作者：夏正兵
出版社：东南大学出版社
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建筑设备工程(2版)试读：
前言
本书是高职院校土建类系列教材之一，是编者在总结多年的高职教学改革成功经验的基础上，结合我国建筑设备工程的基本情况，按照土木建筑工程相关专业高职人才培养的特点编写的。
本书共分为两部分，第一部分为建筑设备工程基础知识，包括流体力学及传热学基础知识、湿空气的基本知识、通风与空调系统基础知识、电工基本知识；第二部分主要为实践部分，包括室内给排水系统、采暖系统、通风与空调系统、电气照明系统、建筑弱电系统等，介绍了各个工程的类型、组成设备、工作过程、原理、特点及简单施工图预算知识。
本书由夏正兵、张珂峰担任主编。夏正兵拟定大纲和统稿。
本书结合了大量的图片，重基础，重实用，简理论，力求主线清晰，便于理解、记忆和查阅。
本书在编写过程中，得到了紫琅职业技术学院建筑工程系庞金昌主任、江苏城市职业学院建筑工程系顾卫扬主任的大力支持，同时，编者也参阅了大量参考文献，在此一并感谢。
由于编者水平所限，时间仓促，书中难免有不足之处，敬请读者批评指正。编者2010年1月第2版前言
本书是在第1版的基础上改编而成的，针对第1版中的不足之处，对部分章节内容进行了增减与修改。比如：对上篇某些重要概念增加了若干经典的工程案例以增强读者对知识点的理解；对上篇基础知识中部分公式进行了勘误；根据最新图集与规范对下篇实践部分中某些知识点与案例进行了更新与修改。
本书是高职院校土建类系列教材之一，是编者在总结多年的高职教学改革成功经验的基础上，结合我国建筑设备工程的基本情况，按照土木建筑工程相关专业高职人才培养的特点编写的。本书共分为两部分，第一部分为建筑设备工程的基础知识，第二部分为实践部分。
本书由南通开放大学夏正兵担任主编；南通开放大学邱鹏、葛富文，南通海陵技工学校孙银龙担任副主编。胡颖、景连茴、罗丹、路亚峰、解静静、张红萍、张先平、张琴参加了编写。夏正兵拟定大纲和统稿。
本书出版六年来，广大读者提出了不少宝贵意见，编者对此表示真诚感谢。经过这次修订，愿本书更能适应教学与有关建筑类人员的需要，望广大读者继续对本书给予批评和指正。编者2016年8月上篇基础知识1流体力学及传热学基础知识
教学要求：通过本章的学习，应当对流体主要的力学性质有所了解，掌握流体静力学基本概念；了解流动阻力与能量损失及传热学基本知识。1.1 流体主要的力学性质1.1.1 连续介质假设
从微观上讲，流体是由大量的彼此之间有一定间隙的单个分子所组成，而且分子总是处于随机运动状态。
从宏观上讲，流体视为由无数流体质点（或微团）组成的连续介质。
所谓质点，是指由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备尺寸，但却远大于分子自由程。
这些质点在流体内部紧紧相连，彼此间没有间隙，即流体充满所占空间，称为连续介质。1.1.2 流体的主要力学性质1）易流动性
流体这种在静止时不能承受切应力和抵抗剪切变形的性质称为易流动性。2）质量密度
单位体积流体的质量称为流体的密度，即ρ=m/V。3）重量密度
流体单位体积内所具有的重量称为重度或容重，以γ表示。γ=G/V。
质量密度与重量密度的关系为γ=G/V=mg/V=ρg4）粘滞性
表明流体流动时产生内摩擦力阻碍流体质点或流层间相对运动的特性称为粘滞性，内摩擦力称为粘滞力。
粘性是流动性的反面，流体的粘性越大，其流动性就越小。
平板间液体速度变化如图1-1所示。
实际流体在管内的速度分布如图1-2所示。图1-1 平板间液体速度变化图1-2 实际流体在管内的速度分布
实验证明，对于一定的流体，内摩擦力F与两流体层的速度差du成正比，与两流体层之间的垂直距离dy成反比，与两流体层间的接触面积A成正比，即
通常情况下，单位面积上的内摩擦力称为剪应力，以τ表示，单位为Pa，则式（1-1）变为
式（11）、式（12）称为牛顿粘性定律，表明流体层间的内摩擦力或剪应力与法向速度梯度成正比。
可以证明，上式中的流速梯度du/dy，实际上是代表液体微团的剪切变形速率。因此，液体的粘滞性可视为液体剪切变形速率的特性。5）压缩性和膨胀性
流体体积随着压力的增大而缩小的性质，称为流体的压缩性。
流体体积随着温度的增大而增大的性质，称为流体的膨胀性。
液体与气体的压缩性和膨胀性的区别：（1）增大对液体的压力，其体积压缩量极小，通常可以忽略，因此在实际工程中认为液体是不可压缩流体，但液体在受热时具有较为显著的膨胀性，在实际工程中要考虑受热体积膨胀带来的危害。（2）气体具有显著的压缩性和膨胀性。1.2 流体静力学基本概念
处于相对静止状态下的流体，由于本身的重力或其他外力的作用，在流体内部及流体与容器壁面之间存在着垂直于接触面的作用力，这种作用力称为静压力。
单体面积上流体的静压力称为流体的静压强。
若流体的密度为ρ，重力加速度为g，则液柱高度h与静压强p的关系为p=ρgh1.2.1 绝对压强、表压强和大气压强
以绝对真空为基准测得的压力称为绝对压力，它是流体的真实压力；以大气压为基准测得的压力称为表压或真空度、相对压力，它是在把大气压强视为零压强的基础上得出的。
绝对压强是以绝对真空状态下的压强（绝对零压强）为基准计量的压强；表压强简称表压，是指以当时当地大气压为起点计算的压强。两者的关系为图1-3 绝对压力、表压与真空度的关系绝对压=大气压+表压
绝对压力、表压与真空度的关系见图1-3所示。1.2.2 流体静力学平衡方程1）静力学基本方程
假如一容器内装有密度为ρ的液体，液体可认为是不可压缩流体，其密度不随压力变化。在静止的液体中取一段液柱，其截面积为A，以容器底面为基准水平面，液柱的上、下端面与基准水平面的垂直距1212离分别为z和z，那么作用在上、下两端面的压强分别为p和p。
重力场中在垂直方向上对液柱进行受力分析：11（1）上端面所受总压力P=pA，方向向下。22（2）下端面所受总压力P=pA，方向向上。12（3）液柱的重力G=ρgA（z-z），方向向下。
液柱处于静止时，上述三项力的合力应为零，即2112pA-pA-ρgA（z-z）=0
整理并消去A，得变形得
若将液柱的上端面取在容器内的液面上，设液面上方的压力为ap，液柱高度为h，则式（1-3）可改写为
式（13）、式（14）及式（15）均称为静力学基本方程，其物理意义在于：在静止流体中任何一点的单位位能与单位压能之和（即单位势能）为常数。2）静压强的特性
作用于静止流体的压强称为流体静压强。流体静压强有以下两个特点：（1）流体静压强总是指向作用面的内法线方向。（2）静止流体中任一点的静压强与作用的方位无关。
流体的静压强仅与其高度或深度有关，而与容器的形状及放置位置和放置方式无关。1.3 流体动力学基础1.3.1 流体运动的基本概念1）流线和迹线
流线是指同一时刻不同质点所组成的运动的方向线。在该时刻，曲线上所有质点的流速矢量均与这条曲线相切（如图1-4所示）。图1-4 流线示意图
迹线是指同一个流体质点在连续时间内在空间运动中所形成的轨迹线，它给出了同一质点在不同时间的速度的方向。
流线与迹线这两种具有不同内容的曲线在一般的非定常运动情形下是不重合的，只有在定常运动时，两者才形式上重合在一起。2）流管、过流断面、元流和总流
在流场内作一非流线且不自闭相交的封闭曲线，在某一瞬时通过该曲线上各点的流线构成一个管状表面，称流管。日常生活中自来水的内表面就是流管的实例之一。
在流体中取一封闭垂直于流向的平面，在其中划出极微小面积，则其微小面积的周边上各点都和流线正交，这一横断面称为过流断面。
若流管的横截面无限小，则称其为流管元，亦称为元流。
过流断面内所有元流的总和称为总流。如实际工程中的管流及明渠水流都是总流。3）流量
流体流动时，单位时间内通过过流断面的流体体积称为流体的体3积流量，一般用Q表示，单位为L/s或m/s。s
单位时间内流经管道任意截面的流体质量称为质量流量，以m表示，单位为“kg/s”或“kg/h”。
体积流量与质量流量的关系为sm=Qρ
体积流量、过流断面面积A与流速u之间的关系为Q=Au1.3.2 流体运动的分类1）根据流动要素（流速与压强）与流行时间分类（1）恒定流
流场内任一点的流速与压强不随时间变化而仅与所处位置有关的流体流动称为恒定流。（2）非恒定流
运动流体各质点的流动要素随时间而改变的运动称为非恒定流。2）根据流体流速的变化分类（1）均匀流
在给定的某一时刻，各点速度都不随位置而变化的流体运动称为均匀流。例如，液体在等截面直管中的流动，或液体在断面形式与大小沿程不变的长直顺坡渠道中的流动，就是均匀流。（2）非均匀流
流体中相应点流速不相等的流体运动称为非均匀流。按流线图形沿流程变化的缓急程度，又可将非均匀流分为渐变流和急变流两类。3）按液流运动接触的壁面情况分类（1）有压流
流体过流断面的周界为壁面包围，没有自由面者称为有压流或压力流。一般供水、供热管道均为压力流。（2）无压流
流体过流断面的壁和底均为壁面包围但有自由液面者称为无压流或重力流。如河流、明渠排水管网系统等。（3）射流
流体经由孔口或管嘴喷射到某一空间，由于运动的流体脱离了原来限制它的固体边界，在充满流体的空间继续流动的这种流体运动称为射流。如喷泉、消火栓等喷射的水柱。4）流体流动的因素（1）过流断面
流体流动时，与其方向垂直的断面称为过流断面，单位为2“m”。在均匀流中，过流断面为一平面。（2）平均流速
在不能压缩和无粘滞性的理想均匀流中，流速是不变的。1.3.3 定态流体系统的质量守恒——连续性方程图1-5 连续性方程的推导
如图1-5所示的定态流体系统，流体连续地从1—1截面进入，从2—2截面流出，且充满全部管道。以1—1、2—2截面以及管内壁为衡算范围，在管路中流体没有增加和漏失的情况下，单位时间进入截面1—1的流体质量与单位时间流出截面2—2的流体质量必然相等，即或推广至任意截面，有
式（16）～式（18）称为连续性方程，表明在定态流动系统中，流体流经各截面时的质量流量恒定。
对不可压缩流体，ρ=常数，连续性方程可写为
对于圆形管道，式（1-9）可变形为【例1-1】 如图1-6所示，管路由一段φ89 mm× 4 mm的管1、一段φ108 mm×4 mm的管2和两段φ57 mm ×3.5 mm的分支管3a及3b连接-33而成。若水以9 × 10m/s的体积流量流动，且在两段分支管内的流量相等，试求水在各段管内的速度。图1-6 管路图1【解】 管1的内径为d=89-2×4=81 mm，则水在管1中的流速为1u=1.75 m/s2
管2的内径为d=108-2×4=100 mm。由式（1-10），则水在管2中的流速为2u=1.15 m/s3
管3a及3b的内径为d=57-2×3.5=50 mm。因水在分支管路3a、3b中的流量相等，则有
即水在管3a和3b中的流速为2233uA=2 uA3u= 2.30 m/s1.3.4 能量守恒定律——伯努利方程
在理想流动的管段上取两个断面1—1和2—2，两个断面的能量之和相等，即
假设从1—1断面到2—2断面流动过程中的水头损失为h，则实际流体流动的伯努利方程为【例1-2】 如图1-7所示，要用水泵将水池中的水抽到用水设备。3已知该设备的用水量为60m/h，其出水管高出蓄水池液面20 m，水压为200 kPa。如果用直径d=100 mm的管道输送到用水设备，试确定该水泵的扬程需要多大才可以达到要求？图1-7 水泵抽水图【解】（1）取蓄水池的自由液面为1—1断面，取用水设备出口处为2—2断面。（2）以1—1断面为基准液面，根据伯努利方程列出两个断面的能量方程：111222式中，Z=0, p= 0, u= 0; Z= 20 m, p= 200 kPa，且u=Q/A= 4 Q/（πD）=60 × 4/（3.14 × 0.01 × 3600）=2.12 m/s，故水泵的扬程为1.4 流动阻力与能量损失1.4.1 流体在管道中的流动阻力图1-8 流体在管道中的流动图
如图1-8所示，流体在水平等径直管中作定态流动。在1—1截面和2—2截面间列伯努利方程，得12,12
因是直径相同的水平管，u=u Z=Z，故
若管道为倾斜管，则
由此可见，无论是水平安装还是倾斜安装，流体的流动阻力均表现为静压能的减少，仅当水平安装时，流动阻力恰好等于两截面的静压能之差。1.4.2 沿程损失和局部损失1）沿程损失
流体在直管段中流动时，管道壁面对于流体会产生一个阻碍其运动的摩擦阻力（沿程阻力），流体流动中为克服摩擦阻力而损耗的能量称为沿程损失。沿程损失与长度、粗糙度及流速的平方成正比，而与管径成反比。通常采用达西—维斯巴赫公式计算，即2）局部损失
流体运动过程中通过断面变化处、转向处、分支或其他使流体流动情况发生改变时，都会有阻碍运动的局部阻力产生，为克服局部阻力所引起的能量损失称为局部损失。计算公式为
流体在流动过程中的总损失等于各个管路系统所产生的所有沿程损失和局部损失之和，即ljh=∑h+∑h图1-9 水泵抽水图【例1-3】 如图1-9所示，若蓄水池至用水设备的输水管的总长度为30 m，输水管的直径均为100 mm，沿程阻力系数为λ=0.05，局部阻力有：水泵底阀一个，ξ=7.0;90°弯头四个，ξ=1.5；水泵进出口一个，ξ=1.0；止回阀一个，ξ=2.0；闸阀两个，ξ=1.0；用水设备处管道出口一个，ξ=1.5。试求：（1）输水管路的局部损失。（2）输水管路的沿程损失。（3）输水管路的总水头损失。（4）水泵扬程的大小。【解】 由于从蓄水池到用水设备的管道的管径不变，均为100 mm，因此，总的局部水头损失为
整个管路的沿程损失为
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