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

В это уравнение включается сумма лучистых потоков с других поверхностей на поверх- ность и собственный лучистый поток с поверхности А1 на остальные поверхности А1 без учета отраженного излучения. Конвективный теплообмен между воздухом и поверх- ностью А} составляет

А

где акдА1 - локальное значение коэффициента конвективного теплообмена на элементе по-

верхности ЛА\.

Уравнение теплового баланса для поверхности площадью А] после подстановок на осно- вании выражений (11.6)-(11.9) имеет вид

Уравнение (11.10) составлено с использованием известного принципа распределения лу-

чистых потоков, согласно которому лучистый поток от первого тела на второе арифмети-

чески складывается из лучистых потоков между отдельными частями этих тел. Здесь так-

же по другому принципу расчета лучистого теплообмена - замыкаемости лучистых пото-

ков - может быть принято, что сумма коэффициентов облученности

Уравнение (11.11) справедливо для случая, когда излучающая поверхность Ап полностью окружена другими поверхностями. Можно отметить, что в помещении, где происходит теплообмен одной плоской поверхности панели со всеми остальными поверхностями,

суммарный коэффициент облученности равняется единице.

В помещении обычной планировки имеются поверхности пяти различных видов, участ-

вующие в теплообмене (кроме отопительной панели): наружные стены, окна, пол, пото-

лок, внутренние стены. Для определения температуры всех поверхностей в помещении

потребуется составить столько уравнений теплового баланса, сколько ограждений участ- вует в теплообмене. Сюда еще необходимо добавить уравнение конвективного теплооб- мена между отопительной панелью и воздухом помещения.

Если в помещении имеется приточная вентиляция, все эти уравнения теплового баланса для ограждений потребуется еще дополнить уравнением теплового баланса для приточно- го вентиляционного воздуха, температура которого отличается от температуры внутрен-

него воздуха.

Напишем уравнение теплового баланса для приточного вентиляционного воздуха (темпе-

341

В уравнении (11.12) теплозатраты на нагревание приточного воздуха (левая часть уравне-

ния) равняются суммарной теплоподаче в воздух при конвективном теплообмене с N по- верхностями ограждений и отопительной панели помещения (правая часть).

Решение уравнений теплового баланса, подобных уравнению (11.10), связано с вычисле-

нием значений коэффициента облученности ф. Точного определения коэффициента облу-

ченности, связанного с интегрированием по площади поверхности каждого ограждения, в

практических расчетах для плоских поверхностей в помещении не проводят. В таких рас-

четах ограничиваются определением среднего по площади значения коэффициента облу-

ченности. При этом упрощении система интегральных уравнений теплового баланса, со-

стоящая из уравнений типа (11.10), сводится к системе алгебраических уравнений.

Система алгебраических уравнений теплового баланса для каждой поверхности может быть ограничена уравнениями для трех характерных групп поверхностей в помещении:

теплотеряющих (наружные ограждения), адиабатных (внутренние ограждения) и тепло-

подающих (отопительные панели).

Для дальнейшего упрощения практических расчетов систему алгебраических уравнений можно привести к одному уравнению, определяющему теплообмен между нагретой по-

верхностью, остальными поверхностями и воздухом помещения, с добавлением уравне-

ния теплового баланса для воздуха.

Приведем два способа замены системы уравнений теплообмена в помещении одним урав-

нением. По первому способу лучистый теплообмен в помещении представлен как тепло-

обмен излучением между отопительной панелью и осредненной наружной поверхностью,

считая внутренние поверхности отражающими. По второму способу рассматривают лучи-

стый теплообмен в помещении между отопительной панелью и одной условной поверхно-

стью, имеющей осредненную радиационную температуру.

По первому способу уравнение теплового баланса записывается в виде

где в левой части, как и в выражении (11.7), учитывается тепловой поток от внутренней

поверхности наружных ограждений (стен, окон) общей площадью Ан со средним непол-

ным коэффициентом теплопередачи к0’ и средней температурой тн 0 к наружному воздуху,

имеющему температуру 1Н - Этот тепловой поток является теплопотерями помещения через

наружные ограждения.

В правой части уравнения (11.13) первое слагаемое выражает лучистый, второе - конвек-

тивный теплообмен отопительной панели, имеющей площадь Ап при температуре поверх-

ности тп? соответственно с наружными ограждениями (средняя температура поверхности тн.о) и с воздухом (температура 1в) помещения.

Коэффициент лучистого теплообмена ал, Вт/(м2-°С), определяют по формуле

«„ = г-пРС0((Т„ / 100)-* - (Т„.0 / 100)4)Ф / <т„ - тко) = СпрЬФ, (11.14)

342

где 8пр - приведенный коэффициент относительного излучения (для строительных мате- риалов изменяется в небольших пределах и может быть принят равным 0,9...0,91); С0=5,78 Вт/(м2* К4) - коэффициент излучения абсолютно черного тела; Спр = гпрС0 - приведенный коэффициент излучения (для строительных материалов может быть принят равным 5,1...5,2 Вт/(м2* К4)); Ь - температурный коэффициент (выражение для его определения яс- но из формулы (11.14)); приближенно значение коэффициента Ь, К3, может быть найдено по формуле

Ф - коэффициент полной облученности наружных ограждений отопительной панелью, вычисляемый по формуле

Ф = фп-н ф'п-н = (А„ / А„ - (р„_и2) / (А„ / Ап - 2фп.н + 1), (11.16)

с учетом коэффициентов как прямой облученности отопительной панелью наружных ог-

раждений срп-н, так и косвенной облученности панелью тех же наружных ограждений ф? п-н

путем отражения от поверхности внутренних ограждений.

В формулу (11.13) входит также коэффициент конвективного теплообмена к, Вт/(м2*°С).

Для предварительных расчетов его значение принимают: для потолочной отопительной панели 2,3...2,9, для стеновой панели 5,0...7,0, для напольной панели 4,1 ...5,5 Вт/(м2*°С).

По второму способу теплообмен отопительной панели площадью Ап с воздухом и одной

условной поверхностью площадью (А0 - Ап) всех ограждений помещения определяется уравнением теплового баланса, сходным с уравнением (11.13):

где кэ’ - неполный эквивалентный коэффициент теплопередачи, Вт/(м2-°С) (без учета со- противления теплообмену на внутренней поверхности ограждений, которое при лучистом

отоплении ориентировочно может быть принято Кв=(),107 м2-°С/Вт), вычисляемый по

формуле

В формулу (11.18) входит эквивалентный коэффициент теплопередачи кэ условного огра-

ждения, найденный при условии, что вся площадь внутренней поверхности помещения А0

составлена из двух частей: из отопительной панели площадью Ап и остальной площади

(А0 - Ап), не обогреваемой теплоносителем.

Эквивалентный коэффициент теплопередачи условного ограждения, не обогреваемого те-

плоносителем, можно найти по формуле

кэ= («кА)нл + (кА)0К ) / (А0 Ап))(1 + Р) ^ (п,(кА)в.с + п2(кЛкп +

343

где р - коэффициент учета дополнительных теплопотерь через вертикальные наружные ограждения (см. § 2.2); гц, П2, пз - коэффициенты учета уменьшения температурного напо- ра в ограждении по сравнению с расчетной разностью температуры (1в-1н)* 9

Формула (11.19) написана в наиболее полном виде, когда в помещении имеются теплоте-

ряющие не только наружные стены и окна, но и внутренние стены, пол и потолок (их ко-

эффициенты теплопередачи к и площади А соответственно помечены в формуле индекса-

ми "н.с", "ок" и т.д.).

Левая часть уравнения (11.17), как и уравнения (11.13), выражает тепловой поток от внут-

ренней поверхности условного ограждения площадью (А0 - Ап) к наружному воздуху, т.е.

теплопотери помещения через наружные ограждения.

В правой части уравнения (11.17) первое слагаемое определяет полный лучистый поток от греющей панели на поверхность условного ограждения, имеющего температуру При

замене реальных ограждений одним условным ограждением используется выражение (11.11)- коэффициент облученности панелью этого условного ограждения равен единице.

Второе слагаемое учитывает конвективный теплообмен отопительной панели с воздухом

помещения или, что то же, конвективный теплообмен воздуха помещения с поверхностью условного ограждения, так как

При использовании этого равенства возникают затруднения с определением коэффициен- та конвективного теплообмена ак‘ для поверхности условного ограждения, тогда как ко-

эффициент ак находится сравнительно просто в зависимости от положения панели в по-

мещении и температуры ее поверхности.

По уравнению (11.17) при известных площади, положении в помещений и температуре

поверхности отопительной панели может быть установлена средняя радиационная темпе-

ратура поверхности условного ограждения, т.е. всех ограждений помещения, не обогре-

ваемых теплоносителем:

V = «а,т„ + а„(хп- О- кДв)А„ + к'!„А0) / ((ал - к,')А„ + к^А0). (11.21

Эта температура на практике получается несколько ниже температуры воздуха в помеще-

нии (в среднем примерно на 1 °С). Она используется для уточнения теплопотерь помеще- ния.

При расчетах по двум изложенным способам процессы теплообмена между отопительной

панелью и остальными поверхностями помещения заменяются взаимодействием между двумя поверхностями - панелью и наружным (первый способ) или условным (второй спо-

соб) ограждением. Тогда вместо вычисления коэффициентов облученности панелью всех

остальных поверхностей ограничиваются в первом способе определением одного коэф- фициента полной облученности, а во втором, если панель одна, можно вообще обойтись без их определения.

344

§ 11.4. Конструкция отопительных панелей

Отопительная панель представляет собой конструкцию, в которой имеются нагреватель-

ные элементы для протекания теплоносителя змеевиковой или регистровой формы (рис. 11.2). При змеевиковой форме (рис. 11.2, и) обеспечивается последовательное движение всей массы теплоносителя по трубчатым элементам, что способствует удалению из них

воздуха. Поэтому змеевиковая форма греющих труб используется преимущественно при

горизонтально располагаемых панелях.

При регистровой форме нагревательных элементов (рис. 11.2, б), применяемой в верти-

кальных панелях, поток теплоносителя делится на части в зависимости от числа парал-

лельно расположенных греющих труб, присоединенных к соединительным колонкам.

Достоинством панелей с нагревательными элементами регистровой формы являются не-

значительные потери давления при протекании теплоносителя.

8A. 11.2. Схемы размещения нагревательных элементов в отопительной панели: а - змее- виковой формы; б - регистровой формы; 1, 2, 3 - соответственно, средние, крайние и оди- ночные трубы

Нагревательные элементы в вертикальных панелях могут быть устроены и без колонок. При этом параллельные греющие трубы прокладываются через панели насквозь и соеди- няются подводками либо по проточной, либо по бифилярной схемам. При бифилярной схеме предусматривают движение теплоносителя по двум из четырех, например, парал- лельных труб слева направо, а по двум другим трубам - наоборот, справа налево. В систе- мах панельно-лучистого отопления зданий встречаются отопительные панели двух видов:

-совмещенные, представляющие одно целое с ограждающими конструкциями здания,

когда нагревательные элементы для теплоносителя устраивают в наружных стенах, несу-

щих плитах перекрытий и лестничных площадок, во внутренних панельных стенах при их

изготовлении;

-подвесные и приставные, изготовленные отдельно и смонтированные рядом, в специ-

альных нишах строительных конструкций или под ними.

Совмещенные панели наиболее полно отвечают задачам механизации процесса строи-

тельства - система отопления монтируется одновременно со сборкой здания. При исполь-

зовании подвесных и приставных панелей степень индустриальное™ монтажа зависит от

конструкции панелей. Так, монтаж потолочных или напольных панелей требует больших

затрат ручного труда, чем монтаж стеновых панелей. Монтаж подоконных панелей проще,

чем монтаж протяженных плинтусных конструкций.

В подвесных металлических отопительных панелях элементами змеевиковой формы являются стальные трубы Оу20, плотно прижатые к тонкостенному алюминиевому или

345

стальному экрану. При наличии воздушного зазора между греющей трубой и экраном те-

плоотдача панелей заметно уменьшается. Эти 4-6 греющих труб размещаются по площади

панели с шагом 8=100...200 мм.

Экран может быть плоским или гофрированным. Плоский экран (рис. 11.3, а) проще в из- готовлении, но не исключает взаимного облучения труб, уменьшающего теплоотдачу из-

лучением. Коэффициент облученности для отопительной панели с плоским экраном со-

ставляет 0,57.

При экране волнообразной формы (рис. 11.3, б) коэффициент облученности возрастает до 0,63. Следовательно, в этом случае большая доля теплоотдачи панели передается в рабо- чую зону, а конвективная теплоотдача в верхнюю зону помещения значительно уменьша-

ется (на 20...25 %).

Рис. 11.3. Подвесная металлическая отопительная панель: а - с плоским экраном; б - с эк-

раном волнообразной формы; 1 - греющие трубы; 2 - козырек; 3 - плоский экран; 4 - теп-

ловая изоляция; 5 - волнообразный экран

Металлические отопительные панели обогреваются высокотемпературным теплоносите-

лем - паром высокого давления или водой с параметрами 150-70 °С. При воде при средней

разности температуры Д1ср =1ср - 1в = 0,5(150 + 70) - 15 = 95 °С поверхностная плотность

общей теплоотдачи металлических панелей описанной конструкции составляет 800 Вт/м2.

Для изготовления более распространенных бетонных отопительных панелей используют

тяжелый бетон, обладающий сравнительно высокой теплопроводностью (например, 1,5

Вт/(м-°С) при О °С и плотности в сухом состоянии 2400 кг/м3) и коэффициентом линейно-

го расширения 1,15-10'5м/(м-°С).

Нагревательные элементы чаще всего устраивают из стальных труб, коэффициент линей- ного расширения которых (1,2-10"5) весьма близок к коэффициенту линейного расширения

бетона. Разница между коэффициентами теплового расширения этих материалов компен-

сируется в отопительной панели тем, что температура стали (с меньшим значением коэф-

фициента линейного расширения) выше, чем температура бетона.

Заделка труб в бетон дает существенный теплотехнический эффект - теплопередача труб

увеличивается в среднем на 60 % по сравнению с открыто проложенными трубами. Это

явление закономерно: теплопередача нагретой трубы, изолированной снаружи теплопро-

водным материалом, возрастает с увеличением толщины слоя покрытия. Возрастание

имеет место до некоторого "критического" значения внешнего диаметра с!кр изолирован-

ной трубы, которое приблизительно Можно определить по формуле

Для бетонного цилиндра вокруг трубы при теплопроводности бетона ^=1,28 Вт/(м*°С) и коэффициенте наружного теплообмена ан=11,6 Вт/(м2-°С) "критический” диаметр равен - 220 мм. Возрастание теплопередачи обетонированной трубы объясняется увеличением

346

внешней теплоотдачей поверхности, которая с ростом диаметра развивается быстрее, чем растет термическое сопротивление слоя бетона.

На рис. 11.4 показано изменение теплоотдачи 1 м одиночной трубы диаметром 15-20 мм. Линия / характеризует теплоотдачу открытой трубы, линии 2 и 3 - той же трубы в бетоне при различной его теплопроводности.

Как видно, теплоотдача трубы возрастает с увеличением теплопроводности бетона, в ко-

торый она заделана, а двухсторонняя теплоотдача (пунктирные линии) выше односторон- ней (сплошные линии). Можно сделать вывод о целесообразности заделки нагревательных элементов в тяжелый бетон.

Вт/м

163

Ш.г 1

151

Рис. 11.4. Теплоотдача 1 м одиночной трубы Оу 15-20: 1 - открыто проложенная труба; 2 и 3 - труба в бетоне при его теплопроводности, соответственно, 1,05 и 1,28 Вт/(м* °С) (тол-

щина слоя бетона Ь от оси трубы равна ее наружному диаметру бн); сплошные и пунктир-

ные линии -соответственно, при односторонней и двусторонней теплоотдаче

Теплоотдача не одной, а ряда труб в бетонной панели, приведенная к 1 м, несколько ниже теплоотдачи одиночной трубы и зависит от расстояния между осями труб (шага труб з) и

их положения в бетонной панели (см. рис. 11.2).

Благодаря повышению теплоотдачи стальных труб, находящихся в бетоне, можно сокра-

тить расход металла на отопительные приборы. При применении бетонных отопительных

панелей со стальными трубами вместо чугунных радиаторов расход металла на отопи-

тельные приборы снижается примерно в 2 раза.

Стальные трубы в бетонных панелях имеют срок амортизации, значительно превышаю- щий срок службы открыто проложенных труб.

347

Сравнительная долговечность обетонированных стальных труб объясняется незначитель- ной коррозией их внешней поверхности при отсутствии контакта с воздухом.

Все же следует отметить, что поверхностная плотность теплоотдачи отопительных пане-

лей меньше плотности теплоотдачи металлических отопительных приборов, и это приво-

дит к значительному увеличению длины греющих труб. Для сокращения расхода сталь-

ных труб возможна заделка в бетон чугунных элементов, пластмассовых и стеклянных

труб или даже создание пустот в плотном бетоне, образующих систему каналов для про-

текания теплоносителя.

За последние годы достаточно широкое распространение в России нашли современные западные технологии по устройству напольного отопления. Их особенностью является

применение в качестве теплопроводов в основном труб из полимерных материалов (см.

§5.1).

§11.5. Описание бетонных отопительных панелей

Потолочные отопительные панели могут быть совмещенными и подвесными. Совме-

щенные панели изображены на рис. 11.5, где в одной из конструкций греющие трубы включены в бетон несущей части междуэтажного перекрытия (рис. 11.5, а). Это делается таким образом, чтобы под ними было достаточно места для размещения арматуры, необ- ходимой для увеличения прочности бетона и усиления теплопередачи вниз. Также для

усиления теплопередачи вниз в верхней части перекрытия помещают теплоизоляционный

слой.

В качестве теплоизоляции применяют твердые малотеплопроводные материалы, способ- ные выдерживать давление со стороны пола. Пол устраивают из рулонных материалов по

цементной стяжке или деревянный.

На рис. 11.5.6 показана другая конструкция совмещенной потолочной панели, располо-

женной в перекрытии из пустотелых блоков. Пустоты в этом случае являются теплоизо-

ляцией.

Ш///У////Ш^//////А

я

Рис. 11.5. Совмещенные потолочные бетонные панели: а - с расположением греющих труб в несущем бетонном слое; б - то же под несущими пустотелыми блоками; 1 - теплоизоля-

ция; 2 - цементная стяжка; 3 - покрытие пола; 4 - сетка; 5 - греющая труба; 6 - штукатурка;

7 - арматура; 8 - бетонный слой; 9 - пустотелая панель перекрытия

Совмещенные потолочные отопительные панели применяют при условии, что температу-

ра теплоносителя поддерживается на невысоком уровне (до 55...60 °С). При температуре

теплоносителя выше 60 °С (60... 90 °С) отопительные панели описанных конструкций размещают в помещениях длительного пребывания людей не по всей площади, а только по периметру потолка или по контуру здания, вдоль его наружных стен.

348

Известен недостаток совмещенных отопительных панелей: большая тепловая инерция и связанная с ней трудность регулирования теплоотдачи, так как изменение температуры теплоносителя проявляется на греющей поверхности только по истечении значительного промежутка времени. Потолочное панельно-лучистое отопление может быть устроено с

малой тепловой инерцией. Для этого греющие трубы располагают в нижнем штукатурном

слое или применяют металлические листы, соединенные с трубами для развития теплоот- дающей поверхности.

Подобная подвесная потолочная отопительная панель приведена на рис. 11.6. Тонкие перфорированные стальные или алюминиевые листы прикрепляются к греющим трубам,

со стороны перекрытия покрываются звуко- и теплоизоляционным слоем. При такой кон-

струкции подвесных отопительных панелей, помимо обеспечения передачи основного те-

плового потока через потолок и звукоизоляции помещений, появляется возможность ав-

томатизировать действие системы отопления, повышать температуру теплоносителя, не

превосходя предельно допустимых показателей для их поверхности.

Пространство над подвесными отопительными панелями может использоваться для про-

кладки труб и кабелей, размещения светильников и воздуховодов.

Подвесные нагреваемые панели можно ремонтировать в процессе эксплуатации системы отопления без вскрытия основных строительных конструкций. Однако они не лишены не- достатков: междуэтажные перекрытия усложняются по конструкции, возрастают их масса

и толщина, а следовательно, высота и стоимость здания. Монтаж соответствующей систе-

мы отопления может проводиться только после возведения основных строительных кон-

струкций, а при такой последовательности работ увеличиваются сроки строительства зда-

ния.

Напольные отопительные панели могут быть совмещенными и приставными (рис.

11.7). Конструкция совмещенной напольной панели показана на рис. 11.7, а. Греющие

трубы заделаны, как и в потолочной совмещенной панели, в бетон несущей части (моно-

литной или сборной) междуэтажного перекрытия при ее изготовлении. Над трубами со стороны пола помещены теплоизоляционные вкладыши, способствующие равномерному распределению температуры по поверхности пола.

Рис. 11.6. Подвесная потолочная отопительная панель: 1 - подвеска; 2 - перекрытие; 3 - тепловая изоляция; 4 - труба для теплоносителя; 5 - перфорированный металлический лист

349

Рис. 11.7. Напольные бетонные отопительные панели: а - с расположением греющих труб

в несущей части перекрытия; б - то же на несущем перекрытии; 1 - покрытие пола; 2 - те-

плоизоляционный материал; 3 - железобетонное несущее перекрытие; 4 -греющая труба; 5

- бетонная панель; б - штукатурка

Данную конструкцию отопительной панели следует отнести скорее к напольно-

потолочной отопительной панели, так как часть теплового потока от труб направляется вниз через потолок. В тех случаях, когда необходимо большую часть теплового потока передавать через пол (например, при устройстве теплого пола в вестибюле здания), под перекрытием подвешивают дополнительный слой тепловой изоляции.

Приставные бетонные отопительные панели (рис. 11.7, б) изготавливают в заводских ус- ловиях отдельно от несущей части перекрытия в виде секции ограниченных размеров (для удобства транспортирования и монтажа). Эти секции укладываются и соединяются одна с другой в процессе монтажа. Возможна также укладка прверх несущей части перекрытий змеевиков, которые после их соединения и гидравлического испытания покрываются на месте слоем бетона. При втором способе производства работ увеличивается срок строи- тельства здания, что является его недостатком.

Стеновые отопительные панели бывают двух типов: плинтусные и подоконные. Ранее применялись панели совмещенного вида: перегородочные панели, частично заменяющие внутренние стены, и стеновые панели, встроенные в наружные стены зданий.

Перегородочные отопительные панели, устанавливавшиеся впритык к наружным стенам, включали в себя, помимо греющих труб, отопительные стояки, благодаря чему открыто расположенные трубы в помещениях отсутствовали. Теплоотдача этих панелей была двухсторонней и целиком "полезной", тепловая изоляция не требовалась.

Недостатками перегородочных отопительных панелей являлись одинаковая теплоотдача в два смежных помещения обычно с различными теплопотерями и невозможность регули-

рования теплопоступления в каждое помещение. Кроме того, существовали ограничения в

расстановке мебели в помещениях, появлялись щели в местах примыкания панелей к внутренним стенам.

Совмещенные стеновые отопительные панели бетонируют вместе с отопительными стоя-

ками в заводских условиях одновременно с изготовлением наружных стен для полносбор-

ных зданий. Стояк, заделанный в бетон, служит частью нагревательной поверхности па-

нели.

Для примера на рис. 11.8 показано расположение греющих труб, выполненных по бифи-

лярной схеме, в трехслойной наружной стене, предназначенной для верхнего этажа зда-

ния. Греющие трубы размещены во внутреннем бетонном слое с некоторым смещением к внутренней поверхности стены (Ьв=30 мм при толщине внутреннего бетонного слоя 80

мм).

350