Учебное пособие 1322

Перенос теплоты по теплопроводам осуществляется с помощью жидкой (вода и другие жидкости) или газообразной (пар, воздух, газ) среды. Эти среды, перемещающиеся в системе отопления, называются теплоносителями. Перечисленные теплоносители должны быть легко подвижными, дешевыми и отвечать требованиям, предъявляемым к системам отопления.

Рассмотрим основные свойства горячих газов, воды, пара и воздуха, которые применяются в качестве теплоносителей в системах отопления.

Газы - продукты сжигания твердого, жидкого или газообразного топлива имеют высокую температуру до 700 °С и более могут применяться для отопления только в тех случаях, когда в соответствии с санитарно-гигиеническими требованиями удается ограничить температуру теплоотдающей поверхности приборов. Горячие газы применяются в основном только в отопительных печах и в отдельных случаях в местных системах с использованием газовых воздухонагревателей и в других отопительных установках.

Наиболее широко в системах отопления в качестве теплоносителей применяют воду, водяной пар и воздух. Они используются многократно и не загрязняют окружающую среду здания в отличие от горячих газов.

Вода - легко доступная практически несжимаемая жидкость имеет высокую плотность (в 600-1500 раз больше пара и в 900 раз больше воздуха) и теплоемкость. При повышении температуры вода расширяется и уменьшается ее плотность, а при повышении давления растет температура кипения. Последнее свойство позволяет перемещать воду в тепловых сетях с температурой 150 °С и выше. Вода способна сорбировать (поглощать) и выделять газы, в том числе атмосферный воздух, при изменении температуры и давления.

Водяной пар - легко подвижная среда со сравнительно малой плотностью. С повышением давления растут температура и плотность пара, он имеет высокую энтальпию за счет скрытой теплоты фазового превращения.

Воздух - является также легко подвижной средой со сравнительно малой плотностью и теплоемкостью. При повышении температуры уменьшается плотность и растет его объем и наоборот. Сравнительная характеристика параметров теплоносителей для систем отопления приведена в табл. 1.

Окончание табл. 1

В настоящее время в нашей стране чаще всего применяются центральные системы водяного и парового отопления, местные и центральные системы воздушного отопления, а в небольших малоэтажных зданиях печное отопление.

Приведем общую характеристику этих систем на основании рассмотренных свойств теплоносителей и требований предъявляем к ним.

Наиболее важны санитарно-гигиенические и эксплуатационные требования, которые обуславливаются необходимостью поддержания заданной температуры помещения без значительных колебаний независимо от колебаний температуры наружного воздуха в течение отопительного периода и всего срока службы системы. Другое санитарно-гигиеническое требование - ограничение температуры поверхности отопительных приборов, которое вызвано разложением (сухой возгонкой) органической пыли на нагретой поверхности, сопровождающееся выделением вредных веществ в том числе оксида углерода (угарного газа). Интенсивное разложение пыли происходит при температуре поверхности отопительных приборов 80 °С и выше.

Требования, предъявляемые системам отопления, их техникоэкономические и санитарно-гигиенические преимущества и недостатки, а также свойства теплоносителей определяют область их применения.

Системы водяного отопления благодаря высоким санитарно-гигиеническим качествам, надежности и долговечности рекомендуется применять в жилых, общественных и производственных зданиях. Ограничивается область их применения высоким гидростатическим давлением не более 0,6-1 МПа, и в тех помещениях, где недопустимы колебания температуры, что характерно для водяных систем из-за их тепловой инерционности.

Паровое отопление допускается в помещениях промышленных и ряде вестибюлях общественных зданий, обычно при наличии пара для технологическим нужд, при кратковременном пребывании в них людей, а также в лестничных клетках, пешеходных переходах и в тепловых пунктах. Чаще всего паровое отопление применяют в качестве периодического и дежурного. Последнее применяется в помещениях для поддержания минимально допустимой температуры, когда в них отсутствуют люди. Малое гидростатическое давление пара (из-за малой его плотности) делает целесообразным применять паровое ото-

30

пление для высотных зданий в качестве первичного теплоносителя (пароводяные системы отопления).

Ограничения применения паровых систем отопления обусловлено высокой температурой поверхности отопительных приборов до 100 - 130 °С, что не соответствует санитарно-гигиеническим требованиям, шумом при движении пара по паропроводам, и малым сроком службы этих систем (10 лет паропроводы, около 4 лет конденсатопроводы) из-за коррозии стальных труб.

Воздушное отопление обеспечивает быстрое изменение и равномерность температуры помещения, в большей степени, чем паровое удовлетворяет са- нитарно-гигиеническим требованиям. В системах воздушного отопления отсутствуют отопительные приборы. Благодаря возможности сочетания отопления и вентиляции воздушное отопление применяют в помещениях промышленных зданий с выделением различных вредностей, а также в качестве дежурного и периодического отопления помещений большого объема производственных и общественных зданий. В местностях с мягким климатом воздушное отопление применяется в жилых зданиях. Ограничениями применения воздушного отопления являются: невысокая надежность из-за возможного нарушения распределения воздуха по помещениям; вероятность переноса вредностей в другие помещения; малая теплоаккумулирующая способность из-за малой плотности воздуха; во много раз больше, чем в системах водяного и парового отопления, поперечные сечения воздуховодов; малый радиус действия из-за значительного понижения температуры воздуха по длине воздуховодов.

Системы воздушного отопления не разрешается применять в детских садах, яслях, лечебных и других учреждениях, к которым предъявляются повышенные санитарно-гигиенические требования, из-за возможности переноса инфекций и других вредностей по помещениям всего здания.

12. Вентиляция

Термин «вентиляция» происходит от латинского слов "ventilatio" - проветривание.

Человек в течение всей жизни находится в воздушной среде. От качества воздуха - его температуры, влажности, чистоты - зависит самочувствие, здоровье, работоспособность, сама жизнь людей.

Объектом обработки, перемещения, забора и распределения в системах вентиляции является воздух.

Рассмотрим состав и основные свойства атмосферного воздуха. Атмосферный воздух можно рассматривать как состоящий из сухой части

и водяных паров. Сухая часть воздуха является смесью газов. В него входят (% по объему): азот - 78,03, кислород - 20,95, инертные газы (главным образом, аргон) - 0,94, а также, в небольшом количестве, диоксид углерода (углекислый газ) и другие газы.

31

Содержание указанных компонентов в сухом воздухе более или менее стабильно. Количество же водяных паров в атмосферном воздухе изменяется в широких пределах и зависит от климатических условий и времени года. Поскольку в атмосферном воздухе всегда имеется то или иное количество водяных паров, он может рассматриваться как влажный воздух.

Все компоненты влажного воздуха находятся практически в перегретом состоянии, т.е. при температуре более высокой, чем температура парообразования. Поэтому на влажный воздух могут быть распространены законы идеальных газов.

Сухая часть воздуха и водяные пары, входящие в состав влажного воздуха, занимают весь объем и имеют одинаковую температуру.

Применяются следующие характеристики влажного воздуха.

Абсолютной влажностью называется количество водяных паров, содержащихся в единице объема воздуха.

Относительная влажность показывает степень насыщения воздуха водяными парами. Она выражает отношение абсолютной влажности при данном состоянии к абсолютной влажности при его полном насыщении при тех же значениях температуры и давления.

При обработке влажного воздуха в системах вентиляции и кондиционирования изменяется количество водяных паров, содержащихся в воздухе, содержание же сухого воздуха остается постоянным. Поэтому при расчетах процессов, связанных с увлажнением и осушением воздуха, удобно пользоваться единицей измерения влажности, которая бы выражала отношение переменного количества водяного пара к неизменной массе сухого воздуха. Такая единица называется влагосодержанием. Влагосодержание выражает количество водяных паров, приходящееся на 1 кг сухого воздуха.

Относительная влажность воздуха с достаточной точностью (2-3 % в сторону уменьшения) может быть вычислена как отношение действительного влагосодержания воздуха к влагосодержанию при полном насыщении:

Теплосодержание (энтальпия) влажного воздуха - количество теплоты, необходимой для нагревания от О °С до данной температуры такого количества влажного воздуха, сухая часть которого имеет массу 1 кг.

Практическое занятие №1 Инженерное оборудование зданий

Цель работы: познакомиться с инженерным оборудованием дома. Составить карту-схему расположения и основных характеристик инженерного оборудования жилого помещения (квартиры, блока в общежитии, частного дома и т.п.). Написать вывод.

Теоретические сведения

Здание - это не просто коробка окнами и дверями. Современные дома, цеха и другие сооружения оснащены сложным инженерным оборудованием, ко-

32

торое обеспечивает их нормальное функционирование. К инженерному оборудованию зданий относят весь комплекс инженерных устройств, которыми оснащается здание: оборудование для энергоснабжения, водопровод, канализацию, мусоропроводы, системы кондиционирования воздуха, отопления, вентиляции, а также лифты, грузоподъемные краны производственных корпусов и. т.д. В первом задание вам предстоит опись инженерное оборудование жилого помещения.

Современные гражданские, промышленные и сельскохозяйственные здания оснащены различным по назначению и мощности электросиловым оборудованием. К нему относят лифты, устройства принудительной вентиляиии, насосные установки, кондиционеры, калориферы, тепловые завесы и т. п.

Лифт — это стационарный подъемник прерывного действия с вертикальным движением кабины, размещаемый в лифтовой шахте и движущийся по направляющим. Он снабжен устройствами автоматики, обеспечивающими подачу лифтовой кабины по вызову, остановку, открытие и закрытие дверей. для работы лифта используется электропривод. Различают пассажирские, грузопассажирские и грузовые лифты. Последние могут иметь кабины, допускающие перемещение крупногабаритных грузов. Насосные установки, состоящие из насосов и приводных электродвигателей, предназначены для создания требуемого напора в водопроводных системах зданий, а также в системах пожаротушения.

Вентиляционные установки систем принудительной вентиляции также работают с помощью электродвигателей. Принудительная вентиляция обеспечивает нормальную воздушную среду в помещениях за счет притока в них свежего воздуха (приточная вентиляция) или удаления из них горячего воздуха, пыли, дыма и других промышленных выделений (вытяжная вентиляция). Вентиляционные устройства размещают в специальных вентиляционных камерах.

Установки кондиционирования воздуха обеспечивают создание комфортных условий в помещениях за счет регулирования состава, чистоты, температуры, влажности и скорости движения воздуха. В небольших помещениях могут использоваться бытовые кондиционеры. На некоторых производств требуются промышленные кондиционеры, представляющие собой комплекс автоматических приточных и вытяжных вентиляционных агрегатов, обеспечивающих заданные параметры воздушной среды.

В холодное время года требуется отапливать помещения для создания в них комфортной температуры. Следует, правда, заметить, что человек и окружающие его бытовые приборы постоянно выделяют теплоту и если обеспечить соответствующую изоляцию стен и перекрытии, ограничить приток холодного воздуха, то в помещении будет тепло и без отопления. Чтобы человек чувствовал себя нормально, ему требуется не только комфортная температура, ни и соответствующая влажность, а также приток свежего воздуха. Таким образом, отопление и вентиляция взаимосвязаны, важно найти оптимальное соотношение между ними.

33

Техника, используемая для отопления и вентиляции помещений, является одним из показателей уровня развития общества. Одна из актуальных проблем заключается в плохом сохранении теплоты в зданиях, особенно построенных 50-60 лет назад. В них происходят большие теплопотери из-за недостаточной толщины стен, низкого качества окон и дверей, которые имеют щели, потерявшего свои теплотехнические свойства утеплителя и т.д. Все это вместе с потерями теплоты на теплотрассах является причиной недопустимо низких температур в жилых комнатах и помещениях общественных зданий.

В настоящее время гражданские и промышленные здания в основном отапливаются с помощью радиаторов центрального отопления, в которые подается горячая вода от теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) или из котельной. В некоторых помещениях целесообразно использование системы отопления «теплый пол», т.е. размещение под полом электронагревательных элементов, обеспечивающих небольшой и равномерный нагрев, величину которого можно регулировать.

Наряду с использованием централизованного водяного отопления можно отапливать помещения, подавая в них теплый воздух и устраивая тепловые завесы на пути холодного воздуха с улицы. Многие здания по-прежнему отапливаются печами или с помощью водяных котлов, работающих на дровах, угле или газе. Нередко современную систему отопления совмещают с камином, хотя последний служит в основном не для нагрева помещения, а для создания в нем уюта.

Централизованная подача воды в жилые дома целого микрорайона или поселка не всегда возможна и выгодна: многокилометровые трубопроводы дороги, к тому же при транспортировке по ним горячей воды теряется много теплоты. В последнее время стали строиться автоматизированные мини-котель- ные, работающие на газе. Их можно располагать на крышах или вблизи донов.

Практическое занятие №2 Приборы учета коммунальных ресурсов

Цель работы: познакомиться с приборами учета коммунальных ресурсов. Оценить динамику потребления энергетических ресурсов и воды на примере жилого помещения. Построить график потребления и определить еженедельный расход коммунальных ресурсов. Написать вывод.

Теоретические сведения

Приборы учета бывают общедомовые (в подвалах многоквартирных домов), квартирные (в коммунальных квартирах) и индивидуальные. Первые учитывают потребление всего дома, оплата рассчитывается на всех, кто в доме зарегистрирован. Квартирные устанавливаются в коммунальных квартирах, оплата рассчитывается на всех, кто в квартире зарегистрирован. Индивидуальные приборы ставят в отдельные квартиры и комнаты коммунальных квартир. Для каждого отдельного человека оптимальным вариантом является установка индивидуального прибора учета. Это позволяет не оплачивать потери при ава-

34

риях на трассе, расход соседей из-за испорченного крана.

Из данных статистики следует, что из общего объема потребляемой воды только 74% используется с пользой. Так же та же статистика утверждает, что после установки счетчика владельцы дома или квартиры тратят воду более рационально и экономят до 33%. Всеобщий учет потребляемой воды полезен и для окружающей среды. Снижается объем воды при водоподготовке, меньше необходимо очищать и сбрасывать после использования. За наличие счетчиков воды отвечают владельцы квартир и домов, содовых и дачных домиков. Они же должны оплатить как сами приборы, так их установку, и обеспечить надлежащие условия эксплуатации.

Для учета потребляемого тепла используются различные теплосчетчики. Независимо от модели, они все состоят из двух основных частей - датчиков тепла, давления, расхода и тепловычислителя. Качество теплоснабжения зависит от датчиков. Тепловычислитель - микропроцессорное устройство, которое обрабатывает сигналы датчиков и преобразует их в форму цифр. Прибор учета тепла не экономит его, он стимулирует людей экономить. На приборе в любой момент можно увидеть, сколько израсходовано и при необходимости сократить потребление. Но индивидуальный счетчик в многоэтажном доме проблему полностью не решает. Необходим так же общедомовой прибор, чтобы определить утечки и потери и установить, кто должен их оплачивать. В противном случае за потери на участке или в домовой сети должны платить жильцы. Установке приборов учета тепла препятствует эксплуатационные характеристики старых многоэтажных домов. В этих зданиях установлена вертикальная система отопления, при которой через каждую квартиру проходят несколько стояков, а на радиаторах отсутствуют терморегуляторы. Чтобы установить в таких квартирах счетчики тепла, необходимо демонтировать вертикальную систему отопления и установить горизонтальную

Счетчик газа - прибор, измеряющий объем газа (в кубометрах или единицах массы), который прошел через газопровод за определенное время. В счетчиках чаще всего определяется кубометры в час при заранее установленной рабочей температуре и давлении.

Газовые счетчики подразделяются на промышленные (более 40 м3/ч), ком- мунально-бытовые (от 10 м3/ч) и бытовые (до 10 м3/ч). При покупке устройства следует учитывать его пропускную способность. Если газ потребляет только плита, то достаточно 1,6 м3/ч, но если установлена еще и газовая колонка, то потребуется около 4 м3/ч. От мощности напрямую зависит стоимость прибора. Мощные приборы, которые стоят дешевле, но обладают большими габаритами, при установке требуют сварки. Более дорогостоящие сварки не требуют и служат до 10-и лет.

Счетчики электроэнергии есть практически у всех, но собранных средств не хватает для того, чтобы покрыть все потребление. Такое положение вызвано тремя причинами:

естественные потери в сетях (4-11% от общего объема потребления);

35

низкое качество установленных механических счетчиков, влекущее за собой недочет;

воровство (в некоторых регионах достигает 40% от общего объема потребления).

Потери в сетях можно только снизить. Остальные две причины возможно полностью устранить, если заменить механические счетчики электронными. К тому же, они служат в два раза дольше.

Практическое занятие № 3 Расчет теплового баланса помещения

Цель работы: познакомиться с методикой расчета теплового баланса помещений. Произвести расчет теплового баланса жилого помещения на основании практического задания №1. Написать вывод.

Теоретические сведения

Ориентировочная методика расчета теплового баланса помещений Суммарные теплопоступления в помещения гражданских и обществен-

ных зданий определяются следующей формулой:

где: Qл — теплопоступления от людей; Qосв — от освещения; Qотоп — от отопительных приборов; Qт.о.— от технологического оборудования; Qс.р.— от солнечной радиации; Qэ — от электропотребляющего оборудования; Qпов — от нагретых поверхностей оборудования; Qг.п.— от горячей пищи; Qкомп — от компьютеров (оргтехники).

Теплопоступления от людей складываются из отдачи явного и скрытого тепла и зависят от степени тяжести выполняемой людьми работы и температуры воздуха в помещении (таблица 2).Количество явного тепла оценивается как:

Количество полного тепла:

где: n — количество людей, qя и qп — соответственно количество тепла, выделяемое мужчиной при определенной температуре воздуха в помещении (табл.

2).

36

Таблица 2 Количество тепла и влаги, выделяемое взрослыми мужчинами

Примечание. Женщины выделяют 85%, а дети 75% тепла и влаги по сравнению с мужчинами

Теплопоступления от источников искусственного освещения можно определить по следующей формуле:

где: Е — уровень освещенности, лк.; F — площадь пола помещения, м2; Qосв — удельные тепловыделения, Вт/(м2•лк); Ηосв — доля тепла, поступающего в помещения. Зависит от местоположения источника света и от типа ламп.

Теплопоступления от отопительных приборов следует определять для помещений, которые оборудованы системой водяного отопления и постоянно работающей системой вентиляции или кондиционирования воздуха.

В режиме вентиляции теплопоступления от отопительных приборов определяют по формуле:

В режиме кондиционирования теплопоступления от отопительных приборов высчитывают, исходя из следующего выражения:

где: Qт.п.— суммарные теплопотери помещения, Вт; Tср.оп — средняя темпера-

тура отопительного прибора, ˚С; (tср.оп = (tпод. + tобр.)/2, где tпод. и tобр.— температура теплоносителя в подающем и обратном трубопроводе системы отопления,

˚С); Tв.вент — расчетная температура воздуха при расчете вентиляции, ˚С; Tв.от — расчетная температура воздуха при расчете отопления, ˚С; Tопт— расчетная температура воздуха при расчете кондиционирования, ˚С.

Теплопоступление от солнечной радиации через ограждения следует рассчитывать для теплого и переходного периодов года.

Для остекленных поверхностей величина солнечной радиации определяется выражением:

где: Fo — площадь поверхности остекления, в м2; Qo — величина солнечной радиации в ккал/м2 • ч через м2 поверхности остекления, зависящая от ориентации по сторонам света; 1,16 — переводной коэффициент из ккал/ч в Вт; Ao — коэффициент, зависящий от характеристики остекления.

Для покрытий количество тепла, поступающего в помещение за счет солнечной радиации, определяется по формуле:

где: F — площадь поверхности покрытия, в м2; Qп — величина солнечной радиации в ккал/м2•ч через м2 поверхности покрытия; 1,16 — переводной коэффициент из ккал/ч в Вт; Кп — коэффициент теплопередачи покрытия.

При подсчете теплопоступлений от солнечной радиации следует принимать большую из двух величин: либо теплопоступление через остекление, расположенное в одной стене помещения + теплопоступление через покрытие, либо теплопоступление через остекление, расположенное на двух взаимно перпендикулярных стенах + теплопоступление через покрытие.

Теплопоступление от бытовых электрических приборов: электронагревателей, электроутюгов и сушилок, вычисляется по формуле:

где: Nэ — электрическая мощность приборов, Вт; ηэ — коэффициент, учитывающий долю тепла, поступающего в помещение (если прибор находится в помещении без укрытия, то ηэ =1, если имеются укрытия с отводом воздуха ηэ =

0,2…0,6.

Теплопоступления от нагретых поверхностей оборудования:

38