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上一层 略谈地暖设计 地暖相关计算 地暖节点细布 行业标准汇总 设计典型问题 确定盘管间距 混接水力计算 地暖设计问题 三点注意事项 几点参考意见 散热量计算 常见问题探析 地暖系统设计 地暖系统示意 地暖结构

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浅谈地板辐射采暖设计中的计算问题

 
   
摘要:本文根据当前低温热水地板辐射供暖工程设计中出现的问题,从保证工程设计质量出发,对地板辐射供暖热负荷计算、加热管间距的确定、加热管材质和壁厚的计算进行论述。建议设计时应注意的问题和应遵循的步骤。
   
关键词:地板辐射供暖 热负荷计算

    0 引言
   
低温地板辐射采暖系统以其舒适、卫生、高效节能、不占用使用面积、维护费用低、使用寿命长等优点受到人们普遍欢迎。在居住建筑和某些公共建筑中得到广泛应用。尤以别墅、住宅应用更为普遍。但我们通过几年的施工图审查工作,发现在设计中存在许多不完善的地方,其中比较突出的是,不进行详细的设计计算,只凭以往的经验估算。结果导致设计结果比较粗糙。下面提出我们认为设计计算中存在较为普遍的问题,并谈谈对这些问题的思考。
    1
热负荷计算
   
采暖系统热负荷是采暖设计的基础数据,其决定了采暖设计的最终使用效果、系统运行的经济费用及能源的利用。在设计中对热负荷确定不准确的主要原因:一是负荷确定时未考虑辐射采暖与对流采暖的区别,直接将对流采暖负荷作为辐射采暖负荷进行计算;二是在计算采暖热负荷时没有考虑上层地板向下的传热量。所以导致采暖热负荷偏大。我们认为:在计算采暖热负荷时应全面考虑:
    1.1
地面辐射采暖的热负荷,应按现行国家标准《采暖通风及空气调节设计规范》GB50019有关规定进行,将计算出的热负荷乘以0.90.95修正系数或将室内计算温度取值降低2℃均可。这是因为在相同条件下,辐射采暖时壁面温度比对流采暖时高,减少了墙壁对人体的冷辐射,而人对室内热环境的感受常以实感温度来衡量,实感温度比室内环境温度高2℃~3℃,因此在保持相同舒适感的情况下,辐射采暖室内空气温度可比对流采暖时低2℃~3℃或在负荷计算时取对流采暖热负荷(不计算设有辐射供暖地板地面的传热量)0.90.95
    1.2
扣除来自上层的得热量,确定所需辐射供暖地板的有效散热量Q1
   
辐射供暖地板向下部的散热量
   
加热管以下有绝热层时:Q20.10.2Q
   
加热管以下无绝热层时:Q20.30.5
   
除上述两点外,还应按《采暖通风及空气调节设计规范》GB50019有关规定进行逐项计算,确定出准确的辐射供暖地板所需的有效散热量。
    2
加热管间距确定
   
加热管的辐射管间距,应根据地面散热量、室内计算温度、平均水温及地面传热热阻等通过计算确定。但在设计中计算的不多,一般都是按参考资料提供的地板散热量直接查取管间距,甚至根据经验确定管间距,而忽略了其适用条件。如参考文献[2]中给出了加热管为交联聚乙烯管或嵌段共聚聚丙烯管,公称外径为20mm,填充层厚度50mm,聚苯乙烯泡沫塑料绝热层厚度20mm,供回水温差为10℃时,不同加热管间距在不同平均水温时的地板散热量。事实上当地面层构造改变、供回水温差改变、管间距的增减,都将影响地板散热量的大小。即所谓辐射条件对散热量的影响。
    2.1
地面层构造对散热量的影响
   
以水泥或瓷砖类地面为1 (比较基础)塑料类地面:0.79 木地板地面:0.72 地毯:0.62
    2.2
管间距(以管外径20mm的数值为例)对散热量的影响
以管间距300mm1;间距200mm1.22;间距100mm1.46;间距150mm1.34
   
所以,在确定加热管的辐射管间距时,应进行计算或在查表时,按工程实际情况将其结果进行修正。
    3
按系统压力选择管材 进行强度计算并确定壁厚
《采暖通风及空气调节设计规范》GB50019中规定:地板辐射采暖加热管的材质和壁厚的选择,应根据工程的耐久年限、管材的性能、管材的累积使用时间以及系统运行水温、工作压力等条件确定。而且本条为强制性条文,可见地热采暖加热管材质和壁厚对工程使用寿命的重要,但在实际中,设计者往往并没有引起足够的重视,在施工图设计文件中对加热管壁厚不做交待,任施工单位自然选择,这直接影响了工程质量。在工程设计中应通过强度计算确定加热管材质和壁厚或按参考文献[1]中附录B选择加热管材质和壁厚。
    3.1
加热管材质和壁厚选择方法举例
    3.1.1
根据工程使用性质、运行水温及其周期,选择确定使用条件分级(参见表1)。


1 加热管材的使用条件分级

 

 

    注:3级一般不被采用。
   
使用条件分级并不是硬性规定,是按特定地区气候和典型使用条件计算所得的推荐性标准。选择时应加以分析。例如:对一般低温热水地板辐射供暖工程,如按上述标准的4级选用管材和确定管壁厚。即在共50年的总使用周期中,运行温度20℃共历时2.5年,40℃共历时20 年,60℃共历时25年,70℃共历时2.5年,100℃的意外运行条件不超过共100小时,显然是十分安全可靠的。
    3.1.2
初选管材质,根据使用条件分级,确定该管材的许用设计环应力σD参见表2。许用设计环应力是对应于使用条件分级要求,在该等级多种运行水温的综合作用下,在要求的使用寿命年限内,避免发生不能满足系统工作压力的蠕变。由于使用条件分级不是硬性规定,因此,宜按实际要求的使用寿命年限,并根据使用情况,分析使用寿命年限内不同温度的频率,合理确定许用设计环应力。实际使用寿命不需50年或使用温度较低,可选用设计应力较小的管材。


2 管材的作用设计应力σDMPa

 

 

    注:1.上表系按ISO13760 推荐的Miners准则,计算出的确保50年使用寿命的管材许用设计应力,其中20/50年的许用设计应力,安全系数取1.5,只适合输送冷介质时采用。(例如:采用PP-R管,使用条件4级,σD =3.3MPa)
    3.1.3
计算SCALC.MAX,选择管材的S值。
(1)
管材的环应力和承压之间的关系,可用下式表示
       
σ/P=(D-e)/2e=S
上式中:e管壁厚(mm)P管内压力(MPa) D管径(mm)σ许用环应力(MPa)
从上式可见,S值是管材环应力与承压的比值,同时,它仅与管道尺寸有关,不同管道尺寸的S值不同。
(2)
计算SCALC.MAX
SCALC.MAX=
σD  /PD 
上式中:σD 许用设计环应力(MPa)
PD
系统工作压力(MPa)
(
例如:系统工作压力PD=0.8(MPa),σD /PD=3.3/0.8=4.1)
(3)
环应力σ应不大于许用设计环应力,因此应根据S不大于SCALC.MAX的原则,参见表3,选择所选管材系列S。例如:应圆整选择S3.2系列,3.2小于4.1
    3.1.4
在所选管材系列S中,按管材的公称外径,仍参见表3,确定所需最小壁厚。例如:在S3.2系列内,DN16壁厚应为2.2mmDN20壁厚应为2.8mm
    3.1.5
按壁厚检验初选管材是否合理。例如:DN20壁厚应已达2.8mm,不易弯曲,宜选用其他材质。
    3.1.6
改选用其他材质并验算。例如:改用PB管,σD =5.46MPa,σD /PD=5.46/0.8=6.85,应圆整选择S6.3系列,参见表4确定所需最小壁厚,DN16壁厚为1.3mmDN20壁厚应为1.5mm
    3.1.7
考虑管材生产和施工过程可能产生的缺陷,管材的壁厚地板辐射供暖不宜小于1.7mm,散热器供暖不宜小于2.0mm,因此壁厚应为2.0mm


PP-R
管的SCALC.MAX值和最小壁厚选择
3 适用于使用条件4级(σD =3.3MPa

 


PB
管的SCALC.MAX值和最小壁厚选择
4 使用于使用条件4级(σD =5.46MPa

 


    4
结束语
   
低温地板辐射采暖系统设计应认真计算,不应简单查表或按经验套用,否则一方面将直接影响工程设计质量,另一方面将造成室内不舒适及能源的浪费。
   
参考文献
[1]
采暖通风及空气调节设计规范,GB50019
[2]
地面辐射供暖技术规程,中华人民共和国行业标准JGJ42-2004
[3]
低温热水地板辐射供暖应用技术规程,北京市标准,DBJ/T01-49-2000

 

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