Для чего составляется уравнение теплового баланса помещения

Энергоэффективность систем обеспечения параметров микроклимата. Тепловой баланс помещений

Сегодня мы начинаем публиковать цикл статей, посвящённых анализу методов создания и поддержания теплового режима помещений в холодный период года. Первая статья цикла расскажет о развитии современных энергоэффективных систем создания и поддержания теплового комфорта в помещениях. По мнению авторов, это развитие требует уточнения основных закономерностей по расчёту теплопотребления зданиями.

Составляющие теплового баланса помещения

Физический смысл теплового баланса помещения в холодный период года заключается в поддержании постоянной температуры внутреннего воздуха t_в [ °C] системами обеспечения параметров микроклимата. Сведение всех составляющих поступления и расхода теплоты определяет дефицит или избыток её в помещении. Тепловой баланс составляется для таких расчётных условий, когда возникает наибольший дефицит теплоты. Наличие дефицита теплоты ΔQ [Вт] показывает следующую количественную характеристику мощности системы отопления [Вт] [1]:

где Q_огр — потери теплоты через наружные ограждения, Вт; Q_ин — расход теплоты на нагрев инфильтрующегося воздуха, Вт; Q_т-б — технологические или бытовые поступления (расходы) теплоты, Вт.

Для производственных помещений промышленных зданий в (1) при расчёте мощности систем отопления логично и оправдано определять величину ± Q_т-б для периодов технологических циклов с наименьшими тепловыделениями.

Формирование теплового режима в помещениях жилых и общественных зданий во многом отличается от производственных. При продолжительном отсутствии в квартире жильцов, а в общественных зданиях посетителей или обслуживающего персонала какие-либо дополнительные (бытовые) тепловыделения Q_т-б отсутствуют. Поэтому они не должны учитываться при расчётах тепловых балансов данных помещений [2, 3], то есть расчётные температурные параметры воздуха должны поддерживаться при отсутствии людей и неработающем бытовом или служебном оборудовании.

Однако в отечественную нормативную литературу для снижения реальной расчётной мощности систем отопления было введено понятие теплового потока, поступающего в жилые комнаты и кухни: 21 Вт на 1 м 2 площади пола [4]; затем

он был произвольно уменьшен до 10 Вт на 1 м 2 площади пола [1]. Данное положение привело к законодательному нарушению санитарно-гигиенических норм по поддержанию минимальной расчётной температуры в жилых и общественных помещениях. Авторами нормативов по субъективному введению бытового теплового потока при расчёте теплового баланса жилого помещения подменено понятие «энергоэффективность», то есть рациональное и, по возможности, полное использования потенциала искусственно генерируемой энергии, на «энергосбережение», которое осуществляется административными методами.

Поэтому зависимость (1) для жилых и общественных зданий должна иметь следующий вид:

Формирование теплового режима в помещениях жилых и общественных зданий во многом отличается от производственных. Например, при продолжительном отсутствии в квартире жильцов, а в общественных зданиях посетителей или обслуживающего персонала какие-либо дополнительные тепловыделения отсутствуют

В сельскохозяйственных зданиях расчётный температурный режим в холодный период года возможно, как правило, создать только за счёт варьирования теплофизическими характеристиками наружных ограждений (пассивных элементов систем обеспечения параметров микроклимата). В процессе жизнедеятельности животные, птицы, хранящееся сочное растительное сырьё (картофель, овощи, фрукты) выделяют явную теплоту: физиологическую Q_ф или биологическую Q₆. Рациональный подбор теплофизических характеристик наружных ограждений позволяет в таких помещениях отказаться от искусственно генерируемой теплоты. Поддержание расчётной внутренней температуры осуществляется за счёт утилизации явной теплоты, то есть помещения эксплуатируются как неотапливаемые с естественными источниками энергии. Для помещений таких энергопассивных производственных сельскохозяйственных комплексов уравнение теплового баланса имеет вид:

Потери теплоты отапливаемыми помещениями через ограждения

Расчётные трансмиссионные потери теплоты помещением при выборе тепловой мощности определяются как сумма потерь через все ограждения. Количество теплоты, проходящее через каждое ограждение при стационарном режиме Q_огр [Вт] определяется по формуле Фурье [1] (расшифровка обозначений в формуле (4) приведена далее в статье):

Основным критерием теплотехнических показателей энергоэффективных зданий должно быть снижение затрат тепловой энергии системами обеспечения параметров микроклимата.

Не претендуя на полноту освещения всех вопросов по эффективному использованию теплоты, предлагаемый в статье анализ физических процессов переноса теплоты через ограждения позволяет уточнить факторы формирования температурного режима помещений.

Рассмотрим соответствие закономерностей переноса теплоты и логики протекания этих процессов по основополагающей формуле (4) некоторым современным широко рекламируемым (в том числе в нормативных источниках) рекомендациям по рациональному использованию подаваемой в помещения тепловой энергии.

Расчётная площадь каждой ограждающей конструкции А [м 2 ] вычисляется с соблюдением определённых условно принятых правил обмера, которые стабильны с первой половины ХХ века. В них заложены особенности переноса теплоты теплопроводностью в каждом из конструктивных видов ограждений.

Положение ограждения относительно наружного воздуха (коэффициент n) учитывается для ограждений, отделяющих отапливаемые помещения от неотапливаемых (чердаки, подвалы, скотные дворы в сельских домах).

Температура в неотапливаемых помещениях всегда выше наружной. Поэтому потери теплоты уменьшаются и соответствуют разности температур (например, для чердака t_чер):

Значения понижающего расчётную разность температур коэффициента n, приведённые в нормах [5], несмотря на их ориентировочный характер, показали свою востребованность и необходимость в практических расчётах. Термодинамическая основа коэффициента n показывает возможную степень использования энергетического потенциала теплоносителя системы отопления путём последовательного использования как высокопотенциальной, так и низкопотенциальной энергии. Многие способы наиболее полной утилизации поданной в здание теплоты характерны для индивидуальных зданий, имеющих чердаки, подполья, сени, тамбуры, пристроенные животноводческие помещения. В нормативных документах следует расширить область использования коэффициента n, разработать и внести его значения для многоквартирных домов. Например, значения n отсутствуют: для лифтовых холлов домов с наружными пожарными лестницами, для «тёплых» чердаков с естественной или механической вытяжной вентиляцией, для застеклённых лоджий и т.п.

Об этом цикле статей

Представленный в данном цикле статей анализ методов создания и поддержания теплового режима помещений в холодный период года не является альтернативой общепринятых апробированных практикой методик расчёта, конструирования и эксплуатации систем обеспечения параметров микроклимата. Необходимость анализа современных тенденций формирования комфортного теплового режима помещений вызвана повышением требований по энергосбережению в строительстве. Однако предлагаемые новые решения по экономии тепловой энергии (даже включённые в нормативную литературу) не всегда соответствуют физическим законам тепломассопереноса, санитарным нормам, а иногда и здравому смыслу. При этом, жёстко регламентируя применение одних технических решений, действующие нормы не учитывают их совместную работу с другими элементами эксплуатируемых систем.

Нормативные документы, регламентирующие проектирование и эксплуатацию систем обеспечения параметров микроклимата, должны включать научно систематизированные, физически обоснованные и экономичные схемы систем, порядок их выбора и расчёта, рекомендации по реконструкции объектов, не позволяющие различной их трактовки. С другой стороны, они должны позволять отказываться от одних средств автоматизации и кажущегося «энергосбережения», являющихся обязательными по нормативным документам, на иные, способные повысить энергетические и экономические показатели систем. Этот фактор является особо актуален с учётом появившегося в области принятия инженерных решений не проверенных в отечественной практике зарубежных стереотипов, навязанных рекламой или лоббированием частными компаниями.

Проведённый анализ нормативной и справочной литературы по энергосбережению в строительстве подготовлен в рамках выполнения НИР «Разработка и научное обоснование теплофизических закономерностей переноса теплоты и влаги в неотапливаемых производственных сельскохозяйственных зданиях» с финансированием из средств Минобрнауки России, в рамках базовой части государственного задания на научные исследования.

Разность температуры внутреннего t_в и наружного воздуха t_н5 [°C] в холодный период года с коэффициентом обеспеченности k_об = 0,92 в формуле (4) определяет максимальную величину переноса теплоты из помещения в атмосферу. Расчётные значения температуры (t_в каждого из помещений жилых зданий приведены в нормах [6]. Современная квартира представляет собой единый комплекс обитания семьи, поэтому практически невозможно поддерживать стабильный индивидуальный температурный режим в каждом из помещений, но для фиксации общего количества необходимой подаваемой в квартиру теплоты это различие имеет определённое значение.

Более сложным является расчёт потерь или поступлений теплоты через внутренние ограждения смежных помещений с различной расчётной температурой. Потери или поступления теплоты допускается не учитывать, если разность температуры в этих помещениях не более 3 °С [1]. В научной и справочной литературе не обнаружено теплотехнических и каких-либо иных объяснений субъективному снижению существовавшей ранее разности температур от 5 до 30 °C. Следствием является возникновение ряда практически тупиковых расчётных ситуаций. Например, расчёт нестационарного по функциональному назначению температурного режима ванных, совмещённых туалетов (25 °C) и окружающих помещений (18-20 °C).

Не изученной до практического внедрения является методика нормирования и теплофизического расчёта количественных показателей ограждений между смежными помещениями с различной расчётной температурой.

Они важны не только по количественным характеристикам переноса теплоты, но и по стабилизации влажностного состояния внутренних ограждений. Необходимым и обязательным условием должна быть недопустимость наблюдаемой на практике конденсации водяных паров на внутренних поверхностях ограждений смежных помещений с более высокой температурой. Характерный пример, ограждение между кухней t_в = 20 °C) и лестничной клеткой в многоэтажных домах с лифтовыми холлами t_в = 16 °C) и в жилых домах с неотапливаемыми лестничными клетками t_в = 5 °C). Только для единственного последнего случая СНиП 23-02-2003 [5] при разности расчётных температур смежных помещений 6 °С и более обязывает нормировать и, соответственно, конструктивно менять ограждающие конструкции.

Ориентированные на другие стороны горизонта наружные ограждения получают в холодный период года меньшее количество лучистой энергии, вследствие чего их наружные поверхности имеют более низкую температуру и потери теплоты через них увеличиваются

Добавки к основным потерям теплоты отапливаемых помещений (Σβ, доли), то есть определение реальных потерь теплоты отапливаемым помещением, относится до настоящего времени к наименее изученному, субъективно трактуемому вопросу. Количественные характеристики добавок к основным потерям теплоты составляют [1]:

Добавки на ориентацию по сторонам горизонта β_ст.г, согласно нормам, принимаются на все вертикальные и наклонные (проекции на вертикаль) ограждения. Условно из-за наличия солнечной радиации за расчётную принята ориентация наружных ограждений на юг и юго-запад (β_ст.г = 0). Считается, что ориентированные на другие стороны горизонта наружные ограждения получают в холодный период года меньшее количество лучистой энергии, вследствие чего их наружные поверхности имеют более низкую температуру и потери теплоты через них увеличиваются. В то же время наиболее холодный период суток приходится на ночные и предутренние часы при отсутствии лучистого теплопритока, а теплоинерционность непрозрачных ограждающих конструкций препятствует колебаниям суточных температур их внутренних поверхностей. Данные добавки β_ст.г существуют с начала прошлого века [3], считаются традиционными и незыблемыми, однако они противоречат физическому смыслу процесса определения максимального дефицита теплоты в помещении и не должны учитываться при расчётах мощности систем отопления.

Расчет теплопотерь и составление тепловых балансов помещений

В холодное время года каждое помещение жилого здания теряет теплоту при теплопередаче через наружные ограждения. Эти потери называют трансмиссионными. Так же, но в меньшей степени теплота помещения теряется черезвнутренние ограждения, отделяющие данное помещение от смежных с более низкой температурой воздуха.

Кроме того, теплота расходуется на нагревание наружного воздуха, который проникает (инфильтруется) в помещение через неплотности наружных ограждений естественным путем (за счет разности давлений наружного и внутреннего воздуха, а также под действием ветра) и за счет работы системы вытяжной вентиляции квартир. Инфильтрация происходит через неплотности и щели в конструкциях окон, балконных дверей, через наружные и внутренние двери, а также через стыки стеновых панелей. Инфильтрацию воздуха через оштукатуренные кирпичные и крупнопанельные стены можно не учитывать из-за их высокого сопротивления воздухопроницанию.

В установившемся (стационарном) режиме потери теплоты равны ее поступлениям в помещение от людей, бытового оборудования, источников искусственного освещения. Такие теплопоступления называют бытовыми.

Учёт всех перечисленных составляющих потерь и поступления теплоты необходим для определения дефицита или избытка ее в помещении. Избыток теплоты (+DQ) обычно ассимилируется системой вентиляции. Наличие дефицита теплоты (-DQ) указывает на необходимость устройства в помещении отопления.

Для определения расчётной тепловой мощности отопительных приборов и системы отопления всего жилого здания Q_h составляется баланс расходов теплоты для каждого помещения при расчётных условиях наружного воздуха в холодный период года:

, (1.8)

где Q_tr – трансмиссионные теплопотери, Вт;

Q_inf – расход теплоты на нагревание наружного воздуха, поступающего в помещение путем инфильтрации, Вт;

Q_int – бытовые поступления теплоты, Вт.

Трансмиссионные теплопотери через отдельные ограждающие конструкции определяются по формуле:

, (1.9)

где А – расчетная площадь ограждающей конструкции, м 2 , правила обмера которой приведены в Приложении 2, рис. П2.1;

К – коэффициент теплопередачи ограждающей конструкции, Вт/м 2о С;

t_р – расчетная температура воздуха в помещении, о С;

t_ext – расчетная температура наружного воздуха для холодного периода — при расчете потерь теплоты через наружные ограждения; температура воздуха более холодного помещения — при расчете потерь теплоты через внутренние ограждения, о С;

n – коэффициент, принимаемый по табл. П1.7 Приложения 1 в зависимости от положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху;

b – поправка, учитывающая добавочные потери теплоты (в долях от основных потерь).

Поправка к основным потерям теплоты bучитывает:

Для наружных вертикальных и наклонных (вертикальная проекция) стен, дверей и окон, обращенных на север, восток, северо-восток и северо-запад b= 0,1; для ограждений, обращенных на юго-восток и запад b= 0,05;

· наличие двух и более наружных стен.

Принимается в размере двух градусов к температуре внутреннего воздуха, или в виде добавки b= 0,015 на каждую наружную стену.

При скорости наружного воздуха V³5 м/с принимается в размере b= 0.01.

· высоту помещения (кроме лестничных клеток).

На каждый 1 метр высоты ограждения выше четырех метров поправка b= 0.015.

· частоту открывания входных наружных дверей лестничных клеток:

— для одинарных дверей поправка b= 0.21Н;

— для двойных дверей без тамбура b= 0.27Н;

— для двойных дверей с тамбуром b= 0.31Н;

— для тройных дверей с двумя тамбурами между ними поправка b= 0.29Н.

Здесь Н — высота здания, м, отсчитываемая от уровня земли до карниза кровли.

Затраты теплотынанагревание воздуха, инфильтрующегося в кухни, определяют по зависимости:

где c – удельная теплоемкость воздуха, равная 1.005 кДж/кг°С;

k – коэффициент, учитывающий влияние встречного теплового потока в конструкциях, равный: 0.8 – для окон и балконных дверей с раздельными переплетами и 1 – со спаренными переплетами;

SG_inf – массовый расход воздуха, инфильтрующегося через неплотности наружных ограждений за счет разности давлений воздуха внутри и снаружи ограждения, кг/ч,

. (1.11)

Здесь А₁, R_u1 – соответственно, площадь, м 2 , окон и балконных дверей и сопротивление их воздухопроницанию, м 2 _·ч/кг; A₂, R_u2 – то же, наружных и внутренних дверей (R_u2 следует принимать равным: для дверей помещений – 0.3, для дверей при входе из коридоров на открытые пожарные лестницы или лоджии – 0.47);

Dр₁, Dр₂ – разность давлений воздуха, Па, на наружной и внутренней поверхностях, соответственно, окон и наружных дверей i –го этажа, рассчитываемая по формуле

Н — высота здания, м, от уровня земли до верха карниза;

h_i — расчетная высота, м, отсчитываемая от уровня земли до верха окон и дверей i –го этажа;

с_вп, с_вр — аэродинамические коэффициенты, соответственно, для наветренной и подветренной поверхностей ограждений здания; для отдельно стоящих плоских сплошных конструкций с_вп = 0.8; с_вр = -0.6;

p_int — условно-постоянное давление воздуха, Па, в помещениях (зданиях), имеющих системы вентиляции с искусственным побуждением; при расчете р_int, учитывается дисбаланс масс воздуха, подаваемых и удаляемых этими системами из помещения; в частности, в жилых зданиях с естественной вытяжной вентиляцией, не компенсируемой приточным воздухом, принимается равным 0.

k₁ – коэффициент, учитывающий изменение скоростного давления ветра в зависимости от высоты здания.

Для жилых комнат определяют затраты теплоты Q_,а на нагрев приточного (вентиляционного) воздуха, количество которого нормируется по [1]

, (1.13)

где — нормативный объемный расход вентиляционного воздуха (при естественной вентиляции), не компенсируемый подогретым приточным воздухом, , м 3 /ч;

A_f – площадь пола жилого помещения, м 2 ;

ρ_ext – плотность наружного воздуха, кг/м 3 .

Бытовые поступления теплоты для жилых помещений и кухни определяют по формуле

, (1.14)

где – величина бытовых тепловыделений на 1 м 2 площади жилых помещений и кухни, Вт/м 2 , принимаемая для:

· жилых зданий, предназначенных гражданам с учетом социальной нормы (при расчетной заселенности квартиры 20 м 2 общей площади на человека и менее) =17 Вт/м 2 ;

· жилых зданий без ограничения социальной нормы (с расчетной заселенностью квартиры 45 м 2 общей площади на человека и более) =10 Вт/м 2 ;

· других жилых зданий — в зависимости от расчетной заселенности квартиры по интерполяции величины между 17 и 10 Вт/м 2 .

Пример 3. Выполнить расчет теплопотерь помещений 2 этажа трехэтажного жилого дома для г. Казани. План типового этажа здания показан на рис.8. Главный фасад здания (со стороны входной двери) ориентирован на Юг.

Наружные климатические условия и параметры внутреннего воздуха соответствуют значениям, приведенным в Примере 1. Расчетные коэффициенты теплопередачи ограждений сведены в табл.1.3.

Габариты ограждающих конструкций определяем по правилам обмера, приведенным в Приложении 2. Размеры окон в просвет составляют — 1.5´1.5(h) м, балконных дверей — 0.7´2.1(h) м. Расчетную высоту наружных стен принимаем:

· для 1-го этажа (от низа перекрытия над подвалом до уровня чистого пола 2-го этажа) h = 3.8 м;

· для 2-го этажа (по отметкам чистого пола между этажами) h = 3.3 м;

· для 3-го этажа (от уровня чистого пола 2-го этажа до верха покровного слоя чердачного перекрытия) h = 3.55 м.

Для упрощения вычислений при расчете трансмиссионных потерь теплоты площадь окон и дверей из площади стен не вычитаем, а величину коэффициентов теплопередачи к_ТО, к_БД и к_ВД принимаем уменьшенной на величину к_НС (наружной стены). Суммарные теплопотери помещения при этом не меняются.

Теплопотери коридоров, ванных комнат и санузлов отдельно не рассчитываем, а относим к смежным жилым помещениям и кухням, суммируя габариты их ограждающих конструкций. В жилых зданиях с системой центрального горячего водоснабжения это допустимо, поскольку необходимый догрев воздуха ванных комнат до нормируемых 25°С обеспечивается теплоотдачей от полотенцесушителей.

Величину добавочных теплопотерь b принимаем:

· для наружных стен, балконных дверей и окон, обращенных на Север и Восток – в размере 0.1; на Запад – в размере 0.05;

· для конструкции наружной двери лестничной клетки (двойные двери с тамбуром между ними) — в размере b = 0,27Н при расчетной высоте здания Н =10.65 м.

Расчетная разность давлений для определения затрат теплоты на нагрев воздуха, инфильтрующегося в кухни каждого этажа, составляет:

Dр_1эт = 9.81( 10.65 – 2.7) (1.46 – 1.21) + 0,5×1.46× 4.3 2 (0.8 – (-0.6)) 0.5 = 28.9 Па,

Dр_2эт = 9.81( 10.65 – 6.0) (1.46 – 1.21) + 0,5×1.46× 4.3 2 (0.8 – (-0.6)) 0.65 = 23.7 Па,

Dр_3эт = 9.81( 10.65 – 9.3) (1.46 – 1.21) + 0,5×1.46× 4.3 2 (0.8 – (-0.6)) 0.65 = 15.6 Па,

Для окон лестничной клетки теплопотери на инфильтрацию рассчитываем с учетом разности давления воздуха Dp на уровне расположения верха каждого окна по высоте здания:

Dр_1лк = 9.81( 10.65 – 4.5) (1.46 – 1.22) + 0,5×1.46× 4.3 2 (0.8 – (-0.6)) 0.5 = 23.9 Па;

Dр_2лк = 9.81( 10.65 – 8.3) (1.46 – 1.22) + 0,5×1.46× 4.3 2 (0.8 – (-0.6)) 0.65 = 17.8 Па.

Бытовые теплопоступления в жилых помещениях и кухне определяем по формуле (1.14), применяя норму теплопоступлений на 1м 2 площади пола в размере =17 Вт/м 2 .

Результаты расчета затрат теплоты на инфильтрацию, значения теплопоступлений и балансы теплоты в помещениях жилого дома, полученные по формуле (1.8), приведены в графе 17 табл. 1.4.

1.6 Расчет отопительных приборов

Отопительные приборы системы отопления представляют собой поверхностные теплообменники, с помощью которых осуществляется теплопередача от теплоносителя в отапливаемые помещения.

При выборе вида и типа отопительных приборов учитывают ряд факторов: назначение, архитектурно-строительную планировку и особенности теплового режима помещения, вид системы отопления, технико-экономические и санитарно-гигиенические показатели приборов.

Основная характеристика прибора – номинальный условный тепловой поток Q_н.у, Вт/м 2 или Вт/секц. Он представляет собой теплоотдачу 1 м 2 поверхности прибора или одной его секции, полученную при стандартных сертификационных испытаниях прибора. Стандартными считаются следующие условия испытаний:

· температура греющего теплоносителя на входе в прибор t_г = 105 °С;

· температура теплоносителя на выходе из прибора t_о = 70 °С;

· температура окружающего воздуха t_int = 18 °С;

· разность средних температур теплоносителя и воздуха (температурный напор прибора)

о С;

· расход теплоносителя через прибор — 0,1 кг/с (360 кг/ч);

· атмосферное давление — 1013 гПа (101300 Па).

В табл. П2.3 Приложения 2 приведены тепловые характеристики некоторых отопительных приборов, рекомендуемых для использования в жилых зданиях.

Расчет отопительных приборов сводится к определению либо числа секций (элементов) радиатора, либо типа панельного радиатора и конвектора, нагревательная площадь поверхности которых может обеспечить передачу в помещение теплового потока не менее требуемого Q_пр.

Исходными данными для расчета отопительного прибора являются потери теплоты помещением (дефицит теплоты -DQ = Q_пр), расчетные температуры теплоносителя на входе и выходе из системы отопления, требуемая температура воздуха помещения и расчетная температура наружного воздуха.

Определяют теплоотдачу труб стояка и подводок, открыто проложенных в пределах помещения:

где q_в и q_г – теплоотдача 1 м вертикальных и горизонтальных труб, Вт/м (табл. П2.2 Приложения 2);

l_в и l_г – длина труб в пределах помещения, м.

Необходимая теплоотдача прибора определяется по формуле:

, (1.16)

где Q_пом — требуемая тепловая нагрузка на отопительном приборе, Вт, равная теплопотерям помещения.

Минимальное число секций N радиатора или требуемая площадь поверхности нагрева F несекционного прибора находятся из формулы:

, (1.17)

где Q_н.у — номинальный условный тепловой поток одной секции радиатора или 1 м 2 поверхности прибора, Вт/секц (Вт/м 2 ), см. табл. П2.3 Приложения 2;

Q_нт — требуемый номинальный тепловой поток для выбора типоразмера прибора;

— коэффициент, учитывающий способ установки прибора (Прил. 2, табл. П2.4);

коэффициент, учитывающий число секций в приборе (Прил. 2, табл. П2.4); для несекционных приборов .

Величина требуемого номинального теплового потока прибора Q_нт должна учитывать отклонения реальных условий эксплуатации прибора от стандартных

, (1.18)

где j_к — комплексный коэффициент приведения к действительным условиям эксплуатации

, (1.19)

Здесь Dt_ср — средний температурный напор прибора, о С;

G_пр – расход воды, проходящей через прибор, кг/ч;

п, р, — экспериментальные числовые показатели для конкретного типа прибора, определяемые по табл. 2.3 Приложения 2.

Средний температурный напор прибора Dt_ср определяется по формуле:

, (1.20)

где t_ср – средняя температура воды в отопительном приборе. о С.

Для двухтрубных систем Dt_ср допустимо определять как

, (1.21)

где t_г и t_о – расчетные температуры теплоносителя в подающем и обратном теплопроводах системы, о С;

Средняя температура воды в приборе при однотрубной схеме рассчитывается по формуле

, (1.21)

где Dt_пр – расчетный перепад температуры воды в приборе, о С;

b₁ – поправочный коэффициент, учитывающий теплопередачу через дополнительную площадь (сверх расчетной) приборов, принятых к установке (табл. П2.4 Приложения 2);

b₂ – поправочный коэффициент, учитывающий дополнительные теплопотери вследствие размещения отопительных приборов у наружных стен (табл. П2.4 Приложения 2).

t_вх – температура воды, входящей в прибор, с учетом падения температуры по длине подводящих теплопроводов, о С:

, (1.23)

где SDt_м – суммарное понижение температуры воды на участках подающего магистрального теплопровода от начала системы до рассматриваемого стояка (стр.45 [6]);

SDt_пот – понижение температуры воды на участках стояка до расчетного прибора;

S . (1.24)

Расход воды, проходящей через прибор, рассчитывается по формулам:

· для двухтрубных систем

; (1.25)

· для однотрубных систем (с учетом коэффициента затекания a и расхода воды G_ст в стояке или ветке)

. (1.26)

Значения коэффициентов затекания воды в приборных узлах однотрубных стояков принимаются по табл. 9.3 [6].

Пример 4. Определить число секций радиаторов типа МС-140-108 для жилого дома. В здании принята двухтрубная система отопления с параметрами теплоносителя .

Приведем расчет приборов для помещения,теплопотери которго составляют Q_пом= 1520 Вт. Приборы для остальных помещений будут рассчитаны аналогичным образом.

· Теплоотдача труб стояка и подводок, открыто проложенных в пределах данного помещения, согласно (1.15) Q_тр= 250,8 Вт.

Необходимая теплоотдача прибора в рассматриваемом помещении составит:

Вт.

Средний температурный напор прибора при двухтрубной схеме по формуле (1.21)

о С.

Расход воды, проходящей через отопительный прибор, из формулы (1.25) составит

39.24 кг/ч.31.37

Рассчитываем комплексный коэффициент приведения по формуле (1.19):

.

Требуемый номинальный тепловой поток для выбора типоразмера прибора (1.18)

Вт.

Минимальное число секций чугунного радиатора определяем по формуле (1.17):

секций,

(при открытой установке =1; для радиаторов из 5¸10 секций =1).

1.7. Общие положения по гидравлическому расчету систем отопления

Гидравлический расчет СВО в соответствии с законами гидравлики выполняется по следующему принципу: действующая в системе разность давления (насосного и естественного) полностью расходуется на преодоление сопротивления движению. Расчет заключается в подборе по сортаменту таких диаметров труб, при которых подается расчетное количество теплоносителя в отопительные приборы системы.

Гидравлический расчет выполняют по аксонометрической схеме системы, на которой выявляют циркуляционные кольца, делят их на участки, наносят значения тепловых нагрузок (расходов воды).

Вначале подбирают диаметры трубы и определяют потери давления в них при перемещении расчетного количества воды по наиболее энергоемкому направлению, т.е. имеющему наибольшую длину и проходящему через самый нагруженный стояк или прибор. Такое направление называют главным циркуляционным кольцом (ГЦК).

Второй этап расчета заключается в подборе диаметров труб других циркуляционных колец, частично содержащих уже подобранные участки ГЦК и участки ответвлений. Диаметры ответвлений принимаются такими, чтобы потери давления при перемещении расчетных расходов воды по этим участкам были равны располагаемым давлениям в точках магистрали ГЦК, где эти ответвления присоединяются. При расчетах стремятся, чтобы потери давления по всем циркуляционным кольцам системы были одинаковы.

Располагаемое давление, действующее в циркуляционном кольце системы отопления, запишется:

, (1.27)

где — давление, создаваемое насосом или смесительной установкой, Па;

— естественное циркуляционное давление, возникающее в расчетном кольце системы вследствие охлаждения воды в отопительных приборах, Па;

— естественное циркуляционное давление, возникающее за счет охлаждения воды в трубах, Па.

Для вертикальных однотрубных систем отопления Б = 1,0; для горизонтальных однотрубных и для двухтрубных систем Б = 0,4.

Насосное циркуляционное давление выбирается:

а) при независимой схема присоединения системы отопления – равным потерям давления в системе при предельно допустимой скорости движения воды в трубах;

б) при зависимой схеме присоединения без смешения – равным разности давлений в наружных теплопроводах Р₁ – Р₂ в месте их ввода в здание;

в) при зависимой схеме со смешением выбирают исходя из располагаемой разности давлений Р₁ – Р₂ и коэффициента смешения. В практических расчетах для этой схемы пользуются следующим соотношением:

(1.28)

где S l – сумма длин расчетных участков циркуляционного кольца, м.

Естественное циркуляционное давление определяется по формулам:

· в вертикальной однотрубной системе при N приборах в стояке, входящем в расчетное кольцо

(1.29)

где Q_i — необходимая теплоотдача теплоносителем в помещение, Вт;

h_i — вертикальное расстояние между условными центрами нагрева воды в тепловом пункте и охлаждения в стояке для i-го прибора, м;

b — среднее приращение плотности при понижении температуры воды на 1°С (табл. 10.4 [6 ];

b₁, b₂ — поправочные коэффициенты, учитывающие дополнительную теплоотдачу в помещении (Табл. 9.4; 9.5 [6]);

G_ст. — расход воды в стояке, определяемый по формуле (1.25), кг/ч, с учетом поправочных коэффициентов b₁ и b₂

(1.30)

· в горизонтальной однотрубной, а также в кольцах двухтрубных систем

, (1.31)

где h_i — вертикальное расстояние между условными центрами нагрева воды в тепловом пункте и охлаждения в ветви или отопительном приборе на нижнем этаже здания, м.

Естественное циркуляционное давление учитывается только в системах отопления с верхней разводкой. Для его определения можно воспользоваться следующими эмпирическими зависимостями:

· для двухтрубных систем

; (1.32)

· для однотрубных систем

, (1.33)

где l – расстояние по горизонтали от главного стояка до расчетного, м;

a – показатель степени; для 1 этажа a = 0.2, для каждого последующего уменьшается на 0.02.

Гидравлический расчет системы выполняют двумя способами:

· по удельным потерям давления, исходя из принятого расхода воды в трубах, по которому подбирается их диаметр;

· по характеристикам гидравлического сопротивления и проводимостям, исходя из выбранного диаметра труб, кода определяется расход воды в них.

Перепад температуры воды в стояках или ветвях системы в первом случае принимается равным Dt_сист, а во втором случае – переменным (допустимое отклонение ± 7°С при Dt_сист до 45°С ).

Гидравлический расчет системы отопления по удельной линейной потере давления

При подборе диаметра труб в главном циркуляционном кольце исходят из принятого расхода воды на участках и среднего ориентировочного значения удельной линейной потери давления, определяемого по формуле

, Па/м. (1.34)

Задавшись диаметром d трубы и определив по формуле (1.30) количество воды на расчетном участке, по таблице II.1 прил. II [6] определяют скорость движения воды V , м/с и фактическое значение удельного сопротивления R. При этом оно должно быть близко по величине к ранее определенному значению R_ср.

Потери давления на трение на расчетном участке рассчитывают по формуле

Далее, по табл. II.10¸ II.19 прил. II [6] определяют сумму коэффициентов местных сопротивлений (КМС) на расчетном участке . Местные сопротивления на границе 2-х участков (тройники, крестовины) относят к участку с меньшим расходом теплоносителя.

По значению и скорости воды на участке V рассчитывают потери давления на местные сопротивления

,Па.(1.36)

Величину Z можно также определить из табл. П2.5 и П2.6 Приложения 2.

Суммарные потери давления на всех участках главного циркуляционного кольца å(Rl + Z) сравнивают с величиной расчетного располагаемого давления в системе отопления DР_р. Расхождение между ними при тупиковом движении теплоносителя не должно превышать 15%. Невязка между сопротивлениями ГЦК и каждого «малого» циркуляционного кольца допустима не более 25%.

Пример 5. Выполнить гидравлический расчет двухтрубной системы водяного отопления с нижней разводкой (рис. 13). Расчетная температура теплоносителя равна t_г = 95°С; t_o = 70°C. Отопительные приборы – стальные панельные радиаторы типа РСВ. Система отопления присоединена по независимой схеме через водоподогреватель к наружным тепловым сетям.

Так как схема движения воды в магистральных теплопроводах принята тупиковой, то главное циркуляционное кольцо проходит через наиболее удаленный стояк 5 (наиболее удаленный и нагруженный).

Система отопления с водоподогревателем может быть с насосным или естественным побуждением, определим какая же система будет в рассматриваемом примере. Это зависит от радиуса действия системы и от величины удельной линейной потери давления.

Радиус действия системы отопления составляет 19 м, что меньше допустимой длины циркуляционного кольца в естественных СВО ( l_ГЦК £ 30 м при R_ср > 4 Па/м). По данному признаку система отопления может быть с естественной циркуляцией теплоносителя. Определим величину естественного циркуляционного давления по формуле (1.31):

0,64 Z 9,8 Z 3,0 (95 – 70) = 470,4 Па.

Рис. 13. Расчетная схема двухтрубной системы отопления

Длина циркуляционного кольца, проходящего через стояк 5, составляет Sl = 75,5 м. Тогда по формуле (1.34):

= 3,14 Па/м

Как рассчитывается тепловой баланс помещения — УКЦ

Раздел объясняет, что такое тепловой баланс помещения, описывает основные источники поступления и потерь тепла. Приведен принцип расчета теплового баланса. Дается формула упрощенного расчета теплового баланса для бытового кондиционера и пример расчета поступления тепла в офисном помещении.

Для чего нужен расчет теплового баланса?

При проектировании систем кондиционирования, вентиляции и отопления необходимо с достаточной точностью рассчитать их мощность. В теплый период года поступление тепла в помещение избыточно, и излишнее тепло должно удаляться системой кондиционирования. В холодный период потери тепла превышают его поступление, и недостаток тепла должны компенсировать обогревательные приборы.

Пример: если температура на улице ниже комнатной, например -40°С, а внутри помещения комфортные +20 °С, то теплота начинает уходить, образуя тепловой поток, обращенный наружу. Предположим, из помещения уходит 500 Вт. Чтобы температура внутреннего воздуха осталась на уровне +20°С, необходимо подать в помещение эти 500 Вт. Если в помещение подавать 400 Вт, то тепловое равновесие между теплопоступлениями и теплопотерями установится на более низком уровне, +18°С. Если подавать 600 Вт, то на более высоком: +22°С.

На здание одновременно действуют несколько факторов поступления тепла: солнечное излучение, параметры наружного воздуха, а также внутренние теплопоступления. Поддержание заданных условий усложняется тем, что теплопоступления не постоянны, а меняются в течение суток. Для правильного подбора климатической системы важно учесть все факторы, влияющие на баланс тепла и влаги в помещении.

Источники теплопоступления и теплопотерь

1. Наружные нагрузки — возникают вне помещения, делятся на несколько групп:

(1) Теплопередача через стены, потолки, полы. Она зависит от разности внутренней и внешней температуры и степени теплоизоляции здания. Летом температура в здании ниже, чем на улице, и теплопоступление положительно. Зимой же разность температур снаружи здания и внутри него отрицательна, и поток тепла направлен из помещения вовне.

(2) Поступление тепла от излучения Солнца через застекленные проемы. Теплопоступление от излучения всегда положительно (или равно нулю, если застекленных проемов нет). Летом эту тепловую нагрузку надо компенсировать. Количество теплоты солнечной радиации зависит от формы и размеров световых проемов, типа заполнения проемов, ориентации проема по отношению к сторонам света и др. параметров.

(3) Теплопоступления от внешнего воздуха, проникающего в помещение. Воздух попадает в помещение при вентиляции, а также может проникать через неплотности проемов (обычно при проектировании системы кондиционирования в помещении предусматривается избыточное давление, чтобы воздух не инфильтровался). Параметры наружного воздуха (температура и влажность) сильно меняются в течение года, но практически никогда не совпадают с требуемыми в помещении параметрами. Поступление тепла от внешнего воздуха может быть как положительным, так и отрицательным, в зависимости от времени года.

Внутренние тепловые нагрузки — возникают в помещении, зависят от назначения помещения и делятся на несколько типов:

(1) Тепло, выделяемое людьми. Оно зависит от количества людей и рода их занятий, а также условий в помещении.

(2) Тепло, выделяемое осветительными приборами: люминесцентными лампами и лампами накаливания. Эта величина зависит от мощности освещения, типа ламп и способа их расположения.

(3) В производственных помещениях тепло могут выделять горячие материалы (или поглощать — холодные), а также тепловыделение может происходить при сгорании и химических реакциях.

(4) Тепло, выделяемое электроприборами: * в жилых помещениях — бытовыми приборами: холодильниками, плитами и т.п.

* в офисных помещениях — компьютерами, принтерами, копирами и т.п.

* в производственных помещениях — оборудованием, электродвигателями и т.п.

Подробный расчет теплового баланса приведен в главе «Расчет систем кондиционирования и вентиляции» книги «Системы вентиляции и кондиционирования. Теория и практика» (см. основную литературу).

Упрощенный расчет теплового баланса для бытового кондиционера

Для небольших помещений и несложных систем вентиляции и кондиционирования на основе простого оборудования (например, сплит-система) применяют упрощенный тепловой баланс. В таком случае нет необходимости в долгих и сложных расчетах теплопотерь и теплопоступлений. Для подбора модели кондиционера подходящей мощности надо приблизительно подсчитать избыточное тепло, поступающее в помещение.

Основные источники тепла:

Теплопоступления за счет разницы внешней и внутренней температуры, а также тепло солнечного излучения:

Здесь h — высота потолка в помещении, S — площадь помещения, q — удельная теплота (выбирается в зависимости от естественной освещенности помещения. Если помещение затенено, то q = 30 Вт/кв.м., если средняя освещенность, то q = 35 Вт/кв.м., а для помещений с большим остеклением с солнечной стороны q = 40 Вт/кв.м.)

Теплопоступления от техники Q2.

Для офисных помещений — 300 Вт на каждый компьютер (или 30% от мощности другого оборудования. Конечно, если включено нагревательное оборудование, нужно учитывать его реальную мощность обогрева). Замечание: Если в помещении используется дополнительное оборудование, которое выделяет тепло (электроплиты и т.д.), в расчете нужно учесть его мощность

Теплопоступления от людей Q3.

Обычно считают, что при сидячей работе (в офисе) человек выделяет 100 Вт тепла, а при физических нагрузках 200-300 Вт.

К сумме теплопоступлений, рассчитанных в пунктах 1 — 3, нужно прибавить примерно 20% на неучтенные притоки тепла.

Итак, Q = 1.2*(Q1 + Q2 + Q3)

Пример: комната 15 кв.м, высота потолков 3 м, средняя освещенность, 3 человека работают за компьютерами. Теплопоступление: Q = 1.2*(15*3*35 + 3*300 + 3*100) Вт = 3,3 кВт. Это поступление тепла и должен компенсировать кондиционер.