Бутенко Н.А. Системы отопления - файл n1.doc

Бутенко Н.А. Системы отопления
скачать (1357 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc1357kb.06.11.2012 14:44скачать

n1.doc

  1   2   3
СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

ЧАСТЬ 1. СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Определение годового расхода теплоты на нужды теплоснабжения

1.1. Классификация тепловой нагрузки …………………………….

1.2. Расчет тепловой нагрузки на отопление ……………………….

1.3. Расчет тепловой нагрузки на вентиляцию ……………………..

1.4. Расчет тепловой нагрузки на установки кондиционирования

воздуха. …………………………………………………………..

1.5. Расчет тепловой нагрузки на горячее водоснабжение. ……….

2. Особенности теплового расчета систем отопления ……………..

2.1. Назначение. Общие сведения, классификация. ………………….

2.2. Основные положения. Параметры внутреннего и наружного

воздуха. …………………………………………………………...

2.3. Определение расчетно-отопительной нагрузки. ………………...

2.3.1. Расчет теплопотерь здания. …………………………………..

2.3.2. Расчет теплопотерь, связанных с инфильтрацией наружного

воздуха. …………………………………………………………

2.3.3. Расчет расхода тепла, расходуемого на нагрев материалов и

транспорта. ……………………………………………………..

2.3.4. Расчет тепловыделений в помещении. ……………………….

3. Системы водяного отопления ………………………………………

3.1. Основные виды систем водяного отопления. Принципиальные

схемы. ……………………………………………………………..

3.2. Схемы присоединения элементов системы водяного отопления.

3.2.1. Однотрубные системы. …………………………………………

3.2.2. Двухтрубные системы ………………………………………….

3.3. Расширительный сосуд системы водяного отопления. …………..

3.4. Тепловой пункт системы водяного отопления. ……………………

3.5. Отопительные приборы системы водяного отопления. …………..

3.5.1. Назначение и классификация. …………………………………

3.5.2. Расчет площади поверхности отопительного прибора. ……..

3.6. Гидравлический расчет системы водяного отопления. …………..

4. Системы воздушного отопления. ……………………………………....

4.1. Назначение. Принципиальные схемы. …………………………….

4.2. Определение расхода воздуха и тепла в системах воздушного

отопления. …………………………………………………………...

4.3. Порядок расчета калориферов. ……………………………………..

4.4. Расчет воздуховодов. ………………………………………………..

4.5. Расчет воздушно-тепловой завесы. ………………………………...

5. Выбор котельного агрегата. ………………………………………...

Приложение 1.......................................................................................................

Приложение 2.......................................................................................................

Приложение 3.......................................................................................................

Библиография.......................................................................................................

ВВЕДЕНИЕ

Данное учебное пособие предназначено для изучения курса «Системы отопления» для студентов энергетических специальностей «Промышленная теплоэнергетика» и «Менеджмент в энергетике». Одной из главных задач при проектировании и разработке режима эксплуатации систем централизованного теплоснабжения является определение значения и характера тепловой нагрузки. Правильный и своевременный учет всех факторов, влияющих на величину того или иного вида тепловой нагрузки, позволяет не только прогнозировать затраты на теплоснабжение района, города или республики в целом, но и выявлять способы возможной экономии энергоресурсов по каждому виду тепловой нагрузки в отдельности.

Предлагаются для рассмотрения вопросы определения годового расхода теплоты на нужды теплоснабжения как по укрупненным показателям, так и с учетом конкретных внутренних условий эксплуатации и конструкций строительных ограждений.

Рассматриваются основные элементы систем водяного и воздушного отопления, приводятся тепловой и гидравлический расчеты для определения поверхности отопительных приборов, выбора отопительных агрегатов и нагнетателей.

Для удобства проведения расчетов приводятся справочные данные по температурным режимам внутреннего и наружного воздуха, табличные значения вспомогательных коэффициентов, теплофизические характеристики теплоносителей, данные по выбору котельных агрегатов, отопительных приборов, насосов и вентиляторов. Предложены к рассмотрению вопросы, определяющие основные направления по экономии энергоресурсов при расчете и выборе основного и вспомогательного оборудования, а также разнообразные методы при расчете отдельных элементов системы.

1. Определение годового расхода теплоты на нужды теплоснабжения

Первоочередной задачей при проектировании и разработке режима эксплуатации систем централизованного теплоснабжения является определение значения и характера тепловой нагрузки. Правильный и своевременный учет всех факторов, влияющих на величину того или иного вида тепловой нагрузки, позволяет не только прогнозировать затраты на теплоснабжение района, города или республики в целом, но и выявлять способы возможной экономии энергоресурсов по каждому виду тепловой нагрузки в отдельности.

Далее приводится анализ существующих типов тепловой нагрузки и предложена соответствующая методика расчета каждого компонента.
1.1.Классификация тепловой нагрузки

Несмотря на значительное разнообразие тепловой нагрузки, ее можно разделить на две группы по характеру протекания во времени:

- сезонная нагрузка;

- круглогодичная нагрузка.

При этом необходимо учитывать, что некоторые виды нагрузки могут иметь как сезонный, так и круглогодичный характер. К ним относятся приточная вентиляция, кондиционирование и некоторые виды технологической нагрузки. Например, отрасли промышленности, связанные с переработкой сельскохозяйственного сырья, имеют, как правило, сезонный характер.

К сезонной тепловой нагрузке относятся:

- отопление зданий любого назначения;

- приточная вентиляция в зимний период;

- кондиционирование в летний период времени при выработке искусственного холода теплоиспользующими холодильными установками (абсорбционными или эжекционными);

- нагрузка на технологические нужды сахарных, консервных и т.п. предприятий.

Изменения сезонной нагрузки зависят главным образом от климатических условий: температуры и относительной влажности наружного воздуха, солнечного излучения, направления и скорости ветра. Основную роль при этом играет значение наружной температуры окружающего воздуха.

Сезонная нагрузка имеет сравнительно постоянный суточный график и переменный годовой график нагрузки.

К круглогодичной нагрузке относятся горячее водоснабжение и технологическая нагрузка большинства промышленных предприятий.

Изменения круглогодичной нагрузки практически не зависят от климатических условий наружного воздуха, а определяются – в случае горячего водоснабжения – неравномерным характером водоразбора как в течение суток, так и в течение недели, а в случае теплопотребления промышленных предприятий – зависят от характера технологического процесса, типа производственного оборудования и, как правило, задаются технологами на основе соответствующих расчетов или данных тепловых испытаний.

Круглогодичная нагрузка имеет переменный суточный график, а также различается по времени года. Летние нагрузки, как правило, ниже зимних вследствие более высокой температуры перерабатываемого сырья и водопроводной воды, а также благодаря меньшим теплопотерям трубопроводов и теплопроводов.

В итоге суммарные потребности в тепловой энергии за год составят:
(1.1)
где – годовая потребность в тепле на отопление, J;

- годовая потребность в тепле на вентиляцию, J;

- годовая потребность в тепле на кондиционирование воздуха, J

- годовая потребность в тепле на горячее водоснабжение, J;

- годовая потребность в тепле на технологические нужды, J.
1.2 Расчет тепловой нагрузки на отопление

Основным уравнением для расчета тепловой отопительной нагрузки , W, является уравнение теплового баланса:
(1.2)
где – теплопотери здания через наружные ограждения, W;

– теплопотери в результате инфильтрации наружного воздуха через неплотности в ограждениях, W;

– расход тепла на нагрев материалов, вносимых в помещение (для производственных помещений), W;

– тепловыделения в помещении, W.

Подробный расчет каждой составляющей данного уравнения приводится в п. 2.3.

Одновременно с этим, при проектировании системы отопления группы зданий или целого района, расчет отопительной нагрузки проводится по укрупненным показателям по уравнению:
(1.3)
где - коэффициент инфильтрации. Для жилых и общественных зданий при правильной эксплуатации максимальное значение в большинстве случаев не превосходит 3-6% размера теплопотерь здания, что лежит в пределах погрешности расчета теплопотерь. Поэтому допустимо для данной группы зданий принимать =0. Для промышленных зданий теплопотери с инфильтрацией нередко достигают 25-30% и их необходимо учитывать при расчете;

qo - удельные теплопотери здания, W/(m3K);

tв и tн – соответственно температура внутреннего и наружного воздуха, оС.

Величину удельных теплопотерь можно определить по следующим соотношениям /1-3/:
(1.4)

где А- площадь наружных стен, m2;

S - площадь здания в плане, m2;

V - объем по наружному обмеру, m3;

Р- периметр в плане, m;

Н- высота здания, m;

d - доля остекления стен, в долях процентов;

кс, кок, кпт, кпл – соответственно коэффициенты теплопередачи через наружные стены, окна, потолок и пол, W/(m2K). Для ориентировочных расчетов можно принимать кс=1,35 W/(m2K), кок=2,8 W/(m2K), кпт=0,8 W/(m2K), кпл=0,15 W/(m2K);

а – коэффициент, зависящий от конструкции ограждения, принимаемый равным для кирпичных стен - 1,85 и для железобетонных 2,3 – 2,6;

- температурный коэффициент, составляющий 1,1 при температуре наружного воздуха – 20 oC ? tн ? - 15 оС;

tв – температура воздуха внутри здания, определяемая в зависимости от назначения здания, условий комфортности и категории выполняемых работ, oC;

tн - температура наружного воздуха, значение которой зависит от географических условий расположения рассчитываемого объекта, oC.

Для определения максимального годового расхода тепла на отопление , J, необходимо учесть тот факт, что время расчетного отопительного сезона для условий Республики Молдова составляет =166 суток
(1.5)
Однако, в течение указанных 166 суток, средняя температура наружного воздуха для РМ составляет tн ср= 0,6 оС, и, следовательно, среднегодовая нагрузка на отопление составит:
(1.6)
1.3 Расчет тепловой нагрузки на вентиляцию

Расход теплоты на вентиляцию жилых зданий, не имеющих, как правило, специальной приточной системы, относительно невелик и обычно не превышает 5-10% расхода теплоты на отопление и учитывается в значении удельных теплопотерь здания.

Расход теплоты на вентиляцию общественных и административных зданий, культурных учреждений и производственных предприятий, составляет значительную долю суммарного теплопотребления объекта и должен быть отдельно рассчитан.

Для определения расчетной вентиляционной нагрузки , W, используется уравнение теплового баланса:
(1.7)
где m, V – соответственно массовый и объемный расходы воздуха в системе, kg/s, m3/s;

, cp –плотность и коэффициент теплоемкоемкости воздуха, kg/m3, J/(kg K);

tнв - расчетная вентиляционная температура наружного воздуха, определяемая как средняя температура самого холодного месяца года для рсчетной местности;

tпр - температура приточного воздуха.

В зимний период времени приточная вентиляция проектируется в помещениях, где имеются постоянные тепло- влаго- или пылегазовыделения. В помещениях с постоянными тепловыделениями температура приточного воздуха меньше расчетной температуры внутреннего воздуха на величину рабочей разности температур, значение которой зависит от технологических процессов, протекающих в помещениях и может варьироваться в пределах 2-10 К. В помещениях с другими типами вредностей температуру приточного воздуха принимают равной расчетной температуре внутреннего воздуха.

Определение величины расхода воздуха в системах вентиляции приводится в части 2 данного учебного пособия.

Если принять протяженность зимнего периода равным отопительному, т.е. 166 суток, то максимальный расход тепла на вентиляцию , J, составит:
(1.8)
Среднегодовая нагрузка на вентиляцию составит:
(1.9)


1.4 Расчет тепловой нагрузки на установки кондиционирования воздуха

Если система кондиционирования воздуха (СКВ) работает в круглогодичном режиме, то в зимний период времени расчет необходимой тепловой нагрузки определяется аналогично расчету систем вентиляции.

В летний период времени СКВ являются существенными потребителями холода. При выработке искусственного холода тепловыми методами (абсорбционными или эжекционными), необходимо учитывать дополнительную тепловую нагрузку источника теплоснабжения.

Для теплоиспользующих холодильных машин тепловые затраты определяются:

(1.10)

где Qх - тепло, отводимое из охлаждаемого объекта, W,

 - коэффициент теплоиспользования пароэжекторной или абсорбционной холодильной машины (<1).
1.5 Расчет тепловой нагрузки на горячее водоснабжение

Горячее водоснабжение (ГВС) имеет крайне неравномерный характер распределения нагрузки как в течение суток, так и в течение недели, а также сильно зависит от назначения здания. Водоразбор в будние дни, предвыходные или праздничные дни абсолютно не совпадает. Поэтому для жилых, общественных, в первую очередь, для больниц, бань, прачечных, а также для производственных зданий, расчеты проводятся отдельно по каждому типу зданий.

Различают расчетные значения максимально-часового расхода теплоты на бытовое ГВС, среднего за сутки наибольшего водопотребления, средненедельного. Соответственно в справочной литературе можно найти данные по нормативному расходу горячей воды по каждому виду водопотребления – a, kg/s в расчете на одного потребителя.

Средние нормы расхода горячей воды для жилых домов в расчете на одного потребителя можно принимать:

-средненедельный – 110 л/сутки = 1,2710-3 kg/s;

-в сутки наибольшего водопотребления – 125 л/сутки = 1,4510-3 kg/s;

-максимальночасовой – 10 л/ч = 2,9210-3 kg/s.

При отсутствии данных о количестве и типе жилых и общественных зданий во вновь застраиваемых районах, ориентировочно расход тепла на ГВС Qгвс , W можно определить по уравнению:
(1.11)
где N число жителей;

b – расход горячей воды для общественных зданий, отнесенный к одному жителю района, ориентировочно можно принимать b = 20 л/сутки = 2,3110-4 kg/s;

tгтемпература горячей воды у потребителя, расчетное значение составляет 65 оС;

расчетное значение температуры холодной воды в зимний период, принимаемое равным 5 оС;

кн - коэффициент недельной неравномерности расхода тепла. При отсутствии опытных данных для жилых и общественных зданий равный 1,2, для промышленных - 1;

кс - коэффициент суточной неравномерности расхода тепла за сутки наибольшего водопотребления. Для жилых и общественных зданий принимают 1,7 – 2, для промышленных предприятий – 1.

Среднегодовое теплопотребление теплоты на нужды ГВС , J составит:
(1.12)
где от – продожительность отопительного периода;

пр – продолжительность периода профилактических работ, составляющее 15 суток;

л – коэффициент снижения часового расхода воды на ГВС в летний период, принимаемый равным 0,8;

- расчетная температура холодной воды в летний период, принимаемая равной 15 оС.

Годовой расход топлива на нужды теплоснабжения района составит:
(1.13)
где – низшая теплота сгорания газа, значение которой ориентировочно в расчетах можно принимать равным 33,5 MJ/m3, - коэффициент полезного действия брутто котельного агрегата.

2. ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ
2.1. Назначение, общие сведения, классификация.

Система отопления (СО) – это совокупность конструктивных элементов, предназначенных для получения, переноса и передачи необходимого количества тепла в помещения, с целью поддержания в них заданного значения температуры внутреннего воздуха.

Основными элементами СО являются источник тепла (котел или крупная тепловая станция), передатчик тепла (магистральные трубопроводы или тепловые сети) и потребитель тепла (СО здания).

В зависимости от взаимного расположения источника и потребителя тепла СО подразделяются на местные и центральные.

В местных СО источник тепла располагается непосредственно в отапливаемом помещении, либо в непосредственной близости от него (расстояние от источника тепла до дальнего отопительного прибора составляет не более нескольких десятков метров).

В центральных СО источник тепла находится за пределами отапливаемых помещений, а передача тепла от источника к потребителю происходит при помощи теплопроводов тепловых сетей.

В зависимости от вида теплоносителя системы отопления делятся на водяные, воздушные, паровые и газовые. Необходимо отметить, что использование в качестве теплоносителя высокотемпературных продуктов сгорания топлива ограничено отопительными печами, газовыми калориферами и другими местными отопительными установками, что обусловлено ухудшением состояния воздушной среды при непосредственном попадании газов в помещение. Удаление продуктов сгорания наружу по каналам усложняет систему и понижает ее к.п.д.

При использовании в качестве теплоносителя пара появляется возможность быстрого нагревания помещений, т.к. пар является легкоподвижной средой со сравнительно малой плотностью. Однако, пар как теплоноситель не отвечает санитарно-гигиеническим требованиям поскольку при постоянно высокой температуре (100 оС и более) на поверхности теплопроводов и отопительных приборов, происходит разложение оседающей органической пыли. Одновременно с этим, в паровых системах невозможно качественное регулирование, т.к. нет возможности влиять на изменение температуры пара. Кроме того, СО данного типа обладают повышенным уровнем шума, особенно при возобновлении работы после перерывов. Вследствие этих недостатков, система парового отопления не допускается к применению в жилых, общественных и административно-бытовых зданиях, а также в производственных помещениях с повышенными требованиями к чистоте воздуха. Паровое отопление допускается применять только при соответствующем технико-экономическом обосновании (например, при избытке пара, используемого в технологическом процессе производства).

В результате изложенного, в дальнейшем будут подробно рассматриваться только водяные и воздушные системы отопления.

Вода представляет собой практически несжимаемую среду со значительной плотностью и теплоемкостью. При использовании воды в качестве теплоносителя в СО в помещениях обеспечивается: довольно равномерная температура воздуха, существует возможность качественного регулирования при ограничении температуры поверхности отопительных приборов, значительный срок службы, бесшумность действия, простота обслуживания и ремонта.

Воздух также является легкоподвижной средой со сравнительно малой теплоемкостью, плотностью и вязкостью. При использовании воздуха можно обеспечить быстрое изменение и равномерность температуры воздуха в помещениях, совмещать отопление с вентиляцией воздуха, а также избежать установки отопительных приборов.

По способу создания циркуляции теплоносителя в водяных и воздушных СО, они разделяются на системы с естественной (гравитационные) и вынужденной (насосные) циркуляцией.

К системам отопления предъявляются следующие требования:

1. Санитарно-гигиенические – обеспечивать в помещении заданное значение температуры внутреннего воздуха; температуры на внутренних поверхностях ограждений; температуры на поверхностях отопительных приборов.

2. Экономические – обеспечивать невысокие капитальные вложения с минимальным расходом металла, а также экономный расход тепловой энергии при эксплуатации.

3. Архитектурно-строительные – соответствие интерьеру помещений, компактность.

4. Производственно-монтажные – механизация изготовления узлов и деталей, их унификация, сокращение затрат при монтаже.

5. Эксплуатационные – эффективность действия в течение всего периода работы, надежность.
2.2. Основные положения. Параметры внутреннего и наружного воздуха

Основными среди теплозатрат на коммунально-бытовые нужды в зданиях являются затраты на отопление. Это объясняется условиями эксплуатации зданий в холодный период времени, когда теплопотери через ограждающие конструкции зданий значительно превышают внутренние тепловыделения. Отоплением называется искусственное обогревание помещений здания с возмещением теплопотерь и поддержания в них заданного температурного режима – температуры внутреннего воздуха – tв. Температура внутреннего воздуха должна быть возможно более равномерной как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. Температура считается равномерной, если в горизонтальном направлении от окон до противоположной стены разница температуры воздуха не превышает 2 К, а в вертикальном 1 К на каждый метр высоты. Колебание температуры воздуха в течение суток не должно быть более 1,5 К при централизованном отоплении, и более 3 – при местном. Нормы допустимых и оптимальных метеорологических условий в рабочей зоне производственных помещений и обслуживаемой зоне других помещений в производственных, вспомогательных, жилых и общественных зданиях в холодный и переходный периоды времени* приведены в табл. 2.1 /1/.

Таблица 2.1

Нормы допустимых и оптимальных параметров

Характеристика помещения

Категория работ

tв, оС

в, %

wв, m/s

Допустимые нормы

Производственные с незначительными избытками явного тепла (23 W/(m2K) и менее)

Легкая

17-22

75

0,3

средней

тяжести

15-20

75

0,5

тяжелая

13-18

75

0,5

Производственные со значительными избытками явного тепла (более 23 W/(m2K))

легкая

средней

тяжести

тяжелая

17-24
16-22

13-17

75
75

75

0,5
0,5

0,5


Вспомогательные в произв. зданиях, помещения в жилых, общ. зданиях



-



18-22



65



0,3

Оптимальные условия

Производственные независимо от величины явного тепла

легкая

средней тяжести

тяжелая

20-22

17-19

16-18

60-30

60-30

60-30

0,2

0,3

0,3

Вспомогательные в произв. зданиях, помещения в жилых,общ. зданиях


-


20-22


45-30


0,1



*Холодным и переходным периодами времени считается период, когда

среднесуточная температура наружного воздуха составляет ниже 10 оС.

В частности, для некоторых общественных и жилых помещений, температура внутреннего воздуха по данным /2/ составляет, оС:

- жилые здания, гостиницы, общежития, административные здания – 18-20

- учебные заведения, общеобразовательные школы, предприятия общественного питания, дома культуры – 18-16;

-театры, магазины, прачечные – 17-15; кинотеатры – 16-14; гаражи – 10;

- детские сады, поликлиники, амбулатории, диспансеры, больницы – 20;

- бани – 25.

Отопление зданий начинается при устойчивом (в течение трех суток) понижении среднесуточной температуры наружного воздуха до 8 оС. На основании многолетних метеонаблюдений в конкретной географической местности установлены:

- длительность отопительного периода – как среднее число дней в году с устойчивой среднесуточной температурой наружного воздуха менее 8 оС;

- средняя температура наружного воздуха в отопительный период.

Расчетная температура наружного воздуха для определения тепловой нагрузки систем отопления определяется в зависимости от степени массивности ограждения и может являться: средней температурой самой холодной пятидневки года за многолетний период метеонаблюдений в данной географической местности, средней температурой наиболее холодных суток либо рассчитываться как среднее значение из указанных величин (см.п. 2.3.1). Климатические параметры холодного периода года на территории РМ по данным /1/ приведены в табл. 2.2.

Для создания и поддержания теплового комфорта в помещениях зданий требуются технически совершенные и надежные отопительные установки. Главным признаком настоящего периода времени является широкое внедрение автоматизации тепловых и гидравлических режимов на уровне потребителя, которое дает возможность индивидуального автоматического поддержания желаемого теплового комфорта.

Таблица 2.2

Климатические параметры холодного периода года на территории РМ

1.

Температура воздуха наиболее холодных суток

-24 оС

2.

Температура воздуха наиболее холодной пятидневки

-16 оС

3.

Температура воздуха наиболее холодного месяца года

-7 оС

4.

Абсолютная минимальная температура

- 32 оС

5.

Средняя суточная амплитуда температуры воздуха наиболее холодного месяца

5,9 К

6.

Средняя месячная относительная влажность наиболее холодного месяца года

81 %

7.

Средняя месячная относительная влажность в 15 ч. наиболее холодного месяца года

75 %

8.

Преобладающее направление ветра за декабрь-февраль

СЗ

9.

Максимальная из средних скоростей ветра за январь

5,7 m/s

.

Это, по-новому, освещает современные подходы к централизованным системам отопления, отношение к которым, из-за экономических неурядиц на рынке страны, в последнее время стало достаточно предвзятым.

Однако, независимо от выбора расположения основных элементов системы отопления (источника и потребителя тепла, теплоносителя в системе, вспомогательного оборудования) основной характеристикой при проектировании системы отопления является величина тепловой мощности, называемая расчетно-отопительной нагрузкой здания Qро.
2.3. Определение расчетно-отопительной нагрузки здания

Расчетно-отопительная нагрузка определяется как алгебраическая сумма потерь тепла через наружные ограждения, на нагрев инфильтрирующегося воздуха, на нагрев материалов, вносимых в помещение и тепловыделений в помещении, рассчитываемая по формуле (1.2).

Уравнение для определения расчетно-отопительной нагрузки представляет собой уравнение теплового баланса для стационарных условий. При этом, граничными условиями являются ГУ 3 рода, при которых заданными являются температуры внутреннего и наружного воздуха и коэффициенты теплоотдачи на внутренней в и наружной н поверхностях ограждения.

По данным /2/ коэффициенты теплоотдачи в условиях расчетов систем отопления могут быть приняты:

- для внутренних поверхностей стен, полов и потолков – 8,7 W/(m2K);

- для наружных поверхностей, соприкасающихся непосредственно с наружным воздухом – наружные стены, бесчердачные покрытия – 23 W/(m2K);

- для наружных поверхностей, непосредственно не соприкасающихся с наружным воздухом:

а) выходящие на чердак – 11,6 W/(m2K);

б) над холодными подвалами и подпольями – 5,8 W/(m2K).
2.3.1 Расчет теплопотерь здания

Расчеты теплопотерь здания проводятся для стационарных условий, т.е. при постоянных значениях температуры наружного и внутреннего воздуха и, следовательно, постоянных значениях теплового потока.

Однако, в реальности температура наружного воздуха непрерывно изменяется, как следствие изменяется теплоотдача от нагревательных приборов, в связи с чем изменяются температуры поверхностей ограждений. При этом ограждения по разному реагируют на колебания температуры на их поверхности. Одни ограждения быстро изменяют температуру в своей толще вслед за изменениями температуры наружного или внутреннего воздуха, другие - медленно.

Эти свойства ограждений связаны и их теплоустойчивостью – возможностью сохранять относительное постоянство температуры при периодических изменениях тепловых воздействий на его поверхностях. Этот достаточно сложный процесс в расчетах связывают с понятием степени массивности ограждения. Степень массивности определяется по величине тепловой инерции D, вычисляемой по формуле:
(2.1)
где Ri – термическое сопротивление процесса теплопроводности i- того слоя ограждения, m2K/W

Si – коэффициент теплоусвоения i-того слоя ограждения, W/(m2K)

Термическое сопротивление процесса теплопроводности многослойного ограждения определяется по формуле:
(2.2)
где I –толщина i-того слоя ограждения, m;

I – коэффициент теплопроводности i-того слоя ограждения, W/(mK).

Коэффициент теплоусвоения материала показывает способность поверхности стенки площадью 1 m2 усваивать теплоту в течение единицы времени при разности температур на поверхности ограждения 1 К. Величина коэффициента теплоусвоения зависит от продолжительности отопления и теплофизических свойств материала.

При = 24 часа S определяется по формуле:
(2.3)
где р, - теплофизические свойства материала, W/(mK), kJ/(kgK), kg/m3 (коэффициент теплопроводности, коэффициент теплоемкости, плотность), определяемые по П-1.

Наружные ограждения считаются:

легкими при 0 ? D ? 4;

средней массивности при 4 ? D ? 7;

массивными при D 7.

для воздушных прослоек D = 0.

В зависимости от степени массивности ограждения расчетная зимняя температура наружного воздуха принимается следующим образом:

а) для массивных ограждений – средняя температура наиболее холодной пятидневки года;

б) для легких ограждений – средняя температура наиболее холодных суток;

с) для ограждений средней массивности - среднее значение температур, указанных в пунктах а) и б).

При этом, покрытия и перекрытия относятся обычно к разряду легких. Для перекрытий над подвалами и подпольями независимо от массивности конструкции расчетная температура принимается равной средней температуре самой холодной пятидневки года.

Суммарные теплопотери здания складываются из теплопотерь через наружные стены, чердачные перекрытия, полы, окна, наружные двери. Наружными считаются ограждения, температура воздуха с обеих сторон которых различается более чем на 5 К.

Для определения теплопотерь через каждое ограждение , W используется основное уравнение теплопередачи:
(2.4)
k – коэффициент теплопередачи через наружное ограждение, W/(m2K);

F – площадь поверхности ограждения, m2 ;

n – коэффициент, учитывающий поправку на перепад температур для верхнего и нижнего горизонтальных ограждений здания.

Для определения коэффициента n по данным /3/ предложены следующие значения:

- наружные стены, окна, наружные двери – 1;

- полы на грунте и на лагах – 1;

- чердачные перекрытия при стальной, черепичной или асбоцементной

кровлях – 0,9;

- ограждения, отделяющие отапливаемые помещения от неотапливаемых, сообщающихся с наружным воздухом, за исключением неотапливаемых подвалов – 0,7;

- ограждения, отделяющие отапливаемые помещения от неотпливаемых, не сообщающихся с наружным воздухом – 0,4;

- перекрытия над подпольями, расположенными ниже уровня земли – 0,4;

- перекрытия над неотапливаемыми подвалами, расположенными ниже уровня земли или имеющими наружные стены, выступающие над уровнем земли на высоту до 1 метра, при наличии окон в этих стенах – 0,6;

- то же, при отсутствии окон – 0,4.

Обратным значением коэффициента теплопередачи является величина термического сопротивления R?, m2K/W. В рассматриваемом процессе эта величина состоит из суммы термических сопротивлений процессов теплоотдачи внутри Rв и снаружи Rн помещения и суммарного термического сопротивления процесса теплопроводности ?R материалов наружного ограждения:
(2.5)
Термические сопротивления процессов теплоотдачи Rв и Rн соответственно внутри и снаружи здания являются обратными величинами коэффициентов теплоотдачи в и н, значения которых указаны в п. 2.3.

Для ограждения, состоящего из нескольких плоских стен, каждая из которых однородна по составу, величина ?R определяется по уравнению:
(2.6)
где ?i, I – соответственно толщина и теплопроводность материала каждой стенки, m,W/(mK).

Для определения термического сопротивления ограждений, состоящих из многослойных конструкций неоднородных материалов, вводится понятие среднего коэффициента теплопроводности ?ср:
(2.7)
где ?i – коэффициент теплопроводности материалов, входящих в рассматриваемую конструкцию.

Термическое сопротивление ограждений, в которых материал неоднороден как в параллельном, так и в перпендикулярном к тепловому потоку направлениях, определяется по формуле:
(2.8)
где – термическое сопротивление участков, расположенных параллельно направлению теплового потока:
(2.9)
R – термическое сопротивление участков, расположенных перпендикулярно направлению теплового потока:
(2.10)
Расчет теплопотерь для пола, расположенного непосредственно на грунте, имеет свои особенности. Суммарные теплопотери пола R? состоят из двух составляющих: теплопотери через неутепленый пол R0 и теплопотери через утеплители R. Соответственно термическое сопротивление пола определяется по уравнению:
(2.11)
Термическое сопротивление неутепленного пола определяется по зонам, отсчитываемым от каждой наружной стены. Ширина каждой зоны 2 метра. Примыкающая к наружной стене зона является первой, следующая – второй и т.д. Термическое сопротивления каждой зоны принимаются следующим образом: R1=2,1 m2K/W, R2=4,3 m2K/W, R3=8,6 m2K/W, сопротивление четвертой и всех последующих зон RN=14,1 m2K/W. Окончательно, термическое сопротивление неутепленного пола:
(2.12)
Fi - площадь соответствующей зоны, m2

F - площадь пола, m2.

Если в помещении несколько наружных стен, зоны отсчитываются от каждой наружной стены, при этом, площадь первой зоны, примыкающая к углам, образуемым наружными стенами, вводится в расчет дважды (по направлению обеих наружных стен, образующих угол).

Термическое сопротивление утеплителей определяется как сумма термических сопротивлений процессов теплопроводности через поверхность каждого из утеплителей:
(2.13)
Чем тоньше ограждение при одних и тех же значениях температур внутреннего и наружного воздуха, тем ниже температура на внутренней поверхности ограждения. При уменьшении этой температуры, увеличивается разность температур между температурой воздуха в помещении и температурой внутренней поверхности, что нежелательно по санитарно-гигиеническим соображениям (при приближении к стене ощущается «холод»). Кроме того, если температура внутренней поверхности окажется ниже температуры точки росы, на этой поверхности начнется конденсация водяных паров, что приведет к появлению сырости и порче ограждения. В связи со сказанным, вводится понятие требуемого термического сопротивления, одним из условий введения которого является требование о недопустимости конденсации водяных паров на внутренней поверхности ограждений (за исключением некоторых, особо оговариваемых, случаев).

Исходя из условий стационарного режима, величина требуемого термического сопротивления Rтр может быть рассчитана по уравнению:
(2.14)
где - нормируемый температурный напор между температурой воздуха в помещении и температурой на внутренней поверхности ограждения. По данным /3/ нормируемый температурный напор можно определить по следующим значениям (, К, не более чем), табл. 2.3:

Таблица 2.3.

Значения нормируемого температурного напора




Вид помещений

Для наружн.

стен

Для

кровли



Жилые помещения и помещения

общественных зданий (больницы,

ясли, детские сады)

6


4



Помещения поликлиник, школ

6

4,5



Административные, вспомогательные здания промышленных предприятий

7

5,5



Отапливаемые помещения производств. зданий с в 50 %

10

8



То же, 50-60 %

8

7



Помещения произв. зданий с избыт. тепловыделениями и в? 45 %

12

12



Помещения произв. зданий в> 60 %, где не допускается конденсация влаги

tв-tт.р.

tв-tт.р.-1



То же, но конденсация на пов-ти стен допускается

7

tв-tт.р.-0,5



Для полов нормируемая разность температур в п. 1, 2 принимается равной 2 К, для остальных – 2,5 К.

Термическое сопротивление, рассчитанное по формуле (2.5) не должно быть меньше требуемого (2.14). В противном случае, необходимо увеличивать термическое сопротивление теплопроводности, количество утеплителей или их толщину.

При определении теплопотерь через стены подвалов, которые являются продолжением подземной части, соответствующие площади до уровня земли рассматриваются как полы.

Для определения теплопотерь через световые проемы окон и наружных дверей, используются значения требуемых термических сопротивлений по данным /2/, приведенным в таблице 2.4.
Таблица 2.4

Сопротивление теплопередаче заполнений световых проемов и дверей



Заполнение проема

R, m2K/W

1

Одинарное остекление

0,17

2

Двойное остекление в одинарном переплете

0,34

3

Двойное остекление раздельное

0,37

4

Магазинные витрины

0,21

5

Наружные деревянные двери и ворота

0,21

6

То же, двойные

0,43

7

Двери стеклянные одинарные

0,15

8

То же, двойные

0,27

9

Внутренние двери одинарные

0,34



*П.4-9 значения Rтр даны при отношении площади остекления к площади заполнения проема 0,75-0,85. При меньших отношениях Rтр следует увеличить на 10%, при больших отношениях – уменьшить на 5%.

**В металлических переплетах величина Rтр уменьшается на 10%.

Строительные материалы являются капиллярно-пористыми коллоидными телами, т.е. обладают определенной проницаемостью. Поэтому через ограждения происходят фильтрация воздуха и проникновение влаги. Таким образом, через ограждения происходит небольшая передача воздуха и влаги, но это не должно приводить к переохлаждению или переувлажнению помещений.

Ограждающие конструкции выбирают в зависимости от теплофизических свойств материала, конструктивного решения, температурно-влажностного режима воздуха в здании и климатических характеристик местности.

В зданиях с мокрым и влажным режимами следует учитывать возможность накопления влаги в толще наружного ограждения, что приводит к появлению сырости, деформации конструкций и повышенной коррозии металла.

На влажностный режим наружных ограждений большое влияние оказывает порядок расположения слоев в них. Для предупреждения переувлажнения материалов рекомендуется малопаропроницаемые слои располагать у внутренней поверхности ограждения, а слои с низким коэффициентом теплопроводности более паропроницаемые – у наружной.

При проектировании зданий и сооружений следует предусматривать защиту внутренней и наружной поверхности стен от увлажнения вследствие:

-впитывания внутрь стены, особенно через стенки конструкций, атмосферной влаги, смачивающей ее наружную поверхность;

-впитывания влаги, конденсирующейся на внутренней поверхности ограждения;

-воздействия влаги производственных и хозяйственно-бытовых процессов;

-впитывания грунтовой влаги.

Защиту наружной поверхности от увлажнения атмосферной влагой обеспечивают устройством фактурного слоя, штукатурки или облицовки, а также путем нанесения защитных гидрофобных покрытий. Для внутренних ограждений помещений с влажным и мокрым режимами (>60%) не следует применять силикатный кирпич, пустотелые камни, древесину, а также другие материалы с повышенной или пониженной влагостойкостью, небиостойкие или недостаточно морозоустойчивые.

Защиту внутренней и наружной поверхности от грунтовой влаги обеспечивают с помощью устройства гидроизоляции. Основная, обязательная во всех случаях, горизонтальная гидроизоляция в нижней части или по всему верху цоколя должна быть расположена выше тротуара, но ниже отметки пола первого этажа. Дополнительную горизонтальную гидроизоляцию предусматривают в следующих случаях:

-в стенах зданий с подвалами и цокольными этажами ниже уровня пола подвала или цокольного этажа;

-в стенах из материалов с пониженной влагостойкостью выше цоколя;

-в наружных стенах от проникания влаги в перекрытиях первого этажа.

В стенах подвалов и цокольных этажей в зависимости от гидрогеологических условий и назначения помещения, кроме горизонтальной гидроизоляции следует предусматривать и вертикальную гидроизоляцию, которую устраивают на наружной поверхности подземной части стен. При этом вертикальную гидроизоляцию соединяют с горизонтальной.

Воздушные прослойки в толще наружных стен зданий, термическое сопротивление которых учитывается теплотехническим расчетом ограждения по условиям холодного периода, должны быть замкнутыми и иметь высоту не более высоты этажа и не более 6 метров. При этом необходимо учитывать следующее:

-для сокращения количества тепла, передаваемого излучением, одну из поверхностей прослойки покрывают алюминиевой фольгой. Покрытие фольгой обеих поверхностей практически не уменьшает передачу тепла;

-эффективными в теплотехническом отношении являются прослойки небольшой толщины;

-рациональнее делать в ограждающей конструкции несколько прослоек малой толщины, чем одну большой;

-воздушные прослойки рекомендуется располагать ближе к наружной стороне ограждения, так как при этом в зимнее времы уменьшается количество тепла, передаваемого излучением.

Предельную толщину наружных стен следует принимать 0,5 m, предельную толщину теплоизоляционного слоя 0,2 m.

В зависимости от расположения ограждения по сторонам света, возникают дополнительные теплопотери через наружные ограждения. Для наружных стен, световых проемов и наружных дверей зданий любого назначения, дополнительные теплопотери определяются в процентах от основных при следующих условиях:

- при обращении ограждения на север, восток, северо-восток и северо-запад – в размере 10 %;

- при обращении на юго-восток и запад – в размере 5 %.
2.3.2 Расчет теплопотерь, связанных с инфильтрацией наружного воздуха

Инфильтрацией называется процесс проникновения холодного наружного воздуха в помещение через неплотности в конструкциях наружных ограждений.

Количество наружного воздуха, поступающего в помещение в результате инфильтрации, зависит от конструктивно-планировочного решения, направления и скорости ветра, температуры воздуха, герметичности конструкции, ее размеров и вида притворов открывающихся окон, дверей и ворот.

В соответствии со сказанным, расчет теплозатрат на нагрев проникающего воздуха зависит как от естественного воздухообмена, так и от направления и силы ветра, вызывающего дополнительный градиент давлений и, соответственно, дополнительный поток воздуха. При этом, чем выше здание, тем больше воздуха проникает в помещение под влиянием перепада давлений между внутренним и наружным воздухом, а также под действием ветра на наружные ограждения.

Потери тепла , W можно определить по уравнению теплового баланса:
(2.15)
где mинф – расход инфильтрирующегося воздуха, kg/s,

А – коэффициент, учитывающий подогрев воздуха в конструкции окон, принимаемый равным 0,8 для двойных и тройных окон в раздельных переплетах и равным 1 для одинарных окон, дверей и ворот.

Расход воздуха для жилых, общественных и административных зданий можно определить по эмпирической формуле:
(2.16)
где ? – толщина зазора, принимаемая равной: 0,001 m для окон в деревянных переплетах, 0,0005 m для окон в металлических переплетах, 0,002 m для дверей и ворот;

l – суммарная длина зазора, m;

В – поправочный коэффициент, составляющий для помещений с односторонним остеклением 0,5; с двусторонним , Р – перепад давлений снаружи и внутри помещения, Ра, при этом , где wн - расчетная скорость ветра.

Для условий РМ wн = 5,4 m/s при tн = -16 оС и н = 1,374 kg/m3. При этом справедливо для ∆Р = 0 – 0,4 В = 1,

Р = 0,4 – 1 В = 0,89 + 0,3 ∆Р;

h – высота этажа здания, m.

Для производственных зданий расход воздуха определяется как , где mо – количество воздуха kg/(sm), инфильтрирующегося через 1 погонный метр ограждения.

Значение величины mo в зависимости от толщины зазора и скорости ветра приведены в табл. 2.5 /4/.

Таблица 2.5

Расход инфильтрирующегося воздуха

Конструкции переплетов

При средней скорости ветра, m/s

До 1

2

3

4

5

Металлические, при толщине зазора до 1 мм

1,05

1,67

2,05

2,33

3,28

Деревянные, при толщине зазора до 1,5 мм

1,56

2,53

3,11

3,5

4,86



При использовании данных значений для окон с двойными переплетами, значения mо умножаются на 0,5, для дверей и ворот – на 2.
2.3.3. Расчет расхода тепла, расходуемого на нагрев материалов и транспорта

В производственных цехах в ряде случаев необходимо учитывать расход тепла на нагрев транспорта и материалов, поступающих в помещение.

Количество тепла Qм J, поглощаемого вводимым в цех материалом, определяется:
(2.17)
где mм – масса материала, вводимого в цех в течение определенного промежутка времени, kg;

срм – коэффициент теплоемкости вносимого материала, J/(kgK);

В – коэффициент интенсивности поглощения тепла материалом во времени, определяемый по табл. 2.6.

При расчетах необходимо учитывать, что для определения мощности теплоой нагрузки, суммарное значение тепла, затрачиваемого на нагрев материалов, рассчитывается для определенного промежутка времени. Этот промежуток зависит от длительности поступления материалов в помещение непосредственно из окружающей среды.
Таблица 2.6

Ориентировочные значения коэффициента В

Для изделий из несыпучих материалов и транспорта

Для сыпучих материалов

Время пребывания в цехе, в часах

В

Время пребывания в цехе, в часах

В

1

0,5

1

0,4

2

0,3

2

0,25

3

0,2

3

0,15


2.3.4. Расчет тепловыделений в помещении

В зависимости от назначения здания, вида и характера проводимых в нем работ, а также от разнообразия и количества бытовых электроприборов, ламп накаливания и находящихся в помещении людей, в зимний период времени также возможны тепловыделения. В тех случаях, когда эти тепловыделения имеют устойчивый характер, их необходимо учитывать в общем балансе расчетно-отопительной нагрузки со знаком минус.

В жилых районах тепловыделения, как правило, не распределены равномерно по зданию, и для обеспечения нормального температурного режима во всех отапливаемых помещениях, принимают расчетное значение тепловыделений по наиболее невыгодным условиям, т.е. Qтв= 0.

Внутренние тепловыделения , W промышленных предприятий довольно устойчивы и нередко представляют существенную долю расчетной отопительной нагрузки, поэтому должны обязательно учитываться.

Тепловыделения производственных печей можно определить по формулам:

- для печей, работающих на твердом, жидком или газообразном топливе
(2.18)

- для электропечей
, (2.19)
где В – расход топлива, kg/s, m3/s;

- низшая теплота сгорания топлива, J/kg, J/m3;

- тепловыделения от печи в цех, для электропечей =0,7, для остальных – 0,4-0,6;

 - коэффициент одновременности работы печей, равный 0,75-1

Тепловыделения от электродвигателей и станков, установленных в механических цехах:
(2.20)
где a – отношение фактически расходуемой мощности к установочной, при применении эмульсии для охлаждения резцов станка а = 0,2, без применения эмульсии а = 0,25.

Тепловыделения от теплового оборудования:
(2.21)
где кисп - коэффициент использования оборудования, равный 0,6 – 0,9;

 – коэффициент одновременности работы, равный 0,75 – 1.

Тепловыделения от людей зависят от характера и интенсивности производимой работы, а также температуры и скорости воздуха в помещении и могут быть определены по формуле /2/:
(2.22)

где 1 - коэффициент, учитывающий интенсивность физической тяжести выполняемой человеком работы, принимаемый для легкой работы – 1, для работы средней тяжести – 1,07, для тяжелой – 1,15;

2 – коэффициент, учитывающий утепленность одежды, и равный для легкой одежды – 1, для одежды средней утепленности – 0,66, для утепленной – 0,5.

wв - скорость воздуха в помещении, m/s, см. Табл. 2.1.

Тепловыделения от людей не учитываются, если на одного работающего приходится более 50 m3 объема помещения.

Полученное значение расчетно-отопительной нагрузки по формуле (1.2) с учетом 10% надбавки является исходной величиной для определения мощности системы отопления и расчета отопительных приборов:
(2.23)
  1   2   3


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации