Для чего составляется уравнение теплового баланса помещения

Расчет теплового баланса помещений

Система отопления предназначена для создания в помещениях здания температурной обстановки, соответствующей комфортной для человека или отвечающей требованиям технологического процесса.

Для компенсации теплопотерь и обеспечения необходимой температурной обстановки в помещении устраивают системы отопления. Для определения тепловой мощности системы отопления помещений жилого здания составляют тепловой баланс расходов теплоты Q_потери и поступлений теплоты Q_пост в виде

где Q_огр – суммарные потери теплоты через ограждающие конструкции, Вт;

Q_вент – расход теплоты на нагревание наружного воздуха при естественной вытяжной вентиляции, не компенсируемой притоком подогретого воздуха, Вт;

Q_инф – расход теплоты на нагревание инфильтрационного воздуха, Вт;

Q_быт – бытовые поступления теплоты, Вт.

Тепловой баланс составляют для всех помещений здания: жилых комнат, кухонь, лестничных клеток, ванных комнат и санузлов с наружными ограждающими конструкциями. Все помещения здания следует поэтажно пронумеровать: 1 этаж – 101, 102 и т.д., 2 этаж – 201, 202 и.т.д.

Подсобные помещения квартир (коридоры квартир) можно условно отнести к смежным помещениям. Отопление ванных комнат предполагается от полотенцесушителей системы горячего водоснабжения.

4.1. Потери теплоты через ограждающие конструкции помещения определяют суммируя потери теплоты через отдельные ограждающие конструкции Q_огр, Вт, с округлением до 10 Вт по формуле

К – коэффициент теплопередачи ограждающей конструкции принимают из таблицы 2, Вт/м 2 · ° С;

t_р – расчетная температура воздуха в помещении, принимаемая по таблице 1 ГОСТ 30494 и равная минимальному значению оптимальной температуры;

t_ext – расчетная температура наружного воздуха, о С, таблица 1;

∑β – добавочные теплопотери в долях от основных потерь;

n – то же, что и в формуле (3).

Рис.1. Правила обмера ограждающих конструкций:

а – разрез здания с чердачным перекрытием; б – разрез здания с совмещённым покрытием;

в – план здания; 1 – пол над подвалом; 2 – пол на лагах; 3 – пол на грунте.

Добавочные теплопотери через ограждения, выраженные коэффициентом β, подразделяют на несколько видов.

2) Добавка β2 = 0,05 вводится для необогреваемого пола первого этажа над холодным подпольем здания в местности с расчетной температурой наружного воздуха минус 40 ºС и ниже.

3) Добавка на угловое помещение, имеющее две и более наружных стен. В угловом помещении жилого дома температуру внутреннего воздуха принимают на 2 ºС выше, чем в рядовом помещении. В здании другого назначения увеличенные теплопотери учитываются коэффициентом β3 = 0,05 к основным теплопотерям вертикальных наружных ограждений.

4) Добавка на врывание холодного воздуха через наружные двери здания, не оборудованные воздушно – тепловой завесой, при их кратковременном открытии, прибавляется к основным теплопотерям дверей. В здании высотой Н для тройных дверей с двумя тамбурами β4 = 0,2·Н, для двойных дверей с тамбуром β4 = 0,27·Н, для двойных дверей без тамбура β4 = 0,34·Н, для одинарных дверей β4 = 0,22·Н.

4.2.1. Расход теплоты на нагрев воздуха естественной вентиляции

Qвент, Вт, определяется по формуле

Qвент = 0.28·L_{n ·}ρ·с·(t_p – t ), (6)

где L_n – расход удаляемого воздуха, м 3 /ч, равный L_n = 3·А_n , здесь А_n – площадь пола помещения, м 2 ;

ρ – плотность воздуха в помещении, 1,2 кг/м 3 ;

с – удельная теплоемкость воздуха, равная 1 кДж/кг 0 С;

t_p, t – то же, что в формуле (5).

4.2.2. Расход теплоты на нагревание инфильтрационного воздуха

Qинф, Вт, следует определять по формуле

где ∑G_i – расход инфильтрационного воздуха, кг/ч.

Расход инфильтрационного воздуха, кг/ч, определяемый по формуле

, (8)

А— площадь ограждения, м 2 ;

К— коэффициент, учитывающий нагревание инфильтрационного воздуха в ограждении, встречным тепловым потоком:

К₁= 0,7- для окон и балконных дверей с тройными раздельными переплётами;

К₂= 1- для входных наружных дверей.

R_u – сопротивление воздухопроницанию ограждающих конструкций,

R_и,1=0,38 м 2 ·ч·Па 2/3 /кг- двойное остекление в раздельных деревянных переплётах;

R_и,1 = 0,6-1,04 м 2 ·ч·Па 2/3 /кг – остекления в металлопластиковых переплётах;

ΔP_i – расчетная разность между давлениями на наружной и внутренней поверхностях ограждающей конструкции, Па, на расчетном этаже.

Разность давлений по разные стороны ограждающей воздухопроницаемой конструкции определяется по формуле

, (9)

где Н – высота здания, м, от уровня отметки земли до верха вытяжной шахты;

h_i – расчетная высота, м, от уровня земли до центра окон, дверей;

– скорость ветра, в январе м/с;

– аэродинамические коэффициенты соответственно для наветренной и подветренной поверхностей ограждений здания принимаемые = 0,8 и

К – коэффициент учета изменения скоростного давления ветра в зависимости от высоты здания, принимается по таблице 22 [2].

4.3. Бытовые теплопоступления в помещениях жилых зданий (комнатах и кухнях) определяются по формуле

4.4. Расчетные тепловые потери помещений Qрасч, Вт, жилого здания, оборудованного естественной вытяжной вентиляцией, определяются по следующим формулам

Qрасч = Qогр + Qвент – Qбыт; (8)

Qрасч = Qогр + Qинф – Qбыт; (9)

— для лестничной клетки

Qрасч = Qогр + Qинф. (10)

Расчет теплового баланса помещений здания выполняют в табличной форме.

Источник

Тепловой баланс помещений

Тепловой баланс расчетного помещения составляется для определения избытков или недостатков тепла, которые должна компенсировать системы обеспечения микроклимата помещений. В помещении, в котором поддерживается постоянный (стационарный, не меняющийся во времени) тепловой режим, должен наблюдаться тепловой баланс (это следует из закона сохранения теплоты)

Даже если бы в помещении не было систем обеспечения микроклимата, то есть систем отопления и вентиляции, баланс тепла все равно бы соблюдался, просто баланс существовал бы при температурах внутреннего воздуха, неприемлемых для человека. Наличие системы обеспечения микроклимата помещений позволяет обеспечить тепловой баланс при требуемой температуре внутреннего воздуха.

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.п. Для решения вопроса о необходимости устройства и мощности системы отопления сопоставляют величины теплопотерь (расхода теплоты) и теплопоступления в расчетном режиме (при максимальном дефиците теплоты)

Сведения всех составляющих теплопотерь и теплопоступлений в тепловом балансе помещения определяется недостаток или избыток теплоты. Если теплопотери окажутся больше тепловыделений, то требуется отопление помещения.

Величины суммарных теплопотерь и теплопоступлений в помещениях определяются соответственно: ∑Qпот = Qогр + Qи + Qмат + Qпроч,

,

Источник

Тепловой баланс помещения

Главным назначением любой отопительной системы является создание комфортного микроклимата для находящихся в помещении людей и обеспечение правильного температурно-влажностный режима для размещенного там оборудования, мебели и прочих объектов.

Как определить тепловой баланс

Тепловой баланс помещения определяется как сумма всех тепло поступлений (от отопительных приборов, людей, оборудования) за вычетом всех теплопотерь (инфильтрация наружного воздуха, нагрев приточного воздуха, теплопотери через ограждающие конструкции).

Поддержание теплового баланса складывается из двух составляющих, дополняющих друг друга.

Первый, статический, компонент включает в себя теоретический расчет теплопотерь всех помещений на основании площади остекления, толщины и материала наружных и внутренних ограждающих конструкций, расположения помещения относительно сторон света и других данных, а также подбор необходимого отопительного оборудования (отопительного котла, радиаторов и пр.) по полученным данным.

Для этих целей используются специальные инженерные формулы, по которым раньше составляли сводные таблицы. Теперь, с появлением компьютеров, расчет можно поручить специальным программам.

Удельная тепловая характеристика гражданского здания

Где V отапливаемый объем здания,м3;

S — Площадь наружных стен,м2

F— Площадь здания (в плане)

а — Доля остекления, %.

В принципе, на этом этапе многие и заканчивают. И совершенно напрасно. Правильно проведенный расчет теплопотерь и грамотное размещение теплового оборудования не смогут создать комфортной атмосферы в помещении без индивидуально настроенных средств управления теплоотдачей.

Поэтому вторым важным компонентом поддержания теплового баланса являются устройства регулировки температуры подающей линии в зависимости от изменяющихся внешних условий.

Они подразделяются на централизованные, т.е. подключаемые непосредственно к отопительному котлу и влияющие на температуру теплоносителя во всех контурах, и местные, изменяющие температуру теплоносителя или теплоотдачу отдельных веток или узлов.

К первым относятся, например, погодозависимая и комнатная автоматика, ко вторым — смесительные модули и термостатические головки на радиаторах

Опубликован 1 комментарий

Добавить комментарий Отменить ответ

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.

Источник

Энергоэффективность систем обеспечения параметров микроклимата. Тепловой баланс помещений

Сегодня мы начинаем публиковать цикл статей, посвящённых анализу методов создания и поддержания теплового режима помещений в холодный период года. Первая статья цикла расскажет о развитии современных энергоэффективных систем создания и поддержания теплового комфорта в помещениях. По мнению авторов, это развитие требует уточнения основных закономерностей по расчёту теплопотребления зданиями.

Составляющие теплового баланса помещения

Физический смысл теплового баланса помещения в холодный период года заключается в поддержании постоянной температуры внутреннего воздуха t_в [ °C] системами обеспечения параметров микроклимата. Сведение всех составляющих поступления и расхода теплоты определяет дефицит или избыток её в помещении. Тепловой баланс составляется для таких расчётных условий, когда возникает наибольший дефицит теплоты. Наличие дефицита теплоты ΔQ [Вт] показывает следующую количественную характеристику мощности системы отопления [Вт] [1]:

где Q_огр — потери теплоты через наружные ограждения, Вт; Q_ин — расход теплоты на нагрев инфильтрующегося воздуха, Вт; Q_т-б — технологические или бытовые поступления (расходы) теплоты, Вт.

Для производственных помещений промышленных зданий в (1) при расчёте мощности систем отопления логично и оправдано определять величину ± Q_т-б для периодов технологических циклов с наименьшими тепловыделениями.

Формирование теплового режима в помещениях жилых и общественных зданий во многом отличается от производственных. При продолжительном отсутствии в квартире жильцов, а в общественных зданиях посетителей или обслуживающего персонала какие-либо дополнительные (бытовые) тепловыделения Q_т-б отсутствуют. Поэтому они не должны учитываться при расчётах тепловых балансов данных помещений [2, 3], то есть расчётные температурные параметры воздуха должны поддерживаться при отсутствии людей и неработающем бытовом или служебном оборудовании.

Однако в отечественную нормативную литературу для снижения реальной расчётной мощности систем отопления было введено понятие теплового потока, поступающего в жилые комнаты и кухни: 21 Вт на 1 м 2 площади пола [4]; затем

он был произвольно уменьшен до 10 Вт на 1 м 2 площади пола [1]. Данное положение привело к законодательному нарушению санитарно-гигиенических норм по поддержанию минимальной расчётной температуры в жилых и общественных помещениях. Авторами нормативов по субъективному введению бытового теплового потока при расчёте теплового баланса жилого помещения подменено понятие «энергоэффективность», то есть рациональное и, по возможности, полное использования потенциала искусственно генерируемой энергии, на «энергосбережение», которое осуществляется административными методами.

Поэтому зависимость (1) для жилых и общественных зданий должна иметь следующий вид:

Формирование теплового режима в помещениях жилых и общественных зданий во многом отличается от производственных. Например, при продолжительном отсутствии в квартире жильцов, а в общественных зданиях посетителей или обслуживающего персонала какие-либо дополнительные тепловыделения отсутствуют

В сельскохозяйственных зданиях расчётный температурный режим в холодный период года возможно, как правило, создать только за счёт варьирования теплофизическими характеристиками наружных ограждений (пассивных элементов систем обеспечения параметров микроклимата). В процессе жизнедеятельности животные, птицы, хранящееся сочное растительное сырьё (картофель, овощи, фрукты) выделяют явную теплоту: физиологическую Q_ф или биологическую Q₆. Рациональный подбор теплофизических характеристик наружных ограждений позволяет в таких помещениях отказаться от искусственно генерируемой теплоты. Поддержание расчётной внутренней температуры осуществляется за счёт утилизации явной теплоты, то есть помещения эксплуатируются как неотапливаемые с естественными источниками энергии. Для помещений таких энергопассивных производственных сельскохозяйственных комплексов уравнение теплового баланса имеет вид:

Потери теплоты отапливаемыми помещениями через ограждения

Расчётные трансмиссионные потери теплоты помещением при выборе тепловой мощности определяются как сумма потерь через все ограждения. Количество теплоты, проходящее через каждое ограждение при стационарном режиме Q_огр [Вт] определяется по формуле Фурье [1] (расшифровка обозначений в формуле (4) приведена далее в статье):

Основным критерием теплотехнических показателей энергоэффективных зданий должно быть снижение затрат тепловой энергии системами обеспечения параметров микроклимата.

Не претендуя на полноту освещения всех вопросов по эффективному использованию теплоты, предлагаемый в статье анализ физических процессов переноса теплоты через ограждения позволяет уточнить факторы формирования температурного режима помещений.

Рассмотрим соответствие закономерностей переноса теплоты и логики протекания этих процессов по основополагающей формуле (4) некоторым современным широко рекламируемым (в том числе в нормативных источниках) рекомендациям по рациональному использованию подаваемой в помещения тепловой энергии.

Расчётная площадь каждой ограждающей конструкции А [м 2 ] вычисляется с соблюдением определённых условно принятых правил обмера, которые стабильны с первой половины ХХ века. В них заложены особенности переноса теплоты теплопроводностью в каждом из конструктивных видов ограждений.

Положение ограждения относительно наружного воздуха (коэффициент n) учитывается для ограждений, отделяющих отапливаемые помещения от неотапливаемых (чердаки, подвалы, скотные дворы в сельских домах).

Температура в неотапливаемых помещениях всегда выше наружной. Поэтому потери теплоты уменьшаются и соответствуют разности температур (например, для чердака t_чер):

Значения понижающего расчётную разность температур коэффициента n, приведённые в нормах [5], несмотря на их ориентировочный характер, показали свою востребованность и необходимость в практических расчётах. Термодинамическая основа коэффициента n показывает возможную степень использования энергетического потенциала теплоносителя системы отопления путём последовательного использования как высокопотенциальной, так и низкопотенциальной энергии. Многие способы наиболее полной утилизации поданной в здание теплоты характерны для индивидуальных зданий, имеющих чердаки, подполья, сени, тамбуры, пристроенные животноводческие помещения. В нормативных документах следует расширить область использования коэффициента n, разработать и внести его значения для многоквартирных домов. Например, значения n отсутствуют: для лифтовых холлов домов с наружными пожарными лестницами, для «тёплых» чердаков с естественной или механической вытяжной вентиляцией, для застеклённых лоджий и т.п.

Об этом цикле статей

Представленный в данном цикле статей анализ методов создания и поддержания теплового режима помещений в холодный период года не является альтернативой общепринятых апробированных практикой методик расчёта, конструирования и эксплуатации систем обеспечения параметров микроклимата. Необходимость анализа современных тенденций формирования комфортного теплового режима помещений вызвана повышением требований по энергосбережению в строительстве. Однако предлагаемые новые решения по экономии тепловой энергии (даже включённые в нормативную литературу) не всегда соответствуют физическим законам тепломассопереноса, санитарным нормам, а иногда и здравому смыслу. При этом, жёстко регламентируя применение одних технических решений, действующие нормы не учитывают их совместную работу с другими элементами эксплуатируемых систем.

Нормативные документы, регламентирующие проектирование и эксплуатацию систем обеспечения параметров микроклимата, должны включать научно систематизированные, физически обоснованные и экономичные схемы систем, порядок их выбора и расчёта, рекомендации по реконструкции объектов, не позволяющие различной их трактовки. С другой стороны, они должны позволять отказываться от одних средств автоматизации и кажущегося «энергосбережения», являющихся обязательными по нормативным документам, на иные, способные повысить энергетические и экономические показатели систем. Этот фактор является особо актуален с учётом появившегося в области принятия инженерных решений не проверенных в отечественной практике зарубежных стереотипов, навязанных рекламой или лоббированием частными компаниями.

Проведённый анализ нормативной и справочной литературы по энергосбережению в строительстве подготовлен в рамках выполнения НИР «Разработка и научное обоснование теплофизических закономерностей переноса теплоты и влаги в неотапливаемых производственных сельскохозяйственных зданиях» с финансированием из средств Минобрнауки России, в рамках базовой части государственного задания на научные исследования.

Разность температуры внутреннего t_в и наружного воздуха t_н5 [°C] в холодный период года с коэффициентом обеспеченности k_об = 0,92 в формуле (4) определяет максимальную величину переноса теплоты из помещения в атмосферу. Расчётные значения температуры (t_в каждого из помещений жилых зданий приведены в нормах [6]. Современная квартира представляет собой единый комплекс обитания семьи, поэтому практически невозможно поддерживать стабильный индивидуальный температурный режим в каждом из помещений, но для фиксации общего количества необходимой подаваемой в квартиру теплоты это различие имеет определённое значение.

Более сложным является расчёт потерь или поступлений теплоты через внутренние ограждения смежных помещений с различной расчётной температурой. Потери или поступления теплоты допускается не учитывать, если разность температуры в этих помещениях не более 3 °С [1]. В научной и справочной литературе не обнаружено теплотехнических и каких-либо иных объяснений субъективному снижению существовавшей ранее разности температур от 5 до 30 °C. Следствием является возникновение ряда практически тупиковых расчётных ситуаций. Например, расчёт нестационарного по функциональному назначению температурного режима ванных, совмещённых туалетов (25 °C) и окружающих помещений (18-20 °C).

Не изученной до практического внедрения является методика нормирования и теплофизического расчёта количественных показателей ограждений между смежными помещениями с различной расчётной температурой.

Они важны не только по количественным характеристикам переноса теплоты, но и по стабилизации влажностного состояния внутренних ограждений. Необходимым и обязательным условием должна быть недопустимость наблюдаемой на практике конденсации водяных паров на внутренних поверхностях ограждений смежных помещений с более высокой температурой. Характерный пример, ограждение между кухней t_в = 20 °C) и лестничной клеткой в многоэтажных домах с лифтовыми холлами t_в = 16 °C) и в жилых домах с неотапливаемыми лестничными клетками t_в = 5 °C). Только для единственного последнего случая СНиП 23-02-2003 [5] при разности расчётных температур смежных помещений 6 °С и более обязывает нормировать и, соответственно, конструктивно менять ограждающие конструкции.

Ориентированные на другие стороны горизонта наружные ограждения получают в холодный период года меньшее количество лучистой энергии, вследствие чего их наружные поверхности имеют более низкую температуру и потери теплоты через них увеличиваются

Добавки к основным потерям теплоты отапливаемых помещений (Σβ, доли), то есть определение реальных потерь теплоты отапливаемым помещением, относится до настоящего времени к наименее изученному, субъективно трактуемому вопросу. Количественные характеристики добавок к основным потерям теплоты составляют [1]:

Добавки на ориентацию по сторонам горизонта β_ст.г, согласно нормам, принимаются на все вертикальные и наклонные (проекции на вертикаль) ограждения. Условно из-за наличия солнечной радиации за расчётную принята ориентация наружных ограждений на юг и юго-запад (β_ст.г = 0). Считается, что ориентированные на другие стороны горизонта наружные ограждения получают в холодный период года меньшее количество лучистой энергии, вследствие чего их наружные поверхности имеют более низкую температуру и потери теплоты через них увеличиваются. В то же время наиболее холодный период суток приходится на ночные и предутренние часы при отсутствии лучистого теплопритока, а теплоинерционность непрозрачных ограждающих конструкций препятствует колебаниям суточных температур их внутренних поверхностей. Данные добавки β_ст.г существуют с начала прошлого века [3], считаются традиционными и незыблемыми, однако они противоречат физическому смыслу процесса определения максимального дефицита теплоты в помещении и не должны учитываться при расчётах мощности систем отопления.

В понятие добавок β_ст.г одновременно включены величины, имеющие иной физический смысл и которые следует учитывать в расчётах. Например, в общественных, административнобытовых и производственных, включая сельскохозяйственные, зданиях при наличии двух и более наружных стен добавка β_ст.г = 0,05 (увеличение потерь теплоты в углах). В помещениях жилых зданий с двумя наружными стенами добавка β_ст.г = 0, но она заменена увеличением расчётной температуры воздуха в угловых помещениях на 2 °C. Для горизонтально расположенных наружных ограждений применяется добавка β_ст.г = 0,05 для необогреваемых полов при температуре холодной пятидневки t_н5 (0) (3794) (2)

Источник