建筑采暖系统

第6章建筑采暖系统
0.采暖系统概述
1.采暖系统的分类与选择
2采暖系统的热负荷与计算
3.热源
4.采暖设备及附件
6.0 采暖系统概述
1.建筑采暖系统：为了维持建筑物室内所需的空气温度而向其供给相应的热量所需的工程设施。

2.建筑采暖系统的任务和目的：满足人们日常生活和社会生产所需要的大量的热能。

3.建筑采暖工程的应用历史
19世纪初期，开始用锅炉产生的蒸汽或热水来采暖。

1877年，美国建成了区域采暖系统。

二战后，区域采暖技术得到普遍应用（俄罗斯和东欧以热电厂作为热源，美国和西欧以区域锅炉房为主）
我国，解放后得到较大发展，主要热源为热电厂、区域锅炉房和分散锅炉房。

6.1 采暖系统的分类与选择
6.1.0 采暖系统组成与分类
6.1.1 热水采暖系统
6.1.2 高层建筑热水采暖系统
6.1.3 蒸汽采暖系统
6.1.4 热风采暖系统
6.1.5 辐射采暖
6.1.6 采暖系统热媒的选择
6.1.7 采暖系统的管路布置和敷设
6.1.0 采暖系统组成与分类
所有采暖系统都是由以下三个主要部分组成：
（1）热源：使燃料燃烧产生热，将热媒加热成热水
或蒸汽的部分，如锅炉房、热交换站等。

（2）输热管道：供热管道是指热源和散热设备之间
的连接管道，将热媒输送到各个散热设备。

（3）散热设备：将热量传至所需空间的设备，如散
热器、暖风机等。

6.1.0 采暖系统组成与分类
● 1.按热媒种类分类
●热水采暖系统：以热水为热媒，主要用于民用建筑。

●蒸汽采暖系统：以水蒸气为热媒，主要用于工业建筑。

●热风采暖系统：以热空气为热媒，主要用于大型工业车间。

● 2.按设备相对位置分类
●局部采暖系统：热源、热网、散热器三部分在构造上合在一起的采暖系统，如火炉
采暖、煤气采暖和电热采暖。

●集中采暖系统：热源和散热设备分别设置，用热网相连接，由热源向各个房间或建
筑物供给热量的采暖系统。

●区域供暖系统：以集中供热的热网作为热源，用以满足一个建筑群或一个区域供暖
用热需要的系统。

它的供热规模比集中供暖要大得多，实质上它是集中供暖的一种
形式。

6.1.1 热水采暖系统
低温热水采暖系统 & 高温热水采暖系统
●低温热水采暖系统：水温≤100℃。

●供回水温度多采用95/70 ℃；新型采暖系统供回水温度60/40℃，50/ 30℃。

●低温水供暖系统卫生条件较好，目前广泛用于民用建筑。

●高温热水采暖系统：水温＞100℃。

●高温水采暖系统用在生产厂房，采用120～130／70～80℃。

单管系统
●热水经供水管顺序流过多组散热器，并顺
序地在各散热器中冷却的系统。

●立管上的散热器串联起来形成构成一个循
环环路，从上到下各层散热器的进水温度
不同，每组散热器的热媒流量不能单独调
节。

双管系统
●热水经供水管平行地分配给多个散热器，冷却后的回水自每个
散热器直接沿水管回流到热源的系统。

●每组散热器都能组成一个循环环路，每组散热器的供水温度基
本上是一致的，各组散热器可自行调节热媒流量，互相不受影响。

垂直式系统& 水平式系统
重力(自然)循环系统 & 机械循环系统
重力循环系统：依靠供水与回水的密度差进行循环的系统。

机械循环系统：靠机械力(水泵压力)进行水循环的系统。

重力(自然)循环热水采暖系统
1、工作原理：在系统工作之前，先将系统中充满冷水。

当水在锅炉内被加热后，它的密度减小，同时受着从散热器流回来密度较大的回水的驱动，使热水沿着供水干管上升，流入散热器。

在散热器内水被冷却，再沿回水干管流回锅炉。

这样，水连续被加热，热水不断上升，在散热器及管路中散热冷却后的回水又流回锅炉被重新加热，形成如图箭头所示的方向循环流动。

重力(自然)循环热水采暖系统
2、循环动力：锅炉与散热器的供水、回水温度差而形成的密度差所产生的作用压力。

设P1和P2分别表示A —A 断面右侧和左侧的水柱压力，则 P1=g(h0ρh+h ρh+h1ρg) P2=g(h0ρh+h ρg+h1ρg)
断面A —A 两侧之差值，即系统的循环作用压力为 ΔP=P1-P2=gh(ρh-ρg) (6－3)
由式（6-3）可见，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密度差。

如供回水温度为95℃/70℃，则每米高差可产生的作用压力为gh(ρh-ρg)=9.81×(977.81-961.92) =156(Pa)
重力(自然)循环热水采暖系统 3、自然循环热水系统的排气：水流慢，水平干管中水流
速<0.2m/s ；而干管中空气气泡的浮升速度为0.1～0.2m/s ，立管中为0.25m/s ；所以水中的空气能逆着水流方向向高处聚集。

因此，上供下回式自然循环热水供暖系统系统的供水干
管必须有向膨胀水箱方向上升的坡向，坡度为0.005～0.01。

散热器支管的坡度一般取1％。

回水干管应有向锅炉方向的向下坡度0.005～0.01。

重力(自然)循环热水采暖系统 4、特点：
重力循环双管系统：由于各层散热器与锅炉间形成独立的循环，因而随着从上层到下层，散热器中心与锅炉中心的高差逐渐减小，各层循环压力也出现由大到小的现象，上层作用压力大，因此流过上层散热器的热水流量大于实际需求量，流过下层散热器的热水流量小于实际需求量。

这样会造成上层温度偏高，下层温度偏低。

楼层越多，失调现象越严重。

重力循环单管系统：不存在垂直失调问题，但在单管系统中，存在从上到下各楼层散热器的进水温度不同，且每组散热器的热媒流量不能单独调节的弊端。

h h o A
2
L P A R P 4
10i=0.5%~1%(a)11
9
(b)7h 1
3
I 51
I 56
1
34
i=0.5%~1%
82
重力(自然)循环热水采暖系统
5、应用：
由于自然压头的数值很小，所以能克服的管路阻力也很小，为了保证输送所需的流量，又避免系统的管径过大，则要求作用半径(总立管至最远立管的水平距离)不宜超过50m，且锅炉中心与最低散热器中心的垂直距离一般不小于2.5~3m。

因此，只有建筑物占地面积小，且可能有在地下室、半地下室或就近较低处设置锅炉时，才可采用重力循环热水采暖系统。

实际工程中，设备的安装位置和供回水的温度均有一定限度，自然循环的作用压力是很小的，这种重力循环热水供暖方式只适用于作用半径不大的小型低层建筑。

目前，在集中采暖时很少使用。

机械循环系统热水采暖系统
机械循环热水采暖系统与自然循环热水采暖系统的主要区别：
系统中设置循环水泵，靠水泵提供的机械能使水在系统中循环。

1、工作原理：系统中的循环水在锅炉中被加热，通过总立管、干管、支管到达散热器。

水沿途散热有一定的温降，在散热器中放出大部分所需热量，沿回水支管、立管、干管重新回到锅炉被加热。

2、排气：水流速度常常超过了自水中分离出来的空气气泡的浮升速度。

为了使气泡不致被带入立管，在供水干管内要使气泡随着水流方向流动，应按水流方向设上升坡度。

气泡聚集到系统的最高点，通过在最高点设排气装置．将空气排至系统以外。

供水及回水干管的坡度，宜用0.003，不得小于0.002。

回水干管的坡向与重力循环系统相同，目的是使系统内的水能全部排出。

机械循环系统热水采暖系统
2、机械循环热水系统的排气：水流速度常常超过了自水中分离出来的空气气泡的浮升速度。

为了使气泡不致被带入立管，在供水干管内要使气泡随着水流方向流动，应按水流方向设上升坡度。

气泡聚集到系统的最高点，通过在最高点设排气装置．将空气排至系统以外。

供水及回水干管的坡度，宜用0.003，不得小于0.002。

回水干管的坡向与重力循环系统相同，目的是使系统内的水能全部排出。

机械循环系统热水采暖系统
3、主要类型：
（1）垂直式：上供上回、上供下回、下供上回、下供下回、中供
（2）水平式：水平顺流式、水平跨越式
（3）同程式、异程式
上供上回式热水采暖系统
供水干管和回水干管均敷设在散热设备的上方。

该系统适于地面和地下无法设置管道的情况，一般多用于工业厂房。

主要问题是泄水困难，并注意解决好供、回水管的排气。

上供下回式热水采暖系统
供水干管布置在所有散热器上方，而回水干管在所有散热器下方。

特点：以水泵所产生的扬程为动力，克服流动阻力，造成水在系统内循环流动。

各层散热器并联在立管上，可用支管上的阀门对散热器进行单独调节。

但自然循环作用压力的影响仍存在，上层散热器环路作用压力大，底层环路作用压力小，上下层环路的阻力往往难于平衡，以致上热下冷的热力失调现象仍很严重。

下供上回式热水采暖系统
供水干管设在下部，回水干管设在上部，水自下而上流动，因此也称倒流式。

图中左侧为双管系统，右侧为单管系统。

下供上回式系统的水流方向与空气浮升方向一致，利于排除空气。

供水干管敷设在下部，承受的静压力高，利用高温水供暖。

散热器下进上出的供水方式，平均计算水温较低，相对上进下出式会增加散热面积。

下供下回式热水采暖系统
该系统一般适用于平屋顶建筑物的顶层难以布置干管的场合，以及有地下室的建筑。

当无地下室时，供、回水干管一般敷设在底层地沟内。

系统的供回水干管都敷设在底层散热器下面，系统内空气的排除较为困难。

排气方法主要有两种：一种是通过顶层散热器的冷风阀，手动分散排气；另一种是通过专设的空气管，手动或集中自动排气。

中供式热水采暖系统
它适用于顶层无法设置供水干管或边施工边使用的建筑。

水平供水干管布置在系统的中部。

这种系统减轻了上供下回系统楼层过高易引起的垂直失调的问题，同时可避免顶层梁底高度过低致使供水干管挡住窗户而妨碍开启等的问题。

水平顺流式热水采暖系统
水平顺流式系统是由一条水平管道将同一层的几种散热器串联在一起的敷设方式，也称水平串联式。

图中上部的连接方式，每组散热器需要单独排气；图中下部的连接方式增加了空气管，空气通过集中的排气装置排放。

这种连接方式的水平联管受热伸长时接头易漏水，可在适当的位置设置补偿器，或利用自然弯补偿。

水平跨越式热水采暖系统
水平跨越式系统是在同一层的几组散热器下部敷设一条水平管道，用支管分别与每组散热
器连接，也称水平并联式。

水平跨越式系统的每组散热器可以通过进水支管上的阀门来调节热媒流量。

同程式系统热水采暖系统
循环环路是指热水从锅炉流出，经供水管到散热器，再由回水管流回到锅炉的环路。

如果一个热水采暖系统中各循环环路的热水流程长短基本相等，称为同程式热水采暖系统；热水流程相差很多时，称为异程式热水系统。

在较大的建筑物内宜采用同程系统。

同程式系统特点：
采用同程式系统消除或减轻系统的水平失调。

通过各个立管的循环环路的总长度都相等。

压力损失易于平衡；金属消耗量多。

异程式系统热水采暖系统
靠近总立管的分立管，其循环环路较短；而远离总立管的分立管，其循环环路较长。

各个环路水头损失不相等，最远环路与最近环路之间的压力损失相差也很大，压力平衡很困难，最终导致热水流量分配失调，靠近总立管的供水量过剩，系统末端供水不足的现象。

6.1.2 高层建筑热水采暖系统
1、高层建筑热水供暖系统特点
（1）随着建筑高度的增加，静水压力随之上升。

为了适应设备、管材的承压能力，建筑物高度超过50m时，宜竖向分区供暖，上层系统采用隔绝式连接。

（2）建筑高度的上升，会导致系统垂直失调问题加剧。

为减轻垂直失调，一个垂直单管供暖系统所供层数不宜大于12层。

2、高层建筑热水供暖系统方式
（1）竖向分区系统
（2）双线式系统
（3）单、双管混合式系统
（1）竖向分区系统
●在高度方向分成两个或两个以上的系统。

●这种系统的热源多为集中供热的热网。

●供暖系统与热网的连接具体形式有两种。

（1）当外网为高温水时，上层系统设水加热器，下层系统与外网直接连接的分区式。

（2）当外网为低温水，用水加热器不经济时，可采用双水箱分区式。

上层系统也与外网直连，当外网水压低于系统静压时，可在供水管上设水泵加压，利用供水与回水两个水箱的高差使水在上层系统中循环。

特点：与设水加热器分区式比，设备简化，造价降低，减少了运行管理费，但开式水箱易引起管道与设备的锈蚀。

（2）双线式系统
●垂直式双线单管热水供暖系统
●散热器立管由上升立管和下降立管组成，因此，各层散热器的平均温度近似地可以认
为相同，这样非常有利于避免系统垂直失调。

●垂直双线系统的每一组形单管式立管最高点处应设置排气装置。

●由于立管的阻力较小，容易产生水平失调，可在每根立管的回水管上设置孔板来增大
阻力，或用同程式系统达到阻力平衡。

（2）双线式系统
●水平式双线单管热水供暖系统
●该系统可分层调节，并通过设置的节流孔板使各环路阻力平衡。

因此在解决水平失调与
垂直失调方面均取得较好的效果。

双线式采暖系统不能解决下部散热器超压的问题。

（3）单、双管混合式系统
●将散热器自垂直方向分为若干组，每组包
含若干层，在每组内采用双管形式，而组
与组之间则用单管连接，这样就构成了单、
双管混合式系统。

●特点：避免了双管系统在楼层过多时出现
的严重竖向失调现象。

有的散热器还能局
部调节，单、双管系统的特点兼而有之。

6.1.3 蒸汽采暖系统
●1、蒸气采暖系统的工作原理
●水在锅炉中被加热成具有一定压力和温度的蒸汽，蒸汽靠自身压力作用通过管道流入
散热器内，在散热器内放出热量后，蒸汽变成凝结水，凝结水靠重力经疏水器后沿凝结水管道返回凝结水箱内，再由凝结水泵送入锅炉重新被加热变成蒸汽。

6.1.3 蒸汽采暖系统
●2、蒸气采暖系统的分类
●按照供汽压力的大小，将蒸汽采暖分为三类：
●（1）高压蒸汽采暖：供汽的表压力高于70kPa；
●（2）低压蒸汽采暖：供汽的表压力等于或低于70kPa；
●（3）真空蒸汽采暖：当系统中的压力低于大气压力。

●按干管布置方式的不同：上供式、下供式、中供式。

●按立管布置特点的不同：单管式、双管式。

●按回水动力的不同：重力回水、机械回水。

●3、蒸气采暖系统的特点
●4、蒸气采暖系统和热水采暖系统的比较（1）双管上供下回式
重力回水上供下回式
机械回水上供下回式
室内蒸汽干管与凝结水干管同时敷设在地下室或特设地沟。

（3）双管中供式
该系统采用单根立管，可节省管材，蒸汽与凝结水同向流动，
不易发生水击现象，但低层散热器易被凝结水充满，散热器
内的空气无法通过凝结水干管排除。

高压蒸气采暖系统
与低压蒸汽供暖相比，高压蒸汽供暖有下述技术经济特点：
（1）高压蒸汽供气压力高，流速大，系统作用半径大，但
沿程热损失亦大。

对同样热负荷所需管径小，但沿途凝水排
泄不畅时会水击严重。

（2）散热器内蒸汽压力高，因而散热器表面温度高。

对同样热负荷所需散热面积较小；但易烫伤人，会烧焦落在散热器上面的有机灰尘发出难闻的气味，安全条件与卫生条件较差。

（3）凝水温度高。

应用：高压蒸汽供暖多用在有高压蒸汽热源的工厂里。

3、蒸气采暖系统的特点
①蒸汽采暖系统的散热器表面温度高。

②蒸汽采暖系统的热惰性很小，系统的加热和冷却速度都很快。

③蒸汽采暖系统中蒸汽的容重很小，所产生的静压力较小。

④在蒸汽采暖系统中经常会出现疏水器漏气、凝结回水产生二次蒸汽管件损坏等跑、冒、滴、漏的现象。

⑤真空蒸汽采暖系统由于热媒压力低于大气压力，对系统的严密性要求甚高，稍有空气漏入便破坏系统的正常工作，故限制了它的应用范围，仅在有特殊要求的场所才使用。

4、蒸气采暖系统和热水采暖系统的比较
优点：热媒平均温度高，所需散热器数量少；蒸汽流速大，管道的管径小，节省管材；蒸汽密度小产生的静压力小，在热负荷相同的情况下热媒流量小，可以节省电能。

缺点：蒸汽在输送过程中热损失大，易泄漏，消耗燃料多；系统内会有空气存在，尤其是凝结小管易锈蚀，使用年限短；管道和散热器温度高，易烫伤，室内卫生条件较差。

另外蒸汽的热惰性小，热得快，停汽时冷得也快，间歇供暖时稳定性差，适用于短时间供暖的建筑物。

6.1.4 热风供暖系统
热风采暖系统是以空气作为热媒，首先将空气加热，然后将高于室温的热空气(一般为35～５０℃)送入室内，与室内空气进行混合换热，达到加热房间、维持室内气温达到采暖使用要求的目的。

1、特点：热风采暖是比较经济的采暖方式之一，它具有热惰性小、升温快、室内温度分布
均匀、温度梯度较小、设备简单和投资较小等优点。

2、应用：既需要采暖又需要通风换气的建筑物；在产生有害物质很少的工业厂房中；在人们短时间内聚散，需间歇调节的建筑物，如影剧院、体育馆等等；由于防火防爆和卫生要求必须采用全新风的车间等。

6.1.4 热风供暖系统
3、类型
根据送风方式的不同，有集中送风、风道送风及暖风机送风等。

根据空气来源不同，可分为直流式、再循环式和混合式等。

6.1.5 辐射采暖
辐射采暖是一种利用建筑物内的屋顶面、地面、
墙面或其他表面的辐射散热器设备散出的热量
来达到房间或局部工作点采暖要求的采暖方
法。

与土木建筑专业联系比较密切。

1. 辐射采暖的特点
2. 辐射采暖的种类
3. 辐射采暖的缺点
地板辐射采暖系统
1. 辐射采暖的特点
1) 热效应方面：地板辐射采暖的实感温度比室内温度高出2℃～4℃
2) 舒适性方面
3) 能源消耗方面：辐射采暖设计的室内计算温度可比对流采暖时低(高温辐射可降低5℃～10℃)。

因此减少了建筑耗热量，一般情况下，总的耗热量可减少5%～20%。

16℃的设计温度可达到一般采暖20℃的采暖效果。

在20℃温度时停电停水，室内温度在24h内仍可保持18℃。

2. 辐射采暖的种类
3. 辐射采暖的缺点
由于建筑物辐射散热表面温度有一定限制，不可过高，因此在一定热负荷情况下，低温辐射采暖系统则需要较多的散热板数量，初投资值较大，一般比对流采暖初投资高出约15%~20%，且这种系统的埋管与建筑结构结合在一起，使结构变得更加复杂，施工难度增大，围护检查也不是很方便。

6.1.6 辐射采暖采暖系统热媒的选择
采暖系统热媒的选择，应根据热媒的特性、卫生、经济、使用性质、地区采暖规划等条件
建筑物的种类采暖系统的热媒
适宜采用允许采用
居住建筑、医院、幼儿园、托儿所等不超过95℃的热水①不超过110℃的热水
②低压蒸汽
办公楼、学校、展览馆等①不超过95℃的热水不超过110℃的热水
②低压蒸汽
高压蒸汽
车站、食堂、商业建筑等①不超过130℃的热水
②低压蒸汽
不超过130℃的热水
一般俱乐部、影剧院等①超过110℃的热水
②低压蒸汽
注：幼儿园、托儿所内的散热器及采暖立管应有防烫措施。

6.1.7 采暖系统的管路布置与敷设
●1、室外采暖管道敷设方式
●有管沟敷设、埋地敷设和架空敷设三种。

●2、采暖管道的保温
●供热管道及其附件均应包敷保温层，其主要目的在于：
●减少热媒在输送过程中的热损失；
●有时，也主要为了维持一定的热媒参数；
●或者从技术安全出发，主要为了降低管壁外表面温度，避免运行维修中烫伤人。

6.2 采暖系统的热负荷与采暖系统的计算
6.2.1传热学的基本理论
三种热量传递基本方式：导热、对流和热辐射
（1）导热：物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原
子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递方式，或称
为热传导。

（2）对流：流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混
所引起的热量传递方式。

对流仅发生在流体中，而且必然伴随着
有导热现象。

（3）热辐射：物体因为热的原因而发出辐射能的现象称为热辐
射。

热辐射可以在真空中传播。

（4）传热过程
6.2.2 热负荷
●采暖系统设计热负荷：在某一室外温度下，为了达到室内温度要求，保持房间的热量
平衡，在单位时间向建筑物供给的热量。

●建筑物热负荷有两部分：
●围护结构热负荷，即通过建筑物门、窗、地板、屋顶等围护结构由室内向室外散失
的热量；
●加热由门、窗缝隙渗入到室内的冷空气的冷风渗透耗热量和加热由于门、窗开启而
进入到室内的冷空气的冷风侵入耗热量。

1.围护结构的耗热量计算
2.加热进入室内的冷空气所需的热量
3.热负荷的概算法
4.高层建筑采暖热负荷的特点
1. 围护结构的耗热量计算
n w
()
Q KF t t a
=-
∑
1.围护结构的耗热量计算
室内计算温度：一般指距离地面2.0m以内人们活动地区的环境平均温度，应满足人的生活和生产的工艺要求（表6-3）。

2.加热进入室内的冷空气所需的热量
加热进入室内的冷空气所需要的热量包括冷风侵入耗热量和冷风渗透耗热量。

这两种耗热量均可用式(6-19)来计算出概值：
n w
()
Q Lc t t
ρ
'=-
3.热负荷的概算法
单位面积热指标法：在调查了同一类型建筑物的采暖热负荷后，所得出的该种类型建筑物每平方米建筑面积的平均采暖热负荷。

单位体积热指标法：在调查了同一类型建筑物的采暖热负荷后，所得出的该种类型建筑物在室内外温差为1℃时每立方米建筑物体积的平均采暖热负荷。

4.高层建筑采暖热负荷的特点
●高层建筑物的高层部分的室外风速大，因此对流换热更加剧烈，高层部分的外表面的
对流换热系数也会比较大。

●高层建筑的高层部分的外表面的辐射换热系数也显著增大。

●建筑物在不同的高度，其外围护结构所受的风力作用是不同的。

●冷风渗透耗热量在采暖设计热负荷计算中所占比重很大，为了尽量减少冷风渗透量，
节约能耗，则对高层建筑物的门、窗等的密封性能有了更高要求。