第3章公共建筑供暖设计

第3章 公共建筑供暖工程设计 3.1公共建筑供暖工程设计的基本内容

公共建筑供暖系统的设计与住宅室内供暖系统基本相同，供暖设计热负荷的计算以及供暖系统形式有所不同。设计思路包括收集气象资料、土建资料、热源资料，并根据当地热源情况（集中供热或其他热源）选定适宜的供暖方式和供暖系统。然后根据建筑物的围护结构情况进行供暖热负荷计算、选取散热器、进行散热器及管道的平面布置、绘制管道系统图并进行水力计算（管径选择及阻力计算）、选择附属部件、绘制相应的安装大样，完成采暖工程设计的施工图，撰写课程设计文件。

公共建筑供暖工程设计与住宅的相同点，散热器的计算方法相同。不同点主要一是供暖设计热负荷稍有不同，公共建筑不计户间传热耗热量；二是供暖系统的形式不同，住宅建筑的供暖系统多为双管系统，公共建筑多为单管顺流式系统；三是水力计算方法基本相同，由于供暖系统的形式有别，所以水力计算特点稍有不同。

本章主要介绍公共建筑供暖工程设计与住宅的不同点，主要论述热负荷计算，供暖系统的形式及供暖系统的水力计算。 相关补充资料主要有：

公共建筑节能设计标准（GB50189—2005）；

办公建筑设计规范（JGJ 67—89）中有关暖通空调部分；

3.2 公共建筑供暖设计负荷的计算

供暖系统的设计热负荷主要包括：围护结构传热耗热量（围护结构的基本耗热量和附加耗热量）、冷风渗透耗热量、冷风侵入耗热量。

1．围护结构的基本耗热量由下式计算：

''()n w q KF t t α=- W （3-1） 式中符号同前。修正耗热量的计算同前。 2．围护结构附加（修正）耗热量

围护结构的修正耗热量通常按基本耗热量的百分率进行修正，主要包括朝向

修正、风力附加、外门附加和高度附加耗热量。公共建筑围护结构的附加耗热量和住宅的计算相同，故不再赘述。

3． 冷风渗透耗热量

影响冷风渗透耗热量的因素很多，如门窗构造、门窗朝向、室外风速与风向、室内外空气温差、建筑高度以及建筑内部通道状况等。对于多层建筑，由于房屋建筑不高，在工程设计中，冷风渗透耗热量主要考虑风压的作用。对于高层建筑，则应考虑风压和热压综合作用的结果。

计算冷风渗透耗热量的常用方法有缝隙法、换气次数法和百分数法。 高层建筑的冷风渗透耗热量一般采用缝隙法计算。.缝隙法，通过计算不同朝向的门、窗缝隙的长度以及风压与热压综合作用下，每米长度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。

对于多层和高层民用建筑，加热由门窗缝隙渗入室内的冷空气的耗热量，可按下式计算

()2

0.278L p w n w Q c t t ρ''=- W （3-2）

式中

2

Q '——冷风渗透耗热量，W ；

p

c ——冷空气的定压比热容，p

c =1.005kJ/(kg ·K)；

w ρ——供暖室外计算温度下的空气密度，

（ kg/m3）； L ——渗透冷空气量，m 3/h ；

n

t 、

w

t '——室内、外供暖计算温度，℃；

0.278——单位换算系数，1kJ/h ＝0.278W 。

由式（3-2）可知，在室内外温差一定时，冷风渗透耗热量主要取决于渗透冷空气量L 。渗透冷空气量L （m 3/h ）可根据不同的朝向，并按下式确定

0=b

L lL m （3-3a ）

式中 L 0——在基准高度单纯风压作用下，不考虑朝向修正和建筑物内部隔断情况时，通过每米门窗缝隙进入室内的理论渗透冷空气量 [m 3/(m ·h)]；，按式3-3b 确定。

l ——外门窗缝隙的计算长度（m ），应分别按各朝向可开启的门窗缝隙长度计算；

m ——风压和热压共同作用下，考虑建筑体形、内部隔断和空气流通等因素，不同朝向、不同高度的门窗冷风渗透压差综合修正系数，按式3-3c 确定； b ——门窗缝隙的渗风指数，0.56~0.78b =，当无实测数据时，可取0.67b =；

其中，0b

m L 表示通过每米门、窗缝隙进入室内的实际渗透冷空气量。 1）通过每米门、窗缝隙进入室内的理论渗透空气量L 0

通过每米门窗缝隙进入室内的理论渗透冷空气量L 0，是指在基准高度时单独风压作用下，不考虑朝向修正和建筑隔断情况时，通过每米门窗缝隙进入室内的理论渗透冷空气量按下式计算：

2

010(/2)b w L a v ρ= （3-3b ） 式中1a ——外门窗缝隙的渗风系数，()

3/b m m h Pa ??，当无实测数据时，

可根据建筑外窗空气渗透性能分级的相关标准，按表3-1采用

0 ——基准高度（我国气象部门规定，风速观测的基准高度是010h m

=）冬季室外最多风向下的平均风速，/m s ； 2）冷风渗透压差综合修正系数m 。

实际上通过每米缝隙冷风渗透量影响因素很多，因此，根据理论渗透空气量计算实际渗透冷空气量时，m 是综合考虑在风压和热压共同作用下，不同建筑物体型、内部隔断和空气流通等因素后，不同朝向、不同高度门、窗的冷风渗透压差综合修正系数。

实际的冷风渗透现象，是风压和热压共同作用的结果，处于迎风面的外门窗，由于受风压作用，将使单独靠热压形成的中和面向上移，即渗入空气的楼层数会有所增加。而处于背风面的外门窗，由于室外是负压，将使单独靠热压星形成的中和面下移，则渗入空气的楼层数就会有所减少，如此，就有可能在同一间房内，因朝向不同而渗透风量不等，甚至有的朝向的房间渗入空气，而另一朝向的房间则渗出空气。

《暖通规范》推荐，冷风渗透压差综合修正系数m 值按下式计算：

()1/b r f h m C C n C C =?+ （3-3c ）

式中r C ——热压系数。当无法精确计算时，可按表3-2采用

f C ?——风压系数。当无实测数据时，f C ?可取为0.7。

n ——在纯风压作用下渗风量的朝向修正系数，查实用供热空调设计手

册第二版5.1-8

C ——作用于外门、窗缝隙两侧的有效热压差和有效风压差之比，按式

3-3e 确定。

h C ——外门、窗缝隙所在高度的高度修正系数，按下式计算：

0.4

0.3h C h = （3-3d ） 式中 h ——计算门、窗的中心线标高，m 。 有效热压差与有效风压差之比，按下式计算

()()()20.4

070/273n w z f n C t t h h C v t h ''??=--?+?? （3-3e ） 式中z h ——单纯热压作用下，建筑物中和面的标高（m ），可取建筑物总高

度的1/2；

h ——计算门、窗的中心线标高（m ）。分母中h 是计算风压时的取值。当10h m ≤时，仍应按基准高度10h m =取值。

n t '——建筑内形成热压作用的竖井计算温度（℃），当走廊及楼梯间不供暖时，n

t '按温差修正系数取值，供暖时取为16℃或18℃； 把以上诸式和并，将0.7,0.67f C b ?==代入，得到某朝向的每米外窗、门缝隙的渗风量L ，进而可以计算房间渗风量。

3）门窗缝隙的计算长度l 。门窗缝隙的计算长度l 按各朝向所有可开启的外

门、窗缝隙丈量，目前工程上多以下下述原则确定：

a ．当房间仅有一面或相邻两面外墙时，全部计入其外门窗的缝隙。

b ．当房间有相对两面外墙时，仅计入风量较大一面外墙的门窗缝隙。

c ．当房间有三面外墙时，仅计入风量较大的两面外墙的门窗缝隙。

d ．当房间有四面外墙时，则计入较多风向的1/2围护结构范围内的外门窗缝隙。

把以上诸式和并，将0.7,0.67f C b ?==代入，得到某朝向的每米外窗、门缝隙的渗风量L ，进而可以计算房间渗风量。 4．冷风侵入耗热量

冬季由于建筑物外门频繁开启，在风压和热压的作用下，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

冷风侵入耗热量即外门附加耗热量，可采用外门的基本耗热量乘以表3-3中附加率x m 来计算。外门附加率，只适用于短时间开启的，无热风幕的外门，阳台门不考虑外门附加。

3.3 公共建筑的供暖系统

自2000年我国住宅建筑实施供热分户计量技术以来，住宅建筑的供暖系统形式发生了较大的变化，不同于公共建筑供暖系统形式。公共建筑供暖系统形式与既有住宅建筑的供暖形式相似，多为垂直式系统。这里主要介绍公共建筑供暖系统的形式。

3.3.1机械循环热水供暖系统的分类

1.按供回水方式不同，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，并顺序地在各个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的分配给多组散热器，冷却后的回水自每个散热器直接沿回水立管或水平立管或水平回水管流回热源的系统，称为双管系统。

2.按管道敷设方式不同，可分为垂直和水平式系统。

3.按热媒温度不同，可分为低温水供暖系统和高温水供暖系统

在我国，习惯认为：水温低于或等于100℃的热水，称为低温水，水温超过100℃的热水，称为高温水。室内热水供暖系统,大多采用低温水作为热媒。本设计采用低温水(95℃/70℃)作为热媒。

3.3.2 供暖系统的形式

机械循环热水供暖系统的形式见表3-4。

机械循环热水供暖系统表3-4

1 双管

上供

下回

式

室温有调

节要求的

四层以下

建筑.

·最常用的双管

系统做法

·室温可调节

·易产生垂直失

调

2 双管

下供

下回

式

室温有调

节要求且

顶层不能

敷设干管

时的四层

以下建筑

·缓和了上供下

回式系统的垂

直失调现象

·安装供、回

水干管需设置

地沟

·室内无供水

干管，顶层房间

美观

·排气不便

3 双管

中供

式

顶层干管

无法敷设

或者边施

工边使用

的建筑

·可解决一般供

水干管挡窗问

题

·解决垂直失

调比上供下回

有利

·对楼层、扩

建有利

·排气不利

4 双管

下供

上回

式

热媒为高

温水室温

有调节要

求的四层

以下建筑

·对解决垂直

失调有利

·排气方便

·能适应高温

水热媒，可降低

散热器表面温

度，降低散热器

传热系数．浪

费散热器

5 垂直

单管

顺流

式

一般多层

建筑

·常用的一般单

管系统做法

·水力稳定性好

·排气方便

·安装构造简单

6 分层

式

高温水热

源

·入口处设换热

装置造价高

7

双水箱分层式低温水热

源

·管理较复杂

·采用开式水

箱，空气进入

系统，易腐蚀

管道

公共建筑多选用垂直单管顺流式或单、双管混合式热水供暖系统，供暖系统

形式的选择可参照下述原则：

1．三层和三层以下的建筑，且有室温调节要求宜采用双管系统；

2．三层以上建筑，宜采用垂直单管顺流式或单、双管混合式；

3．单层建筑宜采用水平单管串联式，当串联管管径d大于32mm时，可采用跨越式；

4．建筑物高度超过50m时，宜竖向分区供热。—根垂直立管供暖层数一般不

超过十一层，立管管径不大于32mm为宜。

供暖系统还有同程式和异程式两种系统，其中同程式系统的特点是通过各个立管的循环环路的总长度相等，压力损失易于平衡，虽然不会出现远近立管处出现流量失调而引起的水平方向上冷热不均现象，但是会比较浪费管材，对于作用半径较小的建筑会造成不必要的浪费。双管系统也是浪费管材，在系统的平衡上也不会有太大的改变；异程式系统供回水干管的总长度短，在此机械循环系统中，由于作用半径较小，连接立管较多，通过各立管环路的压力损失较难平衡。但可在靠近总立管最近的立管，选用较小管径，消除一些剩余压力，剩下的可以在立管加调节阀来达到水力平衡的目的。

实际中应根据建筑的特点采用合适的系统，使其既不浪费管材，也容易达到平衡。

3.4供暖系统的水力计算

3.4.1热水供暖系统管路水力计算

室内热水供暖系统管路水力计算的基本原理和水力计算的任务同住宅供暖系统。

热水供暖系统中的计算管段的压力损失，可用下式表示：

j j y Rl ?P +=?P +?P =?P Pa (3-4) 管路的水力计算从系统的最不利环路开始，也即从允许的比摩阻R 最小的一个环路开始计算。由n 个串联管段组成的最不利环路，它的总压力损失为n 个串联管段压力损失的总和。

∑∑∑==?+=?n

l

n

l

zb zh n

l

j Rl G A P Rl P 2

)(ζ Pa （3-5）

式中符号同前。

为了各循环环路易于平衡，最不利环路的平均比摩阻pj R 值一般取60—120Pa /m 为宜。

3.4.2 热水供暖系统管路水力计算的方法

一般设计选用等温降的水力计算方法。等温降计算法的特点是预先规定每根立管（对双管系统是每个散热器）的水温降，系统中各立管的供、回水温度都取相同的数值，在这个前提下进行流量计算。这种计算方法的任务：一种是已知各管段的流量，给定最不利各管段的管径，确定系统所必须的循环压力；另一种是根据给定的压力损失，选择流过给定流量所需要的管径。

1.最不利循环环路或分支环路的平均比摩阻R pj ：

l

P

a R pj ∑?=

Pa/m (3-6) 式中 P ?——最不利循环环路或分支环路的管路的循环作用压力，Pa ；

l ∑——最不利循环环路或分支环路的管路总长度，m ；

a ——沿程损失约占总压力损失的估计百分数。

2.根据各管段的热负荷，求出各管段的流量：

G =

'-'=

??

? ??'-'?h

g h g t t Q

t t Q 86.010187.436003 （3-7） 式中 Q ——管段的热负荷，W ；

'

g t ——系统的设计供水温度，℃；

'

h t ——系统的设计回水温度，℃。

3.根据公式计算出的R pj 及环路中各管段的流量，利用水力计算图表，可选出最接近的管径，并求出最不利循环环路或分支环路中管段的实际压力损失和整

个环路的总压力损失值。

4.当系统的最不利循环环路的水力计算完成后，即可进行其它分支循环环路的水力计算。在实际设计过程中，为了平衡各并联环路的压力损失，往往需要提高近循环环路繁殖管段的比摩阻和流速。但流速过高会产生噪音。《暖通规范》规定：最大允许的水流速，民用建筑不应大于1.2m/s。

总之，一个良好的供暖系统的水力计算，应使各立管的资用压力值不要变化太大，以便与选择各立管的合理管径。为此，在水力计算中，管路系统前半部供水干管的比摩阻R值，宜选用稍小于回水干管的R值；而管路系统后半部供水干管的R值，宜选用稍大于回水干管的。

3.4.3水力计算的计算步骤

1．在轴侧图上，进行管段编号并注明各管段的热负荷和管长；

2．确定最不利环路，一般取通过最远立管的环路作为最不利环路；

3．计算最不利环路各管段的管径及阻力损失，并验算热力入口处的富裕压力。

4．求最近立管与最远立管环路的阻力损失平衡，并调整相应管径，使其在 以内。

5%

5．计算其余干管的资用压力，确定其他立管管径。

6．求各立管的不平衡率，不平衡率应在10%以内。

3.5工程设计实例

图3-1 建筑平面图

3.5.1 设计资料

1．土建原始资料本设计为北京市某办公楼散热器采暖系统，建筑平面图如图