CC BY
46УДК 697.9
МЕТОДИКА РАСЧЁТА СИСТЕМ ВОЗДУШНОГО ОТОПЛЕНИЯ
канд. техн. наук, доц. В.И. ЛИПКО; С.В. ЛАНКОВИЧ (Полоцкий государственный университет)
На основе действующей нормативной базы показано построение методики расчёта систем воздушного отопления зданий повышенной теплозащиты и герметичности наружных ограждающих конструкций с выполнением теплотехнического расчёта. Методика расчёта базируется на основных положениях теории аэродинамики и тепломассообмена, а также воздухообмена по нормативным параметрам с осреднением в пределах допустимых погрешностей для определения температуры приточного воздуха в помещениях и суммарного расхода тепловой энергии для систем воздушного отопления, совмещённого с активной вентиляцией.
Ключевые слова: воздушное отопление, теплопотери, теплопоступления, тепломассообменные процессы, воздухообмен, наружное ограждение, теплотехнический расчёт, утеплитель.
Введение. Последние научные разработки в области эффективного домостроения позволяют осуществить несложный переход к более энергоэкономичным системам воздушного отопления зданий, совмещенного с активной вентиляцией, что продуктивно в условиях постоянного увеличения в градостроительной практике использования абсолютно непропускаемых для воздуха материалов, таких как бетон, стекло, металл, пластмассы, клеи, герметики, мастики, гидро- и пароизоляционные материалы, исключающие возможность использования технологии естественной вентиляции, основанной на инфильтрации наружного воздуха через неплотности наружных ограждающих конструкций.
Широко применяемые в настоящее время в домостроении водяные системы отопления должны компенсировать не только теплопотери зданий через наружные ограждения, но ещё в большей степени нагревать воздух, поступающий неорганизованным путём в отапливаемые помещения, за счёт инфильтрации, что значительно увеличивает металлоёмкость и энергопотребление в процессе строительства и эксплуатации зданий в условиях длительного, свыше 200 суток отопительного периода для Республики Беларусь, при том, что и металл, и энергоресурсы импортного происхождения влияют на стоимость единицы национального валового продукта.
Основная часть. В соответствии с действующей нормативной базой [1-3] для систем водяного отопления суммарные теплопотери здания Q, Вт определяются по формуле:
Qz = Qm + Qt - Qe, (1)
где Qm - трансмиссионные основные и добавочные теплопотери наружных ограждающих конструкций здания, Вт; Qt - расход теплоты на нагрев наружного воздуха за счёт инфильтрации, Вт; Qg - бытовые теплопоступления жилых помещений и кухонь, Вт;
Трансмиссионные основные и добавочные теплопотери наружных ограждающих конструкций здания определяются по формуле
Qm = QНС + QcK + Qnan + Q ПОКР■ (2)
F
Здесь QНС =—Н^(te -tH )-(i + ^p)-n - трансмиссионные основные и добавочные теплопотери через на-
КНС
F
ружные стены, Вт; QOK = Ок (te -tH )-(i + ^p)-n - трансмиссионные основные и добавочные теплопоте-
ROK
F
ри через окна, Вт; Qnon = ПОЛ (te - tH ) - n - трансмиссионные теплопотери через полы нижнего этажа или
Rnon
F
перекрытие над подвалом неотапливаемого подвала, Вт; QnoKP = ПОКР (te - tH ) - n - трансмиссионные те-
RnOKP
плопотери через верхнее покрытие или перекрытие верхнего этажа потолка, Вт; Fœ, FOK, Fncm, FnoKP - расчётная площадь охлаждаемых поверхностей наружных ограждений: стен, окон, пола нижнего этажа и потолка верхнего этажа, м2; RНС,ROK,Rnm,RncKP - термическое сопротивление теплопередаче наружных ограждений: стен, окон, пола нижнего этажа и потолка верхнего этажа, м2-°С/Вт; 4, tн - расчётные нормативные внутренняя и наружная температуры воздуха соответственно, °С; в - коэффициент процентного отношения добавочных теплопотерь; п - коэффициент учёта расположения наружного ограждения.
Расход теплоты на нагрев наружного воздуха за счёт инфильтрации, Вт, определяемый из следующего выражения:
= 0,28 • Ьр-Рн • с-(1в - 1И )• К, Вт, (3)
где Ьпр = 3^п - расход наружного воздуха, поступающего в жилые помещения и кухню за счёт инфильт-
3/ г г , г ^ 2 353
рации, м /ч; Ьп = рж + рк- расчётная площадь пола жилых помещений и кухни, м ; рн =--плот-
273 + Гн
ность наружного воздуха как функция от (н, кг/м3; с - теплоёмкость воздуха, кДж/кг; К - коэффициент учёта влияния встречного теплового потока в конструкциях наружных ограждений.
Бытовые теплопоступления согласно изменениям № 4 СНБ 4.02.01-03 определяются по формуле:
а=а* • (1 -л), Вт.
(4)
Здесь = 9Вт / м2- бытовые теплопоступления для жилых зданий; п - коэффициент, зависящий от способа регулирования системы отопления здания.
Приведенное сопротивление теплопередаче К0 теплотехнически ограждающей конструкции с последовательно расположенными однородными слоями [2, табл. 5.9 и 5.10]:
Я0 = г
1 ^5, 1
—+х ^+—
ав 1 а н
м2-°С/Вт,
(5)
где г - расчетный коэффициент, учитывающий нарушения теплотехнической однородности ограждающей конструкции (коэффициент теплотехнической однородности); ав - коэффициент теплоотдачи, принимается согласно [1, таблица 5.4]; 5, - толщина слоя, м; 1, - расчетный коэффициент теплопроводности материала слоя, многослойной наружной конструкции [2, таблица 4.2]; ан - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности, ограждающей конструкции для зимних условий, Вт/м2-°С.
Для расчёта толщины утеплителя Ъут при равномерном утеплении ограждающих конструкций рассмотрим бесчердачное здание с плоской кровлей и неотапливаемым подвалом, представленное схематично на рисунке 1.
Рисунок 1. - Схема расположения жилых помещений и лестничной клетки в объёме здания
Г
\
Планировка квартир представлена на рисунке 2, конструкции ограждений - на рисунках 3-5. Географический район строительства - город Минск. Ориентация здания показана на схеме (см. рисунок 1).
Рисунок 2. - Планировка квартир жилого дома
Конструктивно стеновая панель (рисунок 3) состоит из 5-ти слоев:
1 - слой наружной цементно-песчаной штукатурки
81 = 0,02 м, 1 = 0,93 Вт / м ■ °С, ^ = 11,09 Вт / м2 ■ °С;
2 - слой железобетона
82 = 0,09 м, 12 = 2,04 Вт / м ■ °С, ^ = 19,7 Вт / м2 ■ °С;
3 - слой утеплителя из плит пенополистирольных
83 = 0,02 м, 13 = 0,05 Вт / м ■ °С, ^ = 0,48 Вт / м2 ■ °С;
4 - слой железобетона
84 = 0,06 м, 14 = 2,04 Вт / м2 ■ °С, ^ = 19,7 Вт / м2 ■ °С;
5 - слой внутренней известково-песчаной штукатурки
85 = 0,02 м, 15 = 0,81 Вт / м ■ °С, ^ = 9,76 Вт / м2 ■ °С
2
4
5
Рисунок 3. - Конструкция наружного ограждения
Запишем формулу (4) в развёрнутом виде для конструкции принятой к рассмотрению стеновой панели:
(
К = г
1 8, 8, 8, 8, 8 1
1 12 13 14 1 ан
V а
(6)
1 0,02 0,09 0,2 0,06 0,02 1 , „
К = 0,8|-+ ——+ —— + + ——+ —— + — | = 3,4м2 °С /Вт.
8,7 0,93 2,04 0,05 2,04 0,81 23
Нормативное сопротивление теплопередаче наружной стены здания согласно [2, таблица 5.1] принимается равным Кт норм = 3,2 м2-°С/Вт.
Таким образом, на основании выполненного теплотехнического расчета в соответствии с действующей нормативной базой для здания, принятого к рассмотрению, толщина эффективного слоя утепления стеновых панелей всех помещений будет одинаковой и составит 0,2 м.
1
Для определения величины расчетной наружной температуры 1н определим значение величины тепловой инерции принятой к рассмотрению стеновой панели согласно [1, п. 5.3] по формуле
В = ^ Я1 • = Я1 • 51 + Я2 • s2 + Я3 • 53 + Я4 • 54 + Я5 • 55 =
§1
§7
5,
§
5,
5, • S2 + — • 53 +— • 54 + — • 5,
'2 1 1 1
1 ^2
(7)
В = 002 • 11,09 + • 19,7 + • 0,48 + 006-19,7 + ^^ • 9,75 = 0,93 2,04 0,05 2,04 0,81
= 0,238 + 0,859 +1,92 + 0,579 + 0,241 = 3,847 < 4.
Применяем в расчетах в качестве температуры наружного воздуха среднюю температуру наиболее холодных суток обеспеченностью 0,92 = -28 °С для города Минска.
Конструктивно покрытие над неотапливаемым подвалом (рисунок 4) состоит из 4-х слоев:
Рисунок 4. - Конструкция покрытия над неотапливаемым подвалом
1 - железобетонная плита
51 = 0,22 м, 1 = 2,04 Вт / м • °С, 5 = 19,7 Вт / м2 • °С;
2 - слой утеплителя из плит пенополистирольных
§2 = 0,1 м, 12 = 0,05 Вт / м • °С, 52 = 0,48 Вт / м2 • °С;
3 - слой цементно-песчаного раствора
53 = 0,15 м, 13 = 0,81 Вт / м • °С, 53 = 9,75 Вт / м2 • °С;
4 - слой линолеума многослойного
§4 = 0,05 м, 14 = 0,38 Вт / м • °С, 54 = 4,5 Вт / м2 • °С.
Для конструкции покрытия над неотапливаемым подвалом сопротивление теплопередачи определяется по формуле (5):
п Л 1 0,22 0,1 0,015 0,05 1 , „ „ 2о^ т Я = 0,91-+ ——+ + —-+ —— + — I = 2,2м2 °С /Вт.
ч8,7 2,04 0,05 0,81 0,38 23, Конструктивно чердачное покрытие (рисунок 5) состоит из 5-ти слоев:
Рисунок 5. - Конструкция чердачного покрытия
1 - железобетонная плита
51 = 0,22 м, 1 = 2,04 Вт / м • °С, 5 = 19,7 Вт / м2 • °С;
2 - слой рубероида
§2 = 0,05 м, 12 = 0,17 Вт / м • °С, 52 = 3,53 Вт / м2 • °С;
3 - слой утеплителя из плит пенополистирольных 53 = 0,25 м, 13 = 0,05 Вт / м • °С, 53 = 0,48 Вт / м2 • °С;
4 - слой цементно-песчаной стяжки
§4 = 0,7 м, 14 = 0,93 Вт / м .°С, 54 = 11,09 Вт / м2 .°С;
5 - слой рубероида (в 5 слоёв)
5 = 0,3 м, 1 = 0,17 Вт / м • °С, 5 = 3,53 Вт / м2 • °С;
Для конструкции чердачного покрытия сопротивление теплопередачи определим по формуле (5):
0 п 0| 1 0,22 0,05 0,2 0,7 0,3 1 , 20п ^
Ят = 0,91-+-+-+-+-+-+ — I = 5,5м2 °С /Вт.
8,7 2,04 0,17 0,05 0,93 0,17 12
Нормативное сопротивление теплопередаче чердачного покрытия здания согласно [2, табл. 5.1] принимается равным Ят норм = 5,0 м2-°С/Вт.
Для зданий с системами водяного отопления при естественной вентиляции путём неорганизованного притока наружного воздуха за счёт инфильтрации его нагревание непосредственно в помещении от расчётной температуры наружного воздуха 1н до температуры внутреннего воздуха 1е осуществляется системой отопления.
Для систем воздушного отопления здания, совмещённого с активной вентиляцией, в строгом соответствии с тепловым и воздушным балансом, необходимо равенство приточного и удаляемого воздуха для каждого помещения в объёме нормативного воздухообмена и полной компенсацией сбалансированных теплопотерь и теплопоступлений, что обеспечивается за счёт перегрева централизованно обработанного приточного вентиляционного воздуха и подачи его в жилые помещения и кухню с температурой 4р
<„Р = + А/, (8)
Оу
где А/ =-у--перегрев приточного воздуха для компенсации суммарных теплопотерь и тепло-
0,28р-с • Ьпр
поступлений, °С.
Перепишем выражение для А/ в развёрнутом виде с подстановкой нормативных значений входящих величин и после преобразований получим
А/ =-^-= —^— °С. (9)
0,281,4-1-3 • ¥п 1,176 • ¥п
Разложив <22 на составляющие, получим
ОУ _ °НС . °ОК . °ПОЛ . °ПОКР , _
А/ = ^у = ^НС + ^ОК + У^ПОЛ + У^ПОКР + _
= 1,176 - ¥~ 1,176 - ¥ 1,176 - ¥ 1,176 - ¥ 1,176 - ¥ 1,176 - ¥ 1,176 - ¥
* п * п * п * п * п * п * И
РнС • (/в - К ) - (1 + £р) - П ЕОК ■ (/в - Гн ) - (1 + Хр) - П ЕПОЛ ■ (/в - К ) - И + ЕПОКР ' (/. ~ /н ) - И
--1---1---1---
1176 - Я - ¥ 1176 - Л - ¥ 1176 - Л - ¥ 1176 - Л - ¥
НС п ОК п ПОЛ п ПОКР п
0,28 р-с - 3 - ¥п - К 9 - ¥п - (1 - 0,2) = ¥НС • (19 + 28) 1,15 1 ¥ОК - (19 + 28) 1,15 1 1,176 - ¥ 1,176 - ¥ " 1,176 - 3,4 - ¥ 1,176 1-¥
п п п п
+ ^пол • (19 + 28) -0,6 + ЕПОКР ' (19 + 28) -1 + 0,28-1,4-1-3 -¥п -0,7 _ 9 -¥п - (1 -0,2) = 1,176 - 2,2 - ¥ 1,176 - 6,5 - ¥ 1,176 - ¥ 1,176 - ¥
? ? п > > п > п > п
13 5 ^ ¥ 46 ^ ¥ 10 9 ^ ¥ 6 1 ¥
= 1 НС + -1 ОК + 1и' ^ -1 ПОЛ + -1 ПОКР + 0 7 - 6 1 =
= ¥п ¥п ¥п ¥п ' ' "
)
- 5,4, °С.
(10)
(13 5 ^ ¥ + 46 ^ ¥ +10 9 - ¥ + 6 1 - ¥ )
НС ОК ПОЛ ПОКР
¥п 18 + 20
Приняв за среднее значение /в = —-— = 19 °С, в соответствии с формулой (10) температура приточного воздуха для систем воздушного отопления здания определится из выражения
135 - ¥ + 46 - ¥ +109 - ¥ + 6 1- ¥
/ = 19 + 1 ^ ^ НС ОК т 1и> у 1 ПОЛ > 1 ПОКР - 5 4 =
пр ¥
п (11) = 13 6 + 13,5 - ¥нс + 46 - ¥ОК +10,9 - ¥ПОЛ + 6,1 - ¥ШКР
, ¥п •
Таким образом, для любого здания по конструктивным размерам можно быстро и легко по формуле (10) определить температуру /пр приточного воздуха и суммарный расход теплоты на отопление и вентиляцию здания при воздушном отоплении по формуле
Ово = 0,28 - Ь„р рн - С-(п - /н), Вт. (12)
Заключение. Результаты исследований в области создания энергоэффективных систем воздушного отопления в обогреваемых зданиях с наружными ограждающими конструкциями повышенной теплозащиты и герметичности свидетельствуют о том, что формированию комфортных параметров микроклимата в помещениях наиболее полно удовлетворяют системы воздушного отопления, совмещённые с активной вентиляцией [4].
Построение вышеизложенной методики расчёта температуры приточного воздуха /пр (11) и суммарного расхода тепловой энергии Оео. (12) для систем воздушного отопления, совмещённого с активной вентиляцией, базируется на основных положениях теории аэродинамики и тепломассообмена, на определении воздухообмена по нормативным параметрам и осреднении в пределах допустимых погрешностей.
Для систем воздушного отопления, совмещённых с активной вентиляцией, при которой в каждое вентилируемое помещение поступает тёплый воздух из единого приточного центра с одинаковой температурой tnp и в количестве, соответствующем нормативному воздухообмену с одновременной компенсацией всех теплопотерь без дополнительной установки кондиционеров-доводчиков, важным является разработка неоднородной системы утепления наружных стен каждого отапливаемого помещения с различной толщиной эффективного слоя утеплителя с целью выравнивания удельных теплопотерь, что ляжет в основу дальнейших научных исследований по минимизации энергопотребления от внешних источников за счёт более широкого использования вторичных и природных энергоресурсов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха : СНБ 4.02.01-03. - Минск : Минстройархи-тектуры Респ. Беларусь, 2003.
2. Технический кодекс установившейся практики : ТКП 45-2.04-43-2006 (02250). Строительная теплотехника. Строительные нормы проектирования - Минск : Минстройархитектуры Респ. Беларусь, 2007. - 32 с.
3. Жилые здания. Минстройархитектуры : СНБ 3.02.04-03 Респ. Беларусь. - Минск, 2003.
4. Липко, В.И. Вентиляция герметизированных зданий / В.И. Липко. Т. 1. - Новополоцк : Полоц. гос. ун-т, 2000. - 300 с.
5. Липко, В.И. Вентиляция герметизированных зданий / В.И. Липко. Т. 2. - Новополоцк : Полоц. гос. ун-т, 2000. - 246 с.
6. Липко, В.И. Энергоресурсоэффективное тепловоздухоснабжение гражданских зданий : в 2-х т. / В.И. Липко. Т. 1. - Новополоцк : Полоц. гос. ун-т, 2004. - 212 с.
7. Липко В.И. Энергоресурсоэффективное тепловоздухоснабжение гражданских зданий : в 2-х т. / В.И. Липко. Т. 2. - Новополоцк : Полоц. гос. ун-т, 2004. - 392 с.
8. Технологический чердак здания : пат. BY 9618 / В.И. Липко, Е.С. Добросольцева, С.В. Липко, С.В. Ланкович. - Опубл. 30.10.2013.
9. Рекуперативное устройство приточно-вытяжной вентиляции здания : пат. BY 8381 / В.И. Липко, С.В. Липко. - Опубл. 04.03.2012.
10. Здание с утепляющей оболочкой : пат. BY 008576 / Л.Н. Данилевский, В.М. Пилипенко, В. А. Потерщук. -Опубл. 06.09.2007.
11. Отопительно-вентиляционная система здания : пат. BY 1134 / В.И. Липко, В.А. Борванов. - Опубл. 01.08.2003.
12. Липко, В.И. Энергоресурсоэффективное устройство тепловой вентиляции здания с технологическим чердаком с использованием вторичных и природных энергоисточников / С.В. Ланкович, В.И. Липко // Устойчивое развитие: региональные аспекты : междунар. науч.-практ. конф. молодых учёных, Брест, 20-21 апреля 2017 г. - Брест, 2017.
13. Широкова, О.Н. Экологически и экономически эффективные системы тепловоздухоснабжения индивидуально отапливаемых и активно вентилируемых малоэтажных зданий / О.Н. Широкова, В.И. Липко // Материалы докл. 50-й междунар. науч.-техн. конф. преподавателей и студентов, посвящ. году науки : в 2-х т. - Минск, 2017. - С. 319-322.
14. Липко, В.И. Энергоресурсоэффективные системы тепловоздухоснабжения жилых зданий повышенной теплозащиты / В.И. Липко, О.Н. Широкова, А.С. Лапезо // Новое в технике и технологии в текстильной и легкой промышленности : материалы докл. междунар. науч.-техн. конф. ; Витеб. гос. технол. ун-т. - Витебск, 2015. - С. 285-287.
Поступила 08.12.2017
THE METHOD OF CALCULATION OF AIR HEATING SYSTEMS V. LIPKO, S. LANKOVICH
Based on the functional of the statutory frameworkshows the development of methodology for calculation of air heating systems of buildings with advanced thermal protection and tightness of enclosing structures with the thermotechnical calculation. The method of calculation is based on the basic theory of aerodynamics and heat and mass transfer and air exchange on regulatory parameters with averaging within the tolerance band to determine supply air temperature in the premises and the total consumption of thermal energy for air heating systems, combined with active ventilation.
Keyword: air heating, heat losses, heat input, air temperature, heat-and-mass transfer processes, air change, outer shell, thermotechnical calculation, heater warmer, heat-transfer resistance.
