建筑环境与能源应用工程毕业设计

1 前言
1.1 选题的目的及意义
随着我国经济的发展，居民对生活水平程度越来越重视，因此不管是城区供热还是城镇供热，对供热都越来越重视。

因此，研究供热系统就显得越来越重要。

同时大学四年也接触到了很多关于供热，管网设计的知识，因此正可以借这次机会检验一下自己的所学，为以后的工作和学习奠定基础。

1.2 研究现状
随着国民经济和工农业生产的迅速发展及人民生活水平的不断提高，我国的供暖和集中供热事业得到了迅速的发展。

就目前情况来看，在东北、西北、华北地区，大部分民用建筑和工业企业都装设了供暖设备和集中供热系统，许多城镇实现了集中供热。

因此能源的消耗量在不断增加，能源紧缺的问题也日趋严重。

所以我国已经把能源与环境保护集中供热列入发展国民经济的战略重点。

1.3 国内集中供热发展状况
我国集中供热发展到今天，经历了从无到有、从小到大、从弱到强、艰苦奋斗、竞争发展的历程。

我国传统的集中供热主要采取热电联产、区域联合供热和小区锅炉房供暖等几种方式。

从20世纪40年代至今, 近60年的历史大致分为4个阶段：单纯利用阶段—单纯管理阶段—基础建设阶段—综合发展阶段。

20世纪80年代以前，从北方采暖地区大城市来看，以分散锅炉房供暖比重最大。

据对29个大中城市集中供热方式的统计显示, 分散锅炉房供热占我国总供暖面积的84%，其中90%以上的锅炉房的容量一般只维持在7MW以下的水平。

20世纪80年代以后，进入到综合发展阶段。

热电联产、热交换站以及相配套的尖峰锅炉房等集中供热系统在许多城市相继建成。

建设部综合财务司2004年6月发布的“2003年城市建设统计公报”显示，2003年集中供热取得新成绩，据统计集中供热面积18.9 亿m2，比2002年增长21.2%。

许多城市的大型热源已不止一个，如北京、沈阳等集中供热系统较发达的城市，已经实现初级多热源并网运行[i]。

1.4 国外集中供热发展状况
国外的集中供热发展大致分为4个阶段：单纯管理阶段—基础建设阶段—综合发展阶段
—自动化控制阶段。

在综合发展阶段开始投入实时监测系统的建设，人工调整配合，最后发展到远程控制、无人值守热力站，实现自动化控制。

美国、日本、俄罗斯(包括前苏联)、丹麦、瑞典、德国等国是集中供热发展很快的国家，从设备、技术、管理等诸方面都居世界领先的水平，其中日本、丹麦、挪威将天然气、油、垃圾、生物能、热泵等作为集中供热的主要热源，社会效益、节能效益、经济效益明显。

美国是世界第一个冷热联供系统在Harford City 建成并投入运行的国家。

20世纪70年代纽约世界贸易中心采用新技术向建筑物群集中供冷供热，成为当时世界上规模最大的供冷供热工程。

目前美国有众多的学者从事有关区域供冷供热方面的研究，并在多项技术上保持优势。

近年来，日本集中供热(冷)系统发展速度也较快，特别是以东京为中心的关东地区尤为明显，已占日本全国的60% 。

日本集中供热(冷) 系统比较注重节能和环保，如采用热电供给系统、蓄热槽及利用城市废热作为能源等，以提高能源的利用效率。

考虑到保证能源的稳定供应和应对地球温暖化等环境问题等，日本今后期望朝扩大应用、开发新能源等方向发展。

俄罗斯(包括前苏联)作为世界大国，由于受地理环境的影响,发展供热系统较早，也比较完善。

其集中供热事业无论是从热负荷量、热网的规模、热电厂的层次和效益，还是从供热综合技术各方面来衡量，在国际上都占有极其重要的地位，是世界上集中供热最发达的国家之一，其中莫斯科有世界上最大的热网、最大直径的供热管道、最大功率的热电厂。

德国集中供热总热量为1961万GJ，也是集中供热发展较好的国家。

1.5 研究的内容及预期目标
本次毕业设计的研究的内容为厂区供暖系统，主要目的是通过热负荷的计算方案的选择计算出所需的散热片数量。

通过对供热管路的设计使冬天室内温度保持20℃。

2 供暖系统
2.1 供暖系统简介
众所周如，供暖就是用人工方法向室内供给热量，保持一定的室内温度，以创造适宜的生活条件或工作条件的技术。

所有供暖系统都有热媒制备（热源）、热媒的输送和热媒利用（散热设备）三个主要部分构成。

根据三个主要组成部分的相互位置关系来分，供暖系统可分为局部供暖系统和集中式供暖系统。

热媒制备、热媒输送和热媒利用三个主要部分在构造上都在一起的供暖系统，称为局部供暖系统，如烟气供暖，电热供暖和燃气供暖等。

热源和散热设备分别设置，用热媒管道连接，由热源向各个房间或各个建筑物供给热量的供暖系统，称为集中供暖系统[ii]。

图2-1是集中式热水供暖系统的示意图。

热水锅炉1与散热器2分别设置，通过热水
1-热水锅炉；2-散热器；3-热水管道；4-循环水泵；5-膨胀水箱
图2-1 集中式热水供暖系统的示意图
管道(供水管和回水管)3相连接。

循环水泵4使热水在锅炉内加热，在散热器冷却后返回锅炉重新加热。

图2-1中的膨胀水箱5用于容纳供暖系统升温时的膨胀水量，并使系统保持一定的压力。

图中的热水锅炉，可以向单幢建筑物供暖，也可以向多幢建筑物供暖。

集中供暖系统主要由热源、传输管网、散热设备等部分组成。

因此，在解决供暖系统存在的问题时应全面考虑，任何单方的努力都将限制供暖行业的发展，只有供暖行业的管理部门、企业、设计单位、施工单位、运行管理单位联合起来，我国的供暖事业才能不断地向前发展，才能满足国家对热改的要求。

我国现有的城市集中供热系统，由于技术和装备水平低，加之管理体制的影响，存在
很多问题，集中表现在下列方面：供热质量差，冷热不均、运行方式不合理，能源浪费、规划设计水平低，制约节能工作的落实、墙体保温措施不好，造成能源流失。

通过合理的设计可以减少这些问题。

2.2 心得体会
毕业设计是大学阶段最后但同时也是最为重要的一项教学内容，是对四年中所学知识的总结与综合运用，也是对本专业基础理论课和专业课内容的深化与实践。

毕业设计还要求必须深刻理解并灵活运用国家的有关政策、标准、规范，结合设计题目这一具体实际，提出、分析并解决问题，系统的掌握设计步骤、方法等，为今后走上工作岗位，从事有关的设计、施工等具体实践工作或者在学校继续深造奠定良好的基础。

特别是设计题目中所涉及到的高层建筑采暖设计、热网间接连接等具体问题，是以往的课程设计所未接触过的，更应引起高度重视。

3 原始资料
3.1 设计内容及平面图
所设计的住宅区地下楼高两层，地上楼高二十九层，楼高88.800m。

该住宅区包括地下一层（362.8m2），首层建筑面积（948.57m2），二层建筑面积（1066.88m2），标准层建筑面积（371.72m2），出屋面楼梯间及电梯机房（53.12m2），总建筑面积(12467.81 m2)。

住宅区平面图见附录1。

3.2 工程概况
本设计为某住宅区供暖系统设计，该住宅区包括地下两层，地上一到二十九层，为保证住宅区的温度达到满足人们生活所需要的温度，给居民提供一个舒适的环境，且保证节省资源，应设计合理的供暖系统。

3.3 设计参数
1．供暖室外计算温度w t=–12℃；
2．室内计算温度 n t =18℃（民用卫生间室内计算温度25℃）；
3．供暖天数 N =180天；
4．供暖期日平均温度 pj t =–5.7℃；
5．最大冻土深度 77cm ；
6．冬季室外平均风速及主导风向 v =2.6 m /s 北北西；
4 住宅区供暖系统热负荷的计算
4.1 供暖系统热负荷
供暖热负荷，就是在某一时间内为了维持一个房间或一个建筑物的室内温度达到采暖设计所需要的标准时，散热设备在单位时间内需要补充给它的热量。

冬季，人们为了满足生活和生产的需要往往要求室内或者工作地区保持一定的温度，为了使房间内的空气温度，在某一段时间能达到要求的数值，必须有散热设备补给热量，此热量称为该房间的供暖热负荷。

供暖系统的设计热负荷，一般可分几部分进行计算
'''''1?1?23
j x Q Q Q Q Q =+++ 式中：'1?Q j —围护结构的基本耗热量
'1?x Q —围护结构的附加耗热量
2Q —冷风渗透耗热量
3Q —冷风侵入耗热量
4.2 住宅区热负荷计算
由于地下一层为设备层，地下二层为仓库，故负一层与负二层不需要采暖。

在计算首
层热负荷的时候不需要划分地面地带。

一二层为商铺，故采暖另附。

采暖热负荷计算公式
围护结构基本耗热量：''
n w q =KF t -t （） W
式中 K —围护结构的传热系数
F —围护结构的面积
n t —冬季室内计算温度
'
w t —供暖室外计算温度
a — 围护结构的温差修正系数
围护结构的附加耗热量
朝向修正耗热量：
北、东北、西北 0~10%； 东南、西南 -10%~-15%
东、西 -5%； 南 -15%~-30%
风力附加耗热量：
《暖通规范》规定：在一般情况下，不必考虑风力附加，只在不蔽风的高地、河边、
海岸、矿业上的建筑物，以及城镇、厂区内特别高的建筑物，才考虑垂直的外围护结构附加5%~10%。

高度附加耗热量：
《暖通规范》规定：民用建筑和工业辅助建筑物的高度附加了不，当房间高度大于4m
时，每高出1m 应附加2%，但总的附加率不应大于15%。

冷风渗透耗热量：
换气次数法计算公式为：
'
'2k n p w n w Q =0.278n V c p t -t （）
W 式中 n V —房间的内部体积
k n —房间换气次数
冷风侵入耗热量
''3n p w n w Q =0.278V c p t -t W （）
式中 w V —流入的冷空气量
或
''31?j?m Q =NQ W
式中 '1?j?m Q —外门的基本耗热量
N —考虑冷风侵入的外门附加率
4.2.1 住宅区热负荷总计算
见采暖热负荷计算表
5 供热方案的选择
5.1 热媒的选择及参数确定
5.1.1 热媒的分类
供暖系统的常用热媒是水、蒸汽、空气。

供暖系统热媒的选择，应根据安全、卫生经济、建筑形制及地区供热条件等因素综合考虑确定[iii]。

热媒的选用标准如下表6-1所示
表6-1 热媒的选用标准
建筑名称适宜采用允许采用
居民楼、医院、幼儿园托儿所等不超过95℃的热水低压蒸汽；不超过110℃的热水办公楼、学校、展览馆等不超过110℃的热水；低压蒸汽高压蒸汽一般俱乐部影剧院不超过110℃的热水；低压蒸汽不超过130℃的热水
5.1.2 热媒的优缺点比较
以蒸汽作为热媒，与热水相比有如下优点：
1.以蒸汽作为热媒的使用面广，能满足多种热用户的要求。

尤其在生产工艺用热都要
求采用蒸汽来供给热量。

2.汽网中输送蒸汽凝结水所耗的电能少，输送靠自身压力，不用循环系统不用耗电。

3.因温度和传热系数都比水高，可以减少散热设备面积，降低了设备的费用。

4.由于蒸汽的密度很小，可以适用于地形起伏很大的地区和高层的建筑中，输送和使
用过程中不用考虑静压，连接方式简便，运行也很方便。

但是蒸汽介质有如下缺点:
1.热源效率低。

2.蒸汽使用后凝结水回收困难仅除盐水(或软化水)损失大，而且热损失也大。

3.蒸汽在使用和输送过程中损失大`。

4.以蒸汽输送距离短。

以热水作为热媒时一般有如下的优点：
1.热水供热系统的热能利用的效率高。

2.用热水可以改变热水温度来进行供热调节，既可以减少热网的热损失又可以很好的
满足卫生要求。

3.热水供热系统的蓄热能力强，系统中的水量大,水的比热很大。

因此，水力工况和热
力工况短时间的失调时也不会引起供暖状况的很大波动。

4.热水供热系统可以实现远距离输送，其供热半径大[iv]。

蒸汽和凝结水状态参数变化较大的特点是蒸汽供暖系统比热水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，会降低蒸汽供热系统的经济性和适用性。

蒸汽供暖系统散热器表面温度高，易烤炙积在散热器上的灰尘，产生异味，卫生条件较差。

由于上述“跑”、“冒”、“滴”、“漏”影响能耗以及卫生条件等两个原因。

在民用建筑中，不适宜采用蒸汽供暖系统。

在工厂中蒸汽作为供热系统的热媒得到极广泛的应用，生产工艺热负荷与其他热负荷共存时，传热介质的选择尽量只利用一种供热介质，根据个体情况，通过全面的技术经济比较确定热媒。

本设计对象是某住宅区的供暖系统，权衡热水和蒸汽两种热媒的优缺点，本设计的热媒选用热水[v]。

5.2 热媒参数的确定
热水供暖系统按照水的参数的不同，可以分为低温热水供暖系统(水温低于100℃），高温热水供暖系统(水温高于100℃）热水参数越高，输送能力越大，越能节省输送电量。

但温度过高反而不经济。

要提高热水参数则能耗大，设备投资大，所以确定热水温度时，要经过技术经济比较。

查《城市热力网设计规范》：对于以区域锅炉房为热源的热力网，提高供水温度、加大供回水温差，可以减少热力网的流量，降低管网投资和运行费用，而对锅炉运行的煤耗影响不大，从这方面看应提高区域锅炉房供热介质温度。

但当介质温度高于热用户系统的设计温度时，用户入口要增加换热或降温装置，故提高供热介质温度也存在技术经济合理化的问题[vi]。

当不具备确定最佳供回水温度的技术经济比较条件时，推荐的热水热力网供回水温度的依据是：以区域锅炉房为热源时，供回水温度的高低对锅炉房运行的经济性能影响不大。

当供热规模较小时，与户内采暖设计参数一致，可减少用户入口设备投资。

当供热规模较大时，为降低管网投资，宜扩大供回水温差，采用较高的供水温度[vii]。

当供水温度确定以后，回水温度应根据室外管网及内部系统散热设备的基建投资（室内管网的基建投资与用水温度的变化有关），系统运行费用及系统折旧、修理和维护费用总和最小的技术经济比较而确定。

综合考虑热源、热力网、热用户系统等方面因素并进行技术经济比较，确定本设计热媒参数为95/70℃[viii]。

5.3 单双管系统的选择
单管系统与双管系统相比，作用压力计算不同并且各层散热器的平均进出水温度也是不相同的。

在双管系统中，各层散热器的平均进出水温度是相同的；而在单管系统中，各层散热器的进出口水温是不相等的。

越在下层，进水温度越低，因而各层散热器的传热系数K值也不相等。

由于这个影响，单管系统立管的散热器总面积一般比双管系统的稍大些。

在单管系统运行期间，由于立管的供水温度或流量不符合设计要求，也会出现垂直失调现象。

但在单管系统中，影响垂直失调的原因，不是如双管系统那样，由于各层作用压力不同造成的，而是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。

对于三层以上的建筑物，如采用上供下回式的双管系统，若无良好的调节装置，竖向失调状况难以避免[ix]。

综上考虑选择双管系统。

5.4 机械循环和重力循环供暖系统的选择
在机械循环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。

增加了系统的运行电费和维修工作量，但由于水泵所产生的作用压力很大，因而供暖范围可以扩大。

机械循环热水供暖系统不仅可用于单幢建筑物中，也可以用于多幢建筑，甚至发展为区域热水供暖系统。

机械循环热水供暖系统成为应用最广泛的一种供暖系统。

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150m。

此供暖住宅区面积较大，楼层较高，需使用机械循环中泵加压提供动力，因此选择机械循环供暖系统[x]。

5.5 同程式供热系统和异程式供热系统的选择
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。

异程式系统供、回水干管的总长度短，但在重力循环中，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15mm，仍有很多的剩余压力。

初调节不当时，就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。

为了消除或减轻系统的水平失调，供、回水干管走向布置用同程式系统。

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。

环路与通过最远处立管的循环环路的总长度都相等，因而压力损失易于平衡。

由于同程式系统具有上述优点，在厂区式的建筑物中，常采用同程式系统。

但同程式系统管道的金属消耗量，通常要多于异程式系统[xi]。

综合考虑，室内选择同程式供暖系统。

5.6 最终供热方案的选择
对要求热水供应的信大小区需单独确定热水供应方案。

为实现环保的要求，冬季可使用一级网供应热量，结合换热器提供生活热水，供水温度应保持在95℃左右，以减少小型锅炉的污染，节省能源。

而夏季时，则采用专门的热水锅炉房提供生活热水，白天同时可使用太阳能积蓄部分热量，不足的热量可由锅炉房提供，夜间利用白天积蓄的热量与锅炉房配合满足需要[xii]。

由于热水供应量的不确定性，故本设计采用M813型换热器，可兼作储水箱的作用。

综合考虑，本设计采用分户计量采暖系统，户内为水平双管，立管为异程式双管系统。

6 散热器的选型与计算
6.1 散热器的要求
散热器的功能是将供暖系统的热媒(本设计采用热水热媒)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。

提高散
热器的散热量，增大散热器传热系数的方法，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强度等途径。

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.卫生和美观方面的要求，散热器外表光滑，不积灰和易于清扫，散热器的装设不应
影响房间观感。

5.使用寿命的要求，散热器应不易于被腐蚀和破损，使用年限长[xiii]。

6.2 钢制散热器与铸铁散热器的优缺点
钢制散热器与铸铁散热器相比，具有如下一些特点：
1.金属耗量少。

钢制散热器大多数是由薄钢板压制焊接而成。

2.耐压强度高。

铸铁散热器的承压能力一般为0.4—0.5MPa。

钢制板型及柱型散热器
的最高工作压力可达0.8MPa；钢片的承压能力更高，可达1.0MPa。

因此，从承压角度来看，钢制散热器适用于高层建筑供暖和高温水供暖系统。

3.外形美观整洁，占地小，便于布置。

如板型和扁管型散热器还可在外表面喷刷各种
颜色和图案，与建筑和室内装饰相协调。

钢制散热器高度较低，扁管和板型散热器厚度薄，占地小，便于布置。

4.除钢制柱型散热器外，钢制散热器的水容量较少，热稳定性差些。

在供水温度偏低
而又采用间歇供暖时，散热效果明显降低。

5.钢制散热器的最主要缺点是容易被腐蚀，使用生命比铸铁散热器短。

实践经验表明:
热水供暖系统的补水含氧量多或系统水中的氯根含量多的情况下，钢制散热器很易产生内部腐蚀。

此外，在蒸汽供暖系统中不应采用钢制散热器。

对具有腐蚀性气体的生产厂房或相对湿度较大的房间，不宜设置钢制散热器。

由于钢制散热器存在上述缺点，它的应用范围受到一些限制。

因此，铸铁柱型散热器仍是目前国内应用最广的散热器[xiv]。

本设计也采用铸铁柱型散热器。

6.3 散热器的布置
布置散热器时，应注意下列一些规定：
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.为防止冻裂散热器，两道外门之间，不准设置散热器。

在楼梯间或其他有冻结危险
的场所，其散热器应有单独的立、支管供热且不得装设调节阀。

3.散热器一般明装，在内部装修有特殊要求的场合可采用暗装。

4.在垂直单管或双管热水供暖系统中，同一房间的散热器可以串连。

两串连散热器之间的串连管径应与散热器接口的直径相同，以便水流畅通。

5.在楼梯间布置时，考虑楼梯间热流上升的特点，应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（M132型）—20片；柱型（四柱）—25片；长翼型—7片
6.4 散热器的选择
在该设计中，选用四柱813（带腿）散热器。

这种散热器金属热强度及传热系数高，外形美观，易于清除积灰，容易组成所需的面积，便于落地和靠墙安装，因此得到广泛应用。

具体的参数如下表7-1所示（其中传热系数计算公式(7-1)：
293.0503.2t K ∆⨯=； (7-1)
n pj t t t -=∆为散热器热水热媒进出口温度的平均值与室内空气温度的差值(℃)
6.5 供回水温度的计算
设供、回水温度分别为g t 、h t ，住宅区所有散热器的散热量分别为1Q ，2Q ，…即立管的热负荷为：
∑+⋅⋅⋅⋅⋅⋅++=i Q Q
Q Q 2
1
(7-2)
通过立管的流量，按其所担负的全部热负荷计算，可用下式确定：
)
(86
.0)
(187.46.3)
(h g h g h g L t t Q
t t Q t t C Q A G -=-=
-=
∑∑∑ (7-3)
式中
∑Q —立管的总热负荷，kj ；
g t 、h t —立管的供、回水温度；
C —水的热容量，j/(kg.℃)；
A —单位换算系数。

散热器散热面积F 按下式计算：
321t
βββ∆=
K Q
F (7-5) 式中 Q —散热器的散热量（也就是房间内所需的热量），kj ； t ∆—前面提及,℃； K —散热器的传热系数； 1β—散热器组装片数修正系数； 2β—散热器连接形式修正系数；
3β—散热器安装形式散热器组装片数修正系数。

表7-2 散热器组装片数修正系数
每组片数 1β
1-5
0.95 6-10 1.00 11-20 1.05 20以上
1.10
备注：上表仅适用于各种柱式散热器，方翼型和圆翼型散热器不修正，其它散热器需要修正时，见产品说明。

6.6 散热器片数计算
计算结果见采暖热负荷计算表。