柱压力，则：papa断面A－A两侧之差值，即系统的循环作用压力为（3-1）)()(102101gghghhhhhgphhhgp)(21ghghppp式中：∆P～重力循环系统的作用压力，pag～重力加速度，取9.81m/s2h～冷却中心至加热中心的垂直距离，mρ1～回水密度，kg/m3ρ2～供水密度，kg/m3不同水温下水的密度，可由p319上的附录3-1查出。由（3-1）公式可以看出，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差。如供水温度为95℃，回水为70℃，则每米高度差可产生的作用力为：∆P=gh（ρ1－ρ2）＝9.81×1×（977.81－961.92）＝156pa＝15.9毫米水柱二、重力循环热水供暖系统的主要型式如图所示上供下回式重力循环热水供暖系统管道布置的主要特点：1.系统的供水干管必须有向膨胀水箱方向上升的流向，其反向坡度为0.5％～1.0%,而散热器支管坡度一般为1％，以方便系统中空气顺利排出。因为系统水平干管水流速度小于0.2m/s，而干管中空气气流的浮升速度为0.1～0.2m/s，在支管中浮升速度为0.25m/s，因此空气顺利浮出经系统最高点在膨胀水箱排出。2.系统的回水干管向锅炉方向要有向下坡度（0.5～1.0％），因为这样可以方便空气排除和停止运行时系统积水向锅炉内排空。三、重力循环热水供暖双管系统作用压力的计算如图所示系统两台并联运行的散热器内的作用压力可分别表示如下：∆P1＝gh1（ρh－ρg）pa（3-2）∆P2＝g（h1＋h2）（ρh－ρg）＝∆P1＋gh2（ρh－ρg）pa（3-3）由此可见，通过上层散热器环路的作用压力∆P2比通过底层散热器的作用压力∆P1大。因而在计算上层环路时，必须考虑这个差值。这就是双管系统缺陷，虽然各散热器的进出口水温都一样，但是由于进出口作用压力不一样，而使水流量不同，一般是采用各层选用不同的水管口径来平衡阻力差，如仍不能消除这样差距，则就会出现上热下冷的系统垂直失调现象，楼层越多，这种现象越严重。四、重力循环热水供暖单管系统的作用压力计算由图可见引起重力循环作用压力的高度差是（h1＋h2）米，由散热器冷却后水的密度分别为ρ2和ρh，其循环作用压力值可表达成：∆P=gh1(ρh-ρg)+gh2(ρ2-ρg)pa(3-4)将该式改写成∆P=g（h1+h2）(ρ2-ρg)＋gh1(ρh－ρ2)＝gH2（ρ2－ρg）＋gH1(ρh－ρ2）同理，如有向图3-5所示的循环环路中有N组串连的冷却中心时，可表达如下：pa(3-5)式中：N～循环环路中的冷却中心（散热器）总数i～表示N个中心的顺序数，令沿水流方向最后一组散热器为i＝1。ρg～供暖系统供水的密度，kg/m3hi～从计算的冷却中心到冷却中心（i－1）之间的垂直距离，m；当计算的冷却中心i＝1时，hi表示与锅炉中心的垂直距离，m。ρi～流出所计算的冷却中心的水的密度，kg/m3)()(111iiNiigiNiigHghpHi～从计算的冷却中心到锅炉中心之间的垂直距离，mρi＋1～进入所计算的冷却中心i的水的密度（当i＝N时，ρg＝ρi＋1）从上面的计算式可以看出，单管热水供暖系统的作用压力与水温变化，加热中心与冷却中心的高度差以及冷却中心的个数等因素有关。为了计算单管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，就首先确定各散热器之间管路的水温ti。①现仍以图3-5为例，设供、回水温度分别为tg、tn，建筑物为八层，每层散热器的散热量分别为Q1、Q2Q3,即立管的热负荷为：∑Q＝Q1+Q2+……+Q8w(3-6)②通过立管的水流量，按起所担负的全部热负荷计算，可用下式确定：kg/h(3-7)hghghgLttQttQttCQAG86.0)(187.46.3)(式中：∑Q～立管的总热负荷，wC～水的热容量C=4.187kJ/kg·℃A～单位换算系数（1w＝1J/s=3600/1000kJ/h=3.6kJ/h）tg.tk～立管的供回水温度➂计算流出某一层散热器的水温ti（例如是第二层的t2），就可以根据上述热平衡公式推出先由kg/h（3-8）得℃（3-9）)()()(86.083222832hgggLttQQQQttttQQQG根据上述计算方法，串连N组散热器的系统，流出第i组散热器得水温ti（含沿水流动方向最后一组散热器为i＝1）可按下式计算：℃（3-10）式中：ti～流出第i组散热器的水温，℃～沿流水方向在第i组（包括第i组）散热器前的全市散热器的散热量➃当管路中各管段的水温tg确定后，相应的可确定其密度取值ρi（查表）⑤利用公式（3-5）即可求出单管重力循环系统的作用压力。由水温计算可见单管系统越往下层散热器的进出口水温越低，使其各层散热器的传热系数k值也不相等。因)(hgNiigittQQttNiiQ此单管系统的散热器比双管系统的要大一点。单管系统的垂直失调是指由于各层散热器的传热系数k随各层散热器平均计算温度差的变化程度不同而引起的。热水在管路中流动时水温随散热不断变化，密度变化引起的作用力占重力循环系统中作用力不少比例。计算时需考虑进去。办法是先按（3-2）和（3-5）以散热器为中心的计算得出作用力之后，再根据管路布置形式，长短查p319上的附录3-2得出的一个修正压力的计算方法。∆Pzh＝∆P＋∆Pi（pa）（3-11）式中：∆P～重力循环系统中，水在散热器内冷却所产生的作用力，pa∆Pi～水在循环环路中冷却的附加作用力，pa重力循环系统的作用半径不宜超过50m，一般只在单幢建筑物中使用。【例题3-1】如图3-6所示，设h1＝3.2m，h2＝h3＝3.0m，散热器：Q1＝700w，Q2＝600wQ3＝800w。供水温暖tg＝95℃，回水温度th＝70℃。求：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。计算作用压力时，本题不考虑水在管路中冷却因素。【解】1.求双管系统的重力循环作用压力系统的供、回水温度，tg＝95℃，th＝70℃。查附录3-1得ρg＝961.92kg/m3,ρh＝961.92kg/m3.根据式（3-2）和式（3-3）的计算方法，通过各层散热器循环环路的作用压力，分别为：第一层：第二层：PahhgPPaghPghgh5.966)92.96181.977()0.32.3(81.9))((8.498)92.96181.977(2.381.9)(21211第三层：第三层与底层循环环路的作用压力差值为：∆P＝∆P3－∆P1＝1434.1－498.8＝935.3Pa由此可见，楼层数越多，底层与最顶层循环环路的作用压力差越大。2.求单管系统各层立管的水温根据式（3-10）由此可求出流出第三层散热器管路上的水温℃PahhhgPgh1.1434)92.96181.977()0.30.32.3(81.9))((32135.85)7095(210080095)()(33hgghgNiigittQQttttQQtt相应水的密度ρ3＝968.32kg/m3流出第二层散热器管路上的水温t2为：℃相应的水密度ρ2＝972.88kg/m33.求单管系统的作用压力根据式（3-5）5.78)7095(210060080095)(232hggttQQQttpaHHHggHPpahhhgghPgHghPggghNiiiiggghNigiiNiiiiNigii7.1009)]92.96132.968(2.9)32.96888.972(2.6)88.97281.977(2.3[81.9)]()()([)(7.1009)]92.96132.968(0.3)92.96188.972(0.3)92.96181.977(2.3[81.9)]()()([)()()(3322111332211111＝或＝则重力循环热水供暖系统是最早采用的一种热水供暖方式，已有约200年的历史，至今仍在应用。它的装置简单，运行时无噪音和不消耗电能。但是由于其作用压力小，管径大，作用范围收到限制。重力循环热水供暖系统通常只能在单幢建筑物中应用，其作用半径不宜超过50m。第二节机械循环热水供暖系统机械循环和重力循环系统主要的差别是增设了循环水泵，使运行费用提高，但它的作用半径增大，不仅可以供多幢建筑，而且可以实现区域供暖。机械循环热水供暖系统的主要形式分为：（1）上供下回式双管和单管供暖系统（2）下供下回式双管循环（3）中供式系统（4）下供上回式（倒流式）系统（5）混合式热水供暖系统重点介绍3-7：机械循环系统的特点：1、膨胀水箱的的连接位置：在重力循环系统中它是按在系统的最高点上，而在机械循环里它是安在循环水泵的进口处，也即回水干管末端。因为这里的压力在系统工作和停运时是恒定的，称为压点。2.系统中增加了排气装置因为靠水泵输送的热媒速度要远大于空气泡在水中的浮升速度，为了使气泡不至于被带到立管内形成气塞。供水干管按水流方向设上升坡度（不小于0.002）同时在最高点还要装设排气装置。异程式系统和同程系统1、异程式系统：在供、回水干管走向布置方向通过各个立管的循环环路的总长度不相等（如图3-7）。2、同程式系统：通过各个立管的循环环路的总长度都相等（图3-12）。3、异程式系统供水和回水干管短，在机械循环系统中，因供水半径很大，这样就使水平上连接的立管较多使得各立管的环路压力损失较难平衡。使系统水平失调。同程式系统：因通过各个立管的循环环路总长度都相等，在较大的建筑物中布置时，可消除水平失调，但是为此要多布置管道，金属耗量明显增加。二、水平系统它按供水管和散热器的连接方式可分为：1.顺流式2.跨越式水平式系统与垂直式系统比较具有一下优点：①系统简单，总造价低②管道不用穿过各楼板，安装简单➂可利用顶层辅助空间（如楼梯间）布置膨胀水箱，可使整个建筑美观。但是水平布置在同一层串连的散热器多，容易出现水平失调现象（前热后冷现象）第四节室内热水供暖系统各管路布置和主要设备及附件一、管路布置（请参见图3－20）室内管路布置的好坏直接影响到使用的效果和经济性，应注意如下几点：1.供暖系统的引入口宜设置在建筑物热负荷对称分配的位置上。2.布置时首先应确定供、回水干管的走向，系统分成的支路应尽量合理，避免使各支路的阻力损失差距太大，而不易平衡。3.室内的热水供暖系统管路应尽量明装，尽量布置在墙角上。4.对上供下回式系统，供水干管多设在顶层顶棚下，顶棚的过梁高度应满足距窗户顶部的最小距离不影响开窗。5.回水干路可布置在地面上，地面不容许时可布置在地沟里，但每隔一断距离安有活动盖板