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

Рис. 11.8. Бифилярный стояк системы водяного отопления с греющими элементами змее-

виковой формы, совмещенные с трехслойной наружной стеновой панелью: 1 -тепловая изоляция; 2 - наружный железобетонный слой; 3 - греющая труба; 4 - внутренний железо-

бетонный слой; 5 - штукатурка

Бетонные отопительные панели, совмещенные с наружными стенами, не нашли широкого

применения в массовом строительстве зданий из-за больших теплопотерь наружу, беспо-

лезных для отопления помещений.

Плинтусные отопительные панели, заменяющие собой плинтус, распространены в странах с умеренным климатом (США, Англия) для отопления магазинов, выставочных

залов и других подобных помещений. Там применяются чугунные или стальные плинтус-

ные панели, представляющие собой большей частью пустотелые элементы с гладкой по-

верхностью толщиной 45...60 мм и высотой 150...300 мм, по форме напоминающие обыч-

ные деревянные плинтусы. Панели с двухсторонней теплоотдачей такого типа снабжены с задней стороны вертикальными ребрами. Их теплоотдача возрастает на 60 % по сравне- нию с плоскими плинтусными панелями с односторонней теплоотдачей.

В нашей стране плинтусные панели используют для отопления детских учреждений, при-

чем применяют панели из бетона марки 150...200 с односторонней теплоотдачей (рис. 11.9). Для уменьшения бесполезных теплопотерь между плинтусной панелью и наружной стеной помещают слой тепловой изоляции.

При использовании для отопления плинтусных панелей уменьшается вертикальный гра-

диент температуры воздуха. Установлено, что разность температуры воздуха под потол-

ком и у пола помещений, обогреваемых плинтусными панелями, составляет не более 1 °С,

тогда как при радиаторном отоплении она доходит до 3 °С. Кроме того, наблюдается от-

носительное повышение температуры воздуха у пола и температуры поверхности пола и

стен в нижней зоне помещении, что особенно важно для детских комнат. При отоплении

помещений плинтусными панелями температуру воздуха по условиям теплового комфор-

та принимают равной расчетной температуре воздуха для конвективного отопления.

351

4

Рис. 11.9. Плинтусная приставная бетонная отопительная панель: 1 - бетон; 2 - концы греющих труб для присоединения к стояку; 3 - поверхность чистого пола; 4 - тепловая изоляция

Подоконные бетонные отопительные панели устанавливают в тех местах под окнами помещений, где принято размещать металлические отопительные приборы. Панели могут быть приставными или вставленными в выемку (нишу) в стене. Такие панели бывают с односторонней (рис. 11.10, а) и двухсторонней (рис. 11.10, б) теплоотдачей с их поверхно- сти. Соединяются они с трубами системы отопления как обычные отопительные приборы.

При использовании панели с двухсторонней теплоотдачей увеличивается теплопередача в помещение в расчете на единицу длины панели, а также сокращаются бесполезные тепло- потери наружу по сравнению с панелью, вплотную приставленной к стене. Однако такая панель с труднодоступным конвективным каналом уступает в санитарно-гигиеническом отношении панели с односторонней теплоотдачей.

На рис. 11.10, в показана конструкция, сочетающая отопительную панель с каналом для подачи подогретого свежего воздуха в отапливаемое помещение. Тепловая изоляция здесь отсутствует, а часть теплового потока, уходящего наружу, используется для нагревания приточного воздуха. Такую конструкцию панелей можно использовать в малоэтажных зданиях. В многоэтажных зданиях потребуется более тщательная ее наладка из-за возник- новения неравномерности и неустойчивости движения воздуха в приточных каналах на различных этажах.

Низкие подоконные панели, поверхность которых из-за этого может иметь относительно

более высокую температуру, получаются меньших размеров чем панели других типов.

При использовании подоконных панелей сокращается площадь охлажденной поверхности

наружных стен, уменьшаются радиационное охлаждение людей и зона распространения

холодного воздуха от окон, не затрудняется, как при перегородочных панелях, расстанов-

ка предметов в помещениях.

352

а) б.) вК

Рис. 11.10. Подоконные приставные бетонные отопительные панели: а - с односторонней теплоотдачей; б - с двусторонней теплоотдачей; в - с двусторонней теплоотдачей и кана-

лом для подачи подогретого наружного воздуха; 1 - тепловая изоляция; 2 - конвективный канал; 3 - отопительная панель; 4 - приточный канал; 5 - запорный клапан; 6 - стальной

экран

§ 11.6. Теплоносители и схемы системы панельного отопления

Теплоносителем в системах панельного отопления является преимущественно горячая

вода. При использовании воды вследствие ее относительно невысокой температуры разо-

гревание бетонных панелей происходит медленно и не сопровождается возникновением

трещин, что бывает при быстром нагревании панелей паром. Применение воды позволяет

проводить центральное качественное регулирование систем. При циркуляции воды по

стальным трубам панелей внутренняя коррозия их происходит менее интенсивно, чем при использовании пара. Вследствие значительной тепловой инерции бетонных панелей важ- ное свойство пара - быстро нагревать помещения - в известной степени утрачивает свое

значение. По этим причинам пар практически не применяют в центральных системах па-

нельного отопления.

Использование нагретого воздуха как теплоносителя в системах панельного отопления

позволяет экономить металл, не создает опасности течей. В качестве воздушных каналов

могут быть использованы пустоты блочных и панельных внутренних стен, а также желе-

зобетонных настилов. Применение воздуха в системах панельного отопления затрудняет-

ся из-за необходимости устраивать каналы значительных размеров во внутренних стенах или в перекрытиях. При этом следует обеспечивать сохранение их плотности при экс-

плуатации зданий. По этой причине известные попытки в этом направлении из-за дефек-

тов монтажа вследствие нарушения плотности сопряжения каналов окончились неудачей.

Нагревание панелей электричеством может быть осуществлено без больших затруднений.

Возможные конструктивные варианты подобных систем рассмотрены в главе 14.

Расчетная температура воды, обогревающей стеновые бетонные панели, обычно не выхо-

дит за пределы 100 °С. Расчеты и исследования показывают, что средняя температура по-

верхности бетонных панелей ниже температуры теплоносителя на 20...40 °С. Поэтому при

температуре воды 130 °С температура поверхности низких стеновых панелей могла бы

353

быть на допустимом уровне 90...95 °С. Однако опасность дегидратации цементного камня и снижения прочности бетона заставляет ограничивать предельную температуру воды 100 °С. И только при применении подвесных металлических панелей расчетная температура греющей воды может превышать эту величину.

Если в системе отопления зданий используют только бетонные отопительные панели, то

расчетную температуру горячей воды принимают при стеновых панелях 95 °С. При ис-

пользовании потолочных панелей температура теплоносителя выбирается в зависимости

от конструкции, размещения и размеров панелей с учетом нормируемой СНиП допусти- мой температуры их поверхности 28...38 °С (по условиям обеспечения комфортности, см. § 11.2). По этим же условиям из-за ограничения температуры на поверхности пола вели-

чиной 26...31 °С температура воды в напольной системе панельного отопления обычно не

превышает 45...50 °С.

Если бетонные стеновые или потолочные отопительные панели устанавливают только в отдельных помещениях, то расчетную температуру горячей воды выбирают по условиям отопления основных помещений здания, а панели присоединяют, если это возможно по температурным условиям, к подающей магистрали основной системы отопления. Из-за

пониженных температурных параметров теплоносителя напольная система отопления вы- полняется в виде самостоятельного циркуляционного контура.

Системы водяного отопления с бетонными стеновыми панелями выполняют однотрубны- ми и двухтрубными с нижней и верхней разводкой магистралей.

1

и

л

Рис. 11.11. Схема стояка двухтрубной системы панельного отопления с "опрокинутой"

циркуляцией воды: 1 - обратный стояк; 2 - потолочные отопительные панели; 3 - запорно-

регулирующие краны; 4 - спускной кран; 5 - подающий стояк

При потолочных бетонных отопительных панелях используются двухтрубные системы.

На рис. 11.11 изображена часть двухтрубного стояка с "опрокинутой" циркуляцией воды: обратная вода поднимается наверх. Движение воды снизу вверх способствует уносу воз-

354

духа из труб горизонтальных панелей. Каждая отопительная панель может независимо от- ключаться, опорожняться, ремонтироваться и промываться.

Для обеспечения работы напольного отопления за последние годы наибольшее распро-

странение получила так называемая "коллекторная" схема подключения теплопроводов (рис. 11.12). При этом замоноличенные в бетонную стяжку пола греющие трубы (как пра- вило, пластиковые) присоединяются к специальному коллектору, оснащенному запорно-

регулирующей, воздухоотводящей и контрольно-измерительной арматурой. Расположен-

ные на различных этажах здания коллектора обеспечиваются теплоносителем по двух-

трубной схеме.

Т7ТТТ7ТЛ7Т7П

777 1777"

н

Р

777

Рис. 11.12. Коллекторная схема системы напольного водяного отопления: 1 - запорная ар-

матура; 2 - распределительный коллектор; 3 - воздухоотводчик; 4 - термометр; 5 - сборный

коллектор; б - греющие трубы

Плинтусные бетонные отопительные панели чаще всего соединяют по несколько штук в горизонтальные цепочки, в которых вода движется по бифилярной схеме. Цепочки плин- тусных панелей присоединяют к двухтрубным стоякам.

При вертикальных подоконных бетонных отопительных панелях стояки системы водяного

отопления делают двухтрубными или однотрубными, которые не отличаются от стояков

систем отопления с металлическими отопительными приборами. При совместном исполь-

зовании в системе отопления бетонных панелей и обычных металлических приборов по-

следние снабжают кранами повышенного сопротивления, так как потери давления в

греющих змеевиках панелей заметно превышают потери давления в приборах.

§ 11.7. Площадь и температура поверхности отопительных панелей

Площадь нагревательной поверхности отопительной панели связана, прежде всего, с ее

тепловой мощностью. Расчеты панельных систем отопления показывают, что доля нагре-

ваемой части общей площади ограждений помещения может изменяться в различных ус-

ловиях от 8 до 20 %. При равной тепловой мощности площадь панели зависит от темпера-

туры ее поверхности.

355

Температура поверхности бетонной отопительной панели и определяется диаметром 1< и

шагом § греющих труб, глубиной Ь их заложения и теплопроводностью X бетона, темпера-

турой теплоносителя Т и помещения 1п, т.е.

Среди этих шести переменных четыре изменяются в сравнительно узких пределах или мо- гут быть заранее определены: диаметр труб (обычно Эу равен 15 и 20 мм), теплопровод-

ность бетона, температура теплоносителя и помещения. Следовательно, для каждого диа-

метра труб при определенных X, 1Т и 1П температура поверхности отопительной панели за-

висит от шага труб 8 и глубины Ь заложения их в бетон. Эта зависимость видна на рис.

4.15, где дается термическое сопротивление массива бетона (А,м=1,0) при различных значе-

ниях 8 и Ь.

Вмассиве бетона вокруг каждой греющей трубы образуется температурное поле, на кото- ром можно построить линии, показывающие направление тепловых потоков.

Впростейшем случае для отдельно расположенной тонкой панели с симметрично заде-

ланными греющими трубами допустимо предположение о линейном (одномерном) рас- пространении тепловых потоков от труб к середине расстояния между ними (8/2). При

этом тонкой считается бетонная панель, для которой число Био не превышает 0,3, т.е.

где ан - коэффициент теплообмена на поверхности панели, Вт/(м2-°С); Д, - теплопровод-

ность массива бетона, Вт/(м-°С); Ь - расстояние от поверхности панели до оси греющих

труб, м.

Если принять средние значения ан=10 Вт/(м2-°С) и Д,=1 Вт/(м-°С), то при В1=0,3 получим

Ь= 0,03 м. Следовательно, тонкой можно считать бетонную панель толщиной 5 = 2Ь = 0,06

м.

Для тонких бетонных панелей среднюю избыточную температуру их поверхности, т.е.

разность средней температуры поверхности панелей и температуры окружающей среды

определяют по формуле [20]

где Ахтр = ттр - 1в - избыточная температура поверхности греющих труб (для металличе- ских труб Ттр можно считать равной I, - температуре теплоносителя); аЛИЦ и атыл - коэффи-

циент теплообмена, Вт/(м2-°С), соответственно, на лицевой и тыльной поверхностях пане-

ЛИ.

В случаях, когда тонкие бетонные отопительные панели прилегают к слоям других мате-

риалов или покрываются дополнительными слоями, при определении температуры на- ружной поверхности (с лицевой или тыльной стороны панели) учитывают термическое сопротивление таких слоев. Тогда формула (11.25) применительно к определению избы- точной температуры лицевой (обращенной в помещение) поверхности конструкции (по- сле покрытия панели дополнительными слоями материалов) принимает вид

356

где гм - термическое сопротивление массива бетона, м -°С/Вт; ХК,= Ц8, / X,) - сумма термических сопротивлений дополнительных слоев, м2 оС/Вт; к’ЛИЦ и к7 тыл - неполный коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 оС), для дополнительных слоев материалов, прилегающих,

соответственно, к лицевой и тыльной сторонам панели; определяется для дополнительных

слоев, например, на лицевой стороне панели по формуле

Напомним, что при выводе формул (11.25) и (11.26) принято, что в относительно тонком

бетонном слое отопительной панели наблюдается только линейная теплопроводность.

Дальнейшее распространение теплоты происходит через прилегающие или покрывающие слои материалов только в направлении, перпендикулярном к поверхности панели.

Для утолщенных бетонных отопительных панелей, когда получают по формуле (11.24) число В1>0,3 (практически при толщине панелей 0,08 м и более), необходимо уже считаться с двухмерностью теплопроводности их массива. Графически картина двухмерной теплопроводности в толще отопительной панели представлена на рис. 11.13, где показаны концентрические линии - изотермы и линии тепловых потоков, перпендикулярные на исходе к поверхности панели.

5/2

Рис. 11.13. Схема изотерм и тепловых потоков в массиве бетона и график изменения тем-

пературы поверхности отопительной панели с двухсторонней теплоотдачей: 1 - бетонная

панель; 2 -греющая труба; 3 - изотерма; 4 - линия направления теплового потока

Двухмерное температурное поле в массиве панели в стационарных условиях теплопереда-

чи при постоянной температуре теплоносителя описывается дифференциальным уравне-

нием Лапласа в частных производных.

357

Аналитическое решение дифференциального уравнения для построения температурного

поля представляет собой сложную задачу. Обычно используют приближенные численные

методы решения уравнения Лапласа, в том числе метод решения в виде конечных разно-

стей. Этот метод заключается в составлении системы уравнений для определения темпе- ратуры в заданных точках поверхности (обычно с последовательным приближением).

Изменение термического сопротивления массива бетона по различным направлениям от

греющих труб делает поверхность отопительной панели не изотермичной. На рис. 11.13

показан характер изменения температуры поверхности бетонной панели: наиболее высо-

кая температура о наблюдается непосредственно над трубами, наиболее низкая темпера-

тура т§/2 - посередине между трубами (на расстоянии т3/2 от оси труб).

Приблизительно среднюю температуру поверхности бетонной отопительной панели мож-

но определять по эмпирической формуле, если известна температура в двух характерных

точках - над трубами т0 и между трубами Х^а'-

где к - коэффициент, характеризующий изменение температуры поверхности панели меж- ду греющими трубами.

Коэффициент к зависит от шага 8 и глубины заложения Ь труб в бетоне. Для отопитель- ных панелей с шагом труб до 250 мм и глубиной заложения до 40 мм к=0,45, при шаге труб более 250 мм коэффициент к уменьшается до 0,33.

В расчетах лучисто-конвективного теплообмена учитывается средняя температура нагре- вательной поверхности панелей, отнесенная к условиям определения теплопотерь поме- щений. Эта расчетная средняя температура является наивысшей температурой греющей поверхности в течение отопительного сезона. С другой стороны, максимальная расчетная температура поверхности панелей не должна превосходить допустимую по условиям тем- пературной комфортности для людей в помещениях (см. § 11.2).

Для потолочных панелей допустимую температуру вычисляют по формуле (11.4). Ее зна- чение тем выше, чем больше размеры помещения и меньше ширина, а также площадь па-

нели. Температура всего нагретого потолка при высоте помещения 2,5...2,8 м не должна

быть выше 28 °С, до 3 м - 30 °С, до 3,5 м - 33 °С, до 4 м - 36 °С, до 6 м - 38 °С.

Допустимая средняя температура поверхности напольных панелей зависит от назначения

помещений и подвижности людей в них.

Для низких стеновых отопительных панелей допустима более высокая температура по-

верхности, такая же, как и для металлических отопительных приборов. Лишь для панелей

радиационного обогревания рабочих мест температура их поверхности ограничена 60 °С.

Принимая допустимую температуру поверхности за расчетную, можно определить предварительную площадь поверхности отопительной панели А'п, м~, по формуле

358

где пот - теплопотери помещения, вычисленные по методике, приведенной в гл. 2, Вт; 1в - расчетная температура воздуха при лучистом отоплении, °С; ан - коэффициент теплооб- мена на поверхности панели.

Среднее значение коэффициента ан (в пределах практически возможного изменения тем- пературы поверхности панели тп), Вт/(м2-°С), составляет:

Площадь панели, найденная по формуле (11.29), называется предварительной не только

потому, что вычисляется на основании приблизительных величин. Она обычно несколько

отличается от окончательной площади, которую выбирают в процессе конструирования панели с учетом конкретных условий размещения, подвода теплоносителя, типизации размеров и тому подобных ограничений. Предварительную площадь отопительной панели необходимо знать для проверки условий температурного комфорта в помещении и даль- нейшего проектирования.

При размещении отопительной панели в помещении, помимо известных уже положений, необходимо учитывать следующее. В помещении с развитым остеклением целесообразно для уменьшения радиационного охлаждения людей и локализации ниспадающего потока холодного воздуха размещать отопительную панель с повышенной температурой поверх- ности под остеклением или в узкой полосе пола, прилегающей к наружному ограждению.

Если в помещении должна обогреваться только часть пола или потолка, то рекомендуется для приблизительно одинакового облучения людей располагать отопительную панель в виде полосы по периметру помещения. При этом, как уже отмечалось, расчетная темпера- тура поверхности панели может быть несколько повышена.

Пример 11.2. Найдем площадь потолочной отопительной панели, радиационную темпе-

ратуру и проверим условия температурного комфорта в палате площадью 36 м2, располо-

женной на среднем этаже больницы. Наружная стена размером 6,4х3,9 м и два двойных

окна в ней размером 2^2,5 м имеют коэффициенты теплопередачи, соответственно, 1,05 и 2,68 Вт/(м2* °С). Общая площадь наружной и трех внутренних стен 86,4 м. Теплопотери через наружные стену и окна, подсчитанные обычным способом, при температуре наруж-

ного воздуха -26 °С составляют 2267 Вт.

Температуру воздуха при лучистом отоплении принимаем на 1,5 °С ниже нормативной

для палат при конвективном отоплении - 1, 20 - 1,5 = 18,5 °С.

Задаемся средней температурой поверхности потолочной отопительной панели тп=32 °С и

находим по формуле (11.29) предварительную площадь панели

А'п = 2267 / (7ДО2 - 18,5)} = 21,2 м*.

Лучисто-конвективный теплообмен в палате рассчитаем по способу с применением экви- валентного коэффициента теплопередачи. Определяем эквивалентный коэффициент теп- лопередачи по формуле вида (11.19), принимая (3 = 0,16, при общей площади ограждений

помещения А0 = 86,4 + 36-2 = 158,4 м2

359

Находим неполный эквивалентный коэффициент теплопередачи по формуле (11.18)

к; - 1 / ((I / 0,359) - 0, 107) = 0,373 Вт/(м2-*С).

Определяем радиационную температуру внутренней поверхности ограждений палаты, не

обогреваемых теплоносителем, по формуле (11.21)

^= ((5,41-32 + 2,77(32 - 18,5) + 0,373-26)21,2 - 0,373-26 158,4) / (( 5,41 -0,373)21,2

+0,373- 158,4) = 18,8 °С.

Здесь по формулам (11.14) и (11.15) с учетом формулы (11.11)

ал = 5, 1 1 ,06- 1 = 5,41 Вт/(м2-°С);

Ь - 0,81 + 0,005(32 + 18,8) = 1,06.

Коэффициент конвективного теплообмена определяется по формуле [6]

а„ = 1 , 16Стп - 1в)1'3 = 1 ,16(32 - 18,5)1 /3 = 2,77 Вт/(м: °С),

Вычисляем действительные теплопотери через наружные ограждения палаты, используя левую часть формулы (11.17),

<Э„„ = 0, 373(158,4 - 21,2)08,8 + 26) = 2293 Вт,

получившиеся весьма близкими к рассчитанным обычным способом (2267 Вт).

Находим действительную усредненную радиационную температуру поверхности всех ог-

раждений палаты, включая отопительную панель, по формуле (11.3)

т* = (32-21,2 / 158,4) + ( 18,8( 158,4 - 21 ,2) / 158,4) = 20,6 °С > 1а = 18,5 °С.

Так как по выражению (11.1)1к>1в> то способ отопления палаты относится к лучистому.

Определяем температуру помещения как полусумму температуры воздуха и радиацион-

ной температуры

^= 0,5( 18,5 + 20,6) = 19,56 °С

и проверяем обеспечение первого условия температурной комфортности, вычисляя необ-

ходимую для этого радиационную температуру по формуле [6]

1 ,571, - 0,571, 1 1 ,5 =1,57 19,56 - 0,57-18,5 ± 1 ,5 = 20, 15 + 1,5 °С .

Действительная радиационная температура (20,6 °С) достаточно близка (отклонение ме- нее 1,5 °С) к требуемой радиационной температуре помещения, т.е. первое условие тем- пературной комфортности выполняется.

360