РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО ПОТРЕБЛЕНИЯ

Тепловую нагрузку можно разделить на сезонную и круглогодичную [1–4]. Изменение сезонной нагрузки зависит главным образом от климатических условий – температуры наружного воздуха, его влажности, скорости ветра, солнечной радиации и т.п. Основную роль играет изменение температуры наружного воздуха. Сезонная нагрузка имеет сравнительно постоянный суточный график и переменный годовой. К сезонной нагрузке относят нагрузки отопления, вентиляции (зимние нагрузки), кондиционирования (летняя нагрузка). К круглогодичной нагрузке относятся нагрузка горячего водоснабжения (ГВС) и технологическая нагрузка. График технологической нагрузки зависит от характера производства. График нагрузки ГВС зависит от благоустройства зданий, состава населения, графика рабочего дня, режима работы коммунальных предприятий. Технологическая и нагрузка ГВС слабо зависят от времени года.

1.1. Сезонная тепловая нагрузка

Целью отопления является поддержание температуры внутреннего воздуха в помещении на заданном уровне. Температура воздуха в помещении зависит от назначения помещения, а в промышленных зданиях – от характера выполняемых работ. Значения температуры воздуха в помещениях принимаются согласно [5]. В частности, для жилых зданий – от 18 до 22 ⁰С; для промышленных зданий – от 16 до 24 ⁰С; для общественных зданий – от 20 до 22 ⁰С.

Для поддержания температуры воздуха в помещении постоянной необходимо обеспечить равенство теплопотерь и теплопритоков. Потери теплоты можно представить в виде

,

где – потери теплоты теплопередачей через ограждения, на которых перепад температур более 3 ⁰С; – затраты теплоты на нагрев воздуха, поступающего извне через неплотности ограждений; – коэффициент инфильтрации, зависящий от температуры наружного воздуха и скорости ветра.

В производственных помещениях теплота расходуется также на нагрев материалов и транспортных средств, поступающих извне (). Приток теплоты в помещения осуществляется через отопительные установки () и от внутреннего тепловыделения ().

В общем случае баланс теплоты можно записать в виде

.

Для жилых и общественных зданий ===0, тогда

=.

Для производственных помещений

.

В производственных помещениях может составлять до 25...35 % от .

Потери теплоты теплопередачей через ограждения в соответствии с [5] рассчитываются по уравнению

, (1.1)

где – температура внутреннего воздуха около ограждения, ⁰С; – температура наружного воздуха для наружных ограждений или температура воздуха в соседнем помещении, ⁰С; – расчетная площадь поверхности ограждения, м²; – полное термическое сопротивление ограждения, где – приведенное термическое сопротивление теплопроводности ограждения, (м² × ⁰С)/Вт. Для световых проемов полное термическое сопротивление принимается в зависимости от типа остекления и находится в диапазоне 0,15…0,55 (м² × ⁰С)/Вт [5]. Для определения теплопотерь через полы первого этажа, расположенных на грунте, площадь пола разбивается на зоны, шириной 2 м (рис.1.1).

 

Рис. 1.1. Определение теплопотерь пола

Полное термическое сопротивление первой зоны принимается равным 2,1, второй – 4,3, третьей – 8,6 и четвертой – 14,2 (м2 × 0С)/Вт. Если между полом и грунтом находятся лаги, то полное термическое сопротивление для каждой зоны увеличивают на 18 %.

Коэффициент a учитывает положение ограждения по отношению к наружному воздуху и принимается в диапазоне 1,0…0,6. Коэффициент учитывает долю добавочных тепловых потерь в зависимости от ориентации ограждений по сторонам света, типа дверей и ворот [5] и равен 0,05…0,1. Формулой (1.1) пользуются при проектировании систем отопления зданий.

Количество теплоты на подогрев инфильтрующегося воздуха рассчитывается по формуле [3]

, (1.2)

где – расход инфильтрующегося воздуха, кг/ч, через ограждения; с – удельная теплоемкость воздуха, 1 кДж/(кг × ^оС); – температуры воздуха в помещении и наружного воздуха в холодный период года (приложение Б [5]); k – коэффициент учета влияния встречного теплового потока в конструкциях, равный 0,7…1,0 на подогрев инфильтрационного воздуха при прохождении через ограждение за счет потоков теплоты, уходящих через ограждение наружу, для стен, перекрытий и т.п. и окон, ворот и аэрационных фонарей, соответственно (принимаются равными 0,7…1).

Расход теплоты на подогрев инфильтрующегося воздуха в помещениях жилых и общественных зданий при естественной вытяжной вентиляции, не компенсируемого подогретым приточным воздухом, принимают равным большей из величин, полученным по формулам (1.2) и

,

где L – расход удаляемого воздуха, м³/ч; для жилых зданий принимают L=3 м³/ч на 1 м² жилых помещений; – плотность воздуха, кг/м³.

Расход инфильтрующегося воздуха в помещении , кг/ч, через неплотности ограждений определяют по формуле

где – площади световых проемов и других наружных ограждений, соответственно, м²; – площадь щелей в наружных ограждениях; – расчетная разность между давлениями на наружной и внутренней поверхностях ограждений на i-м этаже и на уровне пола первого этажа, Па, соответственно; – сопротивление воздухопроницанию, ; – нормативная воздухопроницаемость ограждений, кг/(м² × ч); l – длина стыков стеновых панелей, м.

Расчетная разность давлений определяется по формуле

,

где H – высота здания от земли до верха карниза, центра вытяжных отверстий фонаря или устья шахты, м; – расчетная высота от уровня земли до верха светового проема, середины вертикальных или оси горизонтальных стыков панелей, м; – удельные веса, H/м³ наружного воздуха и воздуха в помещении, соответственно; – плотность наружного воздуха, кг/м³; v – скорость ветра, м/с; – аэродинамические коэффициенты соответственно для подветренной и наветренной поверхностей ограждений; – коэффициент учета изменения скоростного давления ветра в зависимости от высоты здания; – условно-постоянное давление воздуха в здании, Па.

При проектировании источников теплоты потребность теплоты на отопление может быть определена по укрупненным показателям. Расход теплоты на отопление по объему здания определяется по формуле

,

где q_о – отопительная характеристика здания, зависящая от объема и назначения здания, Вт/(м³ × ⁰С) [1,2]; V – объем здания по наружному замеру, м³. Значения отопительной характеристики зданий рассчитываются по формуле [7]:

,

где K – приведенный трансмиссионный коэффициент теплопередачи здания, Вт/(м² × ⁰С); А_сум – общая площадь внутренней поверхности всех наружных ограждающих конструкций отапливаемого объема здания, м²; V – объем здания по внешним размерам, м³. Значение K определяется по формуле:

,

где b – коэффициент, учитывающий ориентацию здания по сторонам света, а также потери теплоты с поступлением холодного воздуха через входы в здание, равный 1,13 для жилых зданий и 1,1 для прочих зданий; – площади световых проемов, наружных дверей и ворот, покрытий, полов на грунте, соответственно; – приведенные сопротивления теплопередачи световых проемов, наружных дверей и ворот, покрытий, полов на грунте, соответственно, определяемые согласно [7]; n – коэффициент, зависящий от положения наружного ограждения относительно наружного воздуха согласно СНиП II-3. Ориентировочные значения отопительной характеристики приведены в [1].

Максимальные потери теплоты и, соответственно, максимальный отпуск теплоты на отопление, определяются по расчетной температуре для отопления – средней температуре наиболее холодной пятидневки из восьми зим за последние 50 лет.

При расчете по укрупненным показателям при отсутствии перечня зданий с указанием их назначения t_в принимают равной 18 ⁰С, если t_но–31 ⁰С и равной 20 ⁰С, если t_но –31 ⁰С.

Для жилых и общественных зданий расчетное количество теплоты на отопление определяется по формуле

.

При .

Для экономного использования топлива большое значение имеет правильный выбор начала и конца отопительного периода. Начало и конец отопительного периода принимается при значении среднесуточной температуры равной +8 ⁰С. Длительность отопительного периода определяется числом суток с устойчивой среднесуточной температурой меньшей и равной +8 ⁰С.

Для производственных помещений с внутренними тепловыделениями отопительный период начинается при той температуре наружного воздуха, при которой .

Для промышленных зданий:

при _;

при _.

 

Рис. 1.2. График отпуска теплоты на отопление: 1 – для жилых и общественных зданий; 2 – для промышленных зданий

Рассмотрим определение расхода теплоты на отопление по площади застройки. Такой способ определения расхода теплоты применяется только для жилых районов. При , где qF – отпуск теплоты на 1 м2 площади застройки, Вт/м2 [1,2]; F – площадь застройки, м2; F = fуд z , где z – число жителей; fуд = 12,5 м2 /чел для зданий, построенных до 1980 года;

f_уд = 18 м²/чел для зданий, построенных после 1980 года; k₁=0,25 – коэффициент, учитывающий отпуск теплоты на отопление общественных зданий. Согласно [7], значение q_F рассчитывается по формуле , где Q – потребность в теплоте на отопление здания, Вт; A_h – суммарная площадь пола отапливаемых помещений. Ориентировочные значения q_F приведены в [1].

Под вентиляционной нагрузкой понимают потребность в теплоте для подогрева воздуха, подаваемого извне в помещения. Для ограничения воздействия вредных веществ, содержащихся в воздухе, устанавливается их предельно допустимая концентрация (ПДК). По степени действия на организм человека вредные вещества разделяются на четыре класса:

 

Класс	Степень воздействия	Значение ПДК, мг/м3
Первый	Чрезвычайно опасные	менее 0,1
Второй	Высокоопасные	0,1–1,0
Третий	Умеренноопасные	1,5–10,0
Четвертый	Малоопасные	более 10,0

 

В системах принудительной вентиляции наружный воздух подогревается в калорифере теплотой пара или горячей воды до температуры t_вп. В цехах со значительным выделением теплоты, влаги и токсичных веществ температура t_вп должна быть равна расчетной температуре воздуха t_в.

В жилых зданиях без специальной приточной системы вентиляции расход теплоты Q_в= 0. Для общественных и промышленных зданий

,

где – объемная теплоемкость воздуха, 1260 Дж/(м³К); – объем вентилируемого помещения по внутреннему замеру, м³; m – кратность обмена воздуха в помещении.

При расчете по укрупненным показателям отпуск теплоты определяют при известном объеме здания , а также по площади застройки. В таблицах 1.1 и 1.2 приведены значения вентиляционной характеристики для ряда типовых производственных и общественных зданий.

Таблица 1.1

Вентиляционные характеристики производственных и общественных зданий

Назначение зданий	Объем здания, тыс. м3	qв, Дж/(м3с0С)
Чугунолитейные цехи	10…50 50…100 100…150	1,28…1,17 1,17…1,05 1,05…0,95
Сталелитейные цехи	10…50 50…100 100…150	1,12…0,97 0,97…0,85 0,85…0,80
Термические цехи	До 10 10…30 30…75	1,52…1,40 1,40…1,17 1,17…0,70
Механосборочные и механические цехи	5…10 10…50 50…100 100…200	0,47…0,29 0,29…0,17 0,17…0,14 0,14…0,10
Деревообделочные цехи	До 5 5…10 10…50	0,69…0,58 0,58…0,53 0,53…0,47
Склады химикатов	До 1 1…2 2…5	– – 0,7…0,53
Магазины	1…2 2…5 5…10	– – –
Бытовые и административные здания	0,5…1,0 1…2 2…5 5…10 10…20	– – 0,17…0,14 0,14…0,13 0,13…0,11

 

Таблица 1.2

Вентиляционные характеристики служебных и общественных зданий

Назначение здания	qв	Назначение здания	qв
Административные здания, научно-исследовательские и проектные институты	0,21	Больницы	0,35
Клубы	0,24	Бани, лаборатории	1,2
Театры и кинотеатры	0,48	Предприятия питания, гаражи	0,94
Магазины, учебные заведения	0,12	Детские сады и ясли	0,12
Поликлиники, диспансеры	0,29	Школы	0,1

Для общественных зданий, расположенных в жилом районе, , где k₂ = 0,4 – для зданий старой постройки, k₂ = 0,6 – для новых зданий.

Для производственных, общественных, административных и коммунально-бытовых зданий максимальный отпуск теплоты на вентиляцию определяют по температуре наружного воздуха (параметры Б, [5]). Для зданий сельскохозяйственного назначения расчет выполняется по температуре наружного воздуха t_нр=t_нв – расчетной температуре для вентиляции – средней температуры наиболее холодного периода, составляющего 15 % длительности отопительного сезона (параметры А, [5])

.

При отпуск теплоты на вентиляцию не увеличивается, но при этом уменьшается кратность обмена воздуха

.

Рис. 1.3. График отпуска теплоты на вентиляцию: 1 – здания категории А; 2 – здания категории Б

При . Суточный расход теплоты на вентиляцию определяется по формуле: , где – средняя температура наружного воздуха за рабочий период суток;

– коэффициент суточной неравномерности работы системы вентиляции; – время работы системы вентиляции в течение суток.

1.2. Круглогодичная тепловая нагрузка

К круглогодичной нагрузке относятся технологическая нагрузка и нагрузка ГВС. Технологическая нагрузка задается технологами и зависит от вида производства.

Нагрузка ГВС имеет существенно неравномерный характер как в течение суток, так и по дням недели (рис. 1.4). Наибольший расход горячей воды наблюдается в утренние и вечерние часы, из дней недели – в субботу.

Среднедельный расход теплоты на ГВС отдельных жилых, общественных и промышленных зданий определяется по формуле:

,

где a – норма расхода горячей воды на единицу измерения; m – количество единиц измерения; с – теплоемкость воды, 4190 Дж/(кг × К); t_г, t_х – температура горячей и холодной воды; n_c – расчетная длительность подачи воды на ГВС, сек/сут. или час/сут.; коэффициент 1,2 учитывает остывание горячей воды в абонентских системах ГВС.

Зимой принимают t_х =5 ⁰C, летом – t_х =15 ⁰C. Величина а дается для t_г = 55⁰C. При других значениях t_г

.

В местах водоразбора должна поддерживаться температура горячей воды для открытых систем – не ниже 55 ⁰C и не выше 80 ⁰C; для закрытых систем – не ниже 50 ⁰C и не выше 75 ⁰C. Для жилых зданий, больниц, детских садов, санаториев, домов отдыха и т.п. n_c = 86400 сек/сут., или 24 час/сут. При отсутствии данных о количестве и типе жилых и общественных зданий в новых райо-

Рис. 1.4. Графики потребления теплоты на ГВС

 

нах средненедельный расход теплоты на ГВС можно определять по формуле [1]:

,

где а = 80…120 л/сут. на одного человека для жилых зданий, b = 25 л/сут. на одного человека для общественных зданий. Летом

.

Средний расход теплоты на ГВС за сутки наибольшего водопотребления , где – коэффициент недельной неравномерности, равный для жилых и общественных зданий 1,2. Для производственных зданий =1.

Расчетный (максимально-часовой) расход теплоты на ГВС равен . Для городов коэффициент суточной неравномерности можно принимать равным 1,7…2,2, для производственных зданий =1 [1].

Рис.1.5. График отпуска теплоты на ГВС

1.3. Расчет годового отпуска теплоты. График продолжительности

тепловой нагрузки

Для построения графика нужны данные о стоянии температур, например:

–40...–35 ⁰С – n₁ часов;

–35...–30 ⁰С – n₂ часов;

–30...–25 ⁰С – n₃ часов;

......................……………

0...+5 ⁰С – n_j-1 часов;

+5...+10 ⁰С – n_j часов.

В качестве примера рассмотрим построение графика при расчете расхода тепла на вентиляцию по параметрам А [5] для сельской местности.

На оси абсцисс откладывают количество часов, в течение которых наблюдается температура равная или меньшая данной. По оси ординат откладывают часовой расход теплоты (рис. 1.6). Построим на графике два прямоугольника,

 

Рис. 1.6. График продолжительности суммарной тепловой нагрузки

 

площадь которых равна площади графика. Тогда для прямоугольника 0BCD0 высота CD равна среднему расходу теплоты за отопительный период.

Для прямоугольника 0KLN0 отрезок 0N представляет длительность использования расчетной тепловой нагрузки за сезон.

Годовой расход теплоты определяется по формуле

,

где – годовые расходы теплоты на отопление, вентиляцию, ГВС и технологические цели. Годовой расход теплоты на отопление

,

где – средний расход теплоты за отопительный период; –продолжительность работы системы отопления, с/год; для жилых и общественных зданий – продолжительность отопительного периода; –продолжительность работы дежурного отопления; – температура внутреннего воздуха при работе дежурного отопления; – для жилых и общественных зданий средняя за отопительный период температура наружного воздуха; для промышленных зданий – средняя температура наружного воздуха за период работы отопления

.

Для жилых и общественных зданий определяется по температуре наружного воздуха . Для промышленных зданий . Средняя температура наружного воздуха за любой интервал отопительного периода

.

Для жилых и общественных зданий и

.

Здесь – расчетный расход теплоты на вентиляцию; – продолжительность отопительного периода с температурой наружного воздуха ; –длительность отопительного периода, когда вентиляция не работает; –средняя температура наружного воздуха за период от начала отопительного периода до :

,

где – средненедельный расход теплоты на ГВС; – длительность работы системы ГВС и продолжительность отопительного периода, обычно с/год или ч/год; – коэффициент, учитывающий изменение средненедельного расхода теплоты на ГВС в неотопительный период по отношению к отопительному; при отсутствии более точных данных рекомендуется принимать для курортных и южных городов; для жилищно-коммунального сектора остальных районов; для промышленных предприятий.

1.4. Водяные системы теплоснабжения

Водяные системы теплоснабжения подразделяются на открытые и закрытые. В открытых системах на нужды ГВС забирается вода из тепловой сети. В закрытых системах вода на нужды ГВС подогревается сетевой водой в теплообменниках.

Схемы присоединения установок ГВС показаны на рис.1.7–1.9. По числу трубопроводов системы теплоснабжения делятся на одно-, двух-, трех- и многотрубные. Открытая система теплоснабжения должна иметь как минимум одну трубу. В закрытой системе необходимы как минимум два трубопровода. В городах в большинстве случаев применяются двухтрубные системы. Они применяются в том случае, если всем потребителям нужно теплота примерно одного потенциала.

 

ОК – обратный клапан; Э – водоструйный эжектор или элеватор; РТ – регулятор температуры; В – воздушник; ОП – отопительный прибор; С – смеситель.

Рис. 1.7. Открытая схема присоединения абонентской установки

 

Рис. 1.8. Двухступенчатая смешанная схема присоединения системы ГВС

 

 

Рис. 1.9. Параллельная схема присоединения системы ГВС

 

Там, где требуется еще и нагрузка повышенного потенциала, применяется трехтрубная система. В этом случае две магистрали – подающие, и одна – обратная. В зависимости от характера абонентских установок, выбирается та или иная схема присоединения их к тепловой сети.

Отопительные установки могут присоединяться по зависимой и независимой схемам. При зависимом присоединении вода, циркулирующая в системе отопления, нагревается в теплообменнике водой из тепловой сети. В зависимой схеме в отопительные приборы поступает вода из тепловой сети. При этом существует жесткая гидравлическая связь между системой отопления и тепловой сетью. Максимальное давление в отопительной установке ограничено прочностью отопительных приборов. Надежность зависимых систем невелика.