Термодинамические основы процессов вентиляции и кондиционирования воздуха 2 страница

находятся в более влаж­ном режиме. Следовательно, теплоизо­ляцию надо располагать с наружной сто­роны ограждения.

Требуемое термическое сопротивление ограждений.

С увеличением термического сопротивления ограждений уменьшают­ся теплопотери, но растет стоимость ограждений. Рис. 3 хорошо иллюстрирует тот факт, что с ростом в то же время уменьшаются как следствие снижения теплопотерь и эксплуата­ционные затраты. Следовательно, можно определить такое значение , при котором приведенные затраты минимальны.

Рис. 3

П - приведенные затраты; К - капитальные затраты;

Э – эксплуатационные затраты

П= К+Е н + Э.

Однако во всех случаях общее термическое сопротивление ограждения должно быть таким, чтобы была исключена возможность недопустимо больших колебаний температуры на внутренних поверхностях.

Зависимость температуры внутренней поверхности от при установившемся режиме можно найти так:

 

;

;

Или .

Разность не должна превышать нормируемой величины: для наружных стен - 4– 6 °С. потолков - 4 °С, пола - 2 °С

Рис. 4

Отсюда ≥ ,

где - расчетная наружная температура, которая определяется кроме всего прочего массивностью ограждения;

п – коэффициент, зависящий от степени контакта наружной поверхности ограждения с наружным воздухом.

Степень массивности ограждений определяется безразмерной характеристикой тепловой инерции ограждения D, которая определяется по формуле:

, (10)

где S – коэффициент теплоусвоения материала, .

Согласно теории О. Е. Власова формула:

, (11)

где С – теплоемкость материала;

λ - коэффициент теплопроводности;

υ – объемный вес;

z – период изменения температуры (при расчетах теплопотерь принимается равным 24 часам).

Если D менее 1,5, ограждение считается безынерционным и в качестве расчетной при определении принимается абсолютная минимальная температура наружного воздуха. При D от 1,5 до 4 ограждение обладает малой инерционностью, а расчетной является средняя температура наиболее холодных суток. Когда D находится в пределах от 4 до 7 (средняя инерционность), расчетная температура равна средней температуре тех наиболее холодных суток. При D более 7 имеет место большая инерционность, а расчетной является средняя температура наиболее холодной пятидневки.

Теплопотери помещений

Рис. 5. Обмер наружных ограждений

НС – наружная стена; 0 – окно; ПЛ – пол; ПТ – потолок; Д – дверь

 

Для определения теплопотерь помещений используют формулу

, (12)

где F - расчетная теплопередающая поверхность.

 

Поверхность нетрудно определить, если руководствоваться правилами обмера наружных ограждений, иллюстрируемыми (рис. 5).

Расчет теплопотерь через полы на грунте, лагах и через подземные части зданий определяют с помощью разбиения последних на двухметровые зоны так, как это показано на (рис. 6).

Рис. 6 Для не утепленных полов коэффициенты термического сопротивления условно принимают следующими для зон

( °С) Вт: .

Для утепленных полов эти коэффициенты можно определять по формуле:

, (13)

где - толщина утеплителя;

- коэффициент теплопроводимости теплителя.

Для полов на лагах .

Подземные части зданий при расчете теплопотерь идентифицируют с полами на грунте.

Набавки к теплопотерям:

1. На ориентацию по странам света:

- северо-западная ориентация - 10 %;

- восточная ориентация - 10 %;

- юго-восточная ориентация - 5 %;

- северная ориентация -10 %;

- западная ориентация -5 %.

2. На обдувание здания ветром:

- для наружных ограждений, защищенных от ветра – 5 %;

- для ограждений при скорости ветра до 5 м/с – 10 %.

Если скоростьветра превышает 5 м/с, то надбавка увеличивается в два раза. При скорости ветра более 10 м/с надбавка увеличивается в три раза. При этом в расчет принимается скорость ветра - средняя для отопительного периода по СНиП 2.01.01-82 (Строительная климато­логия и геофизика). Еще большие надбавки принимаются для некоторых районов Крайнего Севера и Дальнего Востока.

3. На входные двери надбавка принимается в зависимости от конструк­ции входа и числа этажей n, в %:

- при двойных дверях без тамбура - 100 n;

- при двойных дверях с тамбуром - 80 n.;

- при одинарных дверях - 65 n;

4. Для общественных зданий при высоте этажа более 4 м – 2 % на каж­дый метр сверх четырех, но не более 15 %.

5. При наличии в помещении двух и более наружных стен – 5 %.

Теплотехнические соображения по выбору рациональных архитектур­но-планировочных решений.

Сами по себе отопительные системы, если не учитывать так назы­ваемых замыкающих затрат, то есть затрат, связанных с выработкой энергии для отопления зданий, имеют весьма небольшой удельный вес в стоимости здания. Однако функционирование систем связано с сущест­венными расходами людских, материальных и топливно-энергетических ресурсов. Все это приводит, например, к тому, что срок окупаемости отопительных систем продолжительнее, чем у строительных конструкций. Последнее связано также с увеличением стоимости производства энергии. Серьезное беспокойство у специалистов-энергетиков вызывает перерасход энергии при ее нерациональном использовании. Это определяется в известной степени тем, что при проектировании зданий и соо­ружений теплотехнические качества последних во многом формируются до расчета систем, определяющих микроклимат. Значительное влияние на теплотехнические характеристики зда­ний и сооружений оказывает степень остекления наружных теплопере­дающих поверхностей. Достаточно указать, что увлечение остеклением в 50 – 60-х годах XX века привело к росту теплопотерь зданиями в 1,3 – 1,5 ра­за. Заметим также, что развитие остекления приводит не только к увеличению потерь теплоты, но и к росту холодильной нагрузки ле­том. В отличие от массивных ограждающих поверхностей остекление является безынерционным, то есть пропускает в помещение теплоту, в том числе и теплоту инсоляции, без запаздывания во времени. А это значит, что в самое жаркое или холодное время суток в помеще­нии будут наблюдаться наиболее неблагоприятные условия воздушной среды. Кроме того массивные ограждения позволяют не только снижать мгновенную температуру в помещении, но и приводят к сглаживанию нежелательной временной температурной неравномерности. Сильно разви­тые поверхности остекления вызывают дискомфорт за счет радиацион­ного переохлаждения зимой и перегрева летом.

Для гражданских зданий зависимость удельной тепловой характе­ристики от степени остекления может быть определена по формуле:

, (14)

где с/ - доля остекления стен;

F - площадь наружных стен, ;

S- площадь здания в плане, м²;

- объем здания, м³.

Сравнение тепловой характеристики конкретного здания с типо­вой может быть полезным при выборе степени остекления.

Величина удельной тепловой характеристики, а следовательно, и расход теплоты на отопление зависит отформы и объема здания. Здания малого объема обладают повышенными потерями теплоты точно так же, как здания узкие, сложные по конфигурации с увеличенным периметром. Уменьшенные теплопотери имеют здания, форма которых приближается к кубу. Еще меньшие теплопотери имеют шарообразные сооружения, так как в них наблюдается минимальное отношение поверх­ности к объему.

2.2 ЦЕНТРАЛЬНОЕ ОТОПЛЕНИЕ

Разновидности систем центрального отопления.

Системы центрального отопления предполагают централизованное получение теплоты в котельных или как побочный продукт на ТЭЦ. Последние предпочтительнее, так как позволяют вырабатывать тепло­ту с высоким значением теплового коэффициента полезного действия. Кроме того централизация теплоснабжения обеспечивает возможность сжигать с достаточной полнотой низкосортное топливо, широко внед­рять прогрессивные виды топлива, в том числе ядерное, оздоровлять воздушный бассейн городов. Правда, при этом растет протяженность тепловых сетей.

Системы центрального отопления принято прежде всего классифи­цировать по виду теплоносителя. По этому признаку различают водяные, паровые и воздушные системы отопления.

Водяные системы в последнее время находят преимущественное рас­пространение, так как обладают рядом достоинств: гигиеничностью, возможностью регулирования в широких пределах, относительной долговечностью, хорошей увязкой с режимами работы тепловых сетей.

_{­­­­­­­­­­­­­} Системы водяного отопления подраз­деляют:

1. По способу циркуляции теплоносителя – на гравитационные (с естественным побу­ждением) и насосные. Принципиальная схема гравитацион­ных систем приведена на рис. 7. Распо­лагаемый напор в гравитационных систе­мах составляет: , где h - плотность вода соот­ветственно в обратном и пода­ющем трубопроводах; q - ускорение силы тя­жести.

Этот напор принято определять для расчетных значений температуры воды в системе: температура горячей воды 95 °С и температура обратной воды 70 °С.

Системы с естественной циркуляцией применяют для небольших зданий, так как они имеют ограниченный радиус действия 30 – 50 м. Скорость движения воды в трубопроводах этих систем невелика (до 0,2 м/с). Поэтому уклон магистралей здесь от расширительного бака. В насосных системах (рис. 8) обеспечивается принудительная цир­куляция. При этом скорости движения воды увеличиваются до 1–1,5 м/с (в промышленных зданиях - до 3 м/с)

 

 

Рис. 7. Гравитационная система отопления: Рис. 8. Насосная система отопления

1 - котел, 2 - расширительный бак, 1- котел, 2 - насос,

3 - нагревательный прибор 3 - нагревательный прибор,

4 -воздухосборник,

5 - расширительный бак

 

 

Уклоны в этих системах предусматри­ваются против движения воды, в верх­них точках систем устанавливаются воздухосборники /вантузы/. Расшири­тельный сосуд присоединяется к об­ратной магистрали у всасывающего патрубка насоса с тем, чтобы исклю­чить в трубопроводах возникновение давления ниже атмосферного. 2. По расположению подающих магист­ральных трубопроводов - но. системы с верхней и нижней разводкой. Примером системы с верхней раз­водкой может служить схема, изобра­женная на рис. 2. Система отопления с нижней разводкой иллюстрируется на рис. 9. 3. По способу подачи и отвода воды от нагревательных приборов – на двухтрубные и однотрубные (рис. 10). Вариантов присоединения приборов к стоякам, как в однотрубных, так и в двухтрубных системах может быть много.       Рис. 9. Система отопления с нижней Рис. 10. Способы присоединения разводкой магистралей: 1- котел; нагревательных приборов к стоякам 2 - насос;3 - нагревательный прибор; 4 - кран ля выпуска воздуха; 5 - расширительный бак

Рис. 11. Тупиковая система водяного отопления: I, II, III – кольца циркуляции

Рис. 12. Система водяного отопления с попутным движением воды:

I, II, III – кольца циркуляции

3. По направлению движения воды в кольцах циркуляции – на тупиковые (рис. 11) и с попутным движением воды (рис. 12). В первых путь проходимый циркулирующей в системе водой, неодинаков. Во вторых длина всех колец циркуляции одна и та же.

Кроме того водяные системы отопления могут быть высокотемпературными (t > 100 °С) и обычными.

Паровые системы центрального отопления подразделяют по следующим признакам:

1. По величине давления пара – на системы высокого (p > 0,7 ати), низкого (p ≤ 0,7 ати), и вакуум-паровые системы.

2. По способу возврата конденсата – на системы с самотечным возвратом (замкнутые) и системы с насосной перекачкой конденсата (разомкнутые). Принципиальные схемы обеих систем изображены соответственно на рис. 13.

 

 

Рис. 13. Систама парового отопления с самотечным возвратом конденсата:

1 - котел; 2 – нагревательный прибор; 3 – конденсатоотводчик

Рис. 14. Система парового отопления с насосной перекачкой конденсата.

1 - котел; 2 - нагревательный прибор; 3 – конденсатоотводчик; 4 - конденсационный бак;

5 – насос

 

 

 

Рис. 15. Рециркуляционная система воздушного Рис. 16. Система воздушного отопления: совмещенного с вентиляцией

1 – вентилятор; 2 – воздухонагреватель; 1 – вентилятор; 2 –воздухонагреватель;

3 – воздуховод; 4 - помещение 3 – воздуховод; 4 - помещение

 

Рис. 17. Децентрализованная система воздушного отопления:

1 – воздушный отопительный агрегат; 2 – помещение

 

В вакуум-паровых системах давление пара расходуется только на преодоление сопротивления трубопроводов до нагревательных приборов.

Движение пара конденсата после приборов осуществляется за счет работы вакуум-насоса.

Системы воздушного отопления подразделяются на рециркуляционные (рис. 15) совмещенные с вентиляцией (рис. 16) и системы с децентрализацией воздухонагревателей (рис. 17)

Конструктивные элементы систем отопления.

Нагревательные приборы.

Нагревательные приборы, как правило, устанавливаются в отапливаемом помещении и служат для передачи теплоты от теплоносителя в помещение.

К нагревательные приборам предъявляются теплотехнические, гигиенические, экономические и эстетические требования.

Теплотехнические требования сводятся к тому, чтобы с каждого квадратного метра поверхности нагревательного прибора получить по возможности большее количество теплоты, то есть иметь максимально возможный коэффициент теплопередачи.

Экономические требования чаще всего связывают с удельным рас­ходом металла, который принято оценивать показателем теплового на­пряжения металла по формуле:

, (15)

где Q - тепловая нагрузка прибора;

- расход металла;

- расчетная разность температуры.

Этот показатель у чугунных радиаторов, например, составляет в среднем - 0,36, а у бетонных отопительных панелей - 1,32, отку­да видно, что последние являются менее металлоемкими, а следовательно, и более экономичными.

Гигиенические качества нагревательных приборов определяются гладкостью поверхности и доступностью всех элементов прибора для уборки.

Внешний вид нагревательных приборов должен соответствовать интерьеру помещений или во всяком случае не уродовать его.

По типу теплообмена нагревательные приборы относят к конвектив­ным, если доля лучистой теплоты менее 25 %, излучающим и смешанным, когда вклад лучистого и конвективного теплообмена сопоставимы. К конвективным нагревательным приборам относится конвекторы различ­ных конструкций. На рис. 18 изображен конвектор типа "Комфорт”. Радиато­ры выпускаются нашей промышленностью чугунны­ми и стальными. До послед­него времени наиболее распространенными явля­ются чугунные двухколонные радиаторы М-140.

Этот радиатор (рис. 19) собирают из отдельных секций на ниппелях.

Рис. 19. Чугунный радиатор М-140

1 – ниппель; 2 – проходная радиаторная пробка; 3 – глухая радиаторная пробка

 

Стальные радиаторы изготавливаются путем штамповки с последующей сваркой.

В промышленных зданиях широко используются чугунные ребристые трубы. Этот прибор достаточно дешев, но имеет весьма не­приглядный внешний вид и с большим трудом подвергается очистке от пыли.

Излучающие нагревательные приборы централизованно не выпускаются. Их изготовление, как правило, осуществляется непосредственно на предприятиях строительной индустрии.

Самым лучшим местом для размещения отопительных приборов сле­дует считать подоконное пространство у наружной стены. При отсут­ствии приборов под окнами у их холодной поверхности возникают ни­спадающие потоки охлажденного воздуха, что приводит к формированию неблагоприятно воздействующего на людей вертикального градиента температуры.

Прежде имело место требование размещения нагревательных прибо­ров по центру оконного проема. Стояки отопительных систем распола­гались посередине между окнами. В настоящее время приборы смещают­ся от центра оконного проема так же, как и стояки, с тем, чтобы дли­на подводки от стояка к прибору была унифицирована.

Требуемую теплоотдающую поверхность нагревательных приборов, устанавливаемых в каждом помещении, определяют по формуле:

, (16)

где - расчетные тепловые потери помещения;

К – коэффициент теплопередачи отопительного прибора;

- средняя температура поверхности прибора, принимаемая равной средней температуре теплоносителя;

- температура воздуха в помещении;

n - коэффициент, учитывающий снижение теплоотдачи при­бора.

Расчетную поверхность радиаторов и конвекторов принято опреде­лять по гарантированной заводом-изготовителем поверхности одного элемента (секции). При этом пользуются понятием эквивалентного квадратного метра поверхности (экм). Экм - это такая поверхность, через которую передается 500 Вт (435 ккал/ч/) теплоты при температурном напоре 64,5 °С и расходе теплоносителя 4,8 кг/с. Коэффициент теплопередачи при этом становится равным 7,84 Вт/ °С. Поверхность нагрева в экм расчитывается по формуле:

 

, (17)

где - коэффициент на количество секций в приборе;

- коэффициент на остывание воды в трубах;

- коэффициент, учитывающий способ установки прибора;

- коэффициент, учитывающий способ присоединения прибора к стояку или магистрали;

- коэффициент, учитывающий расход воды в приборе.

Необходимое число секций в приборе находят по очевидной фор­муле:

 

, (18)

 

где - расчетная поверхность одного элемента (секции) экм.

Трубопроводы и арматура.

Трубопроводы отопительных систем диаметром от 15 мм до 50 мм монтируют из водогазопроводных труб. Трубы большего диаметра изго­тавливают бесшовными или электросварными. Величина максимального расчетного давления для трубопроводов отопительных систем прини­мается равной 10 ати (I мПа). Соединения труб осуществляют на свар­ке или на резьбовых соединениях с помощью фасонных частей из ков­кого чугуна. Трубы диаметром более 50 мм соединяются только на сварке. Водогазопроводные трубы часто соединяют с помощью фасон­ных частей, хотя в последнее время широко используют и сварку. Ди­аметры трубопроводов отопительных систем обозначают в так называе­мых условных проходах в мм или дюймах.

На трубопроводах отопительных систем устанавливают различную запорную и регулирующую арматуру. На разводящих магистралях диаметром более 50 мм устанавливают задвиж­ки (рис. 20) с латунными уплотнительны­ми кольцами. На стояках отопительных сис­тем устанавливаются пробковые проходные краны (рис. 21). На трубопроводах отопи­тельных систем используют также муфтовые и фланцевые вентили различных диаметров (рис. 22).

Рис. 20. Задвижка.

1 – корпус; 2 – диски для плотного при­мыкания к латунным кольцам; 3 – ось; 4 – маховик

Рис. 21. Проходной пробковый кран. Рис. 22. Фланцевый запорный вентиль.

1 – корпус; 2 – конусная пробка; 1 – шпиндель; 2 – золотник

3 – натяясная гайка; 4 – шайба

 

На подводках к отопительным приборам предусматривают установку кранов двойной регулировки, которые после наладки сис­темы (первая регулировка) позволяют про­изводить индивидуальное регулирование теп­лоотдачи прибора в пределах, установлен­ных во время наладки. В последнее время в связи с широким внедрением однотрубных отопительных систем, в которых изменение теплоотдачи одного прибо­ра влияет на количество теплоты, переда­ваемой в помещения другими приборами, и широким внедрением централизованного регулирования, необходи­мость в обязательной ус­тановке кранов двойной регулировки отпадает.

 

Специальные устройства отопительных систем.

Для создания допол­нительной емкости, необходимой для компенсации расширения воды и удаления воздуха из системы, предус­матривается установка расширительных баков. Устанавливаются расширительные баки в самой высокой точке системы. Их принципиальная схема и общий вид приведены на рис. 23.

 

Рис. 23. Расширительный бак: а - расположение штуцеров на стенках со­суда; б - пример установки бака; 1 – для расширительной трубы; 2 – для циркуляци­онной трубы; 3 – для контрольной трубы; 4 – для переливной трубы

Рис. 24. Вантуз: 1 – корпус: 2 – штуцер для присоединения к магист­рали; 3 – фланец корпуса; 4 – крышка; 5 – поплавок; 6 – крючок для подвески поплавка; 7 – защитный кол­пак над клапаном; 8 – крыш­ка защитного клапана.

 

Удаление воздуха в системах с принудительной циркуляцией осуществляют через воздухосборники и вантузы. Ван­тузами воздух удаляется из системы ав­томатически (рис. 24). Если в пространстве между корпусом и поплавком соби­рается воздух, поплавок опускается, сжимает пружину клапана, через кото­рый открывается выход воздуху в атмос­феру. После этого уровень воды подни­мается, поплавок всплывает и отверстие в клапане прикрывается. Выпуск возду­ха из воздухосборников осуществляет­ся вручную.

В паровых системах важно, чтобы пар не попадал в конденсатопроводы. Функцию парозапирающих устройств играют здесь конденсатоотводчики. Они могут быть поплавкового или сильфон­ного типов. Кондесатоотводчик силь­фонного типа изображен на рис. 25.

При контакте с паром сильфон (гоф­рированная коробка), заполненная рас­ширяющейся при нагревании жидкостью, растягивается и прикрепленный к ней конусный золотник закрывает отверстие для прохода пара. Контакт сильфона с конденсатом, имеющим меньшую, чем пар, температуру, приводит к открыванию отверстия и выходу конденсата в тру­бопровод.

В системах отопления с нижней разводкой магистралей в радиаторах верхних этажей в верхней их пробке предусматривается отверстие с возду­ховыпускным шурупом (рис. 26).

Для принудительного перемещения воды в системах отопления используют пропеллерные или центробежные насосы. Первые применяют в системах с небольшим количеством транспортируемой воды. Схема пропеллерного насоса приведена на рис. 27. Центробежный насос показан на рис. 28.

 

 

 

 

Рис. 25. Конденсатоотводчик. Рис. 26. Радиаторная пробка

1 – сильфон; 2 – отверстие для прохода с воздуховыпускным шурупом

конденсата; 3 – конусный золотник

 

 

 

 

Рис. 27. Насос типа ЦНИИПС.

1 – пропеллер; 2 – корпус насоса;

3 – электродвигател Рис. 28. Центробежный насос ЦНШ

 

 

2.3 РЕЖИМЫ РАБОТЫ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О РАСЧЕТЕ СИСТЕМ.

 

Водяные системы отопления

В последнее время наиболее широкое распространение получили однотрубные системы отопления. Они экономичны, так как обладают относительно небольшой метал­олоемкостью, просты в монта­же и характеризуются большой гидравлической устойчивостью. В двухтрубных отопительных системах разрегулировка воз­никает в связи с тем, что в них каждый прибор является кольцом циркуляции, и в коль­цах высоких этажей имеет мес­то сильное дополнительное влияние гравитационного дав­ления (рис. 29). С ростом номера этажа и при низких значениях наружной температуры существенно растет , так как > > . Поэтому в двухтрубных системах на верхних этажах приходится устанавливать дополнительные сопротивления (краны, дроссельные шайбы).