ОТОПЛЕНИЕ И ВЕНТИЛЯЦИЯ

ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ ПОМЕЩЕНИЯ

В части I учебника «Отопление и вентиляция» подробно рассмот­рены все факторы и процессы, формирующие и определяющие тепло­вой режим здания. Изложение там ориентировано на решение задач отопления, однако общая постановка вопросов комфортности, выбора расчетных внутренних и наружных параметров с учетом заданного коэф­фициента обеспеченности, определения защитных свойств ограждений, теплообмена и теплового баланса в помещении, расчета необходи­мой тепловой мощности системы кондиционирования микроклимата остается справедливой и для решения задач вентиляции. Если для рас­чета отопления необходимо определить недостаток тепла в помещени­ях здания и его изменение в течение наиболее холодного периода года, то основная задача расчета вентиляции обычно состоит в определении избытков тепла и влаги в помещении в наиболее теплый период года, так как они определяют производительность и холодильную мощность системы вентиляции или кондиционирования воздуха. Однако р общем случае нужно знать изменение избытка тепла, а возможно и появле­ние его недостатка в течение всего года. Недостаток тепла для холод­ного периода года определит требуемый перегрев приточного воздуха, а в некоторых случаях и иную, чем в теплый период года, производи­тельность вентиляционной системы.

В жилых, общественных и промышленных зданиях имеются разно­образные источники и стоки тепла. Количество выделяемого тепла ча­ще всего определяют, пользуясь экспериментальными данными или теплотехническими расчетами.

§ 18. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПОМЕЩЕНИЯ

Во многих помещениях одним из определяющих вредных выделе­ний является избыточное тепло. При расчете вентиляции таких поме­щений необходимо составление теплового баланса, т. е. выяснение всех статей поступления и расхода тепла в помещении.

К статьям поступления относится тепло, выделяемое людьми, сол­нечной радиацией, освещением, нагретым оборудованием и изделиями, расходуемой электроэнергией, механической энергией, переходящей в результате трения в тепловую энергию. Кроме того, тепло может выде­ляться в помещении в результате конденсации водяных паров, остыва­ния жидкого металла с учетом тепла кристаллизации при его тверде­нии и другими путями.

Расходными статьями являются потери тепла через ограждающие конструкции и с изделиями, если их в нагретом состоянии удаляют из помещения. Кроме того, тепло расходуется на нагрев наружного воз­духа, попадающего в помещение в результате инфильтрации через неплот­ности в ограждениях и через открытые проемы, на нагрев холодных ма­териалов, изделий и транспортных средств, поступающих в помещение. Тепло помещения тратится также на испарение воды или других жидко­стей из ванн, резервуаров, с поверхности мокрого пола, если тепло фа­зовых превращений не компенсируется специальным подводом энергии к воде.

В большинстве помещений тепловые условия близки к стационар­ным, поэтому при расчете теплового баланса исходят из того, что все ограждения и оборудование в помещении находятся в состоянии теп­лового равновесия. Это значит, что их температура остается неизмен­ной во времени и количество получаемого ими тепла в единицу време­ни равно количеству теряемого. Разность поступления Qhoct и расхо­да (потерь) QnoT тепла определяет теплоизбытки AQ (или тепло недостатки) в помещении, которые должны быть ассимилированы (или компенсированы) вентиляционным воздухом:

AQ = 2QnoCTі -2<?потІ. (V.1)

В некоторых случаях оказывается достаточным составление ба­ланса только по явному теплу. В помещениях с активными влагооб - менными процессами необходимо составление баланса по полному теп­лу, т. е. с учетом скрытого тепла, которое содержат водяные пары, поступающие в воздух помещения.

Необходимо пояснить также следующее. В помещение поступает лучистое и конвективное тепло. Обычно их не разделяют и составляют общий тепловой баланс для помещения в целом. Однако эти состав­ляющие имеют существенное различие. Лучистый теплообмен проис­ходит между поверхностями в помещении. Воздух лучистое тепло прак­тически не поглощает (за исключением случаев наличия тумана или сильной запыленности в помещении), поэтому оно передается воздуху помещения в виде как бы вторичных потоков конвективного тепла, образованных у нагретых излучением поверхностей.

Конвективное тепло попадает в помещение с нагретым воздухом и возникает у нагретых поверхностей. Потоки конвективного тепла, образованные у нагретых поверхностей, поднимаются вверх. Они могут приводить к образованию «тепловой подушки» в верхней зоне помеще­ния или создавать вертикальную циркуляцию воздуха во всем его объе­ме. Конвективное тепло частично удаляется вентиляцией с нагретым воздухом и расходуется на нагрев холодных поверхностей ограждений, материалов и пр.

В связи со столь сложной картиной теплообмена кроме сведения общего баланса тепла для помещения иногда возникает необходимость расчета тепловых балансов для отдельных частей или зон помещения. Составляют балансы отдельно для воздуха и обращенных к помеще­нию поверхностей, а также отдельно для объемов рабочей и верхней зоны помещения. В некоторых случаях, например при расчете душиро - вания или воздушного оазиса, возникает необходимость определения составляющих теплового баланса на рабочем месте, в зоне располо­жения пульта управления и т. д. Запись теплового баланса в этих слу­чаях остается общей в виде уравнения (V.1) с той лишь разницей» что учитываются локальные составляющие поступлений и потерь тепла для данной зоны или части помещения (рабочего места и т. д.).

При неустановившемся тепловом состоянии помещения огражде­ния и оборудование аккумулируют тепло при нагреве или отдают его при охлаждении. В соответствующие периоды времени они являются как бы дополнительными источниками или стоками тепла. Количество избыточного тепла в помещении AQ становится переменным во вре­мени. Вентиляционный процесс в этих условиях оказывается неста­ционарным, и его следует рассчитывать специально. Методика расчета нестационарных процессов в вентилируемом помещении изложена в курсе «Строительная теплофизика».

В промышленных зданиях с разнообразными технологическими процессами, где имеются сложно изменяющиеся во времени поступле­ния тепла, или в особо ответственных случаях мало изученной, новой технологии приходится проводить специальные натурные испытания на действующем предприятии. Во время испытаний измеряют расходы Ьг, м3/ч, и энтальпию /г, кДж/кг, всех потоков приточного («п») воздуха и воздуха, удаляемого («у») из помещения. Составляют уравнение теп­лового баланса по воздуху:

AQ = 2 (Lpl)ni - 2 (Lpl)yi, (V.2)

С помощью которого определяют общий избыток (+AQ) или недоста­ток (—AQ) полного тепла в помещении. Подобные измерения, прове­денные для всех характерных периодов тепловыделений, позволяют по - лучить режимные характеристики изменения AQ во времени для всего технологического цикла. Следует иметь в виду, что испытания на обь - ектах проводят при некоторой наружной температуре, как правило, не соответствующей расчетной, поэтому данные испытаний должны быть скорректированы и приведены к расчетным условиям, для кото­рых составляются тепловые балансы помещения при определении про­изводительности и установочной мощности вентиляционной системы.

Подобного рода испытания трудоемки и дороги, в связи с чем ос­новным и наиболее приемлемым способом определения количества поступающего в помещение и удаляемого из него тепла при проектиро­вании вентиляции является теплотехнический расчет.

Рассмотрим практические способы расчета отдельных наиболее распространенных составляющих поступления и потерь тепла в поме­щении, имея в виду, что их теоретические основы изложены в курсах «Теплопередача» и «Строительная теплофизика».

§ 19. ТЕПЛОПОСТУПЛЕНИЯ ОТ ЛЮДЕЙ

В общем энергетическом балансе человека две составляющие опре­деляют теплопоступления в помещение: явное лучисто-конвективное тепло Q4g и скрытое тепло влаги, испаряющейся с поверхности тела и легких человека, Q4.ckp-

Полное количество выделяемого человеком тепла зависит в основ­ном от степени тяжести выполняемой им физической работы и в мень­шей мере от температуры помещения и теплозащитных свойств одеж­ды. Доля отдачи явного тепла зависит от температуры помещения, ско­рости движения воздуха, а также от теплозащитных свойств одежды и интенсивности работы. Одетый человек при выполнении физической ра­боты увеличивает выделение влаги, так как одежда препятствует отда­че явного тепла. Если он снимет одежду, то станет больше отдавать явного тепла, а потоотделение при этом уменьшится. Полное количество выделяемого тепла в обоих случаях останется приблизительно одина­ковым.

При расчете вентиляции особенно важно правильно определять отдачу явного тепла. Ее можно подсчитать в Вт или ккал/ч по формуле:

0ч. я = РиРод(2,5+ Ю, зУщ) (35-*п) (V.3)

Или

£?ч, я = Ри кЬ*16 + 8,87^^)1(35 - fD), (V.3')

Где ри — коэффициент, учитывающий интенсивность работы и равный I для лег­кой работы, 1,07 для работы средней тяжести и 1,15 для тяжелой работы; род — коэф­фициент, учитывающий теплозащитные свойства одежды и равный 1 для легкой одежды, 0,65 для обычной одежды и 0,4 для утепленной одежды; св — скорость движения воз­духа в помещении, м/с; tn — температура помещения, °С.

В табл. V.1 приведены диапазоны влаговыделений и полных теп­ловыделений для принятых градаций степени тяжести физической работы.

Таблица V. I

Большие значения влаговыделений и меньшие значения тепловы­делений в табл. V. I соответствуют высокой температуре помещения (примерно 35°С), цифры второй границы соответствуют низкой темпе­ратуре помещения (примерно 10 °С). Более подробные сведения по это­му вопросу приведены в специальной справочной литературе.

§ 20. ТЕПЛОПОСТУПЛЕНИЯ ОТ ОСВЕЩЕНИЯ

Вся электрическая энергия, затрачиваемая на освещение, перехо­дит в тепловую Qocb, которую необходимо учитывать в тепловом ба­лансе помещения.

Количество тепла, Вт, поступающего в помещение от искусствен­ного освещения, может быть найдено по формуле

Qocb = £^<7осв Лосв» (V. 4)

Где Е—освещенность, лк; F — площадь помещения, м2; q0ев — удельные выделе­ния тепла, Вт/м2 на 1 лк освещенности, составляющие от 0,05 до 0,13 для люминесцент­ных светильников и от 0,13 до 0,25 для ламп накаливания; tcb — доля тепловой энер­гии, попадающей в помещение.

В тех случаях, когда арматура и лампы находятся вне помещения (за остекленной поверхностью, на чердаке, в потоке вытяжного возду­ха), в него попадает только радиационное (видимое и невидимое излу­чение) тепло, доля которого т)осв для люминесцентных светильников со­ставляет около 0,55 потребляемой энергии, для ламп накаливания — примерно 0,85.

Для помещений различного назначения в соответствующих главах СНиП дана требуемая освещенность Е. Например, для аудиторий наименьшая освещенность при использовании люминесцентных све­тильников равна 300 лк, залов — 200 лк, для спальных комнат —75 лк. При использовании ламп накаливания эти цифры должны быть умень­шены приблизительно вдвое.

При составлении теплового баланса помещения следует иметь в виду, что освещение обычно действует только часть суток и, как пра­вило, теплопоступления от него не совпадают во времени с поступле­ниями тепла от солнечной радиации.

§ 21. ТЕПЛОПОСТУПЛЕНИЯ ОТ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ,

СТАНКОВ И МЕХАНИЗМОВ

Механическое оборудование и электропривод к нему находятся в одном или разных помещениях. Электроэнергия в* основном расходует­ся на выполнение механической работы и в результате переходит в тепло. Часть ее превращается в тепло в самих электрических устрой­ствах (джоулево тепло). Тепло передается в помещение или частично расходуется на нагрев обрабатываемого изделия, охлаждающей эмуль­сии, перекачиваемого воздуха - или воды и т. д.

Общие теплопоступлени» от электродвигателей и, приводимого ими в действие оборудования, Вт, определяются по формуле

Фэл = Щ Kvcn &загр £одн (1 — (V.5)

Где Ny — установочная мощность электродвигателей, Вт; kBCn — коэффициент использования установочной мощности (0,7—0,9), kaarp — коэффициент загрузки (0,5— 0,8); k0RB — коэффициент одновременности работы электродвигателей (0,5—1); rj— к п. д. электродвигателя, определяемый по каталогу (0,75—0,92); kT — коэффициент пе­рехода механической энергии в тепловую (0,1—1), учитывающий, что часть тепла может быть отдана охлаждающей эмульсии, перекачиваемой воде или воздуху и унесена за пределы данного помещения.

Произведение NY &исп &загр &одн в формуле (V.5) соответствует фактически расходуемой электроэнергии, которая в конечном счете почти полностью превращается в тепло. Слагаемое 1 — ц определяет долю тепла, выделяемого электродвигателем и электрическим оборудо­ванием, а слагаемое Іг^ц — долю тепла, выделяемого механическим обо­рудованием, приводимым в действие электродвигателем.

§ 22. ТЕПЛОПОСТУПЛЕНИЯ ОТ НАГРЕТОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Относительно простым является расчет теплопоступлений от на­гретой поверхности металлических баков, ванн с нагретой v водой, растворами или маслом, температура стенок которых близка к темпе­ратуре находящейся в них жидкости. Температура жидкости задана технологическим проектом.

Количество тепла, поступающего сім2 нагретой поверхности, имею­щей температуру /нов, в помещение с температурой воздуха tB, можно определить по формуле

Q — (єпр С0 b + A Т^*ТОв—*в) (/пов — Ів) = (ал + аК) (*пов — *в) = «пов (^пов—*в). (V.6)

Здесь принято, что температура воздуха и окружающих поверхно­стей в помещении одинакова и равна tB.

Температура поверхности технологического оборудования tn0B в цехах может быть достаточно высокой (300 °С и более). В связи с этим в расчете важно учитывать зависимость интенсивности теплообмена от температуры.

Температурный коэффициент Ь, который входит в составляющую лучистого теплообмена, и коэффициент А, связанный с конвективным теплообменом, зависят от абсолютных значений и разности темпера­тур tn0B и tB. Температуру в помещении tB считаем постоянной и равной примерно 20°С, в этом случае значения коэффициентов b и А зависят только от /пов. Значения коэффициента А (для вертикальной поверхно­сти) и температурного коэффициента Ь В—зависимости от /дов-даны в табл. V.2.

Для нагретых горизонтальных поверхностей, обращенных вверх, коэффициент А должен быть увеличен на 30%, а обращенных вниз уменьшен на 30%.

Коэффициент приведенного излучения єпрС0 для небольшой по­верхности,-обменивающейся теплом с помещением, можно считать рав-

Рис. V. I. Зависимости коэффициентов пол­ного апов, лучистого ал и конвективного ак теплообмена от температуры tnoB поверх­ности — вертикальной (1) и горизонталь­ной, обращенной вверх, (2)

Ным коэффициенту излучения на­гретой поверхности, Т. е. ЄпрСо —

= впов£(Ь

Для ржавых или окисленных стальных поверхностей коэффици­ент излучения равен около 4,7.

В результате этого рассмотрения приходим к выводу, что коэффици­енты лучистого и конвективного теплообмена аЛ, ак и общий коэф­фициент сложного лучисто-конвективного теплообмена апов также за­висят только от ^пов - Зависимости (хл, ак и апов от ^пов приведены на рис. V. I.

Зная площадь. Рпов, температуру нагретой поверхности ^пОВ и опре­делив аПОв по рис. V.1, можно рассчитать теплопоступление от нагретой поверхности QnoB в помещение по обычной формуле:

&пов (^пов-- ^в) ^пов •

Несколько сложнее оказывается расчет теплопоступлений от на­гревательных печей, сушил, котлов, стенки которых выложены нз кир­пича или другого материала и имеют значительное сопротивление теп­лопередаче.

Температура в печи задана технологическим проектом, известна также ее конструкция и площадь стенок Fcт» свода и пода Втд печи. Обычно принимают, что температура на внутренней поверхности печи /в. п на 5° С ниже заданной температуры в печи /Печ-

Теплопоступления от стенок печи в помещение QСТ можно вычислить по формуле

Qcv — дет (^в. п--------------------------------------------------------------- ^в) г с

Коэффициент теплопередачи Кст, Вт/(м2«К) от внутренней поверх­ности печи к помещению равен:

Кст^——1-------------------------------------------------------- Г~> ^

2- + — ^ О^ПОВ

Где б и X — толщина и теплопроводность отдельных материальных слоев конст­рукции; ССдов — коэффициент теплообмена на внешней поверхности.

Расчет осложняется тем, что аПов зависит от температуры внешней поверхности (см. рис. V.1), которая (в отличие от первого случая) в расчете не известна.

В инженерной практике подобного рода задачи решаются методом последовательного приближения. В данном случае удобен следующий порядок расчета. Задаются коэффициентом теплообмена аПов (обычно 10—20) и определяют температуру внешней поверхности іПов, по кото­рой корректируют значение аПов. Можно повторить корректировку, ОПредеЛИВ ^пов при новом значении аПов. Одной корректировки обычно оказывается достаточно, так как нет необходимости особенно точно определять апов, роль которого в общем сопротивлении стенки тепло­передаче невелика. После уточнения аПов по формуле (V.9) определяют Дет, а по формуле (V.8) — теплопоступления от стенок печи в по­мещение.

В некоторых случаях при проведении расчета необходимо также учитывать зависимость теплопроводности огнеупорных и теплоизоля­ционных материалов X от температуры. Порядок расчета от этого не изменяется.

Теплопоступления через свод печи рассчитываются так же, как и через стенки, с той лишь разницей, что аПов определяется по рис. V.1 для нагретой горизонтальной поверхности, обращенной вверх.

Потери тепла подом печи гораздо меньше потерь тепла ее боковыми стенками и сводом. Однако эти потери в некоторых случаях следует учитывать. Для предохранения фундамента от высоких темпе­ратур принимают большую толщину огнеупорной кладки, вследствие чего уровень поверхности пода печи оказывается выше уровня пола по­мещения. Точный расчет теплопотерь оказывается довольно сложным. Для приближенного расчета можно пользоваться формулой

Q = mf X {tB. п - tB), • (V. 10)

Где m — доля теряемого подом тепла, поступающего % помещение (0,5—0,7); f — фактор формы (для круглого пода равен 4,1, для квадратного пода — 4,6, для пода в виде вытянутого прямоугольника — до 3,9); Рп0Я— площадь пода; D — диаметр кру­га, равновеликого по площади поду; Я — эквивалентная теплопроводность кладки пода и грунта.

Количество тепла, поступающего через дверцы, закрывающие за­грузочные отверстия, подсчитывается так же, как и количество тепла, проходящего через боковые стенки печи.

Важным элементом теплового расчета является определение интен­сивности излучения из открытого отверстия. Такой расчет необходим для определения теплопоступлений в помещение и теплового облучения человека на рабочем месте около открытого отверстия. Для упрощения расчета обычно принимают, что излучение из отверстия q'QTJS, Вт/м2, со­ответствует излучению абсолютно черного тела и равно:

•4» = с0(-^-) (v. ii)

Рис. V.2. Коэффициент облученности фотв тор­цовой поверхности с учетом отражения боко­вых поверхностей в щелевом (/) и цилиндри­ческом (2) отверстиях

Отверстие в стенке, имеющей оп­ределенную толщину, образует канал, который оказывает диафрагмирую­щее действие на излучение. В резуль­тате интенсивность излучения во внеш­ней плоскости отверстия меньше, чем во внутренней. Коэффициент облучен­ности фотв с учетом отражения стенок канала можно получить по графику рис. V.2, рассчитанному проф. С. Н. Шориным. Интенсивность ради­ации во внешней плоскости отверстия, Вт/м2, т. е. радиации, проникающей непосредственно в помещение, равна:

<7otb = <PoTbW (V. 12)

Она определяет теплопоступления в помещение Qotb в результате излучения из открытого отверстия площадью F:

, . Qotb = <7отв F. (V.13)

Чтобы рассчитать интенсивность теплового облучения рабочего, не­обходимо определить коэффициент облученности рабочего места фр м. Обычно рассчитывают наибольшую интенсивность для площадки по­верхности, расположенной напротив центра отверстия на расстоянии, равном расстоянию от рабочего места до отверстия. Коэффициенты Фр. м Для этого случая в зависимости от расстояния х до отверстия пло­щадью F приведены на графике рис. V.3. Наибольшая интенсивность теплового облучения на рабочем месте <7р, м> Вт/м2, в результате равна:

0р-м — Фр м фотв С0 I

100

В формуле (V. J4) коэффициенты облученности отнесены к 1 м2 по­верхности в плоскости рабочего места.

При необходимости расчета с учетом произвольного положения ра­бочего относительно загрузочного отверстия, а также с учетом излуче­ния нагретой поверхности печи и других поверхностей в помещении

И т. д. необходимо поль­зоваться приемами расче­та сложного лучистого теплообмена, рассмотрен­ными в курсе «Строитель­ная теплофизика».

Рис. V.3. Зависимость коэффи­циента облученности фр м от расстояния х до центра излу­чающей поверхности площадью F (от xl;Y~P