Книги / Махов Л.М. Отопление учеб. для вузов

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

Уменыпение коэффициента расхода воздуха отражает возрастание сопротивления возду-

хопроницанию 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) опреде-

ляет мощность воздушно-тепловой завесы. Во всех других случаях тепловая мощность за-

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 дей-

ствующей 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 пло-

щадь 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 за-

крываются.

Экспериментально установлено, что эквивалентное время 2, при одиночном проходе че-

ловека 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 коли-

чество холодного воздуха Овх, кг/ч, входящее в формулу (10.59)

где )вх - удельный поток холодного воздуха, кг/(с-м2), определяемый по формуле (10.62); Адв - площадь одной открываемой створки дверей входа, м2; 2Э - эквивалентное время от- крывания 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 технико-

экономические показатели воздушно-тепловой завесы (мощность и связанные с ней капи-

тальные и эксплуатационные затраты) зависят от параметров наружного воздуха, высоты здания, конструкции входа и режима его использования. При прочих равных условиях

331

мощность завесы в значительной степени определяется величиной сопротивления возду- хопроницанию выбранной конструкции входа.

Тепловая мощность калориферов ()з рециркуляционной установки воздушно-тепловой за-

весы равна теплозатратам на нагревание наружного воздуха, проникающего через вход

Иногда воздух для воздушно-тепловой завесы забирают снаружи и предусматривают ис-

пользование его также для вентиляции помещений, прилегающих к входу. В этом случае

теплозатраты на нагревание воздуха в калориферах увеличиваются и вычисляются по

формуле

где с - удельная массовая теплоемкость воздуха, равная 1005 Дж/(кг-°С).

Пример 10.15. Рассчитаем рециркуляционную воздушно-тепловую завесу для входа в 9-

этажное здание гостиницы в Москве при высоте этажа 3 м и числе проходящих людей

1000 человек в 1 ч. Вход состоит из трех дверей, расположенных под углом 90° друг к

другу со створками размером 0,8Х 2,5 м, разделенных двумя тамбурами ф!Х=3.8).

Расчетная разность давления по обе стороны входа при 1п=-26 °С определяем по формуле

(10.60)

дра* -0,5(3'9 -2-3 - 2,5)( 14,02 - 11,82) = 33,5 Па.

Удельный поток холодного воздуха находим по формуле (10.62)

= (2-1,429-33,5 / (1 т 3.8))°^ = 4,5 кг/(с-м2).

Количество холодного воздуха, поступающего в здание, по формуле (10.63)

<3ВХ = 0,9-4,5 0,8 2,51, 1 1000 = 8910 кг/ч.

Теплозатраты на нагревание холодного воздуха по формуле (10.59) С]ьх = 8910-1005(20 - (-

26)) / 3600 = 114420 Вт.

С>а* = 89 ) 0* 1005(20 - (-26)) I 3600 = 114420 Вт.

Расход воздуха, подаваемого для воздушно-тепловой завесы, нагретого до 1г=50 °С, по формуле (10.58, а)

Объем подаваемого воздуха по формуле (10.2)

Ц = 13660 / 1,098 = 12440 м3/ч.

332

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ И УПРАЖНЕНИЯ

1. Установите целесообразность применения нагретого сжатого воздуха дня целей

отопления помещений.

2. Охарактеризуйте известные модели отопительных агрегатов, предназначенных для воздушного отопления.

3. Перечислите условия применения наклонной подачи нагретого воздуха из воздухо- распределителей систем воздушного отопления.

4. Определите при равных условиях значения предельно допустимой температуры

нагретого воздуха, подаваемого из воздухораспределителя вертикально, наклонно

и горизонтально.

5. Сравните способы расчета центрального воздушного отопления помещения при

настилающихся и не настилающихся воздушных струях.

6. Как обеспечить саморегулирование работы рециркуляционного воздухонагревате- ля?

7. Постройте график изменения количества воздуха, нагреваемого в рециркуляцион-

ном воздухонагревателе, в течение отопительного сезона.

8. Разработайте схему воздухораспределительного клапана повышенного аэродина-

мического 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 помеще-

ния превышает температуру воздуха. Для лучистого отопления применяют греющие па-

нели - отопительные приборы со сплошной гладкой нагревательной поверхностью.

Греющие панели совместно с теплопроводами образуют систему панельно-лучистого ото-

пления. При использовании такой системы в помещениях создается температурная обста-

новка, характерная для лучистого способа отопления.

Итак, условиями, определяющими получение лучистого отопления в помещении, служат

применение панелей и выполнение неравенства

(ИЛ)

где - радиационная температура (осредненная температура поверхности всех огражде-

ний - наружных и внутренних - и отопительных панелей, обращенных в помещение); 1В -

температура воздуха помещения.

При панельно-лучистом отоплении помещение обогревается, главным образом, за счет

лучистого теплообмена между отопительными панелями и поверхностью ограждений. Из-

лучение от нагретых панелей, попадая на поверхность ограждений и предметов, частично поглощается, частично отражается. При этом возникает так называемое вторичное излу- чение, также, в конце концов, поглощаемое предметами и ограждениями помещения. Ин-

тенсивность облучения отопительной панелью поверхности различных ограждений по-

мещения характеризуется данными (табл. 11.1), полученными при замерах освещенности облучаемой поверхности световой моделью панели.

333

Таблица 11.1. Распределение (в долях единицы.) лучистого потока от отопительной

панели между ограждениями помещения

Из таблицы видно, что ограждение, в плоскости которого установлена отопительная па- нель, получает путем вторичного излучения всего 9... 12 % общего лучистого потока. При

расположении отопительной панели у наружной стены под окном или под потолком соот-

ветственно усиливается облучение пола (26 %) или потолка (42 %) помещения.

Благодаря лучистому теплообмену повышается температура внутренней поверхности ог-

раждений 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 де- лается при этом местной и центральной.

К местной системе относят отопление панелями и отражательными экранами при сред-

ней и высокой температуре их поверхности, если энергоносителями являются электриче-

ский ток или горючий газ, а также твердое топливо (при сжигании его в каминах). В на-

стоящее время нормами предусмотрено применение излучателей при температуре их по-

верхности не выше 250 °С.

В центральной системе панельно-лучистого отопления применяются низко- и средне-

температурные 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, наполь-

ной или стеновой. Местоположение панелей и отражательных экранов выбирают на ос-

новании технологических, гигиенических и технико-экономических соображений.

Теплопередача только излучением возможна лишь в безвоздушном пространстве. В по-

мещении лучистый теплообмен всегда сопровождается конвективным. Теплоизлучения распределяются по поверхности ограждений неравномерно: по закону Ламберта пропор-

ционально 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 ох-

лаждающихся 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

334

полу активизирует теплоперенос конвекцией, и на долю теплообмена излучением прихо-

дится всего 30...40 %. Вертикальная панель в стене в зависимости от высоты передает из-

лучением 30...60 % всей теплоты, причем доля теплообмена излучением возрастает с уве-

личением высоты панели.

Лишь потолочное панельное отопление, во всех случаях передающее в помещение излу-

чением более 50 % теплоты, могло быть названо лучистым. При напольном отоплении, а

также почти всегда при стеновом в общей теплопередаче панелей преобладает конвектив-

ный теплоперенос. Однако способ отопления - лучистое оно или конвективное - характе-

ризуется не доминирующим способом теплоотдачи, а температурной обстановкой в по- мещении (см. выражение (11.1)).

Действительно, при низкотемпературных (26.,.38 °С), а следовательно, развитых по пло-

щади потолочных и напольных панелях увеличивается температура поверхности ограж-

дений помещения, и способ обогревания всегда относится к лучистому. При стеновых же

панелях в зависимости от их размеров и температуры поверхности способ отопления по-

мещения может быть отнесен и к лучистому, и к конвективному (если радиационная тем-

пература окажется ниже температуры воздуха). Однако по общности конструктивной

схемы и способа отопления помещений потолочному, напольному и стеновому панельно-

му отоплению дается общее наименование - панельно-лучистое.

В системах панельно-лучистого отопления применяют металлические панели с отража-

тельными экранами и бетонные панели.

Металлические панели предназначены для отопления широких производственных по-

мещений, перекрытых фермами, не нуждающихся в активной вентиляции (механические,

инструментальные, модельные цехи, ангары, склады и т.п. помещения). Излучающие па- нели, подвешиваемые в верхней зоне таких помещений, состоят из металлического отра-

жательного 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 помеще-

ниям 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 по-

лов, 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 панель-

ным отоплением (английский патент 1907 г.). За короткий срок (1907-1911 гг.) по проек-

там 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.

В том же 1907 г. английский инженер Баркер также получил патент на устройство систем

отопления с плоскими нагревательными поверхностями.

335

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 пере-

ходом к индустриальным методам сооружения зданий.

При отопительных панелях, скрытых в строительных конструкциях, обеспечиваются по-

вышенные санитарно-гигиенические требования (см. табл. 4.1), не занимается полезная площадь помещений. Температура поверхности греющих панелей значительно ниже тем-

пературы теплоносителя. Уменьшается расход металла по сравнению с расходом на чу-

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 пе-

рекрытий и полов с замоноличенными греющими элементами. Возможно сокращение те-

плозатрат на отопление помещений при относительном понижении температуры внутрен-

него воздуха.

Недостатками систем панельно-лучистого отопления являются трудность ремонта замо-

ноличенных 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 дошко-

льных учреждений, в операционных, родовых, наркозных и тому подобных помещениях лечебно-профилактических учреждений, в помещениях и вестибюлях (теплые полы) об-

щественных зданий. Отопительные панели используют также для обогревания основных

помещений вокзалов, аэропортов, ангаров, высоких цехов производственных зданий, по-

мещений категорий Г и Д (кроме помещений со значительным влаговыделением), приме-

няют 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 ото-

плении

При панельно-лучистом отоплении температура каждой поверхности ограждений, участ-

вующих в лучистом теплообмене, повышается. При этом создается температурная обста-

новка, более благоприятная для человека.

Известно, что самочувствие человека значительно улучшается при повышении доли кон-

вективного теплопереноса в общей теплоотдаче его тела и уменьшении излучения на хо- лодные 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 сред-

няя температура поверхности ограждений. Отметим также некоторое повышение относи-

336

тельной влажности при снижении температуры воздуха, что также благоприятствует соз-

данию комфортных условий в помещениях.

Обычную (нормативную для конвективного отопления) температуру воздуха в помещени- ях допустимо понижать на 1.. .3 °С. Установлено, что в обычных условиях хорошее само-

чувствие людей обеспечивается при температуре воздуха в помещении 17,4 °С при стено-

вых отопительных панелях и 19,3 °С при конвективном отоплении. В табл. 11.2 приведе-

ны 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).

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 по- нижение 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 температу- ры воздуха.

Температурный комфорт в помещении при нормальных влажности и подвижности возду- ха определяется, как известно, не только температурой воздуха1В, но и средней темпера-

турой нагретых и охлажденных поверхностей, обращенных в помещение (радиационной температурой 1^, воздействие которой с точки зрения теплоотдачи человека равноценно

воздействию температуры окружающих его поверхностей).

Радиационную температуру для человека, находящегося в центре помещения, можно най-

ти по формуле

где (рчл - коэффициент облученности с поверхности тела человека (индекс "ч") в сторону 1-

той поверхности, имеющей температуру 1к-

Для упрощения часто принимают температуру поверхности внутренних ограждений рав- ной температуре воздуха1В, а радиационную температуру 1я определяют как средневзве- шенную по площадям

337

Значение радиационной температуры 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.

Исследованиями установлено, что комфортными относительно нагретой поверхности яв- ляются условия, когда находящаяся против этой поверхности часть головы человека теря-

ет 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, оп-

где срч п - коэффициент облученности с поверхности головы человека на потолочную па-

нель, приблизительно (для значений (ср>0,2) равный

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

При коэффициенте облученности около 0,2 допустимая температура поверхности пото-

лочной отопительной панели приближается к 60 °С, т.е. к предельному значению для низ- котемпературных панелей. Возможность дальнейшего повышения температуры излучаю-

щей поверхности связана с уменьшением размеров панелей - переходом от панелей, зани-

мающих всю или почти всю площадь потолка, к греющим экранам ограниченных разме-

ров. Уменьшающееся при этом значение коэффициента облученности должно опреде-

ляться более точно, чем по формуле (11.5), с учетом взаимного расположения в помеще-

нии рабочего места человека и экрана. Рассмотрим такой случай на примере.

Пример 11.1. Проверим допустимость принятой температуры поверхности потолочного

экрана размером 2,0x2,0 м (70 °С) для человека, выполняющего в помещении умеренную работу. Вертикальное расстояние от головы человека до точки 7 на потолке (рис. 11.1) со-

ставляет 2,7 м, а ближние к этой точке края экрана отстоят от нее по горизонтали на 1,0 м.

338

7

потолок

пол

/

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

Коэффициент облученности с элементарной площадки на голове человека на поверхность отопительного экрана найдем, используя график на рис. 1.9 [6], обозначив нижеследую- щие 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) фч.П1 = 0,145;

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

•то же. на третью площадку (1-2-8-7) фч пз = 0,075;

•то же, на четвертую площадку (4-5-Б-7) фЧ П4 = 0,037.

Действительный коэффициент облученности на нагретую поверхность экрана (на пло-

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

Максимальная допустимая температура поверхности экрана в рассматриваемых условиях

по формуле (11.4)

Xэ.макгс = 19,2 -8,7 / 0,032 = 291 > 70 °С.

Следовательно, принятая температура поверхности потолочного отопительного экрана

допустима.

Среднюю температуру поверхности напольных отопительных панелей также ограничива-

ют во избежание перегревания ног человека. В нормах установлена максимальная темпе-

ратура 26 °С для полов помещений с постоянным пребыванием людей и 31 °С - с времен-

ным 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 повыше-

ние температуры внутренней поверхности ограждений. Температура поверхности отопи- тельных панелей не должна превышать допустимой, определяемой с учетом взаимного

339

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 ог- раждений с пониженной температурой внутренней поверхности.

§ 11.3. Теплообмен в помещении при панельно-лучистом отоплении

Теплообмен в помещении рассчитывают при установившемся состоянии, а тепловые по-

токи от греющей панели в помещение и из помещения наружу считают равными. При

этом исходят из того, что заданными величинами являются: температура наружного Щ и

внутреннего I» воздуха, температура помещения 1П (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 тп, сопротивления теплопередаче наруж-

ных ограждений Ко.

Задачей расчета является нахождение температуры внутренней поверхности ограждений с

учетом лучистого теплообмена между отопительной панелью и остальными взаимно па-

раллельными и перпендикулярными поверхностями и конвективного теплообмена между

воздухом и ограждениями. Знание этих температурных условий позволяет проверить со-

блюдение комфортной тепловой обстановки, уточнить теплопотери помещения и тепло- вую мощность отопительной системы. В зависимости от полученных значений темпера- туры поверхности наружных ограждений теплопотери помещения будут отличаться от

теплопотерь при конвективном отоплении.

Напишем в общем виде уравнение теплового баланса для внутренней поверхности наруж-

ного ограждения 1 площадью а] при установившемся состоянии

В уравнении (11.6) 6)н выражает тепловой поток от внутренней поверхности ограждения 1

(температура Т]) к наружному воздуху (температура1н)- Тогда

А .

где К’о.с1А1 = Кс1.А1 - К’асШ - неполное (без сопротивления теплообмену на внутренней по- верхности) сопротивление теплопередаче ограждения.

Лучистый теплообмен поверхности 1 площадью А1 с другими поверхностями ограждений

1 площадью А\ выражается уравнением

340