Тепловой баланс помещений и расход

ТЕПЛОТЫ НА ОТОПЛЕНИЕ

Производственные, жилые и другие здания в холодный период года, когда температура наружного воздуха становится ниже внутренней, теряют теплоту через ограждения Q_огр и на нагрев инфильтрирующегося воздуха Q_и .

В то же время в их помещения поступает теплота, выделяемая технологическими аппаратами, людьми, осветительными приборами и др., Q_тв, а также от размещенных в здании отопительных систем Q_о. Поддержание фиксированных значений температур воздуха внутри здания возможно только в тех случаях, когда в любой момент времени его суммарные теплопотери Q_тп = Q_огр + Q_и (кривая 3 на рис. 2.3) будут

полностью компенсироваться суммарными теплопритоками Q_тв + Q_о, т.е. будет выполняться соотношение:

(2.38)

Используя уравнения (2.1) и (2.28), из (2.38) получаем выражение для определения количества теплоты Q_о.зд^пр, кВт, необходимое для отопления промышленного здания с непрерывным технологическим процессом с постоянным температурным режимом:

, (2.39)

где: – показатель инфильтрации, (°С)^0.667; dt_т.в= Q_тв/(q_о·V_зд) – эквивалентная температура внутренних тепловыделений, °С, представляющая собой численное значение понижения температуры внутреннего воздуха Dt_в при сохранении уровня теплопотерь помещения, но при прекращении поступления внутренних тепловыделений.

Температура наружного воздуха t , °С

Рис.2.3. Графики изменения величины теплопотерь промышленного здания и теплопритоков в него, при различных температурах наружного воздуха: 1 – потери теплоты через ограждающие конструкции, Q_огр ; 2а и 2б – затраты теплоты на покрытие теплопотерь с инфильтрацией, соответственно, при расчетной скорости ветра, Q''_и и при безветрии, Q'_и ; 3 – полные теплопотери здания при безветрии, Q_тп= Q_орг+Q'_и ; 4а и 4б - соответственно, величина теплопритоков в здание за счет внутренних тепловыделений в смену с максимальным числом работающего оборудования и обслуживающего персонала, Q_т.в^макс и в смену с минимальным числом персонала и работающего оборудования, Q_т.в^мин ; 5 – необходимый теплоприток в здание от системы отопления, Q_о = Q_т.п - Q_т.в^мин.

Из (2.39) следует, что расход теплоты на отопление зданий возрастает при понижении температуры наружного воздуха (кривая 5 на рис.2.3) от нуля при t = t_но до максимальной величины Q^пр_о.р.зд при t_н = t^Б_н.х и Q_т.в = Q_т.в^мин . При переменном режиме работы технологического оборудования, сменности работы и т.п., тепловыделения могут быть переменными во времени. В этом случае, расчетное количество теплоты Q_о.р.зд^пр, кВт, необходимое для отопления промышленного здания определяется:

(2.40)

где: t^Б_н.х ¾ расчетная температура наружного воздуха для проектирования систем отопления по параметрам группы Б; dt_т.в^мин = Q_тв^мин/(q_о·V_зд) – эквивалентная температура внутренних тепловыделений при минимальном значении Q_т.в^мин , °С.

При дальнейшем понижении t_н ниже t_н.х.^Б расход теплоты на отопление оставляют постоянным и равным Q^пр_о.р.зд (кривая 5 на рис.2.3).

В производственных цехах, при наличии в них внутренних тепловыделений, включение в работу системы отопления и выключение ее из работы производят при температуре t_н.о^пр, полученной из условия Q_огр + Q_и - Q_т.в^мин = 0:

(2.41)

Производственные здания промышленного предприятия различаются своими объемами и отопительными характеристиками, а в их помещениях могут наблюдаться или поддерживаться существенно отличающиеся друг от друга значения внутренних тепловыделений, показателей инфильтрации, температуры внутреннего воздуха. Эти обстоятельства приводят к тому, что начало отопительного периода и закономерности изменения отпуска теплоты из систем отопления в разных зданиях и цехах не могут быть едиными, а должны быть индивидуальными для каждого цеха или здания.

Температура наружного воздуха t ,°С

Рис.2.4. Зависимость расхода теплоты на отопление от наружной температуры воздуха:
1 – промышленное здание в рабочую смену; 2 – промышленное здание в нерабочий период (дежурное отопление); 3 – жилое здание

Суммарных расход теплоты на отопление всех М_зд зданий предприятия Q^пр_о , кВт определяют путем суммирования расходов теплоты каждого здания или корпуса, подсчитанных по (2.40) (кривая 1 на рис. 2.4):

(2.42)

Для жилых, детских, лечебных и аналогичных помещений со стабильным температурным режимом, внутренние тепловыделения при определении потребности в теплоте для отопления не учитываются, так как они малы и нерегулярны. Затраты теплоты на инфильтрацию этих помещений в холодный период года, когда все щели в окнах и дверях уплотняют, рассчитывают только путем увеличения на 5-10% отопительной характеристики зданий.

С учетом изложенного, для жилых и административных зданий выражения (2.38), (2.39) преобразуются к виду:

Q_о = 1,1Q_огр. (2.43)

(2.44)

Из уравнения (2.44) следует, что потребность в подводе теплоты для систем отопления этих зданий исчезает при повышении наружной температуры t_н до уровня температуры воздуха внутри помещений. Следовательно, температура начала работы отопления должна быть численно равной t_вр . Однако зданий, не имеющих внутренних тепловыделений, практически не существует и учитывая тепловую инерционность ограждений, строительные нормы и правила [6] рекомендуют включать системы отопления в этих зданиях при устойчивом понижении в течение трех суток подряд суточной температуры наружного воздуха t_нсс до 8°С и выключать из при соответственно повышении t_нсс выше 8°С. Таким образом, температура начала отопления директивно устанавливается: t^ж_н.о = 8°С.

Для производственных зданий и корпусов с переменным режимом работы (одно или двухсменный), а также для торговых, зрелищных и аналогичных предприятий, в которых люди находятся меньшую часть суток, расход теплоты на отопление и необходимую мощность отопительных систем определяют раздельно для рабочего и нерабочего времени. В рабочий период для производственных зданий используют выражение (2.39), а для зданий торговых, зрелищных и аналогичных предприятий (2.44). В нерабочее время в помещениях этих зданий включают «дежурное» отопление, которое при отсутствии внутренних тепловыделений поддерживает в них температуру воздуха t^д_вр < t^о_вр но не ниже 5°С. Расход теплоты на дежурное отопление Q_о^д , кВт (кривая 2 на рис. 2.4) определяют:

- для производственных цехов:

(2.45)

- для торговых и аналогичных предприятий:

(2.46)

Максимальная мощность «дежурного» отопления Q^д_о.р.зд , кВт:

- для производственных зданий:

(2.47)

- для торговых и аналогичных предприятий:

(2.48)

На рис. 2.4 приведены графики изменения Q_о = f(t_н) по выражениям (2.45), (2.46) и (2.47) при Q^пр_о.р.зд = Q^ж_о.р.зд .

Обычно в помещении цеха монтируют одну систему отопления, а переход от рабочего к «дежурному» режиму ее работы и наоборот осуществляют выключением или включением определенной части отопительных приборов.

Годовое количество теплоты для отопления зданий определяется с целью выявления потребностей в топливе, для разработки режимов работы оборудования источников теплоты и т.п. Подсчет годовой потребности в теплоте на последующие годы Q_ог, кВт·ч/год, проводят для усредненного эталонного года с продолжительностью стояния n_i, ч каждого значения температуры наружного воздуха t_нi, °С ( см.приложение 1). При подсчете годовой потребности в теплоте сначала для каждого значения температуры наружного воздуха t_нi за время отопительного периода ( t_но ³ t_н.i ³ t^б_н.х) по формулам (2.39) – для промышленных зданий, (2.44) – для жилых, (2.45) –для «дежурного» отопления подсчитывают расходы теплоты Q_оi и Q^д_оi на отопление каждого здания.

Годовой расход теплоты на отопление j-го здания промышленного предприятия с непрерывным режимом работы или жилого Q_огj, кВт · ч/год определяют, суммируя произведения годового времени стояния n_i, ч, данной температуры t_нi на соответствующий расход теплоты Q_{oi :}

(2.49)

Годовой расход теплоты на отопление всех М_зд зданий предприятия с непрерывным режимом работы или жилого микрорайона Q_ог, кВт · ч/год:

(2.50)

Для зданий с переменным температурным режимом допускается, что время работы основной и дежурной систем отопления при любой температуре наружного воздуха t_нi в течение отопительного периода распределяется пропорционально отношению времени работы каждой из систем за неделю (n^о_нед и n^д_нед) к общей продолжительности недельного времени n_нед .

С учетом указанного допущения подсчет годового расхода теплоты j-го здания Q^ор_о.г.j проводится раздельно для основной Q^о_о.г.j и дежурной Q^д_о.г.j систем его отопления с последующим суммированием:

(2.51)

где: К_р.нед=n^о_нед/n_нед и (1-К_р.нед)=n^д_нед/n_нед ¾ относительная продолжительность работы соответственно основной и «дежурной» систем отопления.

Годовой расход теплоты на отопление всех М_зд зданий с переменным температурным режимом работы Q^пр_о.г , кВт · ч/год:

(2.52)

В течение суток температура наружного воздуха t_н не остается постоянной (кривая 1 на рис. 2.5). Изменение ее вызывает изменение теплопотерь здания (кривая 3 на рис. 2.5), и для поддержания стабильного значения температуры воздуха внутри помещения t_вр (кривая 8 на рис. 2.5) должен соответственно меняться график теплопритока от системы отопления.

В помещениях с высокими и повышенными уровнями требований к температурному режиму отопительные установки или приборы систем отопления необходимо обеспечивать средствами автоматизированного поддержания температуры воздуха внутри цеха.

Суточный график отпуска теплоты от систем отопления этих зданий (кривая 4 на рис. 2.5) повторяет с некоторым запаздыванием суточный

график изменения теплопотерь, и температура воздуха в помещении (кривая 6 на рис. 2.5) колеблется незначительно.

Для выявления суточного графика отпуска теплоты от систем отопления в помещениях с низкими и средними уровнями требований к температурному режиму определяют средние значения температуры наружного воздуха за каждую смену (кривая 2 на рис. 2.5). Отпуск теплоты из отопительных систем этих зданий (кривая 5 на рис. 2.5) осуществляют в соответствии с уровнем усредненного значения температуры наружного воздуха за предшествующую смену. Температура воздуха в помещении (кривая 7 на рис. 2.5) в этом случае колеблется значительнее.

Для определения экономичных режимов работы энергетического оборудования, генерирующего теплоту в котельных, ТЭЦ и других источниках теплоты, выбора оптимальных параметров, используемых теплоносителей и других технико-экономических сопоставлений вариантов элементов систем теплоснабжения широко используют годовой график тепловых нагрузок по продолжительности их стояния (график Россандера), изображенный кривыми 1, 2, 3 и 4 на рис.2.6.

При построении этого ступенчатого графика для отопительной нагрузки по оси абсцисс нарастающим итогом от t^б_н.х до t_но откладывают продолжительности ni , ч, стояния каждой температуры наружного воздуха t_нi, °С, за отопительный период, а по оси ординат соответствующие теплопоступления из системы отопления Q_оi, кВт, при каждом значении этих температур t_нi, °С. Численные значения Q_оi можно определять непосредственно по (2.39 – 2.42) или использовать их графическую интерпретацию (см. рис. 2.4). Для промышленных зданий со стабильным температурным режимом (рис. 2.6), откладываемая по оси абсцисс величина , ч, есть годовая продолжительность работы системы отопления предприятия (здания), а площадь под ступенчатой кривой 2 эквивалентна годовой потребности в теплоте предприятия (здания) Q_о.г^пр, кВт · ч/год. При том же расчетном расходе теплоты жилым районом (зданием) продолжительность отопительного периода и годовая потребность в теплоте Q^ж_о.г , кВт · ч/год, эквивалентная площади под кривой 1 на рис. 2.6, выше чем у промышленных зданий.

Для зданий с переменным температурным режимом (рис. 2.6) график Россандера для основной системы отопления строят аналогично, только по оси абсцисс нарастающим итогом откладывают величины произведений

(К_р.нед · n_i), которые представляют собой продолжительности стояния каждого значения t_нi в период ежегодного времени ее работы.

Рис. 2.5. Суточный график изменения температуры наружного и внутреннего воздуха, а также расхода теплоты отопительной системы: а – график изменения температур наружного воздуха; б – график изменения расходов теплоты; в – изменение температур внутри помещений; 1 – фактическое изменение температуры наружного воздуха; 2 – усредненная за смену температура наружного воздуха; 3 – фактическое изменение теплопотерь помещения; 4 – суточный график отпуска из отопительных систем теплоты в помещения с повышенным уровнем требований к температурному режиму; 5 – то же, но в помещения с низким и средним уровнем требований к температурному режиму; 6 – расчетная температура воздуха внутри помещения; 7 – характер реальных изменений температуры воздуха в помещениях с повышенным уровнем требований к температурному режиму; 8 – то же, но в помещениях с низким и средним уровнями требований к температурному режиму.

Годовое время работы основной системы отопления в этих зданиях , ч, а площадь под ступенчатой кривой 3 эквивалентна ее годовой потребности в теплоте Q^о_о.г, (кВт · ч)/год. Для дежурного отопления этих зданий построение проводят аналогично, только по оси абсцисс нарастающим итогом от точки n^о_о откладывают произведения (1 - К_р.нед)n_i , которые представляют продолжительность стояния t_нi в период ежегодной продолжительности его работы. По оси ординат откладывают тепловые нагрузки «дежурного» отопления Q^д_о.i , кВт при соответствующих значениях температур наружного воздуха t_нi , °С. Годовое время работы «дежурного» отопления площадь под ломаной линией 4 эквивалентна годовой потребности в теплоте Q^д_о.г , кВт · ч/год, данной системы. Общая годовая потребность в теплоте для систем отопления потребителей с переменным температурным режимом Q_о.г=Q^о_о.г+Q^д_о.г , а общая продолжительность работы отопительных систем n'_о.пр=n^о_о+n^д_о , ч.

Как правило, общая продолжительность работы отопительных систем в зданиях с переменным температурным режимом n'_о больше, чем время работы системы в зданиях с постоянным режимом n_о.пр, и менее, чем время работы отопительных систем жилых зданий n_ож . В том же соотношении находятся и годовые расходы теплоты на отопление этих потребителей.

На рис. 2.6 представлен график часовой продолжительности тепловой нагрузки систем отопления за отопительный период [1].

Громоздкие и трудоемкие расчеты по определению текущих и годовых расходов теплоты на отопление промышленных и жилых зданий рекомендуется проводить на ЭВМ с использованием соответствующего программного обеспечения, к примеру, MathCAD.

Рис. 2.6. График продолжительности тепловой нагрузки отопления (график Россандера): 1 – жилое здание; 2 – промышленное здание с постоянным температурным режимом в отапливаемом помещении; 3 – промышленное здание с переменным температурным режимом в рабочий период; 4 – то же, в период работы дежурного отопления.

Изменения климатических параметров в течение года обычно характеризуется изменениями их среднемесячных значений, полученных по данным многолетних наблюдений. Кривые годовых изменений имеют плавный характер и приближаются по своему очертанию к правильным гармоническим. Годовой ход изменения температуры наружного воздуха следует за годовым ходом интенсивности солнечной радиации с некоторым запаздыванием, что связано с нестационарным характером теплообмена в приземном слое. Годовой минимум температуры наружного воздуха обычно приходится на январь. Изменение в течение года влажности воздуха, а для большинства районов России и скорости ветра, связаны с температурой.

Гармонический характер изменения параметров климата позволяет определить их функцией времени года в виде тригонометрического ряда. Изменение любого параметра климата «у» (температуры t_н, интенсивности солнечной радиации J, энтальпии h_н) можно считать равным [2]:

У = У_Г + А_У∙cos(2πz / 365), (2.53)

где: У_г – среднегодовое значение параметра; А_у – амплитуда изменения параметра; z – период времени от момента максимума, сут.

Значения величин, входящих в формулу (2.53), для различных климатических параметров и географических районов могут быть получены по данным метеорологических наблюдений, приведенным, в частности, в [5]. Для примера, в табл. 2.7 приведены параметры климата для Москвы.

Таблица 2.7

Параметры климата Москвы [2]

Параметры климата	Температура воздуха, tн,0С	Энтальпия hн, Дж/кг	Интенсивность солнечной радиации, J, Вт/м2, при ориентации поверхности
Горизон-тальной	Ю	С	З, В
Среднегодовое значение Уг Амплитуда АУ Месяц максимума Месяц минимума	4.1   14,15 VII I	VII I	VI XII	VI I	VI I	VI I

Пример расчета тепловой нагрузки системы отопления здания

Исходные данные:

Наружные параметры здания A,B,H: 90х30х8 м.

Город: Иркутск.

Условия труда II-A.

Расположение продольной оси здания: З-В.

Материал стен: глиняный кирпич на цементно-песчаном растворе с двусторонней штукатуркой (Прил.3):

· плотность глиняного кирпича: кг/м3

· теплоемкость глиняного кирпича: Дж/(кг · К)

· теплопроводность глиняного кирпича: Вт/(м · К)

· плотность песчано-цементной штукатурки: кг/м3

· теплоемкость песчано-цементной штукатурки: Дж/(кг · К)

· теплопроводность песчано-цементной штукатурки: Вт/(м · К)

· толщина штукатурки: м

Конструкция и материал пола: пол на грунте,

под полом утепляющий слой - Вт/(м · К), м

(К · м2)/Вт

Конструкция и материал потолка: железобетонные плиты с керамзитовой засыпкой, над потолком чердак с кровлей из черепицы:

· толщина железобетонных плит: м

· теплопроводность керамзитового гравия: Вт/(м · К)

· плотность железобетонных плит: кг/м3

· теплоемкость железобетонных плит: Дж/(кг · К)

· теплопроводность железобетонных плит: Вт/(м · К)

Параметры окон:

· площадь окон: м2

· верхняя отметка окон: м

· нижняя отметка окон: м

Количество людей, работающих в смену: чел.

Количество установленных в цеху электродвигателей и мощность каждого из них: , кВт

Количество установленных теплообменных аппаратов и тепловая мощность каждого из них: , кВт

Внешний вид здания с указанием габаритных размеров приведен на рис. 2.7.