Методика расчёта тепловых потерь

Введение.

Расчёт теплопотерь является одним из важнейших этапов проектирования системы отопления. Для решения вопроса о соответствии уровня теплопотребления системой отопления здания современным требованиям, особенно учитывая проблему энергосбережения, необходимо определить теплопотери здания за весь отопительный период.

Целью данной работы является определение потерь теплоты через ограждающие конструкции здания и выявления тепловой нагрузки на систему отопления.

В зданиях и сооруженияхс постоянным тепловым режимом в течении всего отопительного периода, для поддержания температуры на заданном уровне, сопоставляют теплопотери и теплопоступления, т.е. сводиться тепловой баланс по помещениям и в здании в целом.

Тепловую мощность отопления устанавливаемого в помещении для компенсации дефицита теплоты можно определить:

· Если , то необходимо предусматривать систему отопления.

· Если , то нет необходимости в установке отопительных приборов.

где:

 – потери тепла через ограждающие конструкции, Вт

– теплозатраты на нагрев наружного воздуха, через открытые ворота, двери и другие проёмы и щели ограждений, Вт

– потери теплоты на нагревание поступающих снаружи материалов, оборудования, транспорта, Вт

 – теплозатраты при проведении технических процессов, Вт

 – затраты теплоты для нагрева воздуха при подачи через систему вентиляции, если его температура ниже, чем температура воздуха в помещении, Вт

где:

– тепловыделения в помещение от людей, Вт

–тепловыделения от источников искусственного освещения и электрического оборудования, Вт

– выделение теплоты от нагретых материалов и изделий, Вт.

– выделение теплоты при технологических процессах, Вт.

_. – выделение теплоты за счёт солнечной радиации, Вт.

 – поступление теплоты от теплопроводов и нагревающегося технологического оборудования, Вт.

Методика расчёта тепловых потерь.

Для жилых и общественных зданий и помещений баланс теплопотерь определяется с точностью до 10 Вт по формуле:

где:

 – потери теплоты через каждое ограждение, Вт, при разности температур на его поверхностях(наружной и внутренней) 4⁰С и более.

– тепловой поток на нагрев инфильтрующегося воздуха, Вт.

– бытовые тепловыделения в помещении, Вт.

Тепловые потери через ограждающие конструкции состоят из суммы основных и добавочных теплопотерь, т.е.:

 – потери теплоты через каждое теплотеряющее ограждение(трансмиссионные потери), Вт.

 – добавочные потери теплоты, Вт, принимаемые в долях от основных потерь.

Основные потери теплоты напрямую зависят от:

· Площади ограждения, м².

· Разницы температур на поверхностях ограждения, ⁰С.

· Коэффициента сопротивления теплопередачи, .

· Коэффициента, учитывающего зависимость положения ограждающей конструкции по отношению к наружному воздуху.

Учитывая всё вышеперечисленное основные потери теплоты можно определить по формуле:

где:

– коэффициент сопротивления теплопередачи, , поределяется на основании теплотехнического расчёта ограждающих конструкций.

Для неутепленных полов на грунте и стен, расположенных ниже уровня земли, с коэффициентом теплопроводности  термическое сопротивление, при разбивке пола по зонам, следует принимать в размере:

· Для первой зоны - ;

· Для второй зоны - ;

· Для третьей зоны - ;

· Для четвёртой зоны - .

– коэффициент, учитывающий зависимость положения ограждающей конструкции по отношению к наружному воздуху принимается по таблице 6[4] (для внутренних стен, дверей и полов по зонам ).

– температура внутреннего воздуха в помещении, , принимается по таблице 1 и 2 [1], либо по другим нормативным документам.

– температура наружного воздуха или более холодного помещения, , принимается по таблице 1*[3] для наружных ограждений и по таблице 1 и 2 [1] для внутренних(при разности температур 4⁰С и более).

 - площадь поверхности ограждения, м².

При расчёте теплопотерь ограждающие конструкции измеряются по наружному обмеру. Это связано с тем, что наружный обмер приводит к некоторому(незначтельному) запасу мощности системы отопления, тогда как внутренний обмер даёт несколько заниженный результат, что в реальном проектировании неприемлемо.

Площадь поверхности ограждения определяется с соблюдением следующих правил обмера:

1. Наружные стены.

· Длина для угловых помещений – от наружной поверхности стены до оси внутренней стены.

· Длина для неугловых помещений – по осям внутренних стен.

· Высота промежуточных этажей – расстояние между уровнями чистого пола этажей.

· Высота последнего этажа – от уровня чистого пола последнего этажа до верха утеплителя чердачного перекрытия или до внешней поверхности бесчердачного покрытия.

· Высота первого этажа(если пол на грунте) – от внутренней поверхности пола по грунту до чистого пола следующего этажа.

·  Высота первого этажа(если пол на лагах) – от поверхности подготовки под конструкцию пола на лагах до чистого пола следующего этажа.

· Высота первого этажа(если неотапливаемый подвал или подполье) – от нижней грани перекрытия до чистого пола следующего этажа.

2. Внутренние стены.

· Высота – от поверхности чистого пола до поверхности потолка помещения.

· Длина – от внутренней поверхности наружной стены до оси внутренней стены или по осям внутренних стен.

3. Потолки и полы.

· Между осями внутренних стен и от внутренней поверхности наружной стены до оси внутренней стены.

· Размеры пола на грунте, в том числе и на лагах, определяют с условной разбивкой их по зонам. Зона – полоса шириной два метра, параллельная линии наружной стены.

4. Световые проёмы и двери.

· Измеряют по наименьшему строительному проёму.

В приложении 1 приведены рисунки с правилами обмера ограждающих конструкций.

Основные трансимиссионные теплопотери часто оказываются меньше действительных, так как не учитывается ряд факторов. Для учёта этих факторов используют добавочные теплопотери в долях от основных, т.е.:

Выраженные коэффициентом  добавки подразделяются на несколько видов:

1. Добавка на ориентацию ограждения по сторонам света принимается для всех наружных вертикальных ограждений или проекций на вертикаль наружных наклонных ограждений:

· При ориентации на север, северо-восток, северо-запад и восток .

· При ориентации на юго-восток и запад

· При ориентации на юг и юго-запад

2. Добавка в размере  вводится для необогреваемого пола первого этажа при наличии холодного подполья в местности с расчётной температурой наружного воздуха -40⁰С и ниже.

3. Добавка на угловое помещение(имеющее две и более наружных стен) учитывает, что в таком помещении радиационная температура ниже, чем в помещениях другого типа. Ранее в помещениях такого вида температура внутреннего воздуха увеличивалась на 2⁰С, а на сегодняшний день вводятся следующие добавки:

· Если одно из ограждений помещения обращено на север, северо-восток, северо-запад и восток, то на каждую наружную стену, дверь и окно добавляется .

· Если ограждения ориентированы на юго-восток и запад, то на каждую наружную стену, дверь и окно с такой ориентацией добавляется .

4. Добавки для наружных дверей и ворот(на врывание холодного воздуха), не оборудованние воздушными или воздушно-тепловыми завесами принимаются в размере:

· –для тройных дверей с двумя тамбурами между ними.

·  – для двойных дверей с тамбурами между ними.

·  – для двойных дверей без тамбура.

·  – для одинарных дверей.

·  – для наружных ворот при отсутствии тамбура.

·  – для наружных ворот при наличии тамбура.

где:

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

Данный вид добавок не относится к летним и запасным наружным дверям.

5. Ранее нормами предусматривалась добавка, учитывающая увеличение теплопотерь в верхней части помещения высотой более 4м( на каждый метр высоты стены сверх четырёх метров, но не более ). В настоящее время это требование исключено из норм, т.е. теперь, при расчёте высоких помещений необходимо делать специальный расчёт распеределения температур по высоте. Поэтому для выполнения практических работ можно использовать добавки на восоту в размере на каждый метр высоты стены сверх четырёх метров, но не более .

Формулу тепловых потерь через ограждающие конструкции приведём к виду:

Таким образом для дальнейших расчётов удобно использовать формулу вида:

Расход наружного воздуха, поступающего в помещение в результате инфильтрации в расчётных условиях, зависит от объёмно-планировочного решения здания, а также плотности окон, балконных дверей, витражей. Инфильтрация через стены и покрытия невелика, поэтому ею обычно пренебрегают и рассчитывают только через заполнение световых проёмов, а также через закрытые двери и ворота, в том числе и те, которые при обычном эксплуатационном режиме не открываются.

Расчёт выявляет максимально возможную инфильтрацию, поэтому считается, что каждое окно или дверь находится на наветренной стороне здания.

Тепловой поток на нагрев инфильтрующегося воздуха следует определять по формуле:

(*)

где:

– расход инфильтрующегося воздуха, через ограждающие конструкции помещения, ;

– удельная теплоемкость воздуха, равная 1,005 ;

– расчетные температуры воздуха, соответственно в помещении (средняя с учетом повышения для помещений высотой более 4 м) и наружного воздуха в холодный период года, °С;

– 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 и1,0 — для одинарных окон, окон и балконных дверей со спаренными переплетами и открытых проемов.

Расход теплоты на нагревание инфильтрующегося воздуха в помещениях жилых и общественных зданий при естественной вытяжной вентиляции, не компенсируемого подогретым приточным воздухом, следует принимать равным большей из величин, полученных по расчету по формулам (*) и (**):

(**)

где:

– расход удаляемого воздуха, не компенсируемый подогретым приточным воздухом(для жилых зданий принимается удельный нормативный расход 3  на 1 м² жилых помещений), ;

– плотность воздуха в помещении, .

Расход инфильтрующегося воздуха в помещении через неплотности наружных ограждений следует определять по зависимости:

где:

– сумма площадей световых прёмов(окон, балконных дверей, фонарей), м².

– сумма площадей щелей, неплотностей и проёмов в наружных ограждающих конструкциях, м².

– сумма площадей других ограждений, м².

– нормируемая воздухопроницаемость ограждающих конструкций, , принимаемая по таблице 11 [4].

– сумма длин стыков стеновых панелей, м.

– разность давлений воздуха на наружной и внутренней поверхностях каждой ограждающей конструкции, Па, следует определять по формуле:

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

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

– плотность внутреннего воздуха, ;

– плотность наружного воздуха, ;

– максимальная из средних скоростей ветра по румбам за январь, м/с, принимаемая по таблице 1* [3];

– аэродинамические коэффициенты соответственно для наветренной и подветренной поверхностей ограждений здания, принимаемые по приложению 4 [6];

– коэффициент учета изменения скоростного давления ветра в зависимости от высоты здания, принимаемый по таблице 6 [6];

– ускорение свободного падения тел, равное 9,81 ;

– условно-постоянное давление воздуха в здании, Па. При сбалансированной вентиляции(вытяжка компенсируется притоком воздуха) или при отсутствии организованной вентиляции принимается постоянным для всего здания и рассчитывается по формуле:

– разность давлений воздуха на наружной и внутренней поверхностях светопрозрачных огражающих конструкций, при которой определяется сопротивление воздухопроницанию, Па(согласно п.8.4 [2] )

– сопротивление воздухопроницанию окон и балконных дверей жилых и общественных зданий, а также окон и фонарей производственных зданий должно быть не менее нормируемого сопротивления воздухопроницанию, , определяемого по формуле:

–  разность давлений воздуха на наружной и внутренней поверхностях ограждающих конструкций, которую следует определять по формуле:

– максимальная из средних скоростей ветра по румбам за январь, повторяемость которых составляет 16% и более, принимаемая по таблице 1* [3]; для зданий высотой свыше 60 м следует принимать с учетом коэффициента изменения скорости ветра по высоте по таблице 18 [5];

 – высота здания (от уровня пола первого этажа до верха вытяжной шахты), м.

Примечания:

1. Максимальный расход теплоты на нагревание наружного воздуха следует учитывать для каждого помещения при наиболее неблагоприятном для него направлением ветра. При расчете тепловой нагрузки здания с автоматическим регулированием расход теплоты на инфильтрацию следует принимать при наиболее неблагоприятном направлении ветра для всего здания.

2. Инфильтрацию воздуха в помещении через стыки стеновых панелей следует учитывать только для жилых зданий.

3. Плотность воздуха определяется по зависимости: ( – температура воздуха, ⁰С).

4. Аэродинамические коэффициенты для наветренной и подветренной поверхностей ограждений здания, принимаются обычно равными: .

Помимо потерь теплоты в помещениях здания могут присутствовать поступления тепла. К ним можно отнести бытовые тепловыделения.

Бытовые тепловыделения в помещении – это тепловой поток, регулярно поступающий от электрических приборов, освещения, технологического оборудования, трубопроводов, людей и других источников, за исключением системы отопления.

В жилых помещениях к бытовым условно относятся тепловыделения от электробытовых и осветительных приборов, кухонных плит, разводки труб горячего водоснабжения и непосредственно потребляемой горячей воды, людей, находящихся в помещении. Тепловой поток, поступающий в жилые комнаты и кухни жилых зданий следует принимать не менее 10 Вт на 1 м² пола согласно требованиям п. 6.3.4. [2].

Для общественных и административных зданий бытовые тепловыделения учитываются по расчетному числу людей (90 ), находящихся в здании, освещения (по установочной мощности) и оргтехники (10 ) с учетом рабочих часов в неделю.

При отсутствии данных о количестве людей и оргтехники в помещении общественных и административных зданий, количество бытовых тепловыделений можно принимать равными

Для жилых зданий количество бытовых тепловыделений рассчитывается по зависимости:

где:

– площадь пола помещения, м².

Так как расчёты потерь теплоты достаточно объёмны, то удобнее данные заносить в таблицы. Пример таблицы приведён в приложении 2.

При заполнении таблиц теплопотерь рекомендуется придерживаться общепринятым правилам:

1. Нумерация помещений производится слева-направо арабскими цифрами. Первая цифра обозначает номер этажа, последующие – номер помещения. Например: 001 – первое помещение цокольного этажа; 102 – второе помещение первого этажа, и т.д.

Лестничные клетки не нумеруются, а обозначаются буквами, например:  

ЛкА, ЛкБ, и т.д.

2. Ограждающие конструкции обозначаются следующим образом: НС – наружная стена; ВС – внутренняя стена; НД – наружная дверь; ОО – одинарное окно; ДО – двойное окно; ТО – тройное окно; Пт – потолок; Пл – пол(при разбивке пола по зонам указывается номер зоны, т.е. Пл1 – первая зона, Пл2 – вторая зона, Пл3 – третья зона, Пл4 – четвёртая зона).

3. При передаче теплоты через внутренние ограждения указывается тип ограждения, а затем номер помещения, куда осуществляются потери(поступления) теплоты. Например: ВС→123 – поступление теплоты через внутреннюю стену в помещение 123; ВС←205 – потери теплоты через внутреннюю стену от помещения 205; и т.д.

 

 

Примеры расчёта.

Определить тепловой баланс помещений двухэтажного коттеджа в г. Санкт-Петербург.

Исходные данные для расчёта:

· План(рис.1);

· Разрез(рис.1);

· Ориентация по сторонам горизонта – широтная;

· Коэффициент сопротивления теплопередачи наружной стены – 0,32

· Коэффициент сопротивления теплопередачи надподвального перекрытия без световых проёмов – 0,24  ;

· Коэффициент сопротивления теплопередачи чердачного перекрытия(холодный чердак) – 0,24 ;

· Тип остекления - двойное остекление с твердым селективным покрытием в раздельных деревянных переплетах. Коэффициент сопротивления теплопередачи – 1,754 ;

· Коэффициент сопротивления теплопередачи наружной входной двери – 1,42 ;

· Внутренние стены из кирпича глинянного обыкновенного(толщина 120 мм и 250 мм);

· Коэффициент сопротивления теплопередачи внутренней стены(120 мм) – 2,65 ;

· Коэффициент сопротивления теплопередачи внутренней стены(250 мм) – 1,86 ;

· Пол подвала неутеплён;

· Отметка земли – -0.800;

· Отметка пола первого этажа – 0.000;

· Отметка пола второго этажа – 3.300;

· Отметка пола подвала – -3.100;

· Отметка пола чердака – 6.500;

· Толщина междуэтажного перекрытия из монолитного железобетона – 200 мм;

· Толщина чердачного перекрытия – 350 мм;

· Толщина надподвального перекрытия – 360 мм;

· Толщина наружной стены – 590 мм;

 

 

 

 

Решение.

1. Определяем температуру наружного воздуха для г. Санкт-Петербург(согласно таблице 1*[3] графа 5) – .

2. Присвоим номера помещениям (смотри рисунок 2).

3. Проставим температуру внутреннего воздуха для каждого помещения(смотри рисунок 2).

4. Рассмотрим подробно потери теплоты в помещении 101.

Помещение имеет следующие наружные ограждения: 2 стены, 2 окна; а также внутренние: пол и стена.

Определим потери теплоты через наружные стены:

· Стена, ориентированная на Юг:

Высота наружной стены – h =3,66 м(от низа надподвального перекрытия до чистого пола второго этажа, т.е. 3,3+0,36=3,66 м);

Длина наружной стены – b=5,0 м(от внешней поверхности угла помещения 107 до внешнего угла помещения 101, т.е. между осей В и Г);

Площадь стены равна: ;

Коэффициент, учитывающий зависимость положение ограждающей конструкции по отношению к наружному воздуху (принимается по таблице 6[4]);

Температура внутреннего воздуха (принмается, как минимальная из значения оптимальных температур  по таблице 1 [1]);

Добавочный множитель – так как стена ориентирована на ЮГ, то β₁=0(таким образом Σβ=0);

Согласно всему вышеперечисленному:

· Стена, ориентированная на Запад:

Высота наружной стены – h =3,66 м(от низа надподвального перекрытия до чистого пола второго этажа, т.е. 3,3+0,36=3,66 м);

Длина наружной стены – b=4,8 м(от внешней поверхности угла помещения 101 до оси внутренней стены, т.е. в осях 2 и 3);

Площадь стены равна: ;

Коэффициент, учитывающий зависимость положение ограждающей конструкции по отношению к наружному воздуху (принимается по таблице 6[4]);

Температура внутреннего воздуха (принимается, как минимальная из значения оптимальных температур по таблице 1 [1]);

Добавочный множитель – так как стена ориентирована на Запад, то β₁=0,05, и помещение угловое, то β₂=0,05 (таким образом Σβ=0,05+0,05=0,1);

Согласно всему вышеперечисленному:

Определим потери теплоты через окна:

· Окно, ориентированное на Юг:

Высота окна – h =1,5 м(согласно разрезу);

Длина окна – b=1,5 м(согласно плану);

Площадь окна равна: ;

Коэффициент, учитывающий зависимость положение ограждающей конструкции по отношению к наружному воздуху (принимается по таблице 6[4]);

Температура внутреннего воздуха (принмается, как минимальная из значения оптимальных температур по таблице 1 [1]);

Добавочный множитель – так как окно ориентировано на ЮГ, то β₁=0(таким образом Σβ=0);

Согласно всему вышеперечисленному:

 

· Окно, ориентированное на Запад:

Высота окна – h =1,5 м(согласно разрезу);

Длина окна – b=1,5 м(согласно плану);

Площадь окна равна: ;

Коэффициент, учитывающий зависимость положение ограждающей конструкции по отношению к наружному воздуху (принимается по таблице 6[4]);

Температура внутреннего воздуха (принмается, как минимальная из значения оптимальных температур по таблице 1 [1]);

Добавочный множитель – так как окно ориентировано на Запад, то β₁=0,05, и помещение угловое, то β₂=0,05 (таким образом Σβ=0,05+0,05=0,1);

Согласно всему вышеперечисленному: