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

Проверяем правильность предварительного выбора температуры поверхности панели (32 °С) с учетом ее площади (21,2 м2).

При среднем размере панели 1 = 21,20,5 =4,6 м коэффициент облученности для стоящего

человека высотой 1,7 м находим по формуле (11.5)

Ф4.п = 1 - (0,8(3,6 - 1 ,7) / 4,6) = 0,67

Предельно допустимая температура поверхности потолочной отопительной панели по

формуле (11.4)

19,2 +- (8,7 / 0,67) = 32,2 °С

оказалась несколько выше предварительно выбранной температуры. Для сидящего чело-

века (у=2,3 м) допустимая температура повышается до 33,7 °С, для лежащего (у=2,9 м) -

до 36,7 °С. Таким образом, выполняется и второе условие температурной комфортности.

Пример 11.3. Определим площадь низкой стеновой отопительной панели, радиационную

температуру и проверим температурную комфортность в палате по условиям примера

'

11.2.

Задаваясь температурой поверхности низкой отопительной панели тп=75 °С (как и для обычных металлических приборов), находим по формуле (11.29) ее предварительную

площадь

А'п -2267 / (12,89(75 - 20)) = 3,2

где по формулам (11.14) и (11. 15) с учетом формулы (11.11)

ан = а, + а, = (5, И ,29 I ) + 1 ,66(75 - 20)1'3 -6,58 + 6,31 = 12,89 Вт/(м2'°С);

Ь = 0,81+0,005(75 + 21 ) = 1,29.

Температуру воздуха принимаем равной нормативной температуре для палат, предполагая наличие конвективного отопления, т.е. Хв=20 °С.

Определяем эквивалентный коэффициент теплопередачи по формуле (11.19), принимая

Р=0,08,

к, = ( 1 + 0,08)«1,05-6,4-3,9) + (2,68 - 1,05)2-2,5-2) 1 (158,4 - 3,2) = 0,296 Вт/(м-°С)

и неполный эквивалентный коэффициент теплопередачи по формуле (11.18), считая

Кв=0,114 м * °С/Вт при конвективном отоплении,

к', I / (( 1 / 0,296) - 0, 114) = 0,3 ! Вт/(м> °С).

Вычисляем радиационную температуру внутренней поверхности ограждений, не обогре-

ваемых теплоносителем, по формуле (11.21)

361

1'к = ((6,58-75 + 6,31(75 - 20) + 0,31-26)3,-2 - 0,31-26-158,4) / ((6,58 - 0,31)3,2

+ 0,31-158,4) 20,8 °С.

Находим действительные теплопотери через наружные ограждения палаты, применяя ле- вую часть формулы (11.17),

си 0,31(158,4 - 3,2)(20,8 + 26) = 2252 Вт,

получившиеся, как и в примере 11.2, очень близкими к рассчитанным обычным способом

(2267 Вт).

Определяем действительную радиационную температуру поверхности всех ограждений

палаты, включая отопительную панель, по формуле (П.З)

1а = (75-3,2 / 158,4) + (20,8(158,4 - 3,2) 1 158,4) = 21,9 X > I, = 20 сС.

Так как по выражению (11.1) 1к>1в, то, вопреки первоначальному предположению, способ отопления палаты следует отнести к лучистому.

Проверяем выполнение первого условия температурной комфортности в палате, приняв

температуру помещения 1п = 0,5(20 + 21,9) = 21 °С и определив требуемую радиационную

температуру (см. пример 11.2)

V? = 1 ,57 21 - 0,57-20 ± 1,5 = 21,6 ± 1,5 °С.

Видно, что действительная радиационная температура поверхности ограждений (21,9 °С)

соответствует требуемой радиационной температуре помещения, т.е. первое условие ком-

фортности выполняется.

Проверку второго условия температурной комфортности не делаем, так как принятая тем-

пература поверхности низкой отопительной панели (75 °С) рекомендуется нормами для больничных палат, т.е. для помещений, к которым предъявляются повышенные санитар-

но-гигиенические требования.

§ 11.8. Расчет теплопередачи отопительных панелей

Каждая отопительная панель передает теплоту со всей внешней поверхности. Однако принято называть, подчеркивая величину основного теплового потока, панели приставные или подвесные панелями с односторонней теплоотдачей, панели, встроенные в перекры- тия или имеющие конвективный канал (см. рис. 11.10, б, в), панелями с двусторонней те- плоотдачей. Фактически же для любой отопительной панели следует рассчитывать теп-

лопередачу в обе стороны.

Для панели с односторонней теплоотдачей общая теплопередача складывается из основ- ного теплового потока с лицевой поверхности, направленного в отапливаемое помещение,

- лицевой теплоотдачи ()лпц и дополнительного тыльного теплового потока, направлен-

ного, например, для приставных стеновых панелей, наружу, - тыльной теплоотдачи ()ТЫЛ

(рис. 11.14):

362

1

тепловая изоляция

Для панели с двусторонней теплоотдачей второе слагаемое в уравнении (11.30) выражает теплопередачу в соседнее помещение или в конвективный канал. Например, для наполь-

но-потолочной панели

при теплопередаче в конвективный канал (приблизительно)

При расчетах теплоотдачи тонких отопительных панелей (толщиной до 0,06 м) опреде-

ляют (см. § 11.7) среднюю избыточную температуру их поверхности. Зная избыточную

температуру и коэффициент теплообмена на поверхности панели, находят удельный теп-

ловой поток, поступающий от панели в помещение.

При практических расчетах лицевой и тыльной теплоотдачи утолщенных отопительных

панелей (толщиной 0,06 м и более) применяют способ, основанный на расчете теплопере-

дачи 1 м каждой греющей трубы.

Лицевая теплоотдача бетонной отопительной панели по этому способу рассматривается

как слагающаяся из теплопередачи отдельных греющих труб, различным образом распо-

ложенных в панели. На рис. 11.2 отмечено различие в положении труб, отражающееся на

их теплопередаче: трубы названы средними, крайними и одиночными. Наиболее интен- сивна теплоотдача одиночных труб, теплоотдача крайних и особенно средних труб тормо- зится взаимным прогреванием бетонного массива соседними трубами.

Если известна теплопередача 1 м трубы, то лицевая теплоотдача отопительной панели со-

ставит

363

где цср, Цкр, Яод - теплопередача 1 м средних, крайних и одиночных труб в бетонном мас- сиве; 1ср, 1кр, ЮД - длина соответствующих труб в панели, м.

Лицевую теплоотдачу 1 м трубы ^лиц? Вт/м, определяют с учетом термического сопротив- ления отдельных слоев в конструкции панели и ограждения, отделяющих теплоноситель с

температурой 1Г от помещения:

где 1П - температура помещения; Ялиц Яв + Яст + Ям + ЕЯ) + Ян - общее сопротивление те- плопередаче от теплоносителя в помещение.

Сопротивление теплопередаче находят по общей для всех отопительных приборов фор-

муле (4.7). Особенность заключается в увеличенном термическом сопротивлении массива

бетона, как отмечалось в гл. 4, по сравнению с сопротивлением чугунной или стальной

стенки прибора. Добавочные слои конструкции панели и ограждения являются также до-

полнительным термическим сопротивлением.

В формуле (11.32) все сопротивления: теплообмену на внутренней поверхности трубы Кв, термические стенки трубы Кв, массива бетона Кст, добавочных слоев г, и теплообмену на внешней поверхности панели К.н относятся к 1 м трубы. Поэтому при их определении учи-

тывают площадь поверхности теплообмена на длине 1 м, а результат выражают в м °С/Вт.

Сопротивление теплообмену на внутренней поверхности 1 м трубы с учетом формулы

(4.8) составляет

где Ав - площадь внутренней поверхности теплообмена 1 м трубы. При внутреннем диа-

метре трубы <3в для панелей с односторонней теплоотдачей Ав = тгс1в, с двусторонней Ав =

0,5л:ёв, м2/м.

Термическое сопротивление стенки 1 м трубы с учетом формулы (4.9)

где йс, - толщина стенки трубы; 7СТ - теплопроводность материала стенки; Аст -средняя площадь стенки 1 м трубы. При наружном диаметре трубы с1ц для панелей с односторон-

где Я’м - термическое сопротивление массива бетона при его теплопроводности, равной 1,0 (это сопротивление зависит от расположения греющих труб в бетоне - см. рис. 4.15); А.м - действительное значение теплопроводности массива бетона.

Термическое сопротивление добавочных слоев панели (на рис. 11.14 изображен один до-

бавочный слой толщиной 81 вычисляется по формуле

364

где 8 - площадь внешней поверхности, приходящаяся на 1 м длины трубы (численно равна шагу укладки греющих труб, см. рис. 11.14), м /м.

Наконец, сопротивление теплообмену на внешней поверхности панели

где ан - коэффициент внешнего теплообмена, определяемый как сумма лучистой и кон- вективной составляющей наружного теплообмена: ан = ан л + ан.к*

Для одиночных греющих труб в бетоне считают, что теплоотдающая поверхность состав-

ляет полосу шириной 0,4 м.

Пример 11.4. Определим лицевую теплоотдачу I м средних пластмассовых труб диамет- ром 18x2,7 мм, заделанных с шагом 0,08 м в бетонную стеновую панель толщиной 0,08 м с односторонней теплоотдачей, если расход воды 30 кг/ч и разность температуры1Г-1В= 65

°С. Панель оклеена обоями толщиной 0,002 м. Теплопроводность: бетона 1,37, пластмассы

0,815, бумаги 0,175 Вт/(м-°С).

Сопротивление теплообмену на внутренней поверхности трубы при с1в=12,6 мм находим

по рис. 4:13 - Кв=0,043 м-°С/Вт.

Термическое сопротивление стенки стеклянной трубы длиной 1 м по формуле (И.34)

= 0,0027 / (0,815-0,5-ЗД 4(0>0126 -0,018)) = 0,069 м °С/Вт.

Термическое сопротивление массива бетона определяем при Ь = 0,08 / 2 = 0,04 м, И/с1н = 0,04 / 0,018 = 2,22 и 8/бн

нием к формуле (11.29)

Я'к = 1 / ( 11,6-0,08) = 1,078 м °С/Вт.

Находим избыточную температуру лицевой поверхности панели (разность температуры

поверхности панели и помещения)

Рассчитываем действительные значения коэффициента и при полученной избыточной

365

Определяем лицевую теплоотдачу 1 м средней пластмассовой трубы в бетонной панели по

формуле (11.32)

= 65 / (0,043+0,069+0,409+0,143+ 1,059) = 37,7 Вт/м.

Тыльная теплоотдача бетонной отопительной панели в наружный воздух, так же как и

лицевая теплоотдача, складывается из теплопередачи отдельных греющих труб, т.е. опре- деляется по формуле (11.31).

Тыльную теплоотдачу 1 м трубы приставной, подвесной или совмещенной панели ^ТыЛ,

Вт/м, находят с учетом термического сопротивления не только слоев панели, но и слоев

конструкции наружного ограждения, отделяющих панель от наружного воздуха, по фор-

сопротивление теплопередаче от теплоносителя в наружный воздух, отнесенное к 1 м тру-

бы, м °С/Вт; Киз - термическое сопротивление дополнительного слоя тепловой изоляции для уменьшения теплопотерь через наружное ограждение (см. рис. 11.14).

Сопротивления теплообмену на внутренней поверхности трубы Кв, термические стенки

аформула (11.34) принимает вид

+ад). (11.34.а)

Тыльная теплоотдача в большей степени, чем лицевая, зависит от термического сопротивления слоев ограждающей конструкции (на рис 11.14 изображены два слоя толщиной §2 и 5з). Тепловая изоляция увеличивает это сопротивление. Все же тыльная теплоотдача по

площади панели может быть больше основных теплопотерь через наружное ограждение

той же площади при отсутствии панели. Если считать возмещение этих теплопотерь по-

лезной теплоотдачей панели, то дальнейшее возрастание тыльной теплоотдачи панели бу-

дет связано с бесполезной затратой тепловой энергии.

Установим, что полезная теплоотдача через наружное ограждение площадью 8, м2, имею-

щее коэффициент теплопередачи к0Гр, равна к0гр8(1п -1н)- Тогда бесполезная дополнитель-

ная теплоотдача через наружное ограждение, связанная с установкой отопительной пане-

ли, в расчете на 1 м длины греющей трубы панели составит

Ядоп ~ Чтыл “ ” ^н)' (11.39)

Чтобы свести дополнительную бесполезную теплоотдачу к нулю, следует по уравнению

(11.39) приравнять тыльную теплоотдачу 1 м трубы основным теплопотерям через наружное ограждение, подсчитанным обычным путем

помещаемой за панелью,

366

и толщину слоя 5ИЗ, м, этой тепловой изоляции

5^ ^иэ^иЗ'*' ( 11.41)

Расчетами установлено, что для уменьшения тыльной теплоотдачи отопительных панелей

(считая, что дополнительные теплопотери помещений не должны превышать 10 % основ-

ных) термическое сопротивление запанельных участков наружных ограждений в средней

полосе России следует увеличивать не менее чем до 2 м-°С/Вт. Это значение термического

сопротивления относится к приставным стеновым панелям. Оно должно быть еще более увеличено при напольных панелях в нижнем этаже и потолочных в верхнем этаже зданий.

Пример 11.5. Определим общую теплоотдачу подоконной бетонной отопительной панели

и толщину слоя тепловой изоляции при условии исключения дополнительных (бесполез-

ных) теплопотерь, если сопротивление теплопередаче наружной стены КНс=0,95м-оС/Вт,

теплопроводность тепловой изоляции )чп=().07Вт/(м•°С). Приставная панель площадью

Ап=1,6 м2 имеет 14,3 м средних греющих пластмассовых труб и 5,8 м крайних труб, рас-

положенных с шагом 8=80 мм. Расчетная температура: теплоносителя 1г=85 °С, внутренне-

го воздуха 1В=20 °С, наружного воздуха1н= -26 °С.

Принимаем лицевую теплоотдачу 1 м средних труб по расчету в примере 11.4 равной

37,7 Вт/м.

Определяем лицевую теплоотдачу 1 м крайних труб по отдельному расчету в количестве

73,5 Вт/м.

Находим тыльную теплоотдачу отопительной панели, которая по условию должна быть

равна -основным теплопотерям- через наружную стену

Отыл АЛ - О / Я„ 1,6(20 - (-26)) / 0,95 = 77 Вт.

§ 11.9. Особенности проектирования системы панельного отопления

Проектирование системы отопления с бетонными панелями начинается с выбора вида па-

нелей и мест их расположения в помещениях. Отопительные панели в помещениях с уве-

личенной площадью остекления целесообразно для уменьшения радиационного охлажде-

367

ния людей и локализации потоков холодного воздуха размещать, как уже сказано, под световыми проемами или в узкой полосе пола, прилегающей к наружным ограждениям.

Если в помещении должна обогреваться только часть пола или потолка, то отопительную панель следует располагать в виде полосы по периметру помещения.

Установив тепловую мощность и температуру поверхности панелей, рассчитывают их

предварительную площадь. После проверки выполнения условий температурного ком-

форта уточняют теплопотери через ограждающие конструкции характерных помещений.

Затем выбирают необходимое количество типоразмеров отопительных панелей. Тип бе-

тонной панели определяется числом параллельных (средних и двух крайних) труб, размер

- длиной панели (например, типоразмер панели, обозначенный П-6-1,6, имеет шесть па-

раллельных труб, длина панели 1,6 м). Рекомендуется ограничивать число типов панелей

в здании двумя-тремя при общем числе типоразмеров четыре-шесть.

Для выбора типоразмеров панелей значения их предварительной площади (теплопотери всех помещений) объединяют в группы. Средняя величина теплопотерь в пределах каж-

дой группы не должна отличаться более чем на 15 % от аналогичной величины в соседних

группах, а теплопередача панелей, предназначенных для каждого помещения, на +10 и -5 % расчетных теплопотерь (например, отопительную панель с полезной теплоотдачей 700 Вт можно устанавливать в помещениях с теплопотерями 637...737 Вт).

Как уже известно, температура поверхности бетона значительно ниже температуры труб. Возникающее различие в удлинении вызывает растяжение бетона. Для предотвращения образования трещин в бетоне расстояние между трубами панелей не должно быть слиш- ком большим. В частности, для стеновых панелей оптимальным с учетом также экономи- ческих показателей считается шаг труб, равный 100...150 мм.

Площадь отдельных напольно-потолочных панелей желательно принимать до 10...15 м2 при длине не более 5 м, исходя из удобства транспортирования и размещения панелей в помещениях.

После выбора параметров теплоносителя (как правило, теплоносителя воды) в трубах па- нелей в зависимости от принятой схемы системы отопления проводят окончательные кон- струирование и расчет теплопередачи панелей с уточнением принятого размещения их в

помещениях. Детальную разработку панелей выполняют с расчетом заложенной в них не-

сущей арматуры. Бетонные отопительные панели включают в общую номенклатуру изде-

лий для сооружения здания.

При проектировании системы отопления с теплоносителем водой обращают внимание на обеспечение полного удаления воздуха из панелей, особенно горизонтальных, что дости- гается при совпадении направлений движения воды и воздуха в трубах панелей.

Завершается проектирование панельного отопления гидравлическим расчетом труб с уче- том длины, изгибов и соединений нагревательных элементов панелей. Тепловую нагрузку панелей принимают с учетом бесполезных дополнительных теплопотерь через наружные ограждения, если они имеются.

368

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ И УПРАЖНЕНИЯ

1. Обоснуйте возможность понижения температуры воздуха в помещении при лучи-

стом отоплении по сравнению с температурой воздуха при конвективном отопле-

нии.

2. В чем отличие радиационной температуры помещения, вычисленной относительно человека, находящегося посередине помещения, и относительно отопительной па- нели?

3. Установите закономерность изменения среднего значения коэффициента конвек-

тивного теплообмена на поверхности стеновой отопительной панели при измене- нии ее высоты.

4. Составьте систему алгебраических уравнений теплового баланса для трех групп

поверхностей в помещении (теплотеряющих, адиабатных и теплоотдающих).

5. Дайте критическую оценку приведенным в главе 11 способам расчета теплообмена

в помещении при помощи одного уравнения теплового баланса.

6. Сопоставьте коэффициенты теплопередачи греющих труб одинакового диаметра:

открыто проложенных в помещении и замоноличенных в бетон.

7. Выведите формулу (11.22).

8. Проведите реферативное исследование применения неметаллических нагреватель-

ных элементов в бетонных отопительных панелях.

9. Напишите формулу для определения неполного коэффициента теплопередачи че-

рез дополнительные слои материалов, прилегающие к тыльной стороне бетонной отопительной панели.

10. Составьте, используя дополнительную литературу, систему уравнений для опреде-

ления температуры в заданных точках поверхности бетонной отопительной панели.

369

РАЗДЕЛ 5. СИСТЕМЫ МЕСТНОГО ОТОПЛЕНИЯ

ГЛАВА 12. ПЕЧНОЕ ОТОПЛЕНИЕ

§ 12.1. Характеристика печного отопления

Печное отопление относится к местным системам отопления, при которых получение, пе-

ренос и передача теплоты происходят в одном и том же обогреваемом помещении. Тепло-

та генерируется при сгорании топлива в топливнике печи. Горячие дымовые газы нагре-

вают внутреннюю поверхность каналов - дымооборотов, теплота через стенки каналов пе- редается в отапливаемое помещение. Охладившиеся дымовые газы удаляются через ды- мовую трубу в атмосферу.

Топливо сжигается в печи периодически, поэтому теплота поступает в помещение нерав-

номерно, и в нем наблюдается нестационарный тепловой режим. Наибольшая теплоот-

дача печи приходится на конец топки, когда температура ее стенок достигает максимума. Наименьшая теплоотдача относится ко времени перед началом очередной топки.

Изменение теплоподачи в помещение характеризуют коэффициентом неравномерности

теплопередачи печи М [6], выражающим отношение полуразности максимальной и мини-

мальной теплопередачи печи к ее среднему значению. Коэффициент неравномерности те-

плопередачи зависит от числа топок в сутки и определяется для каждой конструкции печи

экспериментально.

Колебания теплоподачи вызывают изменение температуры воздуха и радиационной тем- пературы помещения. При печном отоплении происходит постоянное изменение темпера-

туры помещения, зависящее от его теплоустойчивости. Как известно, чем больше способ-

ность ограждений и оборудования помещения потощать теплоту, тем выше его теплоус-

тойчивость. Достаточно теплоустойчивым считают помещение, в котором при неравно- мерно передающей теплоту отопительной печи обеспечиваются колебания температуры воздуха в пределах ±3 °С.

Печное отопление имеет распространение и в настоящее время. В России почти треть жи-

лищного фонда (в основном за счет старых домов в сельской местности) оборудована пе-

чами. При новом капитальном строительстве печное отопление применяется ограниченно.

По действующим нормам [1] не допускается применение печей для отопления производ-

ственных помещений категорий А, Б и В. Устройство печного отопления в городах и на-

селенных пунктах городского типа должно специально обосновываться.

Печное отопление допускается в жилых и административных зданиях при числе этажей не

более двух (не считая цокольного этажа), небольших общественных зданиях (например, в

общеобразовательных школах при числе мест не более 80), производственных помещени-

ях категорий Г и Д площадью не более 500 м2. Печное отопление часто устраивается в са-

довых домиках.

Распространение печного отопления объясняется его достоинствами: меньшей стоимо-

стью устройства по сравнению с другими видами отопления, малой затратой металла

(только на колосниковую решетку, дверцы, задвижки, иногда на каркас), простотой уст-

ройства и обслуживания, независимостью отопления отдельных помещений, одновремен-

ным обеспечением вентиляции помещений.

370