Термодинамические основы процессов вентиляции и кондиционирования воздуха 1 страница

ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ В ДИЗАЙНЕ СРЕДЫ

ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

ИНЖЕНЕРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ЗДАНИЙ

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

 

 

Санкт-Петербург

УДК 696: 72 (075.8)

ББК 38.76:85.11я73

У80

Рецензенты:

главный специалист ОАО «Трансмашпроект» В. Д. Фомичев;

 

кандидат физико-математических наук, доцент Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна

Т. В. Камынина

 

 

Устинов, Б.Г.

У80 Инженерное оборудование зданий: учеб. пособие. / Б. Г. Устинов, А. Н.

Фешин, В. Д. Коркин. - СПб.: ФГБОУ ВПО «СПГУТД», 2015. – 181 с.

ISBN 978-5-7937-1036-7

 

В пособии подробно изложены и проиллюстрированы следующие разделы проектирования инженерного оборудования зданий и сооружений:

1. Теплопотребление. Типы систем и основные принципы расчётов.

2. Газоснабжение. Источники и их характеристики.

3. Термодинамические основы процессов вентиляции и кондиционирования воздуха. Требования к среде помещений, системам и оборудованию.

Также рассматривается исторический путь развития инженерного оборудования и его использования.

Одной из главных задач при проектировании является обеспечение необходимых санитарно-гигиенических условий в жилых и нежилых комплексах и требования к высокому уровню их комфорта, что возможно при использовании

высокотехнологичного, эффективного инженерного оборудования являющегося, в том числе, частью интерьеров, непосредственно связанных с архитектурно-планировочными решениями.

Разделы инженерного проектирования, не вошедшие в пособие, предъявлены в отдельных методических указаниях.

Предназначено для студентов по направлению подготовки 072500.62 –Дизайн, 072500.68 – Дизайн пространственной среды.

 

УДК 696: 72 (075.8)

ББК 38.76:85.11я73

 

ISBN 978-5-7937-1036-7 © ФГБОУВПО «СПГУТД», 2015

© Устинов Б.Г., 2015

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

2. Теплопотребление…………………………………………………………….…..6

2.1. Теплопотери отапливаемых помещений и зданий……………….…...12

2.2. Центральное отопление…………………………………………...……22

2.3. Режимы работы систем центрального отопления. Общие представления о расчете……………………………………………37

2.4 Особые случаи отопления зданий……………………………..……….46

2.5 Печное отопление……………………………………………………….55

2.6 Отопительные котельные……………………………………………….61 2.7 Системы теплоснабжения………………………………………..……..69

3. Газоснабжение……………………………………………………………….......82

4. Термодинамические основы процессов вентиляции и кондиционирования воздуха…………………………………………………………………………..…..94

4.1. Требования к воздушной среде помещений……………………...…104

4.2. Определение воздухообменов…………………………………..……112

4.3. Системы естественной вентиляции……………………………….....130

4.4. Системы механической вентиляции……………………………...….142

 

Заключение ………………………………………………………………………..164

Библиографический список………………………………………………………168

Приложение..………………………………………………………………….….169

 

 

1. ВВЕДЕНИЕ

В состав инженерного оборудования зданий и сооружений обычно включают следующие системы: отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха, водоснабжение, канализация. Сюда входят также холодоснабжение, газоснабжение, мусороудаление, пылеудаление, электроснабжение, слаботочные сети и вертикальный транспорт. Говоря об инженерном оборудовании населенных мест рассматривают наружные сети и сооружения водоснабжения и канализации, тепло- и газоснабжения, электроснабжения и др.

Каждая из названных систем является предметом изучения и исследования специалистами соответствующего профиля. Подготовка специалистов по этим системам ведется с той или иной степенью подробности в строительных, технологических и политехнических учебных заведениях. Архитектор-дизайнер обязан достаточно уверенно ориентироваться в широком спектре вопросов инженерного оборудования. Важно заметить, что часто именно архитектор-дизайнер определяет принятие принципиальных решений по инженерным системам. Поэтому его компетентность определяется не только творческой, но и инженерной подготовкой.­

В наше время уровень инженерного оборудования жилых, общественных и промышленных зданий очень высок.

Современный специалист-дизайнер средовых объектов обязан знать инженерные системы и грамотно увязывать их и со строительными конструкциями, с обликом здания и внутренними пространствами.

Заметим, что выдающиеся архитекторы прошлого были прекрасными специалистами в области инженерного оборудования. Так, например, в России первые по-настоящему профессиональные труды по отоплению и вентиляции написаны архитекторами Н. А. Львовым «Русская пиростатика», 1795–99 гг. и И.С. Свиязевым «Теоретические основы печного искусства», 1867 г.

В системе мероприятий по охране окружающей среды и атмосферного воздуха инженерные системы также играют важнейшую роль.

Загрязнение атмосферы стало составной частью всей современной жизни. Оно формируется за счет издержек тех способов, которыми мы производим ту или иную продукцию, вырабатываем энергию, осуществляем перевозки и т. п. Основными источниками загрязнения атмосферного воздуха следует считать процессы сжигания органического топлива в энергетических установках транспортных средствах. Другими мощными источниками загрязнения являются газы и пыль, сопутствующие технологическим процессам. Методами и средствами вентиляции и аспирации (очистки от аэрозолей) удается решать многие задачи, связанные с защитой атмосферы.

Защита водоемов от загрязнения также является прерогативой инженерного оборудования зданий, сооружений и населенных мест и, в частности, систем канализации и отчистки промышленных сточных вод. Широко известно, что развитие промышленности и рост городов ведут к загрязнению водоемов. Такое загрязнение привело к тому, что многие реки превратились в сточные канавы, а в озерах уровень загрязнения столь велик, что жизнь в них становится практически невозможной. Такая ситуация сложилась, например, в Великих озерах на территории США и Канады.

Одной из главных задач инженерного оборудования зданий и населенных мест является обеспечение необходимых санитарно-гигиенических условий в быту и на производстве. Заметим, что требования к уровню комфорта у нас в стране постоянно растут вместе с ростом народного благосостояния. Улучшение жилищных условий населения немыслимо без совершенствования систем и средств инженерного оборудования зданий на основе последних достижений науки.

Очень важную роль играют инженерные системы и оборудование в обеспечении условий для хранения ценностей, произведений искусства, предметов культуры.

Широкое строительство современных предприятий, внедрение новых технологических процессов, строительство зданий административного и общественного назначений потребовали расширения как номенклатуры, так и количества выпускаемого оборудования.

ТЕПЛОПОТРЕБЛЕНИЕ

Виды теплопотребления.

Использование теплоты на отопление, вентиляцию, кондициониро­вание воздуха, горячее водснабжение и технологические нужды назы­вается теплопотреблением.

Тепловые нагрузки можно подразделять на сезонные и круглого­дичные. К первым относят нагрузки на отопление, вентиляцию и кон­диционирование воздуха, ко вторым - горячее водоснабжение и техно­логические нагрузки. Системы кондиционирования воздуха в теплый пе­риод года потребляют значительное количество холода.

Величина тепловой нагрузки на отопление зависит от теплофизи­ческих свойств ограждающих конструкций и климатических условий рай­она строительства (наружной температуры, скорости ветра, соляции, в меньшей степени от относительной влажности воздуха). Вентиляци­онная тепловая нагрузка определяется практически только температу­рой наружного воздуха. То же можно сказать и о кондиционировании.

Время работы отопительных систем в течение года называется ото­пительным периодом. Продолжительность отопительного периода для то­го или иного района определяется нормами по числу дней (часов) с устойчивой среднесуточной температурой наружного воздуха 8 °С и ни­же. Зто относится к жилым и общественным зданиям. В промышленных зданиях отопительный период имеет, как правило, меньшую продолжи­тельность, так как здесь в расчет принимаются внутренние тепловы­деления (выделение теплоты от работающего оборудования, от нагре­тых поверхностей, электроосветительных приборов). Начало и конец отопительного сезона в промышленных зданиях определяют по наружной температуре, при которой внутренние тепловыделения становятся рав­ными потерям теплоты через ограждающие конструкции.

Подсчет тепловыделений - задача непростая. Её грамотное решение во многом определяет качество принимаемых решений по созданию в по­мещениях промышленных зданий требуемого воздушно теплового режима. Внутренние тепловыделения могут быть весьма значительными. Так, на­пример, 10 м горизонтального трубопровода, по которому транспорти­руется пар, диаметром 200 мм выделяет в помещение около 60 000 Вт те­плоты.

Приведем некоторые данные о продолжительности отопительного пе­риода в различных районах России в днях:

- Сибирь, Урал, Север европейской части................................ ……..230;

- Средняя полоса европейской части, северная часть Средней Азии...210;

- Юг европейской части ……………………………………………….180;

- Крым, Кавказ и юг Средней Азии.......................................... ….…120.

Выбор теплоносителя, его гигиеническая и технико-экономическая оценка.

Каждая отопительная система состоит:

-из генератора теплоты;

- из теплопроводов;

-из нагревательных приборов, служащих для передачи теплоты от тепло­носителя отапливаемому помещению.

Тепловая энергия получается в генераторе за счет сжигания твердого, жидкого или газообразного топлива. Для получения тепло­ты в последнее время все шире используют ядерную энергию и так на­зываемые возобновляемые источники (геотермальные воды, энергию Солн­ца).

В качестве теплоносителей применяют пар, воду, воздух и дымо­вые газы.

Системы отопления могут быть местными и центральными. Местны­ми отопительными системами принято называть такие, в которых все элементы объединены и находятся в обслуживаемом помещении (печное отопление, отопление газовыми и электрическими приборами). В цент­ральных системах генератор теплоты вынесен за пределы отапливаемо­го помещения, а чаще и здания.

Центральные системы могут быть паровыми, водяными, воздушны­ми. Системы парового отопления в зависимости от давления пара де­лят на системы высокого (более 0,7 ати), низкого (до 0,7 ати) дав­ления и вакуум-паровые (давление ниже атмосферного).

Системы водяного отопления подразделяются на две разновид­ности:

- с нагревом воды до 100 °С;

- с нагревом воды более 100 °С (перегретая вода).

Вода, пар и воздух, применяемые в качестве теплоносителей, об­ладают различными технико-экономическими и гигиеническими показа­телями. Правильный выбор теплоносителя кроме оптимизации самой ото­пительной системы должен обеспечивать также удовлетворительную увязку отопительного оборудования со строительными конструкциями здания и архитектурным оформлением отапливаемых помещений.

Количество теплоты, перемещаемой в единицу времени по каналам и трубам, должно всегда компенсировать теплопотери. Что же касает­ся объемов теплоносителей, то они всегда неодинаковы, так как нео­динаковыми являются их теплоёмкости. Поэтому для восполнения одно­го и того же количества теплоты объем перемещаемой воды будет в 77 раз меньше объема пара и в 3000 раз меньше объема воздуха. Если принять, что соотношение скоростей движения воды, пара и воздуха 1:70:20, то оказывается, что габариты элементов систем парового и водяного отопления соизмеримы. Воздушные системы имеют габариты на порядок больше. Можно принять первоначальную стоимость систем при­мерно пропорциональной габаритам. Но при оценке экономической целесообразности того или иного теплоносителя надо учесть еще и рас­ходы, связанные с перемещением теплоносителей от генератора к на­гревательному прибору. В паровых системах эти расходы минимальны, так как пар перемещается за счет давления, получаемого в генерато­ре. Для транспортировки воды и воздуха требуются значительные за­траты энергии.

В результате получается, что наиболее экономичными являются паровые системы отопления, наименее - воздушные.

Однако пар как теплоноситель обладает весьма серьезными гиги­еническими недостатками. Высокая температура поверхности нагрева­тельных приборов (больше 100 °С), во-первых, может приводить к ожо­гам, во-вторых, вызывает интенсивное загрязнение воздуха помещений продуктами сухой возгонки органической пыли. Кроме того регу­лирование теплоотдачи нагревательных приборов в паровых системах возможно осуществлять только "пропусками", то есть выключением на время системы. Срок службы паровых систем меньше, чем водяных или воздушных, из-за интенсивной коррозии конденсатопроводов.

Не случайно поэтому наибольшее распространение в жилых и об­щественных зданиях получили системы водяного отопления.

Расчетные и годовые расходы теплоты на различные нужды.

Расчетные расходы теплоты это такие расходы, которые опреде­ляют тепловую мощность отопительных систем.

Годовые расходы позволяют оценивать среднее потребление теп­лоты зданием, населенным пунктом, промышленным предприятием за год и необходимы для оценки потребности в топливе, определения техни­ко-экономических показателей систем и т. д.

Для определения расчетных и годовых расходов теплоты часто пользуются так называемыми удельными отопительными и вентиля­ционными q в характеристиками знаний. Онипредставляют собой расход теплоты на 1 строительного объема здания при 1°С расчетной разности температуры. размерность этого показателя .

Тогда расчетный расход теплоты на отопление составит

, (1)
где - объем здания по наружному обмеру (без подвала);

- температура воздуха в помещении;

- расчетная наружная температура для проектирования отопления.
В качестве принимается средняя температура наиболее холодных восьми пятидневок за пятидесятилетний период. Для Москвы и Санкт-Петербурга = 25 °С.
Приведем некоторые данные по ,

Жилые и общественные здания:

- одноэтажные ………………………………………………………....….0,7-0,83

- 2–3- этажные……………………………………………………………..0,47-0,58

- 4–5-этажные…………………………………………………………..…0,43-0,47

- 6 и более этажей ……… ……………………………………………..…0,35-0,47

Производственные здания:

- сталелитейные цехи ………………………………………………….….0,2-0,3

- механосборочные цехи ………………………………………………....0,4-0,6

- складские здания……………………………………………………….….0,7-0,9

Расходы теплоты на отопление при любой наружной температуре можно найти по формуле (2)

, (2)

где: - текущая наружная температура.

При этом имеется в виду линейная зависимость = .

Используя такое представление, нетрудно найти годовое потребление теплоты на отопление по формуле (3)

, (3)

где: - средний за отопительный период расход теплоты, соответствующий средний за этот период температуре наружного воздуха;

- число суток отопительного периода.

При определении расхода теплоты на вентиляцию (расчетного и годового) необходимо иметь в виду, что для жилых зданий такой расход вообще не учитывается, а в промышленных и общественных зданиях вентиляция не работает круглые сутки, т. е. ‹ 24.

В вентиляционных системах теплота затрачивается на подогрев наружного воздуха. Поэтому здесь расчетный часовой расход по формуле (4)

, (4)

где - часовой расход наружного воздуха, /ч;

Ср - теплоемкость воздуха, ;

- плотность воздуха, кг/ .

Годовой расход теплоты и вентиляцию составит:

, (5)

где - число суток работы в году установок для подогрева наружного во -здуха;

- средняя за отопительный период тепловая нагрузка на вентиляциные системы (по аналогии с отоплением).

Для определения теплопотребления жилых районов иногда используют показатель – теплоплотность. Под теплоплотностью понимают величину тепловой нагрузки, приходящейся на единицу площади застраиваемой территории (МВт) га, МВт ().

Величины теплоплотности МВт/га:

- Сибирь, Урал, Север европейской части……………………………..0,81

-Средняя полоса европейской части ………………………….……… 0,75

-Юг европейской части..........................................................………. 0,67

-Крым, Кавказ, юг Средней Азии........................................ ………...0,58

Величины теплоплотности позволяют решать вопросы выбора сис­тем теплоснабжения, теплового районирования, распределения источ­ников теплоты и др.

В градостроительной практике используют данные по расходу теп­лоты на одного жителя. Такие данные нетрудно найти в справочной ли­тературе.

 

2.1 ТЕПЛОПОТЕРИ ОТАПЛИВАЕМЫХ ПОМЕЩЕНИЙ И ЗДАНИЙ

Общие сведения.

Потеря теплоты зданиями имеет место в основном из-за разности температуры между воздухом помещения и наружным воздухом (∆t= ). При этом поддерживается системой отопления на постоянном уровне (нормативном по СНиП 2.04.05-84) в пределах 18 - 23 °С, а существенно переменна.

Кроме того потери теплоты зданиями зависят от ветровой нагруз­ки (скорости ветра), которая связана с инфильтрацией холодного на­ружного воздуха.

Теплота, вносимая в здание путем инсоляции, в расчетах не учи­тывается и идет в запас.

При определении теплопотерь приходится сталкиваться с тремя ви­дами передачи теплоты: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Теплопроводность (кондукция) - переход теплоты внутри тела или от одного тела к другому посредством соприкосновения материальных частиц. При этом по формуле (6):

F, (6)

где - коэффициент теплопроводности (количество теплоты, переносимой через 1 изотермической поверхности в еди­ницу времени при разности температуры, равной единице);

- температура внутренней и наружной поверхностей;

- толщина конструкции;

F - площадь, через которую осуществляется перенос теплоты теплопроводностью.

Размерность коэффициента теплопроводности - Вт/ м К, ккал/м ч °С, 1 ккал/ м ч °С = 1,163 Вт/ м К. Для строительных и теплоизоляцион­ных материалов значения коэффициентов теплопроводности колеблются от 0,02 до 3 Вт/ м К и приводятся в СНИП 11-3-79 и справочниках.

Конвекция - перенос теплоты в жидкостях и газообразных средах вместе с материальными частицами. Для передачи теплоты конвекцией у поверхности твердого тела:

£ , (7)

 

г д е £ - коэффициент теплоотдачи конвекцией (количество теплоты, переносимое у поверхности через 1м² при разности темпе­ратуры между поверхностью и газом (воздухом)1 °С)

Для внутренних поверхностей ограждений £ = 5-8 Вт/ м² К, для наружных поверхностей - 11-23 Вт/ м² К.

Излучение - теплообмен между поверхностями через лучепрозрачную среду.

£ , (8)

г д е £ - коэффициент излучения (по содержанию аналогичен £ ).

Определяется £ по формуле Стефана-Больцмана:

£ = пр,

где С пр - приведенный коэффициент излучения;

- температура теплообменивающихся поверхностей, °С;

- то же, но в К.

Размерность С пр – Вт/

С пр =

где - коэффициент излучения абсолютно черного тела,

- коэффициент излучения теплообменивающихся тел.

 

Теплопередача через плоскую стенку.

Запишем уравнения для тепло- вых потоков через стенку

 

£ ;

;

£ ;

Заметим, что

.

Тогда

;

;

.

 

Рис. 1

Суммируем правые и левые части

.

Далее .

Выражение

представляет собой коэффициент теплопередачи. Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, – термическое сопротивление стенки.

Как видим, термическое сопротивление является суммой сопротивлений материал стенки и сопротивлений теплопереходу у поверхностей.

Последние связаны с тем, что непосредственно у поверхностей стенки имеет место так называемый пограничный слой, обладающий подобно материалу стенки своим термическим сопротивлением.

Итак,

и .

Окончательно формула

. (9)

Для многослойных ограждений

.

Полученные зависимости позволяют определить распределение температуры по толщине стены. Нетрудно видеть, что для стационарного режима

.

Если ограждение двухслойное и > , то

.

И > ,если (рис. 2).

Воздухопроницаемость и влажност­ный режим ограждений рассмотрены в курсе строительной теплотехники. За­метим только, что в зимний период вла­га мигрирует из помещения в атмосферу, так как парциальное давление водяного пара в помещении больше, чем в атмосфере. А это значит, что внутренние слои ограждений

Рис. 2