Сканави А.Н., Махов Л.М. Отопление, 2002

При низкой температуре наружного воздуха скорость ветра, как правило, понижается. По многолетним наблюдениям в средней полосе России при температуре от -15 до -21 °С скорость ветра в городах даже на высоте 50.. .75 м от земли не превышает 3,9.. .4,5 м/с, а при температуре от -21 до-30 °С-3,4...4 м/с.

В этих условиях, расчетных для отопления, разность давления, создаваемая ветром во входах, сравнительно невелика даже на наветренной стороне зданий. С некоторым приближением для зданий высотой до 50 м ее можно выразить через гравитационную разность давления, возникающую по высоте всего лишь одного этажа. Тогда расчетная разность давления рвх, Па, на уровне середины высоты входных дверей при сбалансированном действии вентиляции в здании составит

где Нзд - высота здания от поверхности земли до верха лестничной клетки, м; hэт -полная высота одного этажа, м; hдв - высота створки входных дверей, м; γн и γв -удельный вес воздуха, Н/м3, соответственно при расчетной температуре наружного и внутреннего воздуха.

Под влиянием этой разности давления во входе при открывании дверей устанавливается поток холодного воздуха, скорость которого зависит от сопротивления воздухопроницанию конструкции входа. Если, пренебрегая трением воздуха о стенки входа, считать сопротивление конструкции входа пропорциональным коэффициенту местного сопротивления ξвх, то потери давления во входе

где vbx - средняя скорость движения холодного воздуха в открытом проеме наружной входной двери, м/с; ξвх - коэффициент местного сопротивления конструкции входа, вычисленный при проведении экспериментов по потерям статического давления во входе, отнесенным к динамическому давлению при vbx; jвх - удельный поток холодного воздуха, кг/(с·м2), через 1 м2 открытого проема наружной входной двери.

Из уравнения (10.61) находим выражение для удельного потока холодного воздуха

где μвх = 1 / (1 + ξвх)0,5 - коэффициент расхода воздуха во входе без учета действия воздушной завесы и влияния фигуры человека, проходящего через вход.

Уменьшение коэффициента расхода воздуха отражает возрастание сопротивления воздухопроницанию входа. Путем конструктивного изменения обычного входа с двойными дверями, разделенными тамбуром (создав зигзагообразный путь), можно сократить его воздухопроницание почти на 30 %. При замене его входом с тройными дверями можно уменьшить расход холодного воздуха в 2 раза. При установке во входе вращающейся (турникетной) двери количество наружного воздуха, проникающего в здание, снижается в

7...7,5 раза.

Для большинства общественных зданий характерно многократное открывание входных дверей. В отдельных случаях входные двери остаются постоянно открытыми (например, в крупном магазине) и тогда удельный поток холодного воздуха по формуле (10.62) определяет мощность воздушно-тепловой завесы. Во всех других случаях тепловая мощность за-

331

весы может быть снижена пропорционально времени поступления холодного воздуха в течение 1 ч. Тогда при периодическом открывании дверей небольшие, часто поступающие порции холодного воздуха будут быстро прогреваться горячим воздухом непрерывно действующей завесы умеренной мощности, а в помещениях, прилегающих ко входу, может поддерживаться достаточно ровная температура (в вестибюлях общественных и админи- стративно-бытовых зданий допустима температура воздуха 12 °С).

Следовательно, для выбора тепловой мощности завесы необходимо знать общее время, в течение которого входные двери будут открытыми. При проходе одного человека створка входных дверей в течение некоторого промежутка времени (до 10 с) раскрывается и вновь закрывается. Общее время постепенного раскрывания и закрывания створки, когда площадь открытого проема непрерывно изменяется, можно привести к эквивалентному (по воздухопроницанию) времени нахождения створок дверей входа в полностью раскрытом состоянии, условно считая, что створки мгновенно распахиваются и столь же быстро закрываются.

Экспериментально установлено, что эквивалентное время z, при одиночном проходе человека через одинарные двери составляет 2 с, через двойные 1,5 с и через тройные 1... 1,2 с.

Зная число людей, проходящих через вход в течение 1 ч, можно определить общее количество холодного воздуха Gвх, кг/ч, входящее в формулу (10.59)

где jBX - удельный поток холодного воздуха, кг/(с·м2), определяемый по формуле (10.62); Адв - площадь одной открываемой створки дверей входа, м2; zэ - эквивалентное время открывания дверей, с; N - число людей, проходящих через вход в 1 ч.

В формуле (10.63) коэффициент 0,9 учитывает задерживающее влияние фигуры человека, проходящего через дверной проем площадью около 2 м2, на количество одновременно протекающего воздуха.

Из рассмотрения формул (10.59), (10.62) и (10.63) можно сделать вывод, что техникоэкономические показатели воздушно-тепловой завесы (мощность и связанные с ней капитальные и эксплуатационные затраты) зависят от параметров наружного воздуха, высоты здания, конструкции входа и режима его использования. При прочих равных условиях мощность завесы в значительной степени определяется величиной сопротивления воздухопроницанию выбранной конструкции входа.

Тепловая мощность калориферов Q3 рециркуляционной установки воздушно-тепловой завесы равна теплозатратам на нагревание наружного воздуха, проникающего через вход

(см. формулу (10.59)), т.е.

Иногда воздух для воздушно-тепловой завесы забирают снаружи и предусматривают использование его также для вентиляции помещений, прилегающих к входу. В этом случае теплозатраты на нагревание воздуха в калориферах увеличиваются и вычисляются по формуле

332

6.Как обеспечить саморегулирование работы рециркуляционного воздухонагревателя?

7.Постройте график изменения количества воздуха, нагреваемого в рециркуляционном воздухонагревателе, в течение отопительного сезона.

8.Разработайте схему воздухораспределительного клапана повышенного аэродинамического сопротивления со звукопоглощающим вкладышем для центральных систем воздушного отопления многоэтажных зданий.

9.Сравните способы подачи воздуха для смесительной воздушно-тепловой завесы сверху, снизу и сбоку от входных дверей в здание.

ГЛАВА 11. ПАНЕЛЬНО-ЛУЧИСТОЕ ОТОПЛЕНИЕ

§ 11.1. Система панельно-лучистого отопления

Лучистым называют способ отопления, при котором радиационная температура помещения превышает температуру воздуха. Для лучистого отопления применяют греющие панели - отопительные приборы со сплошной гладкой нагревательной поверхностью. Греющие панели совместно с теплопроводами образуют систему панельно-лучистого отопления. При использовании такой системы в помещениях создается температурная обстановка, характерная для лучистого способа отопления.

Итак, условиями, определяющими получение лучистого отопления в помещении, служат применение панелей и выполнение неравенства

где tR - радиационная температура (осредненная температура поверхности всех ограждений - наружных и внутренних - и отопительных панелей, обращенных в помещение); tв - температура воздуха помещения.

При панельно-лучистом отоплении помещение обогревается, главным образом, за счет лучистого теплообмена между отопительными панелями и поверхностью ограждений. Излучение от нагретых панелей, попадая на поверхность ограждений и предметов, частично поглощается, частично отражается. При этом возникает так называемое вторичное излучение, также, в конце концов, поглощаемое предметами и ограждениями помещения. Интенсивность облучения отопительной панелью поверхности различных ограждений помещения характеризуется данными (табл. 11.1), полученными при замерах освещенности облучаемой поверхности световой моделью панели.

Таблица 11.1. Распределение (в долях единицы.) лучистого потока от отопительной панели между ограждениями помещения

334

Из таблицы видно, что ограждение, в плоскости которого установлена отопительная панель, получает путем вторичного излучения всего 9... 12 % общего лучистого потока. При расположении отопительной панели у наружной стены под окном или под потолком соответственно усиливается облучение пола (26 %) или потолка (42 %) помещения.

Благодаря лучистому теплообмену повышается температура внутренней поверхности ограждений по сравнению с температурой при конвективном отоплении, и в большинстве случаев она превышает температуру воздуха помещения.

Лучистое отопление может быть устроено при низкой (до 70 °С), средней (от 70 до 250 °С) и высокой (до 900 °С) температуре излучающей поверхности. Система отопления делается при этом местной и центральной.

К местной системе относят отопление панелями и отражательными экранами при средней и высокой температуре их поверхности, если энергоносителями являются электрический ток или горючий газ, а также твердое топливо (при сжигании его в каминах). В настоящее время нормами предусмотрено применение излучателей при температуре их поверхности не выше 250 °С.

В центральной системе панельно-лучистого отопления применяются низко- и среднетемпературные панели и отражательные экраны с централизованным теплоснабжением при помощи нагретых воды и воздуха, реже пара высокого и низкого давления.

Отопительные приборы размещают в потолке или полу, у потолка или стен помещения. Систему панельно-лучистого отопления, соответственно, называют потолочной, напольной или стеновой. Местоположение панелей и отражательных экранов выбирают на основании технологических, гигиенических и технико-экономических соображений.

Теплопередача только излучением возможна лишь в безвоздушном пространстве. В помещении лучистый теплообмен всегда сопровождается конвективным. Теплоизлучения распределяются по поверхности ограждений неравномерно: по закону Ламберта пропорционально косинусу угла направления излучения к нормали излучающей поверхности. При этом вследствие различия температуры поверхностей возникает движение воздуха в помещении, которое усиливается благодаря развитию нисходящих потоков воздуха у охлаждающихся поверхностей. В результате отопительная панель часть теплоты передает конвекцией воздуху, перемещающемуся у ее поверхности.

Размещение отопительной панели в потолке затрудняет конвективный теплоперенос, и в теплопередаче панели теплообмен излучением составляет 70... 75 %. Греющая панель в полу активизирует теплоперенос конвекцией, и на долю теплообмена излучением приходится всего 30...40 %. Вертикальная панель в стене в зависимости от высоты передает излучением 30...60 % всей теплоты, причем доля теплообмена излучением возрастает с увеличением высоты панели.

Лишь потолочное панельное отопление, во всех случаях передающее в помещение излучением более 50 % теплоты, могло быть названо лучистым. При напольном отоплении, а также почти всегда при стеновом в общей теплопередаче панелей преобладает конвективный теплоперенос. Однако способ отопления - лучистое оно или конвективное - характеризуется не доминирующим способом теплоотдачи, а температурной обстановкой в помещении (см. выражение (11.1)).

335

Действительно, при низкотемпературных (26.,.38 °С), а следовательно, развитых по площади потолочных и напольных панелях увеличивается температура поверхности ограждений помещения, и способ обогревания всегда относится к лучистому. При стеновых же панелях в зависимости от их размеров и температуры поверхности способ отопления помещения может быть отнесен и к лучистому, и к конвективному (если радиационная температура окажется ниже температуры воздуха). Однако по общности конструктивной схемы и способа отопления помещений потолочному, напольному и стеновому панельному отоплению дается общее наименование - панельно-лучистое.

В системах панельно-лучистого отопления применяют металлические панели с отражательными экранами и бетонные панели.

Металлические панели предназначены для отопления широких производственных помещений, перекрытых фермами, не нуждающихся в активной вентиляции (механические, инструментальные, модельные цехи, ангары, склады и т.п. помещения). Излучающие панели, подвешиваемые в верхней зоне таких помещений, состоят из металлического отражательного экрана с козырьками, к нижней поверхности которого прикреплены греющие трубы, а верхняя поверхность покрыта слоем тепловой изоляции.

Конструкция подвесных панелей должна быть такой, чтобы теплоотдача излучением вниз составляла не менее 60 % общей теплоотдачи. Только тогда достигается равномерность температуры воздуха по высоте помещений и экономится тепловая энергия по сравнению с конвективным отоплением обычного вида, особенно воздушным.

Бетонные панели с замоноличенными греющими трубами применяются в напольных и стеновых системах панельно-лучистого отопления. Бетонные панели используются для отопления жилых, общественных и производственных зданий, особенно, когда к помещениям этих зданий предъявляются повышенные санитарно-гигиенические требования.

Приоритет по конструированию и применению на практике, на основании идеи проф. В.М. Чаплина, системы отопления с заделкой стальных труб в толщу стен, потолков и полов, а также колонн, пилястр и даже лестничных перил и балясин (г. Саратов, 1905 г.) принадлежит русскому инженеру В.А. Яхимовичу. Эта система была названа им панельным отоплением (английский патент 1907 г.). За короткий срок (1907-1911 гг.) по проектам инж. Яхимовича такими системами отопления были оборудованы в Поволжье свыше 20 крупных больничных, школьных и общественных зданий. В качестве теплоносителя в этих системах использовались горячая вода и пар.

Втом же 1907 г. английский инженер Баркер также получил патент на устройство систем отопления с плоскими нагревательными поверхностями.

Вдальнейшем, в конце 1920-х годов, подобные системы панельного отопления получили распространение в зарубежной практике под названием лучистого отопления.

ВРоссии бетонные греющие панели стали вновь использоваться с 1952 г. в связи с переходом к индустриальным методам сооружения зданий.

При отопительных панелях, скрытых в строительных конструкциях, обеспечиваются повышенные санитарно-гигиенические требования (см. табл. 4.1), не занимается полезная площадь помещений. Температура поверхности греющих панелей значительно ниже температуры теплоносителя. Уменьшается расход металла по сравнению с расходом на чу-

336

гунные или стальные радиаторы, на гладкотрубные приборы. Выравнивается температура воздуха по высоте обогреваемых помещений.

К достоинствам систем панельно-лучистого отопления можно также отнести сокращение затрат труда на месте строительства зданий, при заводском изготовлении конструкций перекрытий и полов с замоноличенными греющими элементами. Возможно сокращение теплозатрат на отопление помещений при относительном понижении температуры внутреннего воздуха.

Недостатками систем панельно-лучистого отопления являются трудность ремонта замоноличенных греющих элементов, сложность регулирования теплоотдачи отопительных панелей, повышение капитальных вложений (по сравнению с конвективным отоплением) при низкой температуре теплоносителя.

Панельно-лучистое отопление применяют в жилых зданиях, помещениях детских дошкольных учреждений, в операционных, родовых, наркозных и тому подобных помещениях лечебно-профилактических учреждений, в помещениях и вестибюлях (теплые полы) общественных зданий. Отопительные панели используют также для обогревания основных помещений вокзалов, аэропортов, ангаров, высоких цехов производственных зданий, помещений категорий Г и Д (кроме помещений со значительным влаговыделением), применяют в производственных помещениях с особыми требованиями к чистоте (производство пищевых продуктов, сборка точных приборов и т.п.).

§ 11.2. Температурная обстановка в помещении при панельно-лучистом отоплении

При панельно-лучистом отоплении температура каждой поверхности ограждений, участвующих в лучистом теплообмене, повышается. При этом создается температурная обстановка, более благоприятная для человека.

Известно, что самочувствие человека значительно улучшается при повышении доли конвективного теплопереноса в общей теплоотдаче его тела и уменьшении излучения на холодные поверхности (радиационного охлаждения). Это и обеспечивается при системе па- нельно-лучистого отопления, когда теплоотдача человека путем излучения уменьшается вследствие повышения температуры поверхности окружающих его ограждений.

Одновременно несколько понижают против обычной температуру воздуха в помещении, в связи с чем происходит дальнейшее увеличение конвективного теплообмена человека, что опять-таки способствует улучшению его самочувствия.

Таким образом, при применении системы панельно-лучистого отопления возрастает средняя температура поверхности ограждений. Отметим также некоторое повышение относительной влажности при снижении температуры воздуха, что также благоприятствует созданию комфортных условий в помещениях.

Обычную (нормативную для конвективного отопления) температуру воздуха в помещениях допустимо понижать на 1.. .3 °С. Установлено, что в обычных условиях хорошее самочувствие людей обеспечивается при температуре воздуха в помещении 17,4 °С при стеновых отопительных панелях и 19,3 °С при конвективном отоплении. В табл. 11.2 приведены средняя температура поверхности ограждений и тела человека, а также температура воздуха в различных помещениях при панельно-лучистом отоплении (для сравнения дана температура воздуха помещений при конвективном отоплении).

337

Таблица 11.2. Средняя температура, °С, внутренней поверхности ограждений, тела человека, воздуха (допустимая) в помещениях при панельно-лучистом отоплении

Данные табл. 11.2 подтверждают, что при панельно-лучистом отоплении допустимо понижение температуры воздуха помещений в среднем на 2 °С против температуры воздуха при конвективном (радиаторами или конвекторами) отоплении. Средняя температура внутренней поверхности ограждений в большинстве случаев получается выше температуры воздуха.

Температурный комфорт в помещении при нормальных влажности и подвижности воздуха определяется, как известно, не только температурой воздуха tв, но и средней температурой нагретых и охлажденных поверхностей, обращенных в помещение (радиационной температурой tR, воздействие которой с точки зрения теплоотдачи человека равноценно воздействию температуры окружающих его поверхностей).

Радиационную температуру для человека, находящегося в центре помещения, можно найти по формуле

где φч.i - коэффициент облученности с поверхности тела человека (индекс "ч") в сторону i- той поверхности, имеющей температуру tR.

Для упрощения часто принимают температуру поверхности внутренних ограждений равной температуре воздуха tв, а радиационную температуру tR определяют как средневзвешенную по площадям

Значение радиационной температуры tR, найденное по формулам (11.2) или (11.3), для выполнения первого условия температурной комфортности должно находиться в строго определенных пределах [6].

В помещениях с греющими панелями, наряду с обеспечением общего температурного комфорта (первого условия температурной комфортности), может возникнуть опасность интенсивного облучения или нагревания отдельных частей тела человека, прежде всего головы и ступней ног.

338

Исследованиями установлено, что комфортными относительно нагретой поверхности являются условия, когда находящаяся против этой поверхности часть головы человека теряет излучением около 11,6 Вт/м2. Следовательно, для температурного комфорта человека, находящегося под греющей потолочной панелью, температура поверхности последней должна быть ограничена (второе условие температурной комфортности).

Предельно допустимая температура поверхности потолочной греющей панели тп, °С, определяется в зависимости от ее размера и расстояния до головы человека по формуле

где φч.п - коэффициент облученности с поверхности головы человека на потолочную панель, приблизительно (для значений (φ>0,2) равный

у - расстояние от головы человека до потолочной отопительной панели; 1 - осредненный размер отопительной панели (при известной площади панели Ап равной Ап0,5 м).

При коэффициенте облученности около 0,2 допустимая температура поверхности потолочной отопительной панели приближается к 60 °С, т.е. к предельному значению для низкотемпературных панелей. Возможность дальнейшего повышения температуры излучающей поверхности связана с уменьшением размеров панелей - переходом от панелей, занимающих всю или почти всю площадь потолка, к греющим экранам ограниченных размеров. Уменьшающееся при этом значение коэффициента облученности должно определяться более точно, чем по формуле (11.5), с учетом взаимного расположения в помещении рабочего места человека и экрана. Рассмотрим такой случай на примере.

Пример 11.1. Проверим допустимость принятой температуры поверхности потолочного экрана размером 2,0×2,0 м (70 °С) для человека, выполняющего в помещении умеренную работу. Вертикальное расстояние от головы человека до точки 7 на потолке (рис. 11.1) составляет 2,7 м, а ближние к этой точке края экрана отстоят от нее по горизонтали на 1,0 м.

Рис. 11.1. Схема взаимного расположения в помещении человека и потолочного отопительного экрана (к примеру 11.1)

339

Коэффициент облученности с элементарной площадки на голове человека на поверхность отопительного экрана найдем, используя график на рис. 1.9 [6], обозначив нижеследующие четыре площадки на потолке, примыкающие к точке 7, цифрами по их углам (см. рис.

11.1):

коэффициент облученности на первую площадку (1-3-9-7) φч.п1 = 0,145;

то же, на вторую площадку (4-6-9-7) φч.п.2 = 0,075;

то же, на третью площадку (1-2-8-7) φч.п3 = 0,075;

то же, на четвертую площадку (4-5-8-7) φч.п4 = 0,037.

Действительный коэффициент облученности на нагретую поверхность экрана (на пло-

щадку 2-3-6-5) φч.п.1 = φч.п 2 - φч.п.2 - (φч.п.з - φч.п.4) = 0,145 - 0,075 - (0,075 - 0,037) - 0,032.

Максимальная допустимая температура поверхности экрана в рассматриваемых условиях по формуле (11.4)

Следовательно, принятая температура поверхности потолочного отопительного экрана допустима.

Среднюю температуру поверхности напольных отопительных панелей также ограничивают во избежание перегревания ног человека. В нормах установлена максимальная температура 26 °С для полов помещений с постоянным пребыванием людей и 31 °С - с временным их пребыванием. Кроме того, оговаривается, что температура поверхности пола по оси нагревательного элемента в детских учреждениях, жилых зданиях и плавательных бассейнах не должна превышать 35 °С.

Итак, при применении системы панельно-лучистого отопления обеспечивается повышение температуры внутренней поверхности ограждений. Температура поверхности отопительных панелей не должна превышать допустимой, определяемой с учетом взаимного расположения панелей и рабочих мест. При этом условии в помещениях в результате лу- чисто-конвективного теплообмена может устанавливаться комфортная температура.

Происходящее изменение радиационного режима помещений при панельно-лучистом отоплении используют для компенсации радиационного охлаждения людей в сторону ограждений с пониженной температурой внутренней поверхности.

§ 11.3. Теплообмен в помещении при панельно-лучистом отоплении

Теплообмен в помещении рассчитывают при установившемся состоянии, а тепловые потоки от греющей панели в помещение и из помещения наружу считают равными. При этом исходят из того, что заданными величинами являются: температура наружного tH и внутреннего tB воздуха, температура помещения tn (при спокойном состоянии человека ее принимают равной 23 °С, при легкой работе - 21 °С, при умеренной работе 18,5 °С, при тяжелой - 16 °С), температура греющей панели τп, сопротивления теплопередаче наружных ограждений R0.

Задачей расчета является нахождение температуры внутренней поверхности ограждений с учетом лучистого теплообмена между отопительной панелью и остальными взаимно параллельными и перпендикулярными поверхностями и конвективного теплообмена между воздухом и ограждениями. Знание этих температурных условий позволяет проверить со-

340