Расчет водяного отопления: пример расчета теплового баланса

Для внедрения обогревательной установки, где в качестве циркуляционного вещества выступает вода, требуется предварительно произвести точные гидравлические вычисления.

Осуществить самостоятельно расчет водяного отопления (далее — СВО) без использования профильных программ невозможно, поскольку в вычислениях используются сложные выражения, определить значения которых с помощью обычного калькулятора нельзя.

При разработке, внедрении любой системы обогревательного типа необходимо знать тепловой баланс (далее – ТБ). Зная тепловую мощность для поддержания температуры в помещении, можно правильно подобрать оборудование и грамотно распределить его нагрузку.

Зимой помещение несет определенные тепловые потери (далее – ТП). Основная масса энергии выходит через ограждающие элементы и вентиляционные проемы. Незначительные расходы приходятся на инфильтрацию, нагревание предметов и др.

Наибольшее количество тепла покидает помещение через стены, пол, крышу, наименьшее — через двери, оконные проемы

ТП зависят от слоев, из которых состоят ограждающие конструкции (далее — ОК). Современные строительные материалы, в частности, утеплители, обладают низким коэффициентом теплопроводности (далее – КТ), благодаря чему через них уходит меньше тепла. Для домов одинаковой площади, но с разным строением ОК, тепловые затраты будут отличаться.

Помимо определения ТП, важно вычислить ТБ жилища. Показатель учитывает не только количество энергии, покидающей помещение, но и количество необходимой мощности для поддержания определенных градусных мер в доме.

Наиболее точные результаты дают профильные программы, разработанные для строителей. Благодаря им возможно учесть больше факторов, влияющих на ТП.

С высокой точностью можно вычислить ТП жилища с помощью формул.
Общие тепловые расходы дома рассчитывают по уравнению:
В выражении — количество тепла, покидающее помещение через ОК, — тепловые расходы вентиляции.
Потери через вентиляцию учитываются в том случае, если воздух, попадающий в помещение, имеет более низкую температуру.

В расчетах обычно учитывают ОК, входящие одной стороной на улицу. Это наружные стены, пол, крыша, двери и окна. Общие ТП равны сумме ТП каждой ОК, то есть:

В уравнении:

Если пол или потолок имеет неодинаковое строение по всей площади, то ТП вычисляют для каждого участка отдельно.

Содержание

Расчет теплопотерь через ОК

Для вычислений потребуются следующие сведения:

строение стен, используемые материалы, их толщина, КТ;;
наружная температура в предельно холодную пятидневку зимы в городе;
площадь ОК;
ориентация ОК;
рекомендуемая температура в жилище в зимний период.

Для вычисления ТП нужно найти общее тепловое сопротивление R ок. Для этого нужно узнать тепловое сопротивление R1, R2, R3, …, Rn каждого слоя ОК.

Коэффициент Rn рассчитывается по формуле:

В формуле B — толщина слоя ОК в мм, k — КТ каждого слоя.

Общее R возможно определить по выражению:

Производители дверей и окон обычно указывают коэффициент R в паспорте к изделию, поэтому рассчитывать его отдельно нет необходимости.

Тепловое сопротивление окон можно не рассчитывать, поскольку в техническом паспорте уже присутствуют необходимые сведения, что упрощает вычисление ТП
Общая формула расчета ТП через ОК выглядит следующим образом.
В выражении:

S — площадь ОК, м 2 ;
t vnt — желаемая температура в помещении;
t nar — наружная температура воздуха;
R — коэффициент сопротивления, рассчитывается отдельно или берется из паспорта изделия;
l — уточняющий коэффициент, учитывающий ориентацию стен относительно сторон света.

Расчет ТБ позволяет подобрать оборудование необходимой мощности, что исключит вероятность образования дефицита тепла или его переизбытка. Дефицит тепловой энергии компенсируют путем увеличение потока воздуха через вентиляцию, переизбыток – установкой дополнительного отопительного оборудования.

Тепловые расходы вентиляции

Общая формула расчета ТП вентиляции имеет следующий вид:

В выражении переменные имеют следующий смысл:

Если в здании установлена вентиляция, то параметр берется из технических характеристик к прибору. Если же вентиляция отсутствует, то берется стандартный показатель удельного воздухообмена, равный 3 м 3 в час. Исходя из этого, вычисляется по формуле:

В выражении — площадь пола.

2% от всех тепловых потерь приходится на инфильтрацию, 18% — на вентиляцию. Если помещение оборудовано системой вентиляции, то в расчетах учитывают ТП через вентиляцию, а инфильтрацию во внимание не берут

Удельная теплоемкость .

Если вентиляция или инфильтрация неорганизованная, в стенах присутствуют щели или дыры, то вычисление ТП через отверстия следует доверить специальным программам.

Пример расчета теплового баланса

Рассмотрим дом высотой 2.5 м, шириной 6 м и длиной 8 м, располагающийся в городе Оха в Сахалинской области, где в предельно холодную 5-дневку градусник термометра опускается на -29 градусов.

В результате измерения было установлена температура грунта — +5. Рекомендуемая температура внутри конструкции составляет +21 градус.

Изобразить схему дома удобнее всего на бумаге, указав не только длину, ширину и высоту постройки, но и ориентированность относительно сторон света, а также расположение, габариты окон и дверей (+)

Стены рассматриваемого дома состоят из:

кирпичной кладки толщиной В=0.51 м, КТ k=0.64;
минеральной ваты В=0.05 м, k=0.05;
облицовки В=0.09 м, k=0.26.

При определении k лучше воспользоваться таблицами, представленными на сайте производителя, или найти информацию в техническом паспорте изделия.

Зная теплопроводность, можно подобрать максимально эффективные с точки зрения тепловой изоляции материалы. Исходя из вышеприведенной таблицы, наиболее целесообразно использовать в строительстве минераловатные плиты и пенополистирол

Напольное покрытие состоит из следующих слоев:

OSB-плит В=0.1 м, k=0.13;
минваты В=0.05 м, k=0.047;
стяжки цементной В=0.05 м, k=0.58;
пенополистирола В=0.06 м, k=0.043.

В доме подвальное помещение отсутствует, а пол имеет одинаковое строение по всей площади.

Потолок состоит из слоев:

листов гипсокартона B=0.025 м, k= 0.21;
утеплителя В=0.05 м, k=0.14;
кровельного перекрытия В=0.05 м, k=0.043.

Выходы на чердак отсутствуют.

В доме всего 6 двухкамерных окон с И-стеклом и аргоном. Из технического паспорта на изделия известно, что R=0.7. Окна имеют габариты 1.1х1.4 м.

Двери имеют габариты 1х2.2 м, показатель R=0.36.

Расчет теплопотерь стены

Стены по всей площади состоят из трех слоев. Вначале рассчитаем их суммарное тепловое сопротивление, используя формулу:
и выражение
Учитывая исходные сведения, получим:
Узнав R, можно приступить к расчетам ТП северной, южной, восточной и западной стены.

Добавочные коэффициенты учитывают особенности расположения стен относительно сторон света. Обычно в северной части во время холодов образуется «роза ветров»,в результате чего ТП с этой стороны будут выше, чем с других

Вычислим площадь северной стены

Тогда, подставляя в формулу

и учитывая, что l=1.1, получим:

Площадь южной стены . В стене отсутствуют встроенные окна или двери, поэтому, учитывая коэффициент l=1, получим следующие ТП:

Для западной и восточной стены коэффициент l=1.05. Поэтому можно найти общую площадь этих стен, то есть:

В стены встроено 6 окон и одна дверь. Рассчитаем общую площадь окон и S дверей:
Определим S стен без учета S окон и дверей:
Подсчитаем общие ТП восточной и западной стены:
Получив результаты, подсчитаем количество тепла, уходящего через стены:
Итого общие ТП стен составляют 6 кВт.

Вычисление ТП окон и дверей

Окна располагаются на восточной и западной стенах, поэтому при расчетах коєффициент l=1.05. Известно, что строение всех конструкций одинаково и R=0.7. Используя значения площади, приведенные выше, получим:

Зная, что для дверей R=0.36, а S=2.2, определим их ТП:

В итоге через окна выходит 340 Вт тепла, а через двери — 42 Вт.

Определение ТП пола и потолка

Очевидно, что площадь потолка и пола будет одинакова, и вычисляется следующим образом:

Рассчитаем общее тепловое сопротивление пола с учетом его строения.

Зная, что температура грунта t nar =+5 и учитывая коэффициент l=1, вычислим Q пола:

Округлив, получим, что теплопотери пола составляют около 3 кВт.

В расчетах ТП нужно учитывать слои, влияющие на тепловую изоляцию, например, бетон, доски, кирпичная кладка, утеплители и др. (+)
Определим R ptl .
Определив тепловое сопротивление потолка, найдем его Q:
Отсюда следует, что через потолок и пол уходит почти 6 кВт.

Вычисление ТП вентиляции

В помещении вентиляция организована, вычисляется по формуле:

Исходя из технических характеристик, удельный теплообмен составляет 3 кубических метра в час, то есть:

Для вычисления плотности используем формулу:

Расчетная температура в помещении составляет +21 градус.

ТП вентиляции не рассчитывают, если система снабжена устройством подогрева воздуха
Подставляя известные значения, получим:
Подставим в вышеприведенную формулу полученные цифры:
Учитывая ТП на вентиляцию, общее Q здания составит:
Переведя в кВт, получим общие тепловые потери 16 кВт.

Особенности расчета СВО

После нахождения показателя ТП переходят к гидравлическому расчету (далее — ГР), на основе которого получают информацию о:

оптимальном диаметре труб, который при перепадах давления будет способен пропускать заданное количество теплоносителя;
расходе теплоносителя на определенном участке;
скорости движения воды;
значении удельного сопротивления.

Перед началом расчетов для упрощения вычислений изображают пространственную схему системы, на которой все ее элементы располагают параллельно друг другу.

На схеме изображена система отопления с верхней разводкой, движение теплоносителя — тупиковое (+)

Рассмотрим основные этапы расчетов водяного отопления.

ГР главного циркуляционного кольца

Методика расчета ГР основывается на предположении, что во всех стояках и ветвях перепады температуры одинаковые.

Алгоритм расчета следующий:

На изображенной схеме, учитывая теплопотери, наносят тепловые нагрузки, действующие на отопительные приборы, стояки.

Исходя из схемы, выбирают главное циркуляционное кольцо (далее — ГЦК). Особенность этого кольца в том, что в нем циркуляционное давление на единицу длины кольца принимает наименьшее значение.

ГЦК разбивают на участки, имеющие постоянные расход тепла. Для каждого участка указывают номер, тепловую нагрузку, диаметр и длину.

В вертикальной системе однотрубного типа в качестве ГЦК берется то кольцо, через которое проходит наиболее нагруженный стояк при тупиковом или попутном движении воды по магистралям.

В вертикальных системах двухтрубного типа ГЦК проходит через нижнее отопительное устройство, имеющее максимальную нагрузку при тупиковом или попутном движении воды

В горизонтальной системе однотрубного типа ГЦК должно иметь наименьшее циркуляционное давление да единицу длины кольца. Для систем с естественной циркуляцией ситуация аналогична.

При ГР стояков вертикальной системы однотрубного типа проточные, проточно-регулируемые стояки, имеющие в своем составе унифицированные узлы, рассматривают в качестве единого контура. Для стояков с замыкающими участками производят разделение, учитывая распределение воды в трубопроводе каждого приборного узла.

Расход воды на заданном участке вычисляется по формуле:

В выражении буквенные символы принимаю следующие значения:

— добавочные табличные коэффициенты, учитывающие теплоотдачу в помещении;

c — теплоемкость воды, равна 4,187;

— температура воды в подающем магистрали;

— температура воды в обратной магистрали.

Определив диаметр и количество воды, необходимо узнать скорость ее движения и значение удельного сопротивления R. Все расчеты удобнее всего осуществить с помощью специальных программ.

ГР второстепенного циркуляционного кольца

После ГР главного кольца определяют давление в малом циркуляционном кольце, образующееся через ближайшие его стояки, учитывая, что потери давления могут отличаться на не более чем 15 % при тупиковой схеме и не более, чем на 5%, при попутной.

Если невозможно увязать потери давления, устанавливают дроссельную шайбу, диаметр которой вычисляют с использованием программных методов.

Расчет радиаторных батарей

Вернемся к плану дома, размещенного выше. Путем вычислений было выявлено, что для поддержания теплового баланса потребуется 16 кВт энергии. В рассматриваемом доме 6 помещений разного назначения – гостиная, санузел, кухня, спальня, коридор, прихожая.

Исходя из габаритов конструкции, можно вычислить объем V:

санузел – 4.19*2.5=10.47;

Расчет систем отопления (часть 3 — Расчет радиаторов)

Итак, исходя из предыдущих статей стало ясно, что комфортные параметры внутреннего воздуха в помещениях в зимний период зависят напрямую от того соответствует ли мощность системы отопления здания количеству потерь тепла. В устоявшемся режиме здания все теплопотери должны быть равны мощности системы отопления. Это и называется тепловым балансом здания.

Тепловой баланс здания

Если в помещении есть много источников выделения тепла (тепловыделения от большого количества людей, от солнечной радиации или иных процессов, сопровождающихся выделением тепла), то данные показатели также должны быть учтены в тепловом балансе здания.

Теплопотери и теплопоступления в помещении общественного здания.

Но, как правило, в условиях континентального климата для жилых зданий этими показателями пренебрегают, устанавливая системы автоматики на системы отопления здания или термостатические вентиля на приборы отопления.

Этими мероприятиями можно поддерживать постоянную температуру в помещениях независимо от колебаний температуры наружного воздуха или внутренних тепловых возмущений.

В производственных или административных зданиях такие теплопоступления обычно компенсируются системами вентиляции.

Итоговый тепловой баланс здания определяется следующим образом:

Qот=Qогр+Qвент(инф)+/-Qвнутр,

где, Qогр – теплопотери через ограждающие конструкции здания,

Qвент(инф) – потери тепла на нагрев инфильтрации или приточных систем вентиляции,

Qвнутр – поступления тепла от внутренних источников (люди, оборудование, солнечная радиация и пр.).

Тепловой баланс здания определяется по максимальным значениям потерь тепла в зимний период года при минимальных расчетных температурах наружного воздуха, влажности и скорости ветра для конкретного региона строительства. Все расчетные параметры регламентируются в нормативной документации, а, в частности, в СНиП 23-01-99 «Строительная климатология».

Для рассматриваемого примера теплопотери здания, а конкретно нагрузка на систему отопления, могут значительно отличаться по каждому помещению, поэтому использование удельных показателей, рассчитанных ранее носит чисто информационный характер. На практике следует выполнить точный теплотехнический расчет.

Итак, тепловой баланс для помещения площадью 8,12 м? выглядит следующим образом:

Q=(Qуд+Qуд.инф)*8,12м?

Q100мм=(103+44)*8,12=1 194 Вт

Q150мм=(81+44)*8,12=1 015 Вт

Q200мм=(70+44)*8,12=926 Вт

Расчет и подбор радиаторов отопления

Радиаторы или конвекторы являются главными элементами отопительной системы, так как их основной функцией является передача тепла от теплоносителя воздуху в помещении или поверхностям комнаты. Мощность радиаторов при этом должна четко соответствовать тепловым потерям по помещениям. Из предыдущих разделов цикла статей видно, что укрупнено мощность радиаторов можно определить по удельным показателям по площади или объему комнаты.

Так, для отопления помещения в 20 м? с одним окном требуется в среднем установить прибор отопления мощностью 2 кВт, а если учесть небольшой запас на поверхность в размере 10-15%, то мощность радиатора составит 2,2 кВт ориентировочно.

Этот метод подбора радиаторов является достаточно грубым, так как не учитывает много значимых особенностей и строительных характеристик здания.

Более точным является подбор радиаторов на основании теплотехнического расчета жилого дома, который выполняется специализированными проектными организациями.

Основным параметром для подбора типоразмера прибора отопления является его тепловая мощность. А в случае с секционными алюминиевыми или биметаллическими радиаторами указывается мощность одной секции.

Наиболее часто используемыми в системах отопления радиаторами являются приборы с межосевым расстоянием 350 или 500 мм, выбор которых основан, прежде всего на конструкции окна и отметке подоконника относительно финишного напольного покрытия.

Мощность 1 секции
радиатора
по паспорту, Вт
Площадь комнаты, м2

10	12	14	16	18	20	22
Количество секций
140	8	9	10	12	13	15	16
150	7	8	10	11	12	14	15
160	7	8	9	10	12	13	14
180	6	7	8	9	10	12	13
190	6	7	8	9	10	11	12
200	5	6	7	8	9	10	11

В техническом паспорте на приборы отопления производители указывают тепловую мощность применительно к каким-либо температурным условиям. Стандартными являются параметры теплоносителя 90-70 °C, в случае низкотемпературного отопления тепловую мощность следует корректировать согласно коэффициентам, указанных в технической документации.

В этом случае мощность приборов отопления определяется следующим образом:

Q=A*k*?T,

где

А – площадь теплоотдачи, м?

k – коэффициент теплопередачи радиатора, Вт/м?*°C.

?T – температурный напор, °C

?T является средней величиной между температурой подающего и обратного теплоносителя и определяется по формуле:

?T= (Тпод+Тобр)/2 — tпомещ

Паспортными данными является мощность радиатора Q и температурный напор, определенные в стандартных условиях. Произведение коэффициентов k*A является величиной постоянной и определяется сначала для стандартных условий, а затем можно подставить в формулу для определения фактической мощности радиатора, который будет работать в системе отопления с параметрами, отличающимися от принятых.

Для каркасного дома, рассматриваемого в качестве примера с толщиной изоляции 150 мм, подбор радиатора для помещения площадью 8,12 м2 будет выглядеть следующим образом.

Ранее мы определили, что удельные теплопотери для углового помещения с учетом инфильтрации 125 Вт/м2, значит, мощность радиатора должна составлять не менее 1 015 Вт, а с запасом в 15% 1 167 Вт.

Для установки доступен радиатор мощностью 1,4 кВт при параметрах теплоносителя 90/70 градусов, что соответствует температурному напору ?T= 60 градусов. Планируемая система отопления будет работать на параметрах воды 80/60 градусов (?T=50) Следовательно, чтобы удостовериться в том, что радиатор сможет полностью перекрыть теплопотери помещения необходимо определить его фактическую мощность.

Для этого, определив значение k*A=1400/60=23,3 Вт/град, определяем фактическую мощность Qфакт=23,3*50=1167 Вт, что полностью удовлетворяет требуемой тепловой мощности прибора отопления, который должен быть установлен в данном помещении.
Видео ролик на тему расчета мощности радиатора:

Влияние способов подключения и места установки на теплоотдачу радиаторов

При расчете фактической мощности радиаторов следует знать, что теплоотдача приборов также зависит и от способа размещения.

Фактическая мощность, полученная в результате расчетов, показывает какое количество тепла радиатор отдаст при расчетных параметрах теплоносителя, грамотной схеме подключения, сбалансированной системе отопления, а также при установке открыто на стене или под окном без использования декоративных экранов.

Как правило, оконные проемы являются строительными элементами с максимальными потерями тепла вне зависимости от количества камер и прочих энергоэффективных показателей. Поэтому радиаторы отопления принято размещать в пространстве под окном.

В таком случае радиатор, нагревая воздух в зоне установки, создает некую душирующую завесу вдоль окна, направленную вверх помещения и позволяющую отсекать поток холодного воздуха.

При смешивании холодного воздуха с теплыми потоками от радиатора возникают конвективные потоки в помещении, которые позволяют увеличить скорость прогрева.

Рекомендуется устанавливать радиаторы шириной не меньше половины ширины оконного проема.

Еще одним требованием увеличить эффективность обогрева комнаты является подбор габарита радиатора относительно ширины оконного проема. Длину радиатора рекомендуется подбирать не мене половины ширины оконного проема. В противном случае будет велика вероятность образования холодных зон в непосредственной близости к окну и будет заметно снижена конвективная составляющая обогрева помещения.

Если в здании присутствует большое количество угловых комнат, то следует размещать такое количество приборов отопления, равное количеству наружных ограждающих конструкций.

Например, для помещения 1-го этажа рассматриваемого в качестве примера жилого дома площадью 8, 12 м2 следует предусматривать по 2 радиатора. Один располагается под оконными конструкциями, второй или у противоположного окна или у глухой стены, но в максимальном приближении к углу помещения. Таким образом, будет соблюден максимально равномерный прогрев всех комнат.

Если система отопления дома проектируется по вертикальной схеме, то прокладку стояков для подводки к радиаторам угловых комнат следует производить непосредственно в угловых стыках стен. Это позволит дополнительно прогревать наружные строительные конструкции и предотвратить отсыревание и порчу отделочных материалов в углах.

В случае установки радиаторов под окнами с использованием дополнительных декоративных элементов (экранов, широких подоконников) или установки в нишах для расчета фактической мощности отопительных приборов необходимо пользоваться следующими поправочными коэффициентами:

Узкий подоконник не перекрывает радиатор по глубине, но лицевая панель прибора отопления закрыта декоративным экраном (расстояние между стеной и экраном не менее 250 мм) – Ккорр=0,9.
Широкий подоконник полностью перекрывает глубину радиатора, декоративный экран закрывает лицевую панель (расстояние между стеной и экраном не менее 250 мм), но в верхней части оставлена щель, равная 100 мм по вертикали – Ккорр=1,12.
Широкий подоконник полностью перекрывает радиатор по глубине, дополнительные декоративные конструкции отсутствуют – Ккорр=1,05.

Из рассмотренных выше вариантов установки приборов отопления видно, что для того чтобы уровень конвекции не был снижен следует оставлять воздушные зазоры со всех сторон приборов отопления.

Минимальными расстояниями от финишного уровня напольного покрытия и от подоконника до прибора отопления должно составлять не менее 100 мм, а зазор между стеной и задней поверхностью радиатора не менее 30 мм.

Способы подключения приборов отопления и варианты подвода подающего трубопровода также влияют на конечную мощность и теплоотдачу радиатора.

Различают одностороннее подключение радиаторов к системам отопления и разностороннее, когда трубопроводы подводят к прибору с противоположных сторон.

Односторонний способ является наиболее экономичным и удобным с точки зрения дальнейшей эксплуатации приборов отопления.

Подключение радиаторов с разных сторон немного увеличивает их теплоотдачу, но на практике этот способ используют при установке отопительных приборов более 15-ти секций или при подключении нескольких радиаторов в связке.

Теплосъем от радиаторов зависит также и от точки подвода подающего трубопровода.

При подключении по схеме «сверху-вниз», когда горячая вода подводится к верхнему патрубку, а обратка к нижнему, теплопередача от радиатора увеличивается.

При подключении «снизу-вверх» тепловой поток снижается, при этом прогрев радиаторов осуществляется неравномерно, а типоразмер приборов должен быть значительно увеличен для достижения расчетной мощности.

Расчет водяного отопления частного дома

оптимальном диаметре труб, который при перепадах давления будет способен пропускать заданное количество теплоносителя;
расходе теплоносителя на определенном участке;
скорости движения воды;
значении удельного сопротивления.

Перед началом расчетов для упрощения вычислений изображают пространственную схему системы, на которой все ее элементы располагают параллельно друг другу.
На схеме изображена система отопления с верхней разводкой, движение теплоносителя — тупиковое ( )
Рассмотрим основные этапы расчетов водяного отопления.

Алгоритм расчета следующий:

— добавочные табличные коэффициенты, учитывающие теплоотдачу в помещении;

c — теплоемкость воды, равна 4,187;

— температура воды в подающем магистрали;

— температура воды в обратной магистрали.

Исходя из габаритов конструкции, можно вычислить объем V:

санузел – 4.19*2.5=10.47;

Тепловой расчет теплообменных аппаратов

Теплообменный аппарат – это устройство, обеспечивающее передачу тепла между средами, разнящимися по температуре. Для обеспечения тепловых потоков различного количества конструируются разные теплообменные устройства.

Они могут иметь разные формы и размеры в зависимости от требуемой производительности, но основным критерием выбора агрегата является площадь его рабочей поверхности.

Она определяется с помощью теплового расчета теплообменника при его создании или эксплуатации.

Расчет может нести в себе проектный (конструкторский) или проверочный характер.
Конечным результатом конструкторского расчета является определение площади поверхности теплообмена, необходимой для обеспечения заданных тепловых потоков.
Проверочный расчет, напротив, служит для установления конечных температур рабочих теплоносителей, то есть тепловых потоков при имеющейся площади поверхности теплообмена.

Соответственно, при создании устройства проводится конструкторский расчет, а при эксплуатации – проверочный. Оба расчета идентичны и, по сути, являются взаимообратными.

Основой для расчета теплообменников являются уравнения теплопередачи и теплового баланса.

Уравнение теплопередачи имеет следующий вид:

Q = F‧k‧Δt, где:

Q – размер теплового потока, Вт;
F – площадь рабочей поверхности, м2;
k – коэффициент передачи тепла;
Δt – разница между температурами носителей на выходе в аппарат и на выходе из него. Также величина называется температурным напором.

Как можно заметить, величина F, являющаяся целью расчета, определяется именно через уравнение теплопередачи. Выведем формулу определения F:

F = Q/ k‧Δt

Уравнение теплового баланса учитывает конструкцию самого аппарата. Рассматривая его можно определить значения t1 и t2 для дальнейшего вычисления F. Уравнение выглядит следующим образом:

Q = G1cp1(t1вх-t1вых) = G2cp2(t2вых-t2вх), где:

G1 и G2 – расходы масс греющего и нагреваемого носителей соответственно, кг/ч;
cp1 и cp2 – удельные теплоемкости (принимаются по нормативным данным), кДж/кг‧ ºС.

В процессе обмена тепловой энергией носители изменяют свои температуры, то есть в устройство каждый из них входит с одной температурой, а выходит – с другой. Эти величины (t1вх;t1вых и t2вх;t2вых) являются результатом проверочного расчета, с которым сравниваются фактические температурные показатели теплоносителей.

Вместе с тем большое значение имеют коэффициенты теплоотдачи несущих сред, а также особенности конструкции агрегата. При детальных конструкторских расчетах составляются схемы теплообменных аппаратов, отдельным элементом которых являются схемы движения теплоносителей. Сложность расчета зависит от изменения коэффициентов теплопередачи k на рабочей поверхности.

Для учета этих изменений уравнение теплопередачи принимает дифференциальный вид:

Такие данные, как коэффициенты теплоотдачи носителей, а также типовые размеры элементов при конструировании аппарата или при проверочном расчете, учитываются в соответствующих нормативных документах (ГОСТ 27590).

Для большей наглядности представим пример конструкторского расчета теплообмена. Этот расчет имеет упрощенный вид, и не учитывает потерь теплоты и особенностей конструкции теплообменного аппарата.

Исходные данные:

Температура греющего носителя при входе t1вх = 14 ºС;
Температура греющего носителя при выходе t1вых = 9 ºС;
Температура нагреваемого носителя при входе t2вх = 8 ºС;
Температура нагреваемого носителя при выходе t2вых = 12 ºС;
Расход массы греющего носителя G1 = 14000 кг/ч;
Расход массы нагреваемого носителя G2 = 17500 кг/ч;
Нормативное значение удельной теплоемкости ср =4,2 кДж/кг‧ ºС;
Коэффициент теплопередачи k = 6,3 кВт/м2.

1) Определим мощность теплообменного аппарата с помощью уравнения теплового баланса:
Qвх = 14000‧4,2‧(14 – 9) = 294000 кДж/ч
Qвых = 17500‧4,2‧(12 – = 294000 кДж/ч

Qвх = Qвых. Условия теплового баланса выполняются. Переведем полученную величину в единицу измерения Вт. При условии, что 1 Вт = 3,6 кДж/ч, Q = Qвх = Qвых = 294000/3,6 = 81666,7 Вт = 81,7 кВт.

2) Определим значение напора t. Он определяется по формуле:

3) Определим площадь поверхности теплообмена с помощью уравнения теплопередачи:

F = 81,7/6,3‧1,4 = 9,26 м2.

Как правило, при проведении расчета не все идет гладко, ведь необходимо учитывать всевозможные внешние и внутренние факторы, влияющие на процесс обмена теплом:

особенности конструкции и работы аппарата;
потери энергии при работе устройства;
коэффициенты теплоотдачи тепловых носителей;
различия в работе на разных участках поверхности (дифференциальный характер) и т.д.

Вы можете самостоятельно провести тепловой расчет на основе уравнений выше и получить результат в pdf-формате (в полях «Допустимые потери», «Давление расч.» и «Tmax» можно указать произвольные данные, единственное ограничение: Tmax > t1).

ВАЖНО: Для наиболее точного и достоверного расчета инженер должен понимать сущность процесса передачи тепла от одного тела к другому. Также он должен быть максимально обеспечен необходимой нормативной и научной литературой, поскольку в расчете на множество величин составлены соответствующие нормы, которых специалист обязан придерживаться.

Что мы получаем в результате расчета и в чем его конкретное применение?

Допустим, что на предприятие поступил заказ. Необходимо изготовить тепловой аппарат с заданной поверхностью теплообмена и производительностью. То есть перед предприятием не стоит вопрос размеров аппарата, но стоит вопрос материалов, которые обеспечат нужную производительность с заданной рабочей площадью.

Для решения данного вопроса производится тепловой расчет, то есть определяются температуры теплоносителей на входе и выходе из аппарата. Исходя из этих данных выбираются материалы для изготовления элементов устройства.

В конечном итоге, можно сказать, что рабочая площадь и температура носителей на входе и выходе из аппарата – основные взаимосвязанные показатели качества работы теплообменника. Определив их путем теплового расчета инженер сможет разработать основные решения для конструирования, ремонта, контроля и поддержания работы теплообменников.

В следующей статье мы рассмотрим назначение и особенности механического расчета теплообменника, поэтому подписывайтесь на нашу e-mail рассылку и новости в соц сетях, чтобы не пропустить анонс.

Тепловой баланс помещений. Расчёт баланса тепла помещений и определение тепловой мощности системы отопления

Тепловой
баланс помещений [1, с.103-106]

Система
отопления предназначена для создания
в холодный период года в помещениях
здания заданной температуры воздуха,
соответствующей комфортным условиям
и отвечающей требованиям технологического
процесса. Тепловой режим в зависимости
от назначения помещений может быть как
постоянным, так и переменным.

Постоянный
тепловой режим
должен поддерживаться круглосуточно
в течение всего отопительного периода
в зданиях: жилых, производственных с
непрерывным режимом работы, детских и
лечебных учреждений, гостиниц, санаториев
и т.д. теплообмен
фурье отопление вентиляция

Переменный
тепловой режим
характерен для производственных зданий
с одно- и двухсменной работой, а также
для ряда общественных зданий
(административные, торговые, учебные и
т.п.) и зданий предприятий обслуживания
населения.

В помещениях этих зданий
необходимые тепловые условия поддерживают
только в рабочее время. В нерабочее
время используют либо имеющуюся систему
отопления, либо устраивают дежурное
отопление,
поддерживающее в помещении пониженную
температуру воздуха.

Если в рабочее
время теплопоступления превышают потери
теплоты, то устраивают только дежурное
отопление.

Для
решения вопроса о необходимости
устройства и мощности системы отопления
сопоставляют величины теплопотерь
(расхода теплоты) и теплопоступления в
расчётном режиме (при максимальном
дефиците теплоты). Если теплопотери
окажутся больше тепловыделений, то
требуется отопление помещений.

Тепловая
мощность системы отопления для компенсации
теплонедостатка в помещении определяется
из выражения:

Qсо=Qпот—Qпост, (3.1)

где:
Qсо
– теплонедостаток, т.е. расчётная
мощность системы отопления, Вт;

Qпот
– суммарные тепловые потери помещениями,
Вт;
Qпост
– суммарные теплопоступления в помещения,
Вт.
Если
в здании (обычно производственном)
Qпост>Qпот,
то отапливать помещение не нужно, а
теплоизбыток устраняется, например,
работой приточной вентиляции.
В
общем случае потери теплоты определяются
следующим образом:
Qпот=Qогр+Qи+Qмат+Qпроч, (3.2)
где:
Qогр
– теплопотери через наружные ограждающие
конструкции, Вт;
Qи
– теплопотери на нагревание инфильтрующегося
воздуха, Вт;
Qмат
– теплопотери на нагревание материалов
и транспорта, поступающих в помещение,
и имеющих температуру ниже температуры
воздуха в помещении, Вт;
Qпроч
– прочие неучтённые теплопотери, Вт.
Теплопоступления
в помещение в общем случае определяются
по формуле:
Qпост=Qоб+Qмат+Qбыт+Qэл+Qчел+Qср+Qпроч, (3.3)
где:
Qоб
– теплопоступления от технологического
оборудования, Вт;
Qмат
– теплопоступления от материалов и
транспорта, поступающих в помещение, и
имеющих температуру выше температуры
воздуха в помещении, Вт;
Qбыт
– бытовые тепловыделения, Вт;
Qэл
– теплопоступления от электрооборудования
и освещения, Вт;
Qчел
– теплопоступления от людей, Вт;
Qср
– теплопоступления за счёт солнечной
радиации, Вт;
Qпроч
– прочие неучтённые теплопоступления,
Вт.

Для
помещений конкретных зданий выражения
(3.2) и (3.3) упрощаются, так как не всегда
имеются все виды теплопотерь и
теплопоступлений, вошедших в эти
выражения.

Так,
для комнат и кухонь жилых зданий учитывают
только теплопотери через ограждающие
конструкции и потери, связанные с
нагреванием инфильтрующегося воздуха,
а также бытовые тепловыделения.

Определение
тепловой мощности системы отопления
[6,
приложение 12]

В
соответствии с требованиями приложения
12 [6] расчётная
тепловая мощность, кВт, системы отопления
должна определяться по формуле:

Q=Q1b1b2+Q2—Q3, (3.4)

где:
Q1
– расчётные тепловые потери здания,
кВт, определяемые по формуле:

Q1=(Qа+Qв), (3.5)

где:
Qа
— тепловой поток, кВт, через ограждающие
конструкции;

Qв
— потери теплоты, кВт, на нагревание
инфильтрующегося воздуха.

Величины
Qа
и Qв
рассчитываются для каждого отапливаемого
помещения.

b1
– коэффициент учёта дополнительного
теплового потока устанавливаемых
отопительных приборов за счёт округления
сверх расчётной величины, принимаемый
по таблице 1 приложения 12 [6];

b2
– коэффициент учёта дополнительных
потерь теплоты отопительными приборами,
расположенными у наружных ограждений
при отсутствии теплозащитных экранов,
принимаемый по таблице 2 приложения 12
[6];

Q2
– потери теплоты, кВт, трубопроводами,
проходящими в не отапливаемых помещениях;

Q3
— тепловой поток, кВт, регулярно поступающий
от освещения, оборудования и людей,
который следует учитывать в целом на
систему отопления здания. Для жилых
домов величину следует учитывать из
расчёта 0,01 кВт на 1м2
общей площади.

Теплопотери
через ограждающие конструкции [1,
с.106-112]
Тепловой
поток Qа,
кВт, рассчитывается для каждого элемента
ограждающей конструкции по формуле:
Qа=(1/R)A(tв—tн)(1-)n10-3, (3.6)
где:
А
– расчётная площадь ограждающей
конструкции, м2.

Площади
отдельных ограждений измеряются по
планам и разрезам здания в соответствии
с рис. 4.1 и 4.2.

Для
подсчёта площадей ограждающих конструкций
линейные размеры их принимаются с
погрешностью до 0,1
м, а величины площадей округляются с
погрешностью 0,1
м2.
Потери теплоты через полы, расположенные
на грунте или на лагах, из-за сложности
точного решения задачи определяются
на практике упрощённым методом – по
зонам-полосам шириной 2 м, параллельным
наружным стенам (см. рис. 4.2).

R
– сопротивление теплопередаче ограждающей
конструкции, м2С/Вт,
которое определяется согласно требованиям
СНиП II-3-79**
(кроме полов на грунте). Для полов на
грунте и стен, расположенных ниже уровня
земли, сопротивление теплопередаче
определяется согласно п.3 приложения
12 [6].

tв
– расчётная температура внутреннего
воздуха, С,
принимаемая согласно требованиям норм
проектирования зданий различного
назначения с учётом повышения её в
зависимости от высоты помещения;

tн
– расчётная температура наружного
воздуха, С,
принимаемая по данным приложения 8 [6],
или температура воздуха смежного
помещения, если его температура более
чем на 3С
отличается от температуры помещения,
для которого рассчитываются теплопотери;

n
– коэффициент, принимаемый в зависимости
от положения наружной поверхности
ограждающей конструкции по отношению
к наружному воздуху и определяемый по
СНиП II-3-79**;

 – добавочные
потери теплоты в долях от основных
потерь, учитываемые:

а)
для наружных вертикальных и наклонных
ограждений, ориентированных на
направления, откуда в январе дует ветер
со скоростью, превышающей 4,5 м/с с
повторяемостью не менее 15% (согласно
СНиП 2.01.01.

-82) в размере 0,05 при скорости
ветра до 5 м/с и в размере 0,10 при скорости
5 м/с и более; при типовом проектировании
добавочные потери следует учитывать в
размере 0,10 для первого и второго этажей
и 0,05 – для третьего этажа;

б)
для наружных вертикальных и наклонных
ограждений многоэтажных зданий в размере
0,20 для первого и второго этажей; 0,15 –
для третьего; 0,10 – для четвёртого этажа
зданий с числом этажей 16 и более; для
10-15-этажных зданий добавочные потери
следует учитывать в размере 0,10 для
первого и второго этажей и 0,05 – для
третьего этажа.
Теплопотери
на нагрев инфильтрующегося воздуха [1,
с.112-114]
Потери
тепла на нагрев инфильтрующегося воздуха
Qв,
кВт, рассчитываются для каждого
отапливаемого помещения, имеющего одно
или большее количество окон или балконных
дверей в наружных стенах, исходя из
необходимости обеспечения подогрева
отопительными приборами наружного
воздуха в объёме однократного воздухообмена
в час по формуле:
Qв=0,337Апh(tв—tн)10-3, (3.7)
где:
Ап
– площадь пола помещения, м2;
h
– высота помещения от пола до потолка,
м, но не более 3,5.
Потери
тепла Qв,
кВт, на нагревание наружного воздуха,
проникающего во входные вестибюли
(холлы) и лестничные клетки через
открывающиеся в холодное время года
наружные двери при отсутствии
воздушно-тепловых завес следует
рассчитывать по формуле:
Qв=0,7В(Н+0,8Р)(tв—tн)10-3, (3.8)
где:
Н
– высота здания, м;
P
– количество людей, находящихся в
здании;

B
– коэффициент, учитывающий количество
входных тамбуров. При одном тамбуре
(две двери) B=1,0,
при двух тамбурах (три двери) B=0,6.

Потери
тепла Q2,
кВт, трубопроводами, проходящими в не
отапливаемых помещениях, следует
определять по формуле:

Qв=ql10-3, (3.9)

где:
l
– длины участков теплоизолированных
трубопроводов различных диаметров,
прокладываемых в не отапливаемых
помещениях, м;

q
– нормированная линейная плотность
теплового потока теплоизолированного
трубопровода, принимаемая по п. 3.23 [6].

Лекция
5