Инженерные сети и оборудование зданий и территорий поселений

КОНСПЕКТ КУРСА. Часть 1

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Инженерные сети» может быть определена как наука о рациональном устройстве, размещении и строительстве инженерных сетей, служащих для обеспечения населенных мест и промышленных предприятий водой, различными видами энергии (теплом, газом, электричеством), а также для удаления ливневых, бытовых и промышленных стоков.

По своей сути нженерные сети (системы, коммуникации) – это системы, обеспечивающие жизнедеятельность потребителей: населения, коммунально-бытовых и промышленных предприятий.

Инженерные сети населенных пунктов проектируют как комплексную систему, объединяющую все внутренние и внешние (надземные, наземные и подземные) сети с учетом их развития на расчетный период.

Внутренние сети являются неотъемлемой частью здания и непосредственно определеют саму принципиальную возможность его эксплуатации в рабочем режиме. Они располагаются вдоль стен, либо в специально оборудованных каналах внутри стен здания или в коробах, делающих систему незаметной для жильцов. Внутренние сети представляют собой трубопроводы различного назначения, воздуховоды и кабели (силовые и сигнальные).

Система внешних инженерных сетей, большинство из которых относится к подземным коммуникациям, является составной частью инфраструктуры современного города в целом и определяет уровень его развития и благоустройства.

Подземные сети прокладывают преимущественно под улицами и дорогами. Для этого в поперечных профилях улиц и дорог предусматривают места для укладки сетей. Размещение распределительных трасс подземных сетей на территории микрорайона и жилых кварталов зависит от общего планировочного решения и рельефа местности и проектируется таким образом, чтобы их эксплуатация, ремонт и замена в аварийных ситуациях могли осуществляться в кратчайшие сроки и с меньшими затратами.

Всю совокупность подземных инженерных сетей можно разделить на три группы: трубопроводы, кабельные сети и коллекторы.

Трубопроводы подразделяют на магистральные (транзитные), обслуживающие город или его отдельные районы; разводящие, обслуживающие микрорайоны и кварталы; внутриквартальные, обслуживающие отдельные дома.

По функциональному назначению трубопроводы разделяют на общегородские (водопровод, канализация, теплопроводы, газопроводы, дренажи) и специальные промышленные (нефтепроводы, паропроводы, золопроводы и др.).

Кабельные сети – электрические сети высокого (до нескольких десятков киловольт) и низкого напряжения, а также сети слабого тока – телефонные, телеграфные, радиовещания, телевещания и компьютерные.

Коллекторы подразделяют на три группы:

– коллекторы-трубопроводы – трубы большого диаметра (больше 1,5 м) и тоннели, служащие для пропуска различных жидкостей, в основном канализационные и водосточные коллекторы;

– специальные коллекторы (каналы), в которых размещают один вид подземных инженерных сетей, чаще всего теплосеть или кабельные прокладки;

– общие или совмещенные коммуникационные коллекторы для совместной прокладки инженерных сетей различного назначения.

При проектировании инженерных сетей обязательно необходимо иметь чёткое представление о том, какие системы обслуживаются данными сетями, знать об их устройстве, особенностях монтажа и эксплуатации.

В ходе изучения дисциплины будут рассматриваться системы, являющиеся составной частью инженерных сетей.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ МИКРОКЛИМАТА

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

ЧТО ТАКОЕ МИКРОКЛИМАТ ПОМЕЩЕНИЯ?

Микроклимат помещения – совокупность тех факторов внутренней среды, которые непосредственно и ощутимо влияют на состояние человека и/или технологические процессы производства.

Какими физическими параметрами определяются микроклимат?

При решении задач контроля микроклимата учитываются две группы параметров:

1) тепловые условия:

• температура помещения (среднее арифметическое температуры воздуха t_В и радиационной температуры t_R (средней температуры всех внутренних поверхностей помещения));

• влажность воздуха;

• подвижность воздуха.

2) Состав внутреннего воздуха:

• концентрация кислорода

• концентрация примесей – углекислоты (продуктов дыхания), вредных газов и паров, пыли;

• концентрация микроорганизмов;

• озоно-ионный состав;

• запахи.

Все эти параметры могут изменяться под действием сил природы, человека и техники.

Какие ФИЗИЧЕСКИЕ процессы формируют и изменяют параметры микроклимата?

Параметры микроклимата формируется физическими процессами взаимодействия и трансформации потоков тепла, влаги и воздуха.

Потоки, вызывающие отклонение параметров от заданных величин, называются возмущающими воздействиями.

Потоки, приводящие параметры к норме – регулирующими воздействиями.

Откуда в помещение поступают возмущающие воздействия?

Возмущающие воздействия поступают в помещение:

• из внешней среды через наружные ограждения;

• из соседних помещений через внутренние ограждения;

• от людей;

• от внутренних источников (технологических и бытовых).

Откуда в помещение поступают регулирующие воздействия и когда?

Регулирующие воздействия подаются в помещение системами отопления, вентиляции и кондиционирования (ОВК) в виде потоков тепла, влаги и воздуха при отклонении параметров микроклимата от заданных значений. Приведение параметров к норме достигается нейтрализацией и компенсацией возмущающих воздействий.

Система отопления поддерживает требуемую температуру в помещении. Система вентиляции – обеспечивает нормативный воздухообмен (при этом может проводиться обработка подаваемого или удаляемого воздуха). На остальные параметры микроклимата эти системы также оказывают опосредованное воздействие, но – без возможности их коррекции.

Система кондиционирования позволяют автоматически поддерживать любые параметры микроклимата в обслуживаемой зоне независимо от внешних и внутренних условий.

Как происходит теплообмен?

Существует 3 вида теплообмена:

• конвекция (передача тепла от одного тела к другому посредством подвижной теплоёмкой среды),

• излучение / радиация (передача тепла от одного тела к другому посредством электромагнитного излучения),

• теплопроводность (передача тепла в пределах одного тела между разными его частями).

В помещении могут наблюдаться все 3 вида теплообмена одновременно.

Во всех случаях тепловой поток направлен от более нагретого тела к менее нагретому. Интенсивность протекающего теплообмена тем выше, чем больше разница температур тел. Явление теплопроводности в пределах одного тела возникает при неравномерности распределения в нём температуры.

Тепловые потоки, направленные из помещения и приводящие к потерям тепла, называются – стоки тепла.

Тепловые потоки, приносящие тепло в помещение – источники тепла. Источниками тепла в помещении, как правило, являются:

• тепловыделения от технологического оборудования

• людей

• искусственного освещения

• систем ОВК

• теплопоступления от солнечной радиации через окна.

Как происходит конвективный теплообмен?

Конвективный теплообмен происходит при посредстве промежуточной подвижной теплоёмкой среды, переносящей теплоту от одного тела к другому, конвекция – перенос теплоты движущимися частицами вещества..

Внутри здания теплообмен протекает между поверхностями ограждений (в том числе оборудования) и людьми с одной стороны и воздухом помещения – с другой.

При этом воздух непосредственно контактирует с поверхностью, нагреваясь или охлаждаясь ею (в зависимости от температур поверхности и воздуха), после переместившись к другим поверхностям, нагревает или охлаждает уже их. Люди и оборудование при этом могут выделять потоки воздуха с той или иной температурой, смесь которых с воздухом помещения принимает непосредственное участие в конвективном теплообмене.

Конвекция также возникает в объёме неравномерно нагретой воздушной среды при взаимном перемещении и смешивании слоёв воздуха, имеющих различную температуру.

Извне конвективные тепловые потоки поступают в помещение с нагретым (либо охлажденным) воздухом – в основном от систем вентиляции и кондиционирования воздуха, либо через неплотности в ограждающих конструкциях.

Интенсивность конвективного теплообмена также зависит и от подвижности воздуха.

Конвективное тепло поступает непосредственно в воздух, который не обладает тепловой инерцией, что приводит к быстрому изменению его температуры.

В помещениях большого объема происходит медленное перемешивание воздуха, что приводит к неравномерному распределению температуры воздуха.

Как происходит лучистый теплообмен?

Лучистый теплообмен происходит посредством излучения и поглощения телами электромагнитных, преимущественно инфракрасных, волн. Излучение – перенос теплоты с поверхности на поверхность электромагнитными волнами через лучепрозрачную среду..

В теплообмене этого рода роль воздуха невелика. В нём участвуют поверхности, обращенные в помещение. Поверхности тел (в зависимости от их температур) отдают или воспринимают тепло от других тел, находящихся в прямой видимости друг от друга.

Распределение лучистых потоков в помещении носит, как правило, неравномерный или ассиметричный характер, что приводит к неравномерному нагреву отдельных поверхностей. Так как поверхности ограждений обладают тепловой инерцией, теплообмен протекает в нестационарном режиме.

Как происходит теплообмен при явлении теплопроводности?

Перемещение тепловых потоков в толще тел между частями с разной температурой протекает в ходе явления теплопроводности. Этот процесс, как правило, наблюдается при теплопотерях через наружные ограждения помещения, когда внутренняя поверхность ограждения имеет более высокую температуру, чем наружная. Разумеется, движение теплового потока направлено в противоположную сторону, если температура наружной поверхности выше, чем внутренней.

Как происходит перемещение потоков воздуха?

Помимо тепла воздух переносит также содержащуюся в нём влагу в виде водяных паров, примеси (пыль и иные вредности) и запахи. Кроме того, свежий воздух необходим для дыхания.

Перемещение потоков воздуха имеет место как между помещениями в пределах здания, так и в пределах одного помещения. Помимо этого, в помещение через наружные ограждения поступает наружный или удаляется внутренний воздух.

Перемещение воздуха по вертикали здания обусловлено вертикальным распределением разности давления снаружи и внутри здания при разности плотности наружного и внутреннего воздуха. В большинстве случаев плотность наружного воздуха больше, поэтому потоки воздуха направлены снизу вверх.

Горизонтальное перемещение воздуха связано с действием ветра на здание. При этом воздух инфильтруется (поступает) в помещение через неплотности наружных ограждений с наветренной стороны здания, а эксфильтруется (удаляется) наружу – в помещении на заветренной стороне здания.

Движение потоков воздуха внутри помещения возникает около нагретых поверхностей отопительных приборов и технологического оборудования и охлажденных поверхностей наружных ограждений (так называемые конвективные источники, формирующие конвективные струи).

Наиболее интенсивное движение воздуха в помещении связано с действием вентиляционных струй. В результате перемещения потоков воздуха в объеме помещения имеет место неравномерное распределение газовых примесей, температуры, влажности и подвиж-ности воздуха.

В пределах рабочей зоны помещения возникают застойные зоны с вихреобразным движением воздуха, в которых могут накапливаться вредные примеси, что недопустимо.

Каково комплексное воздействие наружной среды на микроклимат помещения?

Наружная среда оказывает возмущающее влияние на тепловые параметры микроклимата опосредованно через ограждающие конструкции (тепло-влагопередача и воздухопроницаемость) и внутренние связи между помещениями (перемещение потоков воздуха, теплообмен).

Взаимодействие здания с внешней средой проявляется в виде потоков тепла, влаги и воздуха, приходящих извне внутрь или наоборот. Направление и интенсивность тепло-влаго-воздухопередачи через наружные ограждения обусловлены разностью температур и давлений воздуха и пара..

Теплопередача через наружные ограждения обусловлена разностью температуры наружной и внутренней среды. Наружная поверхность обменивается конвективным теплом с наружным воздухом и лучистым теплом с небосводом, грунтом и противостоящими зданиями.

В массивных ограждениях происходит поглощение тепла солнечного излучения поверхностью. При этом нагретая поверхность возвращает частично тепло в наружную среду (за счёт отражения и собственного излучения), а частично передает через толщу ограждения внутрь помещения. Прозрачные для лучей конструкции (окна) пропускают тепловое излучение, не накапливая его в себе.

Скорость ветра сказывается на конвективном теплообмене на наружной поверхности ограждения, а также на распределение давления снаружи здания, что является более весомым воздействием. При торможении потока воздуха на наветренном фасаде здания возникает давление, избыточное по отношению к атмосферному. На заветренной стороне здания – давление оказывается ниже атмосферного. Воздух при этом перемещается из зоны повышенного давления в зону пониженного.

Разность давления водяных паров внутри и снаружи здания приводит к перемещению пара.

Влажность наружного воздуха в значительной мере определяет влажность внутреннего воздуха, если система притока не оборудована системами осушки и/или увлажнения.

Теплозащита здания и планировочная композиция здания являются пассивными факторами формирования теплового микроклимата, работа систем ОВК – активными факторами.

Как осуществляется теплообмен и влагообмен человека с окружающей средой?

Теплообмен человека с окружающей средой происходит по трём направлениям:

1. конвекция,

2. излучение,

3. испарение влаги с поверхности кожи (как особый случай конвекции).

Когда температура окружающей среды близка или выше температуры человека (выше 34ºС), то основным процессом теплообмена становится теплоотдача за счёт испарения влаги с поверхности кожи, интенсивность которой зависит от влажности воздуха и его подвижности.

Какие тепловые условия считаются комфортными для человека?

Для человека комфортна окружающая среда, не содержащая факторы, препятствующие физической и умственной работе, а также отдыху. Если человек не ощущает ни холода, ни перегрева, ни движения воздуха около тела, то эти параметры окружающей среды в тепловом отношении – комфортные.

Требования к окружающей среде складываются как из субъективных ощущений человека, так и из объективных показателей работы его организма, в частности – системы терморегуляции. На основании данных требований были сформулированы 2 условия комфортности:

1-е условие комфортности: человек, находясь в середине комнаты при данных t_R и t_В, отдаёт всю явную теплоту поверхности тела, не испытывая перегрева или охлаждения.

Явная (сухая) теплота – теплота, передаваемая только конвекцией и/или излучением, без наличия испарения или конденсации влаги, т. е. – зависящая только от разности температур.

Скрытая теплота – теплота, передаваемая паром без изменения температуры тел, участвующих в теплообмене, в количестве, отнимаемом или выделяемом при испарении или конденсации соответствующей массы влаги (скрытая удельная теплота парообразования / конденсации для воды равна 2256 кДж/кг).

2-е условие комфортности: человек, не испытывает перегрева или охлаждения от поверхностей, находящихся вблизи от него.

Какие значения параметров воздушной среды являются комфортными для человека?

В зависимости от тяжести выполняемой работы комфортными для человека являются такие значения параметров:

• температура внутреннего воздуха в холодный период: 20-23ºС для лёгкой работы, 17-20ºС для средней и 16-18ºС для тяжёлой работы; в тёплый период: 22-25ºС, 21-23ºС и 18-21ºС соответственно;

• относительная влажность – 40-60%;

• подвижность воздуха в холодный период 0,2-0,3 м/с, в тёплый – 0,2-0,5 м/с.

Условия, учитывающие данные параметры, называются комфортными.

Каковы технологические требования к параметрам микроклимата на производстве?

Некоторые технологические процессы должны проходить при строго определённых параметрах внутренней среды, значения которых обусловлены физико-химическими свойствами обрабатываемых, производимых или хранимых материалов и изделий.

Условия, учитывающие только требования производства, называются технологическими. В случае, если технологические условия являются некомфортными или опасными для человека, а также – если сам человек является источником вредностей для технологических процессов, то на производстве организуются закрытые автоматически линии, если отсутствие человека допустимо. При необходимости участия человека в производственном цикле используется спецодежда, защищающая людей или препятствующая выделению ими вредностей, либо – обеспечиваются не технологические, а комфортно-технологические условия в производственных помещениях.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ ЗДАНИЯ

Опредление тепловых потерь здания может производиться с раличной заданной точностью – в зависимости от характера поставленной задачи.

Так, например, при определении тепловой мощности котельной, обеспечивающей потребности проектируемого здания или группы зданий, можно пользоваться укрупнённми показателями по карйней мере для предварительной оценки.

При проектировании системы отопления здания следует учитывать все факторы, влияющие на потребность в тепловой энергии каждого отдельного помещения в нём, что приводит к усложнению расчёта и, соответственно, к повышению его точности.

Практическое занятие № 1