Тема 3.2. Тепловое потребление

Тема 3.2. Тепловое потребление

Теплопотребление здания (городского района) () складывается из теплопотреблений систем отопления (Qо), вентиляции (Qв), кондиционирования воздуха (Qскв) и горячего водоснабжения (Qгвс).

= Qо+ Qв+Qскв+ Qгвс.

(1)

Рассмотрим отдельные составляющие теплопотребления.

Часовое теплопотребление системами отопления.

На стадии проектирования здания отопительная нагрузка рассчитывается путем составления теплового баланса здания.

Тепловой баланс здания в общем случае может быть представлен, как равенство суммарных тепловых потерь здания () и суммарных теплопоступлений извне и внутри здания ().

=.

(2)

Тепловой баланс (2) в условиях равновесия соблюдается при любом соотношении температур внутреннего и наружного воздуха. Важно, чтобы этот баланс соблюдался при расчетной температуре внутреннего воздуха и текущей температуре наружного воздуха, вплоть до расчетной. В этом случае тепловой мощности, доставляемой системой отопления здания, достаточно, чтобы компенсировать его тепловые потери с учетом внутренних и внешних теплопоступлений.

Жилые, общественные, административно-бытовые и производственные здания в холодный период года потребляют теплоту для компенсации тепловых потерь через ограждения (Qогр) и нагрев инфильтрующегося воздуха (Qинф). В тоже время в помещение поступает теплота, выделяемая техникой (Qобор), людьми (Qл) приборами освещения (Qосв) и отопительной системой (Qо), а также за счет солнечного излучения (Qсол).

Поддержание расчетного значения температуры воздуха внутри здания () возможно только в тех случаях, когда суммарные теплопотери (Qогр+Qинф) будут компенсироваться теплопоступлениями (Qобор+Qосв+Qо+Qл+Qсол=+Qо), что удовлетворяет уравнению теплового баланса здания (2), которое в развернутом виде можно представить, как:

Qогр+Qинф=Qобор+Qосв+Qо+Qл+Qсол.

(3)

Обозначив суммарные теплопоступления (за исключением тепловой мощности, поставляемой отоплением), как =Qобор+Qосв+Qл+Qсол, уравнение () можно записать в виде

Qогр+Qинф=Qтп+ Qо.

(4)

Расчетный расход тепловой энергии на отопление здания (Qо, кВт=кДж/с, ккал/ч), определяется по формуле:

= (Qогр + Qинф – Qтп) b,

(5)

где Qогр - теплопотери теплопроводностью через ограждающие конструкции здания, определяемые по (6); Qинф - расход теплоты на нагрев инфильтрующегося наружного воздуха, определяемый по (7); Qтп - бытовые теплопоступления, которые для непромышленных зданий находятся по формуле (8); b - коэффициент, учитывающий дополнительное теплопотребление системы отопления, связанное с дополнительными теплопотерями (для жилых зданий b=1,13, для общественных – 1,1):

теплопотери через ограждающие конструкции здания

;

(6)

расход теплоты на нагрев инфильтрующегося наружного воздуха

;

(7)

бытовые теплопоступления

Qтп = qб Fж,

(8)

где - расчётная температура наружного воздуха; - расчётная температура воздуха внутри здания; – общая площадь наружных ограждающих конструкций, включая перекрытие верхнего этажа и цокольное перекрытие, м2; -приведенный коэффициент теплопередачи ограждающих конструкций здания, кВт/(м2×°С); ‑приведенный инфильтрационный (условный) коэффициент теплопередачи здания, кВт/(м2×°С), совокупности ограждающих конструкций здания. Расчётные параметры воздуха внутри помещений в зависимости от назначения использования задается в пределах норм, регламентируемых следующими нормативными документами:

-СНиП «Отопление, вентиляция и кондиционирование»;

-СанПиН 2.1.2.1002-00 «Санитарно-эпидемиологические требования к жилым зданиям и помещениям»;

-СанПиН 2.2.4.548-96 «Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений»;

-ГОСТ 12.1.005-88 ССБТ «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны»;

-ГОСТ «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях».

Потребление теплоты на нужды отопления зависит от

•  санитарно - гигиенических требований к воздуху жилых помещений, общественно-бытовых, административных и промышленных зданий; т. е. требований к микроклимату помещений;

•  -климатических условий местности строительства зданий;

•  численности населения районов, городов. Максимальные тепловые потери зданий и, следовательно, расчетные отопительные нагрузки пропорциональны разности расчетных температур внутреннего и наружного воздуха.

Микроклимат помещения — состояние внутренней среды помещения, оказывающее воздействие на человека, характеризуемое показателями температуры воздуха и ограждающих конструкций, влажностью и подвижностью воздуха. В расчетах теплопотребления эти показатели называются расчетными.

При выборе расчетной температуры внутреннего воздуха следует руководствоваться санитарно-гигиеническими требованиями к системам отопления и вентиляции, изложенными в перечисленных нормативных документах. Согласно СНиП «Отопление, вентиляция и кондиционирование» для систем отопления в холодный период года в качестве расчетной температуры внутреннего воздуха жилых помещений следует принимать минимальную из оптимальных температур. В обслуживаемой зоне жилых зданий (кроме жилых помещений), общественных, административно-бытовых и производственных помещений в качестве расчетной следует выбирать минимальную из допустимых температур при отсутствии избытков явной теплоты. В помещениях с избытками явной теплоты за расчетную принимается экономически целесообразная температура воздуха в пределах допустимых норм. При проектировании вентиляции расчетная температура внутреннего воздуха общественных, административно-бытовых и производственных помещений в холодный период года выбирается так же, как для систем отопления

Параметры климата, влияющие на теплопотребление зданиями:

•  расчетная температура наружного воздуха принимается по СНиП 23-01—99. «Строительная климатология» как средняя температура наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92:

•  средняя температура наружного воздуха за отопительный период:

•  продолжительность отопительного периода - длительность периода со средней суточной температурой наружного воздуха ниже 80С, для территорий с расчетной температурой 300С и ниже –со средней суточной температурой ниже 100С.

Расчётные параметры наружной среды при проектировании зданий и сооружений, систем отопления, вентиляции, кондиционирования, водоснабжения выбираются в соответствии с рекомендациями СНиП «Отопление, вентиляция и кондиционирование» и устанавливаются в СНиП «Строительная климатология». Расчетные параметры наружного воздуха определяются местоположением здания (климатической зоной). Расчетные параметры наружного воздуха для систем отопления и вентиляции в холодный период года – параметры Б. Расчетная температура наружной среды ‑ температура наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 по таблице 1. «Климатические параметры холдного периода года СНиП «Строительная климатология». Эта температура для Московского региона, например, составляет согласно указанному СНиП составляет -280С. Расчетная нагрузка по отоплению представляет максимальный часовой (ккал/ч, кДж/ч, кДж/с) расход тепловой энергии по отоплению здания (группы абонентов - жилого района). Эта нагрузка из анализа теплового баланса абонента рассчитывается по формуле (5).

При отсутствии проектных данных о максимальной тепловой нагрузке зданий используют метод расчета теплопотерь зданий, норм расхода тепла и топлива по укрупненным показателям. В этом случае расчет ведется по удельным тепловым характеристикам на отопление (qо) с учетом фактического объема зданий. Тепловые нагрузки зданий определяются путём умножения удельных тепловых характеристик на отапливаемый объем здания по наружному обмеру и разность расчётных температур.

Отапливаемый объем здания без чердачного перекрытия определяется умножением площади наружного вертикального поперечного сечения на длину, включая толщину торцевых стен. Выступающие архитектурные детали и ниши не учитываются. При наличии отапливаемых подвалов к общему объему этажей добавляется 40% объема отапливаемых подвалов.

Величины удельных тепловых характеристик зависит от назначения зданий, их наружного объема и района местоположения. Удельные тепловые характеристики здания определяют величину теплопотерь через ограждения одним кубическим метром объема здания при разности температур наружного и внутреннего воздуха в 1°С в единицу времени. Значения удельных характеристик для различных зданий представлены в справочной литературе. Если расчетная температура наружного воздуха отличается от температуры, при которой приводится значение отопительной характеристики (обычно это температура, равная -300С), то вносится поправка (коэффициент βt).

Расчет максимальной часовой тепловой нагрузки (Дж/с, ккал/ч) здания по отоплению производится по формуле:

=

(9)

где qо – удельные тепловые потери здания, зависящие от характера производства, объема или назначения помещений, Вт/(м3×°С) или ккал/(м3×ч×°С); V – объем зданий по наружному обмеру, м3; kt - коэффициент, учитывающий влияние температуры наружного воздуха на теплопотери с инфильтрацией (μ- коэффициент инфильтрации); βt.– поправка к отопительной характеристике, учитывающая отличие расчетной температуры наружного воздуха от температуры, при которой приводится справочное значении qо. Для жилых и общественных зданий коэффициент инфильтрации составляет 3-6%, что находится в пределах погрешности расчета теплопотерь, поэтому инфильтрацию для этих типов зданий не учитывают (μ=0). В табл. 1для примера приведены отопительные удельные отопительные характеристики некоторых зданий общественного и административного назначения.

С учетом внутренних теплопоступлений расчетная нагрузка по отоплению будет:

=Qогр(1+Qинф/Qогр)-åQтп=Qогр kt-åQтп=qоV(- )βt - åQтп,

(10)

где åQтп –суммарные теплопоступления в здание.

Тепловой баланс здания выполняется при любом соотношении температур внутреннего и наружного воздуха. Необходимо обеспечить условия, при которых при любой температуре наружного воздуха, вплоть до расчетной, внутри помещений здания поддерживалась расчетная температура воздуха. Это достигается путем регулирования отопительной нагрузки

Часовая нагрузка по отоплению при температуре наружного воздуха, отличающейся от расчетной, рассчитывается, как

Qо = (-tн)/(- ).

(11)

Формула (11) записана в предположении о постоянстве коэффициента и åQтп=0.

С учетом внутренних теплопоступлений :

, .

((12)

где температура – условная температура воздуха, рассчитываемая по зависимости

.

(13)

где – расчетная температура наружного воздуха; – текущая температура наружного воздуха. Условная температура внутреннего воздуха – температура, при которой потребность в отоплении равна нулю

Расчетная и текущая нагрузки зависят от климатических условий (). Часовую нагрузку по отоплению при текущей температуре наружного воздуха удобно представить в безразмерном виде - в виде относительной отопительной нагрузки:

,	(14)
,	(15)
.	(16)

Построим графики относительной тепловой нагрузки системы отопления здания, расположенного в г. Москве, в зависимости от наружной температуры без учета внутренних теплопоступлений, с учетом теплопоступлений, составляющих 10% и 20% от максимальной отопительной нагрузки. Расчетные температуры воздуха: =200С, =-280С, В соответствии с (13-16) графики имеют вид, представленный на рис. 1.

Таблица 1.

Удельные тепловые характеристики зданий.

Рис. 1. Графики относительной отопительной нагрузки от температуры наружного воздуха. 1- без учета внутренних теплопоступлений (16), 2- с учетом теплопоступлений, составляющих 10% от максимальной отопительной нагрузки (15), 3- с учетом теплопоступлений, составляющих 20% от максимальной отопительной нагрузки (15).

Построение графика в относительной форме удобно, так как значение отопительной нагрузки при любой температуре наружного воздуха получается простым перемножением и расчетной часовой нагрузки.

Годовое потребление системами отопления.

Количество теплоты, потребляемой на отопление, за любой период времени (кВт×ч, Гкал) определяется по формуле:

,

(17)

где ni – длительность i-го периода в часах, – средняя за период температура наружного воздуха.

Количество теплоты (кВт×ч, Гкал), потребляемой на отопление, за отопительный период равно:

,

(18)

где – расчетная отопительная нагрузка, –расчетная температура воздуха в помещении, и – средневзвешенная и расчетная температуры наружного воздуха в отопительный период; nо – длительность отопительного периода, ч.

Если часть времени система отопления работает со сниженной нагрузкой (практикуется в нерабочее время с целью экономии топливно-энергетических ресурсов), то

= n1+ (nо-n1-n2) + a n2,

(19)

где a - коэффициент снижения нагрузки; n1 - длительность работы системы отопления при температуре наружного воздуха ниже расчетной; n2- длительность работы системы отопления со сниженной нагрузкой, ч.

Обычно принимают условно åQтп = 0, но влияние тепловыделений в помещении на отопительную нагрузку учитывают, корректируя, например, значения удельных тепловых потерь здания qо в зависимости от характера производства, назначения имеющихся в здании помещений, размеров самого здания.

График продолжительности стояния тепловых нагрузок.

При расчетах режимов работы систем теплоснабжения требуется определение расходов тепла на отопление за какую-то часть отопительного периода, характеризуемого заданным интервалом температур.. С этой цель. используются климатические данные о средней продолжительности стояния заданных температур не выше заданных. Пример такого графика (графика Россандера) приведен на рис. 2.

Рис. 2. Графики средней продолжительности стояния значений относительной отопительной нагрузки для условий: расчетные температуры воздуха: =200С, =-280С, продолжительность отопительного периода n0 =214 суток. 1- без учета внутренних теплопоступлений (16), 2- с учетом теплопоступлений, составляющих 10% от максимальной отопительной нагрузки, 3- с учетом теплопоступлений, составляющих 20% от максимальной отопительной нагрузки.

При построении графиков использовалась информация о длительности периода со средней температурой не выше заданной для метеоусловий Москвы. Относительная отопительная нагрузка при заданнй температуре наружного воздуха определялась по графикам на рис. 1. Площадь фигуры под графиком, ограниченная двумя горизонтальными линиями, отвечающими двум относительным нагрузкам при заданных температурах, представляет собой ni. Теплопотребление отоплением в заданном диапазоне температур будет n. .

Расчет максимальной часовой тепловой нагрузки здания для обеспечения работы системы вентиляции

Для определения расчетной нагрузки системы вентиляции зданий применяются два метода: первый из них основан на составлении тепловых балансов здания и материальных балансов по воздуху и вредным веществам, поступающих в воздух помещений, второй метод использует удельную вентиляционную характеристику здания.

По первому методу вычисляется (или задается по существующим нормам) подача наружного воздуха. В этом случае максимальная часовая тепловая нагрузка по нагреву приточного воздуха определяется, как

= Сv (- )],

(20)

где – расчетный объемный расход наружного воздуха, м3/с; Сv–объёмная теплоемкость воздуха, кДж/(м3 0С) или ккал/(м3 0С); (- )–разность расчетных температур, 0С.

По второму методу расчет максимальной часовой тепловой нагрузки здания для обеспечения работы системы вентиляции (кВт, ккал/ч) проводится по формуле:

= qв V (- )kt,

(21)

где qв – удельная вентиляционная характеристика здания (табл. 1), зависящая от характера производства или назначения помещений (приводятся в справочной литературе), Вт/(м3×°С) или ккал/(м3×ч×°С); остальные параметры те же, что и в формуле (9).

Расход тепловой энергии на вентиляцию принимают равным максимальному при температуре наружного воздуха ниже расчетной (20 или21) и пропорциональным разности температур при температуре наружного воздуха (tн) выше расчетной:

Qв = (- )/(- ).

(22)

Количество теплоты, потребляемой приточной вентиляцией, за любой период времени (кВт×ч, Гкал) определяется по формуле:

=[ (-tнci)/(-tнр)] mi,

(23)

где mi – длительность i – го периода в часах, – средняя за период температура наружного воздуха.

Количество теплоты, потребляемой системой вентиляции, за отопительный период будет

= m + m1 +α1 m2,

(24)

где m, m1, m2-длительности работы системы вентиляции при tн<, при tн ³ и при отключенных вентиляторах, соответственно, ч; α1=0,15-0,20 – коэффициент снижения нагрузки.

Теплопотребление системами ГВС.

Суточный расход горячей воды (Gгвс) и расход горячей воды за сутки наибольшего водопотребления () (кг/сутки) вычисляется по формулам (25-26):

,

(25)

где –норма расхода горячей воды одним i-ым потребителем в средние сутки (кг/(сут. потребитель)), N – количество i–х потребителей воды в здании.

,

(26)

где – норма расхода горячей воды одним i–ым потребителем в сутки наибольшего водопотребления (кг/сут. потребитель), N – количество i–х потребителей воды в здании, Kсут.–коэффициент суточной неравномерности потребления воды, учитывающий неравномерность расхода воды по дням недели, сезона (Kсут.=1,1–1,3). Суммирование проводится по всем видам потребителей, расположенных в одном здании.

Рис. 3 Суточный график расхода воды в жилом доме.

Средний расчетный расход горячей воды , кг/ч, вычисляется по формуле (27):

=,

(27)

Максимальный расчетный расход горячей воды в системе горячего водоснабжения , кг/ч:

=,

(28)

где Kчас –коэффициент часовой неравномерности потребления воды, учитывающий неравномерность потребления воды по часам суток (рис.3), Kчас зависит от числа жителей в населенном пункте и изменяется в диапазоне 1,2–6,3.

Средняя тепловая нагрузка на горячее водоснабжение и максимальная тепловая нагрузка , кВт, определяются по зависимостям (29-30):

,

(29)

где cp – теплоемкость воды, кДж/(кг 0С); tгв – температура горячей воды, tхв – температура холодной воды, подаваемой в систему горячего водоснабжения на источнике. Расчетные температуры tгв/tхв в системе горячего водоснабжения – 60/5°С, 1,2 – коэффициент, учитывающий потери теплоты во внутренних трубопроводах.

Максимальная тепловая нагрузка на горячее водоснабжение, кВт:

.

(30)

Расчет годового расхода теплоты на горячее водоснабжение , (кВт•ч/год) проводится по формуле:

,

(31)

где nо – продолжительность отопительного периода в часах (nо=Zот×24, Zот–продолжительность отопительного периода в сутках), tхвл–температура холодной воды летом (принимается равной +15оС), tхвз–температура холодной воды зимой (принимается равной +5°С), 0,8–коэффициент, учитывающий снижение потребления горячей воды летом.

Ссылки

1.  СНиП 23-02—2003. Тепловая защита зданий. М.: Госстрой России. ГУП ЦПП, 2004.

2.  МГСН 2.01—99. Энергосбережение в зданиях. Нормативы по теплозащите и тепло - водоэлектроснабжению. М.: ГУП «НИАЦ», 1999.

3.  ГОСТ 12.1.005—88. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны. М.: Изд-во стандартов, 1989.

4.  ГОСТ 30494—96. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях. М.: Госстрой России. ГУП ЦПП, 1999.

5.  . СанПиН 2.2.4.548—96. Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений. М.: Информационно-издательский центр Минздрава России, 1997.

6.  СНиП 23-01—99. Строительная климатология. М.: Госстрой России. ГУП ЦПП, 2000.

7.  СНиП 41-01—2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование М.: Госстрой России. ГУП ЦПП, 2004.

8.  СНиП 2.04.01*‑ 85*. Внутренний водопровод и канализация зданий. М.: Госстрой России ГУП ЦПП. 2001.

9.  Соколов и тепловые сети: учебник для вузов.‑ 7-е изд. стереот. – М.: Издательство МЭИ, 2001.

10.  Наладка и эксплуатация водяных тепловых сетей. Справочник/ , , и др. М.: Стройиздат, 1988.

11.  Шубин вопросы проектирования систем теплоснабжения городов/. М.: Энергия, 1979.

12.  Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях.: учебник для вузов / , , и др.; под ред. .- М.: Издательский дом МЭИ, 2010.

1.  Какие параметры климата влияют на теплопотребление зданиями?

2.  Составляющие теплового баланса здания

3.  Как определить максимальную часовую нагрузку здания из его теплового баланса и по удельной отопительной характеристике?

4.  Что такое расчетная температура внутреннего и наружного воздуха?

5.  Как построить график отопительной нагрузки в зависимости от температуры?

6.  Как рассчитать годовое потребление тепловой энергии системами отопления и вентиляции?

7.  Как рассчитывается потребление тепловой энергии на нужды горячего водоснабжения?