第三章 热水供暖系统本章重点掌握重力、机械循环供热系统的原理掌握机械循环供热系统不同形式的特点了解室内热水供暖系统的管路布置和主要设备及附件本章难点膨胀水箱的安装重力、机械循环供热系统管道的敷设以热水作为热媒的供暖系统，称为热水供暖系统。
从卫生条件和节能等考虑，民用建筑应采用热水作为热媒。
热水供暖系统，可按下述方法分类：1．按系统循环动力的不同，可分为重力(自然)循环系统和机械循环系统。
靠水的密度差进行循环的系统，称为重力循环系统；靠机械(水泵)力进行循环的系统，称为机械循环系统。
2．按供、回水方式的不同，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地分配给多组散热器，冷却后的回水自每个散热器直接沿回水立管或水平回水管流回热源的系统，称为双管系统。
4．按热媒温度的不同，可分为低温水供暖系统和高温水供暖系统。
在各个国家，对于高温水与低温水的界限，都有自己的规定，并不统一。
在我国，习惯认为：水温低于或高于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。
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应用。
设计供、回水温度大多采用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图3—1是重力循环热水供暖系统的工作原理图。
在图中假设整个系统只有一个放热中心1(散热器)和一个加热中心2(锅炉)，用供水管3和回水管4把锅炉与散热器相连接，在系统的最高处连接一个膨胀水箱5，用它容纳水在受热后膨胀而增加的体积。
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，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，使热水沿供水干管上升，流人散热器。
在散热器内水被冷却，再沿回水干管流回锅炉。
这样形成如图3—1箭头所示的方向循环流动。
由此可见，重力循环热水供暖系统的循环作用压力的大小，取决于水温(水的密度)在循环环路的变化状况。
为了简化分析，先不考虑水在沿管路流动时因管壁散热而使水不断冷却的因素，认为在图3—1的循环环路内，水温只在锅炉(加热中心)和散热器(冷却中心)两处发生变化，以此来计算循环作用压力的大小。
如假设图3—1的循环环路最低点的断面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。
这两方所受到的水柱压力差就是驱使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 断面右侧和左侧的水柱压力，则：）（g h h h h h g P ρρρ101++= Pa）（g g h h h h g P ρρρ102++= Pa 断面A-A 两侧之差值，即系统的循环作用压力为：）（g h gh P P P ρρ-=-=∆21 Pa 式中 ∆P ——重力循环系统的作用压力，Pa ；g ——重力加速度，m ／s 2，取9.81m ／s 2；h ——冷却中心至加热中心的垂直距离，m ；ρh ——回水密度，kg ／m 3；ρg ——供水密度，kg ／m 3。
由式(3—1)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柱密度差。
如供水温度为95℃，回水70℃，则每米高差可产生的作用压力为：gh(ρh －ρg )＝9．81×1×(977．81—961．92)＝156Pa 。
二、重力循环热水供暖系统的主要型式重力循环热水供暖系统主要分双管和单管两种型式。
上供下回式重力循环热水供暖系统管道布置的一个主要特点是：系统的供水干管必须有向膨胀水箱方向上升的流向。
其反向的坡度为0．5％~1．0％；散热器支管的坡度一般取1%。
这是为了使系统内的空气能顺利地排除，因系统中若积存空气，就会形成气塞，影响水的正常循环。
在重力循环系统中，水的流速较低，水平干管中流速小于0.2m ／s ；而干管中空气气泡的浮升速度为0．1一0．2m ／s ，而在立管中约为0．25m ／s 。
因此，在上供下回重力循环热水供暖系统充水和运行时，空气能逆着水流方向，经过供水干管聚集到系统的最高处，通过膨胀水箱排除。
三、重力循环热水供暖双管系统作用压力的计算在如图3-3的双管系统中，由于供水同时在上、下两层散热器内冷却，形成了两个并联环路和两个冷却中心。
它们的作用压力分别为：）（g h gh P ρρ-=∆11 Pa （3-2） ）（））（（g h g h gh P h h g P ρρρρ-+∆=-+=∆21212 （3-3） 式中 1P ∆——通过底层散热器aS 1b 环路的作用压力，Pa ；2P ∆——通过上层散热器aS 2b 环路的作用压力，Pa.。
由式(3—3)可见，通过上层散热器环路的作用压力比通过底层散热器的大，其差值为）（g h gh ρρ-2Pa 。
因而在计算上层环路时，必须考虑这个差值。
由此可见,在双管系统中，由于各层散热器与锅炉的高差不同，虽然进入和流出各层散热器的供、回水温度相同(不考虑管路沿途冷却的影响)，也将形成上层作用压力大、下层作用压力小的现象。
如选用不同管径仍不能使各层阻力损失达到平衡，由于流量分配不均，必然要出现上热下冷的现象。
在供暖建筑物内，同一竖向的各层房间的室温不符合设计要求的温度，而出现上、下层冷热不匀的现象，通常称作系统垂直失调。
由此可见，双管系统的垂直失调，是由于通过各层的循环作用压力不同而出现的；而且楼层数越多，上下层的作用压力差值越大，垂直失调就会越严重。
四、重力循环热水供暖单管系统的作用压力的计算在图3—4所示的上供下回单管式系统中，散热器S 2和S 1串联。
由图3-4分析可见,引起重力循环作用压力的高差是(h 1+h 2)m ，冷却后水的密度分别为2ρ和h ρ，其循环作用压力值为）（）（h h gh gh P ρρρρ-+-=∆2221 Pa (3—4) 式(3—4)也可改写为：）（）（）（））（（212221221ρρρρρρρρ-+-=-+-+=∆h g h g gH gH gh h h g P Pa同理，如图3—5所示，若循环环路中有N 组串联的冷却中心(散热器)时，其循环作用压力可用下面一个通式表示：∑∑==+-=-=∆N i Ni i i i g i i gH gh P 111）（）（ρρρρ Pa （3-5） 式中 N ——在循环环路中，冷却中心的总数；i ——表示N 各冷却中心的顺序数，令沿水流方向最后一组散热器为i=1；g ——重力加速度，m/s 2。
g=9.81；g ρ——供暖系统供水的密度，㎏/m 3； i h ——从计算冷却中心i 到（i-1）之间的垂直距离，m ；当计算的冷却中心i ＝1(沿水流方向最后一组散热器)时，i h 表示与锅炉中心的垂直距离，m ；i ρ——流出所计算的冷却中心的水的密度，㎏／m 3；i H ——从计算的冷却中心到锅炉中心之间的垂直距离，m ；1+i ρ——进入所计算的冷却中心i 的水的密度，kg ／m 3，(当i= N 时，1+i ρ＝i ρ)；现仍以图3-5为例，设供、回水温度分别为t g 、t h 。
建筑物为八层(N=8)，每层散热器的散热量分别为Q1，Q2···Q8，即立管的热负荷为：821Q Q Q Q +⋯⋯++=∑ W (3-6)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 -∑=-∑=-∑= kg/h （3-7） 式中 Q ∑——立管的总负荷，W ；g t 、h t ——立管的供、回水温度，℃；C ——水的热容量，C=4.187 kJ ／kg ．℃；A ——单位换算系数(1W ＝1J/s=3600／1000kJ ／h=3.6kJ ／h)。
流出某一层(如第二层)散热器的水温t 2，根据上述热平衡方式，同理，可按下式计算：）（） （283286.0t t Q Q Q G g L -+⋯⋯++=kg ／h （3-8）式(3—8)与式(3—7)相等，由此，可求出流出第二层散热器的水温t 2为：）（ h g g t t QQ Q Q t t -∑+⋯⋯++-=8322 ℃ （3-9） 根据上述计算方法，串联N 组散热器的系统，流出第i 组散热器的水温t i (令沿水流动方向最后一组散热器为i=1)，可按下式计算：）（h g N i ig i t t Q Q t t -∑-=∑ ℃ （3-10） 式中 i t —— 流出第I 组散热器的水温，℃；∑N i i Q—— 沿水流动方向，在第I 组（包括第I 组）散热器前的全部散热器的散热量，W ；其它符号同前。
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。
总的重力循环作用压力，可用下式表示：f zh P P P ∆+∆=∆ 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压力，Pa ；△P f ——水在循环环路中冷却的附加作用压力，Pa 。
[例题3—1] 如图3—6所示，设h 1=3.2m ，h 2=h 3＝3．0m ．散热器：Q 1=700W ，Q 2＝600W ，Q 3＝800W 。
供水温度t g =95℃，回水温度t h =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，t g ＝95℃，t h =70℃。
查附录3-1得ρg =961.92kg/m 3,ρh =977．81 kg/m 3。
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：）（g h gh P ρρ-=∆11＝9．81×3．2(977．81—961．92)＝498．8 Pa 第二层：））（（g h h h g P ρρ-+=∆212＝9．81×(3．2十3．0)×(977．81—961．92)＝966．5 Pa ； 第三层：））（（g h h h h g P ρρ-++=∆3213＝9．8l ×(3．2十3．0十3．0)×(977．8l —961．92) ＝1434．1 Pa第三层与底层循环环路的作用压力差值为：△P=△P 3-△P 1=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。
