Расчет системы отполения, горячего водоснабжения и вентиляции
Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине
«Отопление, вентиляция и кондиционирование»
Выполнил:
студент группы 31 Е
Захарец А. В.
Руководитель
ст. преподаватель кафедры Т
Кокшаров М.В.
В соответствии вариантом необходимо:
1)Произвести расчёт тепловых потерь здания.
3)Произвести расчёт системы горячего водоснабжения.
4)Начертить изометрическую схему системы горячего водоснабжения, указать диаметры трубопроводов
5)Произвести расчёт системы вентиляции, определить количество тепла на нагрев вентилируемого воздуха.
УДК 621.313.333
Курсовая работа содержит 28 страниц, 7 рисунков, 4 таблиц, 5 источников, 2 приложения.
Тепловые потери, ограждающие конструкции, система отопления, радиатор, теплоноситель, инфильтрация, ГВС, стояк, лежак, трубопровод, вентиляция.
Объектом исследования является двухэтажное жилое здание.
Цель работы – освоение и закрепление методов расчета тепловых потерь здания, систем отопления, ГВС, вентиляции.
Методы исследования – расчётные и графические.
Курсовая работа выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 2007
Введение. 5
1 Исходные данные. 6
2 Расчёт тепловых потерь здания. 7
2.1 Заполнение таблицы.. 7
2.2 Расчет диаметров трубопроводов системы отопления. 20
3 Расчет системы ГВС.. 23
3.1 Определение расчетных расходов воды в системах ГВС.. 23
3.2 Определение диаметров трубопровода системы ГВС.. 23
4 Расчет системы вентиляции. 26
4.1 Расход приточного воздуха. 26
4.2 Определение расхода тепла на нагрев вентилируемого воздуха. 26
Заключение. 28
Библиографический список. 29
Приложение А
Приложение Б
Введение
Расчет теплопотерь является важнейшим этапом проектирования систем отопления, ГВС и вентиляции.
Для определения тепловой мощности, покрывающей максимальную нагрузку на систему отопления, необходимо знать теплопотери здания в самую суровую расчетную часть холодного периода года. Для решения вопроса о соответствии уровня теплопотребления системой отопления здания современным требованиям, особенно учитывая проблему энергосбережения, необходимо определить теплопотери здания за весь отопительный период.
Существуют различные подходы к выбору расчетных значений коэффициентов теплопроводности строительных материалов. При этом тщательность в выборе значения данного коэффициента крайне важна. Необходимо также правильно оценивать значения коэффициентов теплообмена на поверхностях ограждений, особенно коэффициента теплоотдачи на внутренней поверхности, т.к. при завышенном его значении будет завышена и расчетная температура на внутренней поверхности, например, окна. При определении теплопотерь здания важна правильная оценка коэффициентов теплопередачи ограждающих конструкций.
В работе представлены расчеты теплопотерь здания и потребности в теплоте на нагревание инфильтрационного воздуха, рассчитаны и спроектированы системы отопления, ГВС и вентиляции.
Целью данной работы является получение знаний, навыков расчета и проектирования систем отопления, ГВС и вентиляции.
Исходные данные
Рисунок 1.1 – План первого(второго) этажа здания
Таблица 1.1 – Исходные данные
Расчёт тепловых потерь здания
При тщательном подходе к устройству системы отопления дома необходимо начать с расчета теплопотерь здания. Потери тепла в доме происходят через стены, окна, входные двери, крышу и пол первого этажа. Тепло также уходит вместе с воздухом при инфильтрации через щели в конструкциях, окна и двери.
Для удобства расчёта и представления информации итогом второго раздела данной курсовой работы будет заполненная таблица. Для каждого помещения будет определено или посчитано 25 параметров. Расчёт производится в соответствии со СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий».
Заполнение таблицы
2.1.1 Наименование помещения
В данном столбце указывается номер помещения по плану здания. Обычно нумерация помещений начинается от входа и идёт по часовой стрелке. Первая цифра – номер этажа, остальные – номер помещения.
Рисунок 2.1 – План первого этажа задания
Рисунок 2.2 – План второго этажа задания.
2.1.2 Температура наружного воздуха.
В данном столбце в соответствии со СНиП 23-01-99 "Строительная климатология" указывается температура воздуха наиболее холодной пяти- дневки обеспеченностью 0,92 t н, °С для нужного города или региона.
Для Санкт-Петербурга t н = -26 °С
2.1.3 Расчётная температура воздуха внутри помещения
В данном столбце в соответствии с ГОСТ30494-2011 "Здания жилые и общественные" указывается оптимальная температура воздуха внутри помещения t в, °С в зависимости от его типа. Так, для жилых комнат
t в = 18 – 20 °С, для ванных комнат t в = 24 – 26 °С, для кухонь t в = 19 – 21 °С.
В расчётах для ванных комнат примем t в = 25 °С, для всех остальных помещений t в = 20 °С
2.1.4 Наименование поверхности.
Для обозначения ограждающих конструкций вводятся следующие сокращения:
НС – наружная стена
ДО – окно
ДН – дверь наружная
2.1.5 Ориентация поверхности
Указывается ориентация вертикальных ограждающих конструкций по сторонам света:
В - восток
2.1.6 Длина поверхности
Указывается длина или в случае вертикальной поверхности высота ограждающей конструкции в метрах.
2.1.7 Ширина поверхности
Указывается ширина поверхности в метрах.
2.1.8 Площадь поверхности
Площадь поверхности определяется как произведение длины(высоты) и ширины поверхности по формуле:
| , | (2.1) |
a – длина(высота), м
b – ширина, м
При подсчете теплопотерь площадь отдельных ограждений A, м2, определяется с соблюдением следующих правил обмера:
1. Площадь окон, дверей и фонарей измеряют по наименьшему строительному проему.
2. Площадь потолка и пола измеряют между осями внутренних стен и внутренней поверхностью наружной стены. Площадь стен и пола, расположенных на грунте, в том числе на лагах, определяют с условной разбивкой их по зонам.
3. Площадь наружных стен измеряют
В плане - по наружному периметру между осями внутренних стен и наружным углом стены;
По высоте - на всех этажах, кроме нижнего: от уровня чистого пола до пола следующего этажа. На последнем этаже верх наружной стены совпадает с верхом покрытия или чердачного перекрытия. На нижнем этаже в зависимости от конструкции пола: а) от внутренней поверхности пола по грунту; б) от поверхности подготовки под конструкцию пола на лагах; в) от нижней грани перекрытия над неотапливаемым подпольем или подвалом.
4. При определении теплопотерь через внутренние стены их площади обмеряют по внутреннему периметру. Потери теплоты через внутренние ограждения помещений можно не учитывать, если разность температур воздуха в этих помещениях составляет 3°С и менее.
Передача теплоты из помещения через конструкцию пола или стены и толщу грунта, с которыми они соприкасаются, подчиняется сложным закономерностям. Для расчета сопротивления теплопередаче конструкций, расположенных на грунте, применяют упрощенную методику. Поверхность пола по грунту делится на полосы шириной 2 м, параллельные стыку наружной стены и поверхности земли. Отсчет зон начинается по стене от уровня земли, а если стен по грунту нет, то зоной I является полоса пола, ближайшая к наружной стене. Следующие две полосы будут иметь номера II и III, а остальная часть пола составит зону IV. (см рисунок 2.3)
Таким образом, общая площадь пола разбивается на зоны и площадь заносится в столбец для каждой зоны пола, причём для первой зоны площадь в углах здания считается дважды.
Рисунок 2.3 – Принцип разбиение пола здания на зоны
Рисунок 2.4 – Разбиение пола 1 этажа на зоны
2.1.9 Расчётная разность температур
,ºС определяется как разность температур внутреннего воздуха в помещении и температуры наружного воздуха наиболее холодной пятидневки по формуле:
 | (2.2) |
2.1.10 Коэффициент n
Выбираем коэффициент n, учитывающий положение ограждающей конструкции по отношению к наружному воздуху:
n = 1. Наружные стены и покрытия (в том числе вентилируемые наружным воздухом), перекрытия чердачные (с кровлей из штучных материалов) и над проездами; перекрытия над холодными (без ограждающих стенок) подпольями в Северной строительно-климатической зоне.
n = 0,9. Перекрытия над холодными подвалами, сообщающимися с наружным воздухом; перекрытия чердачные (с кровлей из рулонных материалов); перекрытия над холодными (с ограждающими стенками) подпольями и холодными этажами в Северной строительно-климатической зоне.
n = 0,75. Перекрытия над неотапливаемыми подвалами со световыми проемами в стенах.
n = 0,6. Перекрытия над неотапливаемыми подвалами без световых проемов в стенах, расположенные выше уровня земли.
n = 0,4. Перекрытия над неотапливаемыми техническими подпольями, расположенными ниже уровня земли
2.1.11 Коэффициент теплопередачи ограждающей конструкции
Коэффициент теплопередачи ограждающей конструкции k, Вт/(м 2 ∙ °С) - величина, численно равная поверхностной плотности теплового потока, проходящего через ограждающую конструкцию при разности внутренней и наружной температур воздуха рассчитывается по формуле:
где R i - нормативное значение сопротивления теплопередаче i-ой зоны пола.
Для каждой зоны неутепленного пола предусмотрены нормативные значения сопротивления теплопередаче:
зона I - R I = 2,1 м 2 ·°С/Вт;
зона II - R II = 4,3 м 2 ·°С/Вт;
зона III - R III = 8,6 м 2 ·°С/Вт;
зона IV - R IV = 14,2 м 2 ·°С/Вт.
2.1.12 Основные теплопотери
Формула расчёта основных теплопотерь Q осн, Вт помещения через ограждающие конструкции:
| (2.5) |
где k – коэффициент теплопередачи ограждающей конструкции, Вт/(м 2 ∙ °С);
А – площадь поверхности, м 2
2.1.13 Коэффициент дополнительных потерь β 1
Добавка на ориентацию ограждения по сторонам света принимается для всех наружных вертикальных ограждений или проекций на вертикаль наружных наклонных ограждений:
· для северной, северо-восточной, северо-западной, восточной ориентации ß 1 = 0,1;
· юго-восточной и западной ß 1 = 0,05;
· южной и юго-западной ß 1 = 0.
Рисунок 2.5 – Значение коэффициента ß 1
2.1.14 Коэффициент дополнительных потерь β 2
Добавка на угловое помещение, имеющее две и более наружных стен, учитывает, что в таком помещении радиационная температура ниже, чем в рядовом. Поэтому в угловом помещении жилого дома температуру внутреннего воздуха принимают на 2°С выше, чем в рядовом помещении, а в зданиях другого назначения увеличенные теплопотери учитывают добавкой ß 2 = 0,05 к основным теплопотерям вертикальных наружных ограждений.
2.1.15 Коэффициент дополнительных потерь β 3
Добавка на врывание холодного воздуха через наружные двери в здание, не оборудованное воздушно-тепловой завесой, при их кратковременном открывании принимается к основным теплопотерям дверей. Так, в здании высотой Н для тройных дверей с двумя тамбурами 
, для двойных дверей с тамбуром 
, для двойных дверей без тамбура 
, для одинарных дверей 
. Для наружных ворот при отсутствии тамбура и воздушно-тепловой завесы теплопотери рассчитываются с добавкой , а при наличии тамбура у ворот - с добавкой . Указанные добавки не относятся к летним и запасным наружным дверям и воротам.
2.1.16 Суммарный коэффициент дополнительных потерь
Суммарный коэффициент дополнительных потерь определяется по формуле:
| (2.6) |
2.1.17 Теплопотери с учетом дополнительных потерь Q β
Для нахождения теплопотерь с учетом дополнительных потерь необходимо перемножить значения двенадцатого и шестнадцатого столбцов, т.е. учитывается влияние добавочных коэффициентов на основные теплопотери.
2.1.18 Нормируемая воздухопроницаемость
Нормируемая воздухопроницаемость G н - это максимальная разрешенная воздухопроницаемость конструкции при любых погодных условиях, принимаемая в соответствии со СНиП 23-02-2003, значения которой приведены в табл. 2.1
Таблица 2.1 – Занчения G н
| Ограждение | Воздухопроницаемость G н, кг/(м 2 ·ч) |
| 1. Наружная стена, перекрытие и покрытие жилого, общественного, административного и бытового здания или помещения | 0,5 |
| 2. Наружная стена, перекрытие и покрытие производственного здания или помещения | 1,0 |
| 3. Стык между панелями наружных стен здания: жилого производственного | 0,5* 1,0* |
| 4. Входная дверь в квартиру | 1,5 |
| 5. Входная дверь в жилое, общественное, бытовое здание | 7,0 |
| 6. Окно и балконная дверь жилого, общественного, бытового здания или помещения в деревянном переплете; окно, фонарь производственного здания с кондиционированием воздуха | 6,0 |
| 7. Окно и балконная дверь жилого, общественного, бытового здания или помещения в пластмассовом или алюминиевом переплете | 5,0 |
| 8. Окно, дверь, ворота производственного здания | 8,0 |
| 9. Фонарь производственного здания | 10,0 |
2.1.19 Разность давлений воздуха
Расход наружного воздуха, поступающего в помещения в результате инфильтрации в расчетных условиях, зависит от объемно-планировочного решения здания, а также плотности окон, балконных дверей, витражей. Задача инженерного расчета сводится к определению расхода инфильтрационного воздуха G инф, кг/ч, через отдельные ограждения каждого помещения. Инфильтрация через стены и покрытия невелика, поэтому ею обычно пренебрегают и рассчитывают только через заполнение световых проемов, а также через закрытые двери и ворота, в том числе и те, которые при обычном эксплуатационном режиме не открываются. Затраты теплоты на врывание воздуха через открывающиеся двери и ворота в расчетном режиме учитываются добавками к основным теплопотерям через входные двери и ворота.
Расчет выявляет максимально возможную инфильтрацию, поэтому считается, что каждое окно или дверь находится на наветренной стороне здания.
Расчетная разность давлений Δр, Па для окна или двери каждого этажа определяется по формуле:
Для дверей:
 | (2.9) |
R инф.ок R инф.дв - требуемое сопротивления воздухопроницанию окна и двери соответственно, м 2 ∙ ч/кг;
Δр – расчётная разность давлений, Па;
Δр 0 – 10 Па.
2.1.21 Коэффициент теплопередачи инфильтрации
Коэффициент учитывающий влияние трансмиссионного теплового потока:
к =0,7. Для стыковых панелей стен и для окон с тройным остеклением;
к = 0,8. Для окон и балконных дверей с раздельными переплётами;
к = 1. Для окон и балконных дверей со спаренными или смежными переплётами.
2.1.22 Расход тепла на инфильтрацию
Расход тепла на инфильтрацию Q инф, Вт рассчитывается по формуле:
2.1.24 Мощность единицы нагревательного прибора
В качестве отопительного прибора выбран чугунный радиатор М-140, который широко известен на территории СНГ. Чугунные секционные радиаторы являются традиционными для нашей страны приборами.
Основное их преимущество возможность использования в открытых системах. В отличие от других радиаторов, чугунные практически нечувствительны к опорожнениям системы, то есть позволяют сколь угодно часто сливать из нее воду. При разливке чугуна на его поверхности образуется особенно прочный слой с повышенным содержанием кремния, поэтому в необработанном виде чугун довольно стоек к коррозии, в том числе от воздействия твердых частиц, присутствующих в теплоносителе. Говоря об эксплуатационных свойствах чугунных радиаторов, следует отметить их высокую теплопроводность и большую тепловую инерционность.
Секции радиатора отливают из серого чугуна, их можно компоновать в приборы различной площади. Секции соединяют на ниппелях с прокладками из картона, резины или паронита.
Примем мощность одной секции радиатора M-140 равную 140 Вт.
В ванной комнате наличие стояка отопления не предполагается. Отопление комнаты осуществляется установкой полотенцесушителя на трубопровод ГВС. Примем мощность полотенцесушителя равную 260 Вт.
2.1.25 Количество приборов отопления
Для того, чтобы найти количество секций радиатора М-140 на одно помещение нужно полные теплопотери этого помещения поделить на мощность одной секции радиатора М-140.
Общая тепловая нагрузка первого этажа здания равна 25,152 кВт, второго этажа 23,514 кВт.
Все расчёты предыдущих пунктов выполняются для каждого этажа здания и сводятся в таблицу в приложении А (для первого этажа) и приложении Б (для второго этажа)
Многие, строя загородный дом, забывают о приближении зимних холодов, из-за чего расчет теплопотерь здания делают в спешке, и в итоге отопление не создает комфортный микроклимат в помещениях. А ведь сделать дом теплым не сложно, нужно лишь учесть ряд нюансов.
На чем основывается расчет теплопотерь здания
Таким свойством, как теплопроводность, обладает любой материал, различается лишь уровень термического сопротивления, то есть пропускная способность. Из любого дома, даже с устроенной по всем правилам термоизоляцией, тепло уходит через окна, двери, стены, пол, потолок (крышу), а также через вентиляцию . При разнице внешней и внутренней температур обязательно возникает так называемая «точка росы», со средним значением. И только от микроклимата в помещениях, материала и толщины стен, а также характеристик термоизоляции зависит, где окажется эта точка: внутри, снаружи или непосредственно в стене, а также какая в ней будет температура.
Если ответственно подходить к задаче и выполнять расчет теплопотерь здания по всем правилам, это займет у вас немало часов и придется составить множество формул, вычисления займут целую тетрадь. Поэтому определим интересующие нас показатели упрощенным методом, либо обратившись за помощью к СНиП и ГОСТам. И, поскольку решено делать подсчеты не слишком углубленно, оставим в стороне определение среднегодовых температуры и влажности по самой холодной пятидневке за несколько лет, как того требуется по СНиП 23-01-99. Просто отметим наиболее морозный день за последний зимний сезон, допустим, это будет -30 о С. Также не будем принимать во внимание среднесезонную скорость ветра, влажность в регионе и длительность отопительного периода.
Калькулятор теплопотерь здания
Укажите размеры и типы стен.| На улице средняя температура за день | Выберите значение -40°C -30°C -20°C -15°C -10°C -5°C 0°C +5C +10C |
| Внутри средняя температура за день | |
| Стены Только выходящие на улицу стены! | Добавьте выходящие на улицу стены и укажите, из каких слоёв состоит стена |
| Комнаты | Добавьте все используемые помещения, даже коридоры, и укажите, из каких слоёв состоят перекрытия |
| Тепловые потери: |
|
Однако из чего же складывается микроклимат в жилой комнате? Комфортные условия для жильцов зависят от температуры воздуха t в, его влажности φ в и движения v в, возникающего при наличии вентиляции. И еще один фактор влияет на уровень тепла – радиационное излучение тепла или холода t р, свойственное нагреваемым (охлаждаемым) естественным путем предметам и поверхностям в обстановке. По нему определяется результирующая температура t п, с помощью формулы [t п = (t р + t в)/2]. Все эти показатели для разных помещений можно рассмотреть в приведенной ниже таблице.
Оптимальные параметры микроклимата жилых зданий по ГОСТ 30494-96
| Период года | Помещение | Температура внутреннего воздуха t в, °С | Результирующая температура t п, °С | Относит. влажность внутреннего воздуха φ в, % | Скорость движения воздуха v в, м/с |
| Холодный | Жилая комната | ||||
| То же, в районах с t 5 от -31 °С | |||||
| Кухня | |||||
| Туалет | |||||
| Ванная, совмещенный санузел | |||||
| Помещение для отдыха и учебных занятий | |||||
| Межквартирный коридор | |||||
| Вестибюль, лестничная клетка | |||||
| Кладовая | |||||
| Теплый | Жилая комната |
Буквами НН обозначаются ненормируемые параметры.
Делаем теплотехнический расчет стены с учетом всех слоев
Как уже было сказано, каждому материалу свойственно сопротивление теплопередаче, и чем толще стены или перекрытия, тем выше это значение . Однако не стоит забывать и про термоизоляцию, при наличии которой ограждающие помещение поверхности становятся многослойными и намного лучше препятствуют утечке тепла. У каждого слоя свое сопротивление прохождению тепла, и сумма всех этих величин обозначается в формулах как Σ R i (здесь буква i определяет номер слоя).
Поскольку составляющие ограждения помещений материалы с разными свойствами имеют некоторое возмущение температурного режима в своей структуре, высчитывается общее сопротивление теплопередаче. Формула у него следующая: , где R в и R н соответствуют сопротивлению на внутренней и наружной поверхностях ограждения, будь то стена или перекрытие . Однако утеплители вносят в теплотехнический расчет стены коррективы, которые базируются на коэффициенте теплотехнической однородности r , определяемом формулой .
Показатели с цифровыми индексами являются, соответственно, коэффициентами внутренних крепежей и соединения расчетного ограждения с любым другим. Первый, то есть r 1 , отвечает как раз за фиксацию утеплителей. Если коэффициент теплопроводности последних λ = 0,08 Вт/(м·°С), значение r 1 будет большим, если же теплопроводность термоизоляции оценивается как λ = 0,03 Вт/(м·°С), то меньшим.
Значение коэффициента внутренних крепежей уменьшается по мере возрастания толщины слоя утеплителя.
В целом, картина складывается следующая. Допустим, термоизоляция монтируется прямым анкерным креплением на трехслойной ячеистобетонной стене, снаружи облицованной кирпичом. Тогда при слое утеплителя в 100 миллиметров r
1 соответствует 0,78-0,91, толщина в 150 миллиметров дает коэффициент внутреннего крепежа 0,77-0,90, тот же показатель, но в 200 мм, определяет r
1 как 0,75-0,88. Если внутренний слой также из кирпича, то r
1 = 0,78-0,92, а если стены помещения железобетонные, то коэффициент смещается до 0,79-0,93. А вот оконные откосы
и вентиляция дают значение r
2 = 0,90-0,95. Все эти данные следует учитывать в дальнейшем.
Некоторые сведения о том, как рассчитать толщину утеплителя
Для того чтобы приступить к расчету термоизоляции, нам необходимо, прежде всего, высчитать R o , затем узнать требуемое термическое сопротивление R req по следующей таблице (сокращенный вариант).
Требуемые значения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций
Здание / помещение | Градусо-сутки отопительного периода D d , °С·сут | Приведенное сопротивление теплопередаче ограждений R req , м 2 ·°С/Вт |
|||
стены | покрытия | чердачного перекрытия и перекрытия над холодными подвалами | окна и балконной двери, витрины и витража |
||
| 1. Жилое, лечебно-профилактическое и детское учреждение, школа, интернат | |||||
| а | |||||
| b | |||||
| 2. Общественное, административное, бытовое и другие помещения с влажным или мокрым режимами | |||||
| а | |||||
| b | |||||
Коэффициенты a и b необходимы для тех случаев, когда значение D d , °С·сут отличается от приведенного в таблице, тогда R req , м 2 ·°С/Вт рассчитывается по формуле R req = a D d + b . Для колонки 6 первой группы зданий существуют поправки: если значение градусо-суток менее 6000 °С·сут, a = 0,000075, а b = 0,15, если тот же показатель в диапазоне 6000-8000 °С·сут, то a = 0,00005, b = 0,3, если же более 8000 °С·сут, то a = 0,000025, а b = 0,5. Когда все данные будут собраны, приступаем к расчету термоизоляции.
Теперь выясним, как рассчитать толщину утеплителя. Здесь придется обратиться к математике, поэтому будьте готовы поработать с формулами. Вот первая из них, по ней определяем требуемое условное сопротивление теплопередаче R o усл. тр = R req /r. Данный параметр нам нужен для определения требуемого сопротивления теплопередачи утеплителя R ут тр = R o усл. тр – (R в + Σ R т. изв + R н), здесь Σ R т. изв является суммой термического сопротивления слоев ограждения без учета теплоизоляции. Находим толщину утеплителя δ ут = R ут тр λ ут (м), причем λ ут берется из таблицы Д.1 СП 23-101-2004 , и округляем полученный результат в большую сторону до конструктивного значения с учетом номенклатуры производителя.
Можно заказать в специализированной фирме. Правда, стоит это недешево, да и проверить результаты будет невозможно. Совсем другое дело, если вы научитесь анализировать потери тепла в доме самостоятельно. Тогда и платить никому не придется, и вы будете на сто процентов уверены в своих расчетах.
Количество тепла, теряемое зданием за определенную единицу времени, и называется теплопотерями. Величина эта непостоянная. Зависит она от температуры, а также теплозащитных свойств ограждающих конструкций (к ним относятся стены, окна, перекрытия и т.п.). Существенные теплопотери происходят и из-за сквозняков - попадающий внутрь помещения воздух называют по-научному инфильтрацией. А прекрасный способ бороться с ними - установка современных стеклопакетов. Расчет теплопотерь обязательно должен учитывать все эти факторы.
Все строительные и отделочные материалы различаются по своим характеристикам и, следовательно, теплотехническим качествам. Их структура часто неоднородна, состоит из нескольких слоев, а иногда имеет замкнутые воздушные прослойки. Вычислить теплопотери всей этой конструкции можно, сложив показатели для каждого из слоев.
Основной характеристикой материалов в наших расчетах будет показатель Именно он покажет, сколько тепла потеряет конструкции (к примеру, 1 м 2) при определенном температурном перепаде.
Имеем следующую формулу: R=DT/Q
· DT - показатель разности температур;
· Q - количество Вт/м 2 тепла, которое теряет конструкция;
· R - коэффициент сопротивления теплопередачи.
Все эти показатели легко вычислить, пользуясь СНиП. В них прописана информация касательно большинства традиционных строительных материалов. Что же касается современных конструкций (стеклопакетов, гипсокартона и прочих), требуемые данные можно узнать у производителя.
Таким образом можно сделать расчет теплопотерь для каждой Особое внимание следует уделить наружным стенам, чердачным перекрытиям, участкам над холодными подвалами и неотапливаемыми этажами. Добавочные потери тепла происходят через двери и окна (в особенности выходящие на север и восток), а также наружные ворота при отсутствии тамбура.
Расчет теплопотерь здания производят в отношении самого неблагоприятного периода в году. Другими словами, берется самая морозная и ветреная неделя. Суммировав таким образом теплопотери, можно определить требуемую мощность всех отопительных приборов в помещении, необходимых для его комфортного обогрева. Эти расчеты помогут также определить «слабое звено» в системе теплоизоляции и принять дополнительные меры.
Сделать расчет можно и по общим, усредненным показателям. К примеру, для одно- и двухэтажных зданий при минимальной температуре воздуха -25°С тепла на один квадратный метр потребуется 213 Вт. Для зданий с качественным этот показатель снижается до 173 Вт, а то и меньше.
Исходя из всего вышесказанного, можно сказать, что экономить на качественной теплоизоляции не следует. В условиях постоянного повышения цен на энергоносители грамотное утепление и вентиляция конструкций приводят к значительной выгоде.
Определение потерь тепла при транспортировке теплоносителя является задачей, результаты которой влияют на правильный выбор источника теплоэнергии. Определение действительных потерь тепловой энергии трубопроводами и сравнение их со стандартными величинами позволяет своевременно произвести ремонт теплотрассы с заменой труб или их теплоизоляции.
Факторы, влияющие на потери тепла трубопроводом
По существующим методикам в расчетах нормативных потерь тепла учитываются длина и диаметр трубопровода, температура носителя, температура окружающей среды. Значения относительных потерь тепла приводятся к величинам, кратным пяти. Данная методика мало соответствует действительности, поскольку не берет в расчет реальное состояние изоляции трубопроводов и утечки самого теплоносителя. (См. также: )Однако, даже получив уточненные благодаря учету всех величин данные на всей протяженности значительной по длине трассы, нельзя говорить о достоверности этих данных для конкретного участка трубопровода.
Помимо основных параметров: протяженности и диаметра трубопровода, температуры носителя, воздуха и грунта, состояния изоляционного покрытия, на величину тепловых потерь существенное влияние оказывают скорость движения теплоносителя по трубе и количество и мощность потребителей, которые подсоединены к трассе. В случае наличия в системе мелких, находящихся на значительных расстояниях потребителей, потери тепла ощутимо возрастают. А компактная с несколькими крупными потребителями система практически не имеет теплопотерь.
Поэтому, если произведенный расчет тепловых потерь трубопроводов показывает значительные теплопотери для удаленных мелких потребителей, то целесообразной становится задача перевода таких сооружений на индивидуальное отопление. Эта методика также дает возможность определить участки наибольших потерь и показать экономический эффект от замены данного участка трубы. (См. также: )
Установка теплосчетчиков – обеспечение точности расчетов
Подобное обследование теплопотерь точнее и удобнее всего производить при наличии у потребителей, хотя бы у большинства из них, теплосчетчиков. Самым приемлемым вариантом является теплосчетчик с почасовым сохранением данных в архиве.Q = 2π*Ктп*L*(Tr – Tu)/Ln* (D/d)
В этой формуле Q – это величина тепловых потерь, Вт; Ктп – коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/м*с; L – протяженность трубопровода, м; Tr – температура теплоносителя; Tu – температура окружающей среды; π – число «пи»; D – наружный диаметр трубопровода с изоляцией; d – наружный диаметр трубы без изоляционного покрытия.
Данная формула позволяет с достаточно высокой степенью достоверности вычислить величину теплопотерь трубопроводом.
Использование материалов разрешено только при наличии индексируемой ссылки на страницу с материалом.
В.Г. Хромченков, зав. лаб., Г.В. Иванов, аспирант,
Е.В. Хромченкова, студент,
кафедра «Промышленные теплоэнергетические системы»,
Московский энергетический институт (технический университет)
В данной работе обобщены некоторые результаты проведенных нами обследований участков тепловых сетей (ТС) системы теплоснабжения жилищно-коммунальной сферы с анализом существующего уровня потерь тепловой энергии в тепловых сетях. Работа выполнялась в различных регионах РФ, как правило, по просьбе руководства ЖКХ. Значительный объем исследований проводился также в рамках Проекта передачи ведомственного жилого фонда, связанного с кредитом Мирового Банка.
Определение потерь тепла при транспорте теплоносителя является важной задачей, результаты решения которой оказывают серьезное влияние в процессе формирования тарифа на тепловую энергию (ТЭ). Поэтому знание этой величины позволяет также правильно выбирать мощности основного и вспомогательного оборудования ЦТП и, в конечном счете, источника ТЭ. Величина тепловых потерь при транспорте теплоносителя может стать решающим фактором при выборе структуры системы теплоснабжения с возможной ее децентрализацией, выборе температурного графика ТС и др. Определение реальных тепловых потерь и сравнение их с нормативными значениями позволяет обосновать эффективность проведения работ по модернизации ТС с заменой трубопроводов и/или их изоляции.
Зачастую величина относительных тепловых потерь принимается без достаточных на то обоснований. На практике задаются значениями относительных тепловых потерь часто кратными пяти (10 и 15%). Следует отметить, что в последнее время все больше муниципальных предприятий проводят расчеты нормативных тепловых потерь , которые, на наш взгляд, и должны определяться в обязательном порядке. Нормативные потери тепла напрямую учитывают основные влияющие факторы: длину трубопровода, его диаметр и температуры теплоносителя и окружающей среды. Не учитывают только фактическое состояние изоляции трубопроводов. Нормативные тепловые потери должны рассчитываться для всей ТС с определением потерь тепла с утечками теплоносителя и с поверхности изоляции всех трубопроводов, по которым осуществляется теплоснабжение от имеющегося источника тепла. Причем эти расчеты должны выполняться как в плановом (расчетном) варианте с учетом среднестатистических данных по температуре наружного воздуха, грунта, продолжительности отопительного периода и т.д., так и уточняться в конце его по фактическим данным указанных параметров, в том числе с учетом фактических температур теплоносителя в прямом и обратном трубопроводе.
Однако, даже имея правильно определенные средние нормативные потери по всей городской ТС, нельзя эти данные переносить на отдельные ее участки, как это зачастую делается, например, при определении величины присоединенной тепловой нагрузки и выборе мощностей теплообменного и насосного оборудования строящегося или модернизируемого ЦТП. Необходимо их рассчитать для данного конкретного участка ТС, иначе можно получить существенную ошибку. Так, например, при определении нормативных потерь тепла для двух произвольно выбранных нами микрорайонов одного из городов Красноярской области, при примерно одинаковой их расчетной присоединенной тепловой нагрузке одного из них они составили 9,8%, а другого - 27%, т.е. оказались в 2,8 раза большими. Средняя же величина тепловых потерь по городу, принимаемая при проведении расчетов, - 15%. Таким образом, в первом случае тепловые потери оказались в 1,8 раза ниже, а в другом - в 1,5 раза выше средних нормативных потерь. Столь большая разница легко объясняется, если разделить количество переданного за год тепла на площадь поверхности трубопровода, через которую происходит потеря тепла. В первом случае это соотношение равно 22,3 Гкал/м2, а во втором - только 8,6 Гкал/м2, т.е. в 2,6 раза больше. Аналогичный результат можно получить, просто сравнив материальные характеристики участков тепловой сети.
Вообще же ошибка, при определении потерь тепла при транспорте теплоносителя на конкретном участке ТС по сравнению со средним значением, может быть очень большой.
В табл. 1 представлены результаты обследования 5 участков ТС г. Тюмень (кроме расчетов нормативных потерь тепла, нами также были выполнены измерения фактических тепловых потерь с поверхности изоляции трубопроводов, см. ниже). Первый участок представляет собой магистральный участок ТС с большими диаметрами трубопровода
и соответственно большими расходами теплоносителя. Все остальные участки ТС - тупиковые. Потребителями ТЭ на втором и третьем участке являются 2-х и 3-этажные здания, расположенные по двум параллельным улицам. Четвертый и пятый участки также имеют общую тепловую камеру, но если в качестве потребителей на четвертом участке имеются компактно расположенные относительно крупные четырех-и пятиэтажные дома, то на пятом участке - это частные одноэтажные дома, расположенные вдоль одной протяженной улицы.
Как видно из табл. 1, относительные реальные потери тепла на обследованных участках трубопроводов зачастую составляют почти половину от переданного тепла (участки № 2 и № 3). На участке № 5, где расположены частные дома, более 70% тепла теряется в окружающую среду, несмотря на то, что коэффициент превышения абсолютных потерь над нормативными значениями примерно такой же, как на остальных участках. Наоборот, при компактном расположении относительно крупных потребителей, потери тепла резко снижаются (участок № 4). Средняя скорость теплоносителя на этом участке составляет 0,75 м/с. Все это приводит к тому, что фактические относительные тепловые потери на этом участке более чем в 6 раз ниже, чем на остальных тупиковых участках, и составили всего 7,3%.
С другой стороны, на участке № 5 скорость теплоносителя в среднем составляет 0,2 м/с, причем на последних участках теплосети (в таблице не показано) из-за больших диаметров трубы и малых значений расходов теплоносителя она составляет всего 0,1-0,02 м/с. С учетом относительно большого диаметра трубопровода, а следовательно, и поверхности теплообмена, в грунт уходит большое количество тепла.
При этом надо иметь в виду, что количество тепла, теряемое с поверхности трубы, практически не зависит от скорости движения сетевой воды, а зависит только от ее диаметра, температуры теплоносителя и состояния изоляционного покрытия. Однако относительно количества передаваемого по трубопроводам тепла,
тепловые потери напрямую зависят от скорости теплоносителя и резко возрастают при ее снижении. В предельном случае, когда скорость теплоносителя составляет сантиметры в секунду, т.е. вода практически стоит в трубопроводе, большая часть ТЭ может теряться в окружающую среду, хотя потери тепла могут и не превышать нормативные.
Таким образом, величина относительных тепловых потерь зависит от состояния изоляционного покрытия, и в значительной степени определяется также протяженностью ТС и диаметром трубопровода, скоростью движения теплоносителя по трубопроводу, тепловой мощностью присоединенных потребителей. Поэтому наличие в системе теплоснабжения мелких, удаленных от источника потребителей ТЭ может привести к росту относительных тепловых потерь на многие десятки процентов. Наоборот, в случае компактной ТС с крупными потребителями, относительные потери могут составлять считанные проценты от отпущенного тепла. Все это следует иметь в виду при проектировании систем теплоснабжения. Например, для рассмотренного выше участка № 5, возможно, более экономично было бы в частных домах установить индивидуальные газовые теплогенераторы.
В приведенном выше примере нами были определены, наряду с нормативными, фактические потери тепла с поверхности изоляции трубопроводов. Знание реальных тепловых потерь очень важно, т.к. они, как показал опыт, могут в несколько раз превышать нормативные значения. Такая информация позволит иметь представление о фактическом состоянии тепловой изоляции трубопроводов ТС, определить участки с наибольшими тепловыми потерями и рассчитать экономическую эффективность замены трубопроводов. Кроме того, наличие такой информации позволит обосновать реальную стоимость 1 Гкал отпущенного тепла в региональной энергетической комиссии. Однако, если тепловые потери, связанные с утечкой теплоносителя, можно определить по фактической подпитке ТС при наличии соответствующих данных на источнике ТЭ, а при их отсутствии рассчитать их нормативные значения, то определение реальных потерь тепла с поверхности изоляции трубопроводов является весьма трудной задачей.
В соответствии с для определения фактических тепловых потерь на испытываемых участках двухтрубной водяной ТС и сравнения их с нормативными значениями, должно быть организовано циркуляционное кольцо, состоящее из прямого и обратного трубопроводов с перемычкой между ними. Все ответвления и отдельные абоненты должны быть от него отсоединены, а расход на всех участках ТС должен быть одинаков. При этом минимальный объем испытываемых участков по материальной характеристике должен быть не менее 20% материальной характеристики всей сети, а перепад температур теплоносителя должен составлять не менее 8 ОС. Таким образом, должно образоваться кольцо большой протяженности (несколько километров).
Учитывая практическую невозможность проведения испытаний по данной методике и выполнения ряда ее требований, в условиях отопительного периода, а также сложность и громоздкость, нами предложена и с успехом много лет используется методика тепловых испытаний, основанная на простых физических законах теплопередачи. Суть ее заключается в том, что, зная снижение («сбег») температуры теплоносителя в трубопроводе от одной точки измерения до другой при известном и неизменном его расходе, легко вычислить потерю тепла на данном участке ТС. Затем при конкретных температурах теплоносителя и окружающей среды в соответствии с полученные значения тепловых потерь пересчитываются на среднегодовые условия и сравниваются с нормативными, также приведенными к среднегодовым условиям для данного региона с учетом температурного графика теплоснабжения. После этого определяется коэффициент превышения фактических потерь тепла над нормативными значениями.
Измерение температуры теплоносителя
Учитывая очень малые значения перепада температур теплоносителя (десятые доли градуса), повышенные требования предъявляются как к измерительному прибору (шкала должна быть с десятыми долями ОС), так и тщательности самих измерений. При измерении температуры поверхность труб должна быть зачищена от ржавчины, а трубы в точках проведения измерений (на концах участка) желательно иметь одного диаметра (одинаковой толщины). С учетом вышесказанного температура теплоносителей (прямого и обратного трубопроводов) должна измеряться в местах разветвления ТС (обеспечение постоянного расхода), т.е. в тепловых камерах и колодцах.
Измерение расхода теплоносителя
Расход теплоносителя должен быть определен на каждом из неразветвленных участков ТС. При проведении испытаний иногда удавалось использовать портативный ультразвуковой расходомер. Сложность непосредственного измерения расхода воды прибором связана с тем, что чаще всего обследуемые участки ТС расположены в непроходных подземных каналах, а в тепловых колодцах, из-за расположенной в нем запорной арматуры, не всегда возможно соблюсти требование, касающееся необходимых длин прямолинейных участков до и после места установки прибора. Поэтому для определения расходов теплоносителя на обследуемых участках теплотрассы наряду с непосредственными измерениями расходов в некоторых случаях использовались данные с теплосчетчиков, установленных на зданиях, присоединенных к этим участкам сети. При отсутствии в здании теплосчетчиков расходы воды в подающем или обратном трубопроводах измерялись переносным расходомером на вводе в здания.
В случае невозможности непосредственно измерить расход сетевой воды для определения расходов теплоносителя использовались расчетные его значения.
Таким образом, зная расход теплоносителя на выходе из котельных, а также на других участках, включая здания, присоединенные к обследуемым участкам теплосети, можно определить расходы практически на всех участках ТС.
Пример использования методики
Следует также отметить, что проще всего, удобнее и точнее проводить подобное обследование при наличии теплосчетчиков у каждого потребителя или хотя бы у большинства. Лучше, если теплосчетчики имеют часовой архив данных. Получив с них необходимую информацию, легко определить как расход теплоносителя на любом участке ТС, так и температуру теплоносителя в ключевых точках с учетом того, что, как правило, здания расположены в непосредственной близости от тепловой камеры или колодца. Таким образом, нами были выполнены расчеты тепловых потерь в одном из микрорайонов г. Ижевска без выезда на место. Результаты получились примерно такими же, как и при обследовании ТС в других городах со сходными условиями - температурой теплоносителя, срока эксплуатации трубопроводов и др.
Многократные измерения фактических тепловых потерь с поверхности изоляции трубопроводов ТС в различных регионах страны указывают на то, что потери тепла с поверхности трубопроводов, находящиеся в эксплуатации 10-15 и более лет, при прокладке труб в непроходных каналах в 1,5-2,5 раза превышают нормативные значения. Это в случае, если нет видимых нарушений изоляции трубопровода, отсутствует вода в лотках (по крайней мере, во время проведения измерений), а также косвенных следов ее пребывания, т.е. трубопровод находится в видимом нормальном состоянии. В случае же, когда вышеуказанные нарушения присутствуют, фактические потери тепла могут превысить нормативные значения в 4-6 и более раз.
В качестве примера приведены результаты обследования одного из участков ТС, теплоснабжение по которому осуществляется от ТЭЦ г. Владимира (табл. 2) и от котельной одного из микрорайонов этого города (табл. 3). Всего в процессе работы было обследовано около 9 км теплотрассы из 14 км, которые планировались к замене на новые, предварительно изолированные трубы в пенополиуретановой оболочке. Замене подлежали участки трубопроводов, теплоснабжение по которым осуществляется от 4 муниципальных котельных и от ТЭЦ.
Анализ результатов обследования показывает, что потери тепла на участках с теплоснабжением от ТЭЦ в 2 раза и более превышают тепловые потери на участках теплосети, относящихся к муниципальным котельным. В значительной степени это связано с тем, что срок службы их зачастую составляет 25 лет и более, что на 5-10 лет больше срока службы трубопроводов, теплоснабжение по которым осуществляется от котельных. Второй причиной лучшего состояния трубопроводов, на наш взгляд, является то, что протяженность участков, обслуживаемых работниками котельной, относительно небольшая, расположены они компактно и руководству котельных проще следить за состоянием теплосети, вовремя обнаруживать утечки теплоносителя, проводить ремонтные и профилактические работы. На котельных имеются приборы для определения расхода подпиточной воды, и в случае заметного увеличения расхода «подпитки» можно обнаружить и устранить образовавшиеся утечки.
Таким образом, наши измерения показали, что предназначенные к замене участки ТС, особенно участки, присоединенные к ТЭЦ, действительно находятся в плохом состоянии в отношении повышенных потерь тепла с поверхности изоляции. В тоже время анализ результатов подтвердил полученные при других обследованиях данные об относительно невысоких скоростях теплоносителя (0,2-0,5 м/с) на большинстве участков ТС. Это приводит, как отмечено выше, к увеличению тепловых потерь и если может быть как-то оправданным при эксплуатации старых трубопроводов, находящихся в удовлетворительном состоянии, то при модернизации ТС (в большинстве своем) необходимо уменьшение диаметра заменяемых труб. Это тем более важно с учетом того, что предполагалось при замене старых участков ТС на новые использовать предварительно изолированные трубы (того же диаметра), что связано с большими затраты (стоимость труб, запорной арматуры, отводов и т.д.), поэтому уменьшение диаметра новых труб до оптимальных значений может существенно снизить общие затраты.
Изменение диаметров трубопроводов требует проведения гидравлических расчетов всей ТС.
Такие расчеты были выполнены применительно к ТС четырех муниципальных котельных, которые показали, что из 743 участков сети на 430 могут быть существенно снижены диаметры труб. Граничными условиями проведения расчетов были неизменный располагаемый напор на котельных (замена насосов не предусматривалась) и обеспечение напора у потребителей не менее 13 м. Экономический эффект только от снижения стоимости самих труб и запорной арматуры без учета остальных составляющих - стоимости оборудования (отводы, компенсаторы и т.д.), а также снижения потерь тепла из-за уменьшения диаметра трубы составил 4,7 млн руб.
Проведенные нами измерения потерь тепла на участке ТС одного из микрорайонов г. Оренбурга после полной замены труб на новые предварительно изолированные в пенополиуретано-вой оболочке, показали, что тепловые потери стали на 30% ниже нормативных.
Выводы
1. При проведении расчетов потерь тепла в ТС необходимо определять нормативные потери для всех участков сети в соответствии с разработанной методикой .
2. При наличии мелких и удаленных потребителей потери тепла с поверхности изоляции трубопроводов могут быть очень большими (десятки процентов), поэтому необходимо рассмотреть целесообразность альтернативного теплоснабжения данных потребителей.
3. Помимо определения нормативных тепловых потерь при транспорте теплоносителя по
ТС необходимо определить на отдельных характерных участках ТС фактические потери, что позволит иметь реальную картину ее состояния, обоснованно выбирать участки, требующие замены трубопроводов, точнее рассчитывать стоимость 1 Гкал тепла.
4. Практика показывает, что скорости теплоносителя в трубопроводах ТС часто имеют низкие значения, что приводит к резкому увеличению относительных потерь тепла. В таких случаях при проведении работ, связанных с заменой трубопроводов ТС, следует стремиться к уменьшению диаметра труб, что потребует проведения гидравлических расчетов и наладки ТС, но позволит существенно снизить затраты на приобретение оборудования и значительно уменьшить потери тепла при эксплуатации ТС. Особенно это актуально при использовании современных предварительно изолированных труб. На наш взгляд близкими к оптимальным являются скорости теплоносителя 0,8-1,0 м/с.
Литература
1. «Методика определения потребности в топливе, электрической энергии и воде при производстве и передаче тепловой энергии и теплоносителей в системах коммунального теплоснабжения», Государственный комитет РФ по строительству и жилищно-коммунальному хозяйству, Москва. 2003, 79 с.
