120

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Томский государственный архитектурно-строительный университет»

Е.М. ХРОМОВА

СИСТЕМЫ ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ

Учебное пособие

Томск Издательство ТГАСУ

2008

УДК 697.4 (075) ББК 38.762.1(я7) Х94

Хромова, Е.М. Системы водяного отопления: учеб. пособие / Е.М. Хромова., – Томск: Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2008. – 116 с.

– ISBN

Пособие соответствует государственному образовательному стандарту дисциплины «Отопление» специальности 270109 «Теплогазоснабжение и вентиляция».

Представлены основы расчета теплового баланса зданий различного назначения. Рассмотрены вопросы конструирования систем отопления с применением стальных, металлополимерных и медных трубопроводов. Приведены методики гидравлического расчета и теплового расчета отопительных приборов в однотрубных и двухтрубных системах отопления, а также дан порядок подбора смесительного насоса. Представлены примеры расчета по всем разделам учебного пособия.

Предназначено для использования студентами специальности 270109 «Теплогазоснабжение и вентиляция» при выполнении курсового проекта по дисциплине «Отопление».

Табл. 31. Ил. 23. Библиогр.: 15 назв.

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение…..….…………………………………….……………………..4

1.Расчет тепловой мощности системы отопления………….………6

1.1.Уравнение теплового баланса здания……………………….…...6

1.2.Основныепотеритеплотычерезограждающиеконструкциизданий..8

1.3.Дополнительные потери теплоты через

ограждающие конструкции зданий……………………………..……14

1.4. Расчет расхода теплоты на нагрев инфильтрующегося наружного воздуха…………..………………...16

1.5.Дополнительные бытовые теплопоступления в помещения..…19

Примеры…………………………….……….………………………….20

2.Конструирование систем водяного отопления…………………..27

2.1.Выбор и размещение отопительных приборов……………...…27

2.2.Размещение стояков и магистралей …………………...………..28

3.Гидравлический расчет системы водяного отопления………..42

3.1.Гидравлический расчет главного циркуляционного кольца…..43

3.2.Гидравлическийрасчетвторостепенногоциркуляционногокольца...48

Примеры…………………………………………….…………………..48

4.Тепловой расчет отопительных приборов..……..……..………...65

4.1.Расчет площади отопительных приборов

в однотрубных системах отопления………………………………….65

4.2. Расчет площади отопительных приборов в двухтрубных системах отопления…………….…………...……….70

Примеры………………………………………………………………...74

5. Подбор циркуляционного насоса……………………………..…...82 Контрольные вопросы по курсу «Отопление»……………………..84 Библиографический список…………………………………………..86

Приложение 1. Таблицы и номограмма для гидравлического расчета трубопроводов систем водяного отопления………..………...87 Приложение 2. Коэффициенты местных сопротивлений ξ………..104 Приложение 3. Потери давления на местные сопротивления для расчетов трубопроводов водяного отопления………....………...107 Приложение 4. Теплоотдача открыто проложенных

трубопроводов системы водяного отопления………………………..108 Приложение 5. Номинальная плотность теплового потока отопительных приборов……….…..…………………………..110 Приложение 6. Техническая характеристика

отопительных приборов……………………………...…….…………..111

3

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Отопление» является одной из профилирующих при подготовке специалистов по теплогазоснабжению и вентиляции.

Целью курса является получение знаний по конструкциям, принципам действия и характерным свойствам различных систем отопления, используемых в современной отопительной технике.

Задачами курса являются освоение основ теории расчета и получение практических навыков проектирования систем отопления, изучение вопросов регулирования систем отопления, ознакомление с перспективными путями развития способов отопления зданий.

Представленное учебное пособие содержит методики проектирования систем водяного отопления для выполнения курсового проекта по дисциплине «Отопление». При его выполнении студенты знакомятся с основными требованиями и условиями прокладки системы отопления в здании и затем самостоятельно осуществляют проектирование ее на планах этажей, приобретают навыки составления тепловых балансов помещений, расчетов отопительных приборов и проведения гидравлического расчета системы отопления. Для проведения грамотных расчетов студенты знакомятся с нормативной документацией и выписывают необходимые для расчетов характеристики.

Курсовой проект по системам отопления состоит из расчетной и графической частей. Проект выполняется по индивидуальному заданию.

Содержание расчетно-пояснительной записки

Пояснительная записка представляет собой важный технический документ, в котором кратко, но с достаточной полнотой излагаются мотивировки всех принятых решений, приво-

4

дятся необходимые расчеты со ссылками на источники, даются пояснения по устройству различных частей системы и краткие указания по ее эксплуатации. Пояснительная записка должна включать в себя:

1.Титульный лист.

2.Задание на проектирование.

3.Содержание.

4.Введение.

5.Расчет тепловой мощности системы отопления.

6.Гидравлический расчет системы водяного отопления по удельным потерям давления на трение.

7.Тепловой расчет отопительных приборов.

8.Подбор циркуляционного насоса.

9.Список используемой литературы.

Все рисунки и таблицы должны быть пронумерованы и иметь подрисуночные подписи и заголовки. Объем пояснительной записки должен быть не более 40 страниц машинописного текста. Пояснительная записка должна быть оформлена в соответствии с требованиями ГОСТ 2.105–95 «Общие требования к текстовым документам».

Содержание графической части

Графическая часть проекта выполняется вручную на листах ватмана формата А1 – А2. В состав графической части входит:

1) план здания в М 1:100 с нанесением отопительных приборов и стояков, с обозначением по каждому стояку на каждом этаже марки отопительных приборов;

2)план подвала в М 1:100 с нанесением стояков и подводящих магистралей;

3)аксонометрическая схема системы отопления в М 1:100

снанесением на нее тепловых нагрузок, участков расчетного

кольца и диаметров; 4) спецификация на элементы системы отопления.

5

1. РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЙ МОЩНОСТИ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ

1.1. Уравнение теплового баланса здания

Система отопления предназначена для создания в помещениях здания в холодный период года температурной обстановки, комфортной для человека и отвечающей требованиям технологического процесса.

Температурная обстановка в помещении зависит от тепловой мощности системы отопления, а также от расположения обогревающих устройств, теплозащитных свойств наружных ограждений, интенсивности других источников поступления и потерь теплоты.

В холодное время года помещение теряет теплоту через наружные ограждения, теплота расходуется на нагрев наружного воздуха, который проникает в помещение через неплотности ограждений, а также на нагрев материалов, транспортных средств, изделий, одежды, которые холодными попадают с улицы в помещение. Системой вентиляции в помещение может подаваться воздух с более низкой температурой по сравнению с воздухом помещения, технологические процессы могут идти с испарением жидкостей и другими процессами, сопровождаемыми затратами теплоты.

Теплота поступает в помещение от технологического оборудования, источников искусственного освещения, от нагретых материалов, изделий, в результате прямого попадания через оконные проемы солнечных лучей, от людей. В помещениях могут быть технологические процессы, связанные с выделением теплоты (конденсация влаги, химические реакции и пр.).

Сведением всех составляющих поступлений и расход теплоты в тепловом балансе помещения определяется дефицит или избыток теплоты. Дефицит теплоты указывает на необходимость устройства в помещении отопления, избыток теплоты обычно ассимилируется вентиляцией. Для определения тепло-

6

вой мощности системы отопления составляют баланс часовых расходов теплоты для расчетного зимнего периода в виде

где Qогр – основные потери теплоты через ограждающие конструкции здания, Вт;

ΣQд – суммарные добавочные потери теплоты через ограждающие конструкции здания (см. п. 1.3), Вт;

Qи – расход тепла на нагревание воздуха, поступающего в помещение при инфильтрации и вентиляции, Вт;

Qтехн – дебаланс между расходом тепла на технологические нужды и минимальными технологическими и бытовыми теплопоступлениями, Вт.

Расчетная тепловая мощность системы отопления соответствует максимальному дефициту теплоты.

Для гражданских зданий обычно принимают, что в помещении отсутствуют люди, нет искусственного освещения и других бытовых тепловыделений, поэтому определяющими расход тепла являются теплопотери через ограждения и инфильтрация.

Впромышленных зданиях принимают в расчет период технологического цикла с наименьшими тепловыделениями.

Вжилых зданиях при определении тепловой мощности системы отопления учитывают теплопотери через ограждающие конструкции, больший из расходов тепла на нагревание наружного воздуха, поступающего в помещение вследствие инфильтрации или для компенсации нормативного воздухообмена, а также бытовые теплопоступления в размере, регламентируемом СНиП.

Расчетные теплопотери помещений жилого здания ΣQо вычисляют по уравнению теплового баланса

где Qб – бытовые тепловыделения, Вт.

1.2. Основные потери теплоты через ограждающие конструкции зданий

Основные потери теплоты Qогр, Вт, через рассматриваемые ограждающие конструкции зависят от разности температуры наружного и внутреннего воздуха и рассчитываются с точно-

где n – коэффициент, зависящий от положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху;

tв – расчетная температура воздуха помещения, ºС, принимаемая по [2, 4];

tн – расчетная зимняя температура наружного воздуха, ºС, равная средней температуре наиболее холодной пятидневки с обеспеченностью 0,92, принимаемая по [1];

k – коэффициент теплопередачи наружного ограждения,

Вт/(м2·ºС);

А – расчетная поверхность ограждающей конструкции, м2. Вычисление теплопотерь производят для каждого поме-

щения здания отдельно. Результаты расчета сводятся в табл. 1.1. Заполнение табл. 1.1 производится следующим образом

(по графам):

Таблица 1.1

Ведомость расчета теплопотерь помещений

Графа 4. Обмер площадей наружных ограждений производится с соблюдением определенных правил (см. рис. 1.1):

−площадь окон и дверей – по наименьшим размерам проемов в свету;

−площадь потолков и полов – по расстоянию между осями внутренних стен и расстоянию от внутренней поверхности наружных стен до осей внутренних стен;

−высота стен первого этажа – по расстоянию от уровня нижней поверхности конструкции пола первого этажа до уровня чистого пола второго этажа при наличии неотапливаемого подвала;

−высота стен промежуточного этажа – по расстоянию между уровнями чистого пола данного и вышележащего этажей;

−высота стен верхнего этажа – по расстоянию от уровня чистого пола до верха утеплителя чердачного перекрытия;

−длина наружных стен в угловых помещениях – по расстоянию от внешних поверхностей наружных стен до осей внутренних стен, а в неугловых помещениях – по расстоянию между осями внутренних стен.

−длина внутренних стен – по размерам от внутренних поверхностей наружных стен до осей внутренних стен или между осями внутренних стен.

Графа 6. Коэффициент теплопередачи ограждающих конструкций здания k принимается по результатам теплотехнического расчета.

Расчетный коэффициент теплопередачи для окон определяется по выражению

где kдо,то – коэффициент теплопередачи окна, полученный по результату теплотехнического расчета, Вт/м2 ºС;

kнс – коэффициент теплопередачи наружной стены, Вт/м2 ºС. Коэффициенты теплопередачи k для полов, расположенных на грунте, определяют по условным термическим сопротивлениям для отдельных зон пола. Передача тепла из помеще-

11

ния через конструкцию пола и толщу грунта под зданием подчиняется сложным закономерностям. Учитывая сравнительно небольшой удельный вес теплопотерь через пол в общих теплопотерях помещения, для их расчета применяют упрощенную методику. Поверхность пола делят на полосы шириной 2 м, параллельные наружным стенам (рис. 1.2). Полоса, ближайшая к наружной стене, является зоной I, следующие две полосы будут зонами II и III, а остальная поверхность пола будет зоной IV.

Рис. 1.2. Разбивка поверхности пола (а) и заглубленных частей наружных стен (б) на зоны I–IV

Теплопотери каждой зоны рассчитывают по формуле (1.3), принимая n=1. За величину k принимают коэффициент теплопередачи, который для неутепленного пола обозначают kн.п и принимают равным для I зоны 0,465, для II зоны 0,233, для III зоны 0,116 и для IV зоны 0,07 Вт/м2 ºС.

Если в конструкции пола, расположенной на грунте, имеются слои материалов с теплопроводностью λ меньше 1,16 Вт/(м ºС), то такой пол называют утепленным. В этом случае термические сопротивления утепляющих слоев в каждой зоне прибавляют к сопротивлениям Rн.п. В связи с этим условное сопротивление теплопередаче соответствующей зоны утепленного пола Rу.п равно:

12

где δу.с – толщины материала утепляющих слоев, м; λу.с – теплопроводностиматериалаутепляющихслоев, Вт/(мºС);

– термическое сопротивление соответствующей зоны неутепленного пола, которое принимают равным для I

зоны 2,15, для II зоны 4,3, для III зоны 8,6 и для IV зоны

14,2 м2 ºС /Вт.

Теплопотери через полы на лагах рассчитывают также по зонам, только условное сопротивление теплопередаче каждой

где Rу.п – величина, полученная по формуле (1.5) с учетом утепляющих слоев, включая и настил пола на лагах и пр.

Поверхность участка пола в зоне I, примыкающего к наружному углу, имеет повышенные теплопотери, поэтому, его площадь размером 2×2 м учитывается при определении площади зоны I дважды (на рис. 1.2, а крестообразная штриховка).

Подземные части наружных стен рассматривают при расчете теплопотерь как продолжение пола. Разбивку на полосы в этом случае делают от верха подземной части стен (рис. 1.2, б). Условные сопротивления теплопередаче для зон принимают так же, как для пола при наличии утепляющих слоев, которыми в данном случае являются слои конструкции стены.

Графа 7. В графу выносится расчетная разность температур между внутренней температурой помещения и температурой наружного воздуха, принимаемой по [1]. Коэффициент n определяется по [3], (табл. 1.3).

Графа 8. Основные теплопотери через все ограждающие конструкции здания вычисляются по формуле (1.3).

13

1.3. Дополнительные потери теплоты через ограждающие конструкции зданий

Основные теплопотери через наружные ограждения, обусловленные разностью температуры внутреннего и наружного воздуха, оказываются меньше фактических теплопотерь, так как в уравнении (1.3) не учитывается целый ряд факторов, вызывающих дополнительные потери теплоты, исчисляемые в долях от основных теплопотерь.

Графа 9. Дополнительные теплопотери, определяемые ориентацией ограждений (стен, дверей и световых проемов) по сторонам света, рассчитываются как

где βор – коэффициент добавки на ориентацию (рис. 1.3); 14

Qогр – основные теплопотери через данное ограждение, Вт.

Рис. 1.3. Значения коэффициента добавок на ориентацию

Графа 10. Прочие дополнительные теплопотери:

−При наличии двух и более наружных стен принимается добавка на все вертикальные ограждения, равная 0,05.

−Для угловых помещений и помещений, имеющих два и более наружных вертикальных ограждения, температуру внутреннего воздуха принимают для жилых зданий на 2 ºС выше указанной в табл. 1.2, а для зданий другого назначения повышение температуры учитывают 5 %-й добавкой к основным теплопотерям вертикальных наружных ограждений.

−Дополнительные потери теплоты на нагревание холодного воздуха, поступающего при кратковременном открывании наружных входов, не оборудованных воздушно-тепловыми завесами, принимаются в зависимости от типа входных дверей и высоты здания Н, м:

−для тройных дверей с двумя тамбурами между ними

где Qогр.нд – основные теплопотери через наружные двери в помещении лестничной клетки.

В жилых зданиях эти теплопотери следует учитывать только для дверей лестничных клеток. Добавка не учитывается для летних и запасных дверей.

1.4. Расчет расхода теплоты на нагрев инфильтрующегося наружного воздуха

Графа 12. Наружный воздух поступает в помещения под действием разности давлений наружного и внутреннего воздуха. Наружный воздух без его предварительного нагревания может непосредственно поступать в помещения через специальные приточные устройства, и в этом случае инфильтрация является организованной. В случае его поступления через существующие неплотности и щели в стенах, воротах, окнах, фонарях инфильтрация носит неорганизованный характер.

При естественной вытяжной вентиляции в помещениях жилых и общественных зданий приточный нормируемый расход воздуха может поступать в помещения либо в виде суммарного потока, состоящего из приточного, нагретого в приточных установках, и инфильтрационного потока (без предварительного нагревания). В этом случае инфильтрационный поток является организованным, задаваемым в исходных условиях параметром Lн, величина которого формируется в результате дисбаланса между задаваемыми вентиляционными вытяжным и приточным воздухообменами. Расход теплоты Qи, Вт, на нагревание этого организованного инфильтрационного потока определяется по формуле

где Lн – расход приточного, предварительно не подогреваемого, инфильтрующегося воздуха, м3/ч;

ρн – плотность наружного воздуха, кг/м3:

16

ρн = 353 ; 273 +tн

с – удельная теплоемкость воздуха, равная 1,005 кДж/(кг ºС). Для жилых зданий приточный воздухообмен нормируется удельным расходом 3 м3/ч на 1 м2 площади жилых помещений и кухни (Lн=3·Апола), что соответствует примерно однократному

воздухообмену.

При неорганизованной инфильтрации через существующие неплотности и щели в стенах, воротах, окнах, фонарях зданий различного назначения расход теплоты Qи, Вт, определяется по формуле

где Gн – расход инфильтрующегося воздуха, кг/ч, через ограждающие конструкции помещения;

kт – 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 – для одинарных окон, окон и балконных дверей со спаренными переплетами и открытых проемов;

tв, tн – расчетные температуры воздуха, ºС.

При естественной вытяжной вентиляции в помещениях общественных зданий расчет выполняется по выражениям (1.12) и (1.13), при этом принимается за расчетное значение большая из величин.

В помещениях жилых зданий при естественной вытяжной вентиляции расчет Qи выполняется только по выражению (1.12), так как, согласно [3], конструкция уплотнения притворов окон подбирается из условия обеспечения через них нормируемого воздухообмена. Таким же образом Qи определяется и в случае применения специальных приточных устройств – приточных управляемых клапанов в оконной коробке или в стене.

Расход инфильтрующегося воздуха ∑Gн через отдельные

17

ограждающие конструкции определяется по [4], где учитывается воздухопроницаемость стен, стыков стеновых панелей, неплотностей окон, дверей, ворот и фонарей. Ввиду незначительности инфильтрационных потоков через стены и стыки стеновых панелей современных зданий (кроме деревянных щитовых, рубленных и т. п.), выражение для определения расхода инфильтрующегося воздуха в помещении ∑Gн, кг/ч, можно ограничить только двумя его членами

где G*н – нормативная воздухопроницаемость наружных ограждающих конструкций, кг/(м2 ч), принимаемая по [3];

A2 – площадь, м2, световых проемов (окон, балконных дверей, фонарей);

A3 – площадь, м2, щелей, неплотностей и проемов в наружных ограждающих конструкциях;

∆pi, ∆p1 – расчетные разности давлений на наружной и внутренней поверхностях ограждающих конструкций соответственно на расчетном этаже при ∆p1=10 Па.

Расчетная разность ∆pi, Па, давлений воздуха на наружную и внутреннюю поверхность ограждений определяется по

где H – высота здания, м, от уровня средней планировочной отметки земли до верха карниза, центра вытяжных отверстий фонаря или устья шахты;

h – расчетная высота, м, от уровня земли до верха окон, балконных дверей, дверей, ворот, проемов или до оси горизонтальных и середины вертикальных стыков стеновых панелей;

ρв – плотность воздуха в помещении, кг/м3, определяемая по

273 +tв g – ускорение силы тяжести, м/с2;

18

v – скорость ветра, м/с, принимаемая по [4] по параметрам Б (если скорость ветра при параметрах Б меньше, чем при параметрах А, то следует принимать по параметрам А);

cн, cп – аэродинамические коэффициенты для наветренной и подветренной поверхностей ограждений здания соответственно,

принимаемые по [5]: cн=0,8, cп= –0,6;

kv – коэффициент учета изменения скоростного давления ветра в зависимости от высоты здания, принимаемый по табл. 1.4;

pint – давление воздуха в помещении, Па.

Для помещений жилых и общественных зданий, оборудованных только естественной вытяжной вентиляцией, давление pint можно принять равным потере давления в вытяжной системе

где hi – расстояние по вертикали от центра вытяжной решетки до верхней кромки вытяжного канала или шахты, м;

с+5°С – плотность наружного воздуха при tн= +5 ºС, кг/м3.

При наличии в помещении дисбаланса механического воздухообмена значение pint определяется из уравнения воздушного баланса помещения.

1.5.Дополнительные бытовые теплопоступления

впомещения

Графа 13. При расчете тепловой мощности системы отопления необходимо учитывать регулярные бытовые теплопоступления в помещение от электрических приборов, коммуникаций, тела человека и других источников. При этом значения бытовых тепловыделений, поступающих в комнаты и кухни жилых до-

19

мов, следует принимать в количестве 21 Вт на 1 м2 площади пола и определять по уравнению, Вт,

Qб=21 Апол, (1.18)

где Апол – площадь пола отапливаемого помещения, м2.

Графа 14. Полные теплопотери помещений вычисляются по формуле (1.1).

Далее суммируются полные теплопотери всех помещений.

Пример 1 Расчет тепловой мощности трехэтажного жилого здания

Исходные данные

1.Район строительства: Томск.

2.Характеристика наружных ограждений здания:

а) толщина наружной стены δнс=400 мм с коэффициентом теплопередачи kнс=0,236 Вт/(м2·ºС);

б) толщина перекрытия над неотапливаемым подвалом δпл=300 мм с коэффициентом теплопередачи kпл=0,2 Вт/(м2·ºС);

в) толщина чердачного перекрытия δпт=450 мм с коэффициентомтеплопередачиkпт=0,193 Вт/(м2·ºС);

г) окна двойные в деревянных переплетах с коэффициентом теплопередачи kок=1,818 Вт/(м2·ºС);

д) двойные наружные двери с тамбуром с коэффициентом теплопередачи kнд=0,394 Вт/(м2·ºС);

е) коэффициент теплопередачи для внутренней стены зда-

ния kвс=1,63 Вт/(м2·ºС).

3. Дополнительные данные: высота этажа 3,0 м.

Порядок расчета

Вычерчиваем план и разрез здания с необходимыми размерами (рис. 1.4). Толщина межэтажного перекрытия принимается равной δптэ=300 мм.

Далее определим высоту этажей и высоту здания: h1=3,0+δпл+δптэ =3,0 +0,3+0,3=3,6 м;

20