Лекция №2

Лекция №2 Удельная тепловая характеристика здания

В практике часто возникает необходимость выявить ориентировочную тепловую мощность системы отопления проектируемых зданий и сооружений, чтобы определить тепловую мощность источника теплоты (котельной или ТЭЦ) при централизованном теплоснабжении, заказать основное оборудование и материалы, определить годовой расход топлива, рассчитать стоимость системы отопления, генератора теплоты и для решения других народнохозяйственных задач.

Такой предварительный расчет Qc.o, Вт, по теплоснабжению отдельных зданий, а иногда целого квартала или микрорайона с использованием qуд производится по формуле

Qc.o = qyд Vн (tв – tн) а,

где VH - строительный объем здания по наружному обмеру, м3;

tв - средняя температура воздуха в отапливаемых помещениях; tн - расчетная температура воздуха в холодный период года;

qуд - справочная величина удельной тепловой характеристики здания,

Вт/(мЗ·К).

а - коэффициент, учитывающий влияние на удельную тепловую характеристику местных климатических условий, значение этого коэффициента для жилых и общественных зданий дано в табл.

Таблица.

Формула может быть использована и для определения ориентировочных теплопотерь отдельных помещений. В этом случае величина qуд принимается с поправочным коэффициентом, учитывающим планировочное расположение и этаж по табл.

Величина qуд Bт/(м3.K) численно равна теплопотерям 1 м3 здания в

ваттах при разности температур внутреннего и наружного воздуха tв - tн в 1

оС.

Удельная тепловая характеристика, показывающая расход теплоты на отопление здания любого назначения, может быть определена по формуле Н. С. Ермолаева

qуд = P/S [kCT + о (kOК - kCT)] + 1/Н (0,9kпт + 0,6kп.л) ,

где Р - периметр здания, м;

S - площадь здания, м2; Н - высота здания, м;

o - коэффициент остекления, т. е. отношение площади остекления к площади вертикальных наружных ограждений;

kст, kок, kпт, kпл - коэффициенты теплопередачи соответственно стен, окон, перекрытия верхнего этажа, пола нижнего этажа.

Тепловыделения в помещении

В расчетах учитывают выделения теплоты от взрослых людей, тепловыделения от электродвигателей и механизмов, тепловыделения от электродвигателей, установленных в помещении, тепловыделения от нагретых поверхностей оборудования и паропроводов, тепловыделения от остывающего продукта и материала, тепловыделения от открытых водных поверхностей, теплопоступление за счет инфильтрации.

Выделения теплоты от взрослых людей в производственных помещениях в зависимости от затрат энергии (категории тяжести выполняемой работы и температуры воздуха в рабочей или обслуживаемой зоне помещений).

Количество тепла, выделяемое людьми в помещении, всегда положительно. Оно зависит от числа людей, находящихся в помещении, выполняемой ими работы и параметров воздуха (температуры и влажности).

Кроме ощутимого (явного) тепла, которое организм человека передает окружающей среде путем конвекции и лучистой энергии, выделяется еще и скрытое тепло. Оно тратится на испарение влаги поверхностью кожи человека и легкими.

От рода занятий человека и параметров воздуха зависит соотношение явной и скрытой выделяемой теплоты. Чем интенсивнее физическая нагрузка и выше температура воздуха, тем больше доля скрытого тепла, при температуре воздуха выше 37 градусов все тепло, выработанное организмом, выделяется путем испарения.

При любом виде деятельности - от сна до тяжелой работы – тепловыделение больше при низкой температуре окружающей среды.

Чем выше температура воздуха, тем больше скрытое тепловыделение и меньше явное тепловыделение.

При расчете тепловыделения от людей нужно принять во внимание, что в помещении не всегда будет находиться максимальное число людей. Среднее число людей, которые обычно будут находиться в помещении, определяют на основании опыта (например, число посетителей в производственном помещении), или с помощью установленных коэффициентов (например, в учреждениях – 0,95 от общего числа сотрудников).

Тепловыделения от людей в жилых зданиях в теплый период года не учитывается, а в холодный период являются частью величины бытовых тепловыделений, определяемых в соответствии со СНиП 2.04.05-91.

Тепловыделения от людей в общественных зданиях и административнобытовых помещениях промышленных предприятий принимаются по СНиП на проектирование этих зданий или по ведомственным нормативным документам.

Замечание: приведены средние данные для взрослых мужчин. Считается, что женщины выделяют 85 %, а дети – 75 % теплоты и влаги, выделяемых мужчинами.

Тепловыделения от людей определяются отдельно по количеству явной, скрытой и полной теплоты. При tB = 35 оС выделения явной теплоты

не учитываются. Скрытая теплота, выделяемая людьми, - это теплота, пришедшая с влагой, выделяемой человеком, кВт:

Qч.я = n ·qя··l0-3;

Qч. скр = n ·qскр· l0-3;

Qч = n ·q·l0-3,

где п - количество людей в помещении;

qя, qч. скр и q - удельные количества явной, скрытой и полной теплоты, выделяемой одним работающим, Вт. (Она определяется из условий тепло- и влагообмена человека с окружающей средой и приводится в прилож.

Тепловой поток от нагретых поверхностей работающего технологи-

ческого оборудования принимают по данным технологического проекта, данным тепловых испытаний теплопотребляющего оборудования или подсчитывать, используя законы и формулы теории теплообмена. Основную трудность в последнем случае составляет определение коэффициента теплоотдачи от нагретой поверхности за счет естественной конвекции, который во многих практически важных случаях неизвестен. Поэтому для ориентировочных расчетов теплового потока, Вт, можно использовать формулы: для печей, в которых сжигается твердое, жидкое или газообразное топливо

Qп = Qрн ·В·а· ;

для электрических печей

Qп = 1000Nуст· a· ,

где Qрн - низшая теплота сгорания топлива, Дж/кг;

В - расход топлива кг/с;

Nуст - установочная мощность печей, кВт;

а - доля тeплоты от Qрн или Nуст выделяющаяся в помещение; для электрических печей а = О,7, для других а = 0,4...0,6;

- коэффициент одновременности работы установленных печей (по данным технологического проекта).

Тепловыделения от электродвигателей и механизмов. Энергия, под-

водимая к механизмам, может полностью переходить в теплоту и нагревать воздух помещения, может расходоваться на нагрев обрабатываемого продукта, жидкости или воздуха и уходить из помещения.

Тепловыделения от оборудования, приводимого в действие электродвигателями, кВт,

Qоб = N у kзагр kодн kт ,

где Ny - номинальная установленная мощность электродвигателей, кВт;

kзагр - коэффициент загрузки двигателя, равный отношению средней мощности двигателя к номинальной;

kодн - коэффициент одновременности работы оборудования;

kт - коэффициент тепловыделения данного оборудования с учетом уноса теплоты из помещения с материалами, водой, воздухом и т. д.;

kэагр, kодн, kт определяются для конкретного производства по норматив-

ным ведомственным материалам; kэагр= 0,5 - 0,8; kодн = 0,5 - 1,0; kт = 0,1 - 1,0 (для насосов и вентиляторов kт = 0,1 - 0,3; для ткацких и

металлорежущих станков kт = I,0).

Тепловыделения от электродвигателей, установленных в помещении,

кВт,

Q = Nу kзагр kодн 1 дв ,дв

rде дв - КПД двигателя при данной загрузке.

Тепловыделения от нагретых поверхностей оборудования и паропроводов, кВт,

Qн.п= Fi · i /(tст.н. i

где Fi - площади нагретых поверхностей, м2;

i - коэффициенты теплоотдачи от стенок наружных поверхностей к воздуху помещения, Вт/ (м2 ·К);

tст.н. i – температура наружных стенок, К (оС); tв - температура воздуха помещения, К (оС).

Тепловыделения от остывающего продукта и материала, кВт,

QM = GМ сМ (tм.н - tм.к),

где GМ – масса остывающего материала, кг/с; сМ – теплоемкость материала, кДж/(кг· К);

tм.н , tм.к – начальная и конечная температуры, К, (оС).

Тепловыделения от освещения, кВт,

Qoс = Noc,

где Noс - суммарная мощность источников освещения, кВт.

Если осветительная аппаратура и лампы находятся вне помещения (на чердаке, за остеклением и т. п.), количество тепловыделений в помещение (видимая и невидимая теплота) составляет, кВт,

Qoс = Noс · oc

где oc - коэффициент, учитывающий долю теплоты от освещения, поступающую в помещение. Для люминесцентных ламп oc = 0,55, для ламп накаливания oc =0,85.

Тепловыделения от открытых водных поверхностей (явная теплота),

кВт

QB = (5,6 + 4,0·) ( - tB) F · 10-3,

где - скорость воздуха над поверхностью воды, м/с;- температура поверхности воды, К (оС);

F - площадь поверхности воды, м2.

Скрытая теплота, приходящая с выделяющейся влагой, кВт,

Qскр = r· GB,

где r - теплота nарообразования (фазового превращения), кДж/кг; Gв - количество влаги, испарившейся с ванны, кг/с.

Величина r может быть определена по формуле r = 2500 - 2,39 · tB,

Влаговыделенuя с открытой не кипящей водной поверхности определяются по формуле Дальтона, кг/с,

где Р - коэффициент массоотдачи, кг/(м2 · с · Па); F - поверхность испарения, м2;

Рн, Рп - парциальные давления насыщенного водяного пара при температуре поверхности воды и в воздухе помещения, Па;

101,3·103 Па - нормальное атмосферное давление; Рб - барометрическое давление, Па.

Коэффициент массоотдачи Р можно вычислить по формуле

Р = (а + 0,0362 ) · 10-6

где а - опытный коэффициент;

v - скорость воздуха над поверхностью испарения, м/с. Значения коэффициента а приведены в таблице.

Таблица.

Расход теплоты Qинф, Вт, на нагревание инфильтрующегося воздуха

определяют по формуле

Qинф = 0,28 Gi c(tp - ti)k,

где Gi — расход инфильтрующегося воздуха, кг/ч, через ограждающие конструкции помещения, определяемый ниже по формуле (2.60);

с — удельная теплоемкость воздуха, равная 1 кДж/(кг С);

tp, ti — расчетные температуры воздуха, С, соответственно в помещении (средняя с учетом повышения для помещений высотой более 4 м) и наружного воздуха в теплый период года (параметры Б);

k — коэффициент учета влияния встречного теплового потока в конструкциях, равный 0,7 для стыков панелей стен и окон с тройными переплетами, 0,8 — для окон и балконных дверей с раздельными переплетами и 1,0 — для одинарных окон, окон и балконных дверей со спаренными переплетами и открытых проемов.

Выделение влаги в помещении

Источники влаги в помещении. Кроме температуры воздуха в помещении, важным параметром микроклимата является влажность. Относительная влажность многих видов помещений нормируется СНиП. Для определения нужной производительности системы кондиционирования или вентиляции нужен расчет влажностного баланса в помещении. Расчетное количество влаги, на которое должен быть рассчитан воздухообмен в помещении, равен разности выделения и поглощения влаги, с учетом всех источников.

Влага выделяется из многих источников, например:

-Люди, находящиеся в помещении

-Открытые водные поверхности

-Влажные материалы и поверхности оборудования

-Химические реакции, в которых выделяется вода (горение)

-Утечки пара через не плотности коммуникаций

-Проникновение водяного пара с наружным воздухом.

Выделение влаги от людей. Количество влаги, выделяемое людьми, зависит от количества людей в помещении, интенсивности их работы, а также от температуры и подвижности воздуха в помещении. Средние значения влаговыделения при различных температурах и характере труда приведены в таблице.

Общее количество влаги, поступающее за 1 час от людей в помещение, рассчитывают по формуле:

W = N d,

где W - общее количество влаги, (кг/час), N - число людей,

d - влага, выделяемая каждым человеком (кг/час).

Выделение влаги от открытых водных поверхностей. Если в поме-

щении есть открытые водные поверхности (не кипящей воды), то количество испаряемой влаги W рассчитывается по формуле:

W=760F(a + 0.0174V)(P1 - P2)/Pбар,

где а - фактор скорости движения (подвижности) окружающей среды, значения параметра а - в таблице;

V - относительная скорость движения воздуха над поверхностью испарения, м/с

P1 - упругость водяного пара, соответствующая насыщенному пару при температуре воды (если испарение происходит без подвода тепла, то P1 - температура окружающего воздуха по мокрому термометру).

P2 - упругость водяного пара в воздухе, мм.рт.ст. 760 мм.рт.ст. - нормальное атмосферное давление.

Pбар - расчетное давление для данного пункта, , мм.рт.ст. F - площадь водной поверхности., м2.

Выделение влаги от высыхающих материалов. Если в помещении сушатся материалы или полуфабрикаты, то выделение влаги от них определяется весовым методом. Материалы взвешиваются до и после сушки, и разница в весе - это масса испарившейся воды.

Выделение влаги от химических реакций Количество влаги, выделя-

емой в процессе химических реакций, зависит от массы реагентов и схемы реакции. Например, при сгорании 1 кг бензина образуется 1,4 кг воды, а при сгорании 1 кг водорода - целых 9 кг воды.

Выделение влаги от мокрых поверхностей. Если в помещении есть мокрые поверхности (пола, оборудования и т.д.), то влаговыделения от них приближенно рассчитывают по формуле:

W=0,006F(tc - tм)

Здесь W (кг/час) - общее количество влаги от мокрой поверхности, F - площадь поверхности, м2., tc и tм - температура воздуха в помещении по сухому и мокрому термометру соответственно.

Выделение влаги через не плотности оборудования. При правильной эксплуатации оборудования и коммуникаций прорыв водяного пара незначителен, и им можно пренебречь. Но в некоторых случаях его нужно учитывать. Тогда прорыв пара через неплотности оценивают как 2% от пара, образующегося в оборудовании или протекающего по коммуникациям.

Проникновение влаги с инфильтрованным воздухом. В зависимости от внешних условий и параметров воздуха в помещении внешний инфильтрационный воздух может содержать больше или меньше влаги, чем внутренний. Поэтому при инфильтрации влага воздуха может как увеличиваться, так и уменьшаться. Изменение влагосодержания от инфильтрации рассчитывается по формуле:

W = G(d2 - d1).

Здесь G - масса инфильтрационного воздуха, (кг), а d1 и d2 – влагосодержание внутреннего и наружного воздуха соответственно (кг/кг воздуха).

Таким образом, величина W бывает как положительна, так и отрицательна. Если в кондиционируемом помещении создается подпор, то инфильтрация и приток с ней влаги и тепла не учитывают.

Поглощение влаги. Влага в помещении может не только выделяться, но и поглощаться (например, гигроскопическими материалами). Величина влагопоглощения определяется обычно опытным путем.

Расчет тепловлажностного отношения помещения, п, кг/кг

В производственном помещении в зависимости от периода года и наличия тепло- и влаговыделяющего оборудования могут наблюдаться либо избыток, либо дефицит теплоты и влаги одновременно. С названной проблемой может справиться только система кондиционирования, где подготавливаются такие параметры подаваемого в помещение воздуха (по температуре и влагосодержанию), которые при смешении с воздухом помещения обеспечи-вают в нем нормативные температуру и относительную влажность.

На «i, d» - диаграмме этот процесс смешения изображается наклонной прямой линией. Параметры воздуха, вступающего в контакт с водяной

поверхностью, имеющей заданную температуру tп. находят из уравнения

Qп = Gв (iв – iп); W = Gв (dB – dп)10-3.

где Gв, iв, dB - расход и начальные параметры воздуха (расход., энтальпия и

влагосодержание);

W - количество воды, участвующей во влагообмене; iп, dп - параметры воздуха над водяной поверхностью.

Из совместного решения вышеприведенных уравнений получают

Это уравнение определяет в «i, d»-диаграмме значение коэффициента, изменение состояния воздуха в зависимости от его характеризующего начального состояния до точки, определяемой изотермой tв и относитель-ной влажностью = 100%. Из уравнения следует, что процесс изменения состояния воздуха во время его взаимодействия с водой, имеющей постоянную температуру, изображается на «i, d»-диаграмме отрезком прямой. В действующих оросительных камерах параметры воды при взаимодействии с воздухом несколько изменяются (t воды равно 2 - 4 oС) и линия процесса теплообмена будет иметь в «i, d» -диаграмме некоторую кривизну. В практических расчетах установок кондиционирования воздуха поправок на это изменение процесса не вводят.

На «i, d» -диаграмме по периметру нанесены отрезки, соответствую-щие полному набору значений угловых коэффициентов ( ), из которого можно выбрать и при помощи линейки нанести луч, соответствующий по направлению тепловлажностному отношению помещения п, кг/кг, рассчитанного по формуле.

: Системы отопления производственных и жилых помещений

Различие между системами теплоснабжения, которые представлены в курсе «Источники и системы теплоснабжения», и системами отопления потребителей заключаются в следующем:

-системы теплоснабжения городов и поселков в основном включают в свой состав крупный источник теплоты в виде горячей воды и пара (при комбинированной выработке теплоты и электричества – это ТЭЦ или АТЭЦ), весьма разветвленную сеть теплопроводов и паропроводов и в качестве потребителей теплофикационной воды и пара – в основном, центральные тепловые пункты (ЦТП), где происходит распределение теплофикационной воды индивидуальным потребителям (предприятию, группе домов); в некоторых случаях в качестве источника рассматриваются районные котельные;

-системы отопления тоже включают в себя источник горячей воды и пара (но в отличие от системы теплоснабжения источником могут служить ЦТП, ИТП, малые водяные или паровые котельные), сети трубопроводов горячей воды или пара внутри обслуживаемого помещения (отдельного дома или производственного помещения) и само помещение, снабженное отопительными приборами, как потребителя горячей воды или пара, для поддержания в нем температуры в соответствии с Санитарными Нормами (СН).

ционные показатели. Наиболее широко используют воду, водяной пар и

воздух.

Свойства воды: высокая теплоемкость, большая плотность, несжимаемость, повышение температуры кипения при увеличении давления, выделение абсорбированных газов при повышении температуры и понижении давления (параметры в таблице).

Свойства пара: малая плотность, высокая подвижность, высокая энтальпия за счет скрытой теплоты фазового превращения, повышения температуры и плотности с возрастанием давления (параметры в таблице 4.1).

Свойства воздуха: низкая теплоемкость и плотность, высокая подвижность, уменьшение плотности при нагревании (параметры в таблице 4.1).

Таблица 4.1. Параметры основных теплоносителей для отопления.

Сравнение основных систем отопления

Водяная система отопления.

Преимущества.

-Равномерность температуры помещения.

-Центральное регулирование теплоотдачи отопительных приборов изменением температуры воды в зависимости от температуры наружного воздуха (качественное регулирование).

-Ограниченный верхний предел температуры поверхности отопительных приборов – это исключает пригорание пыли на них.

-Бесшумность и сравнительная долговечность.

Недостатки.

-Значительное гидростатическое давление в системе, обусловленное ее высотой и большой массовой плотностью воды.

-Опасность замораживания воды в трубопроводах и приборах, что приводит к разрушению системы, в холодный период года.

- Тепловая инерционность при включении системы.

Паровая система отопления.

Преимущества.