Тепловая устойчивость зданий, источники тепла, обеспечивающие теплоустойчивость.

Искусственная среда помещений в процессе эксплуатации должна сохранять постоянную температуру, влажность, скорость перемещения воздуха, температуру ограждающих поверхностей стен, потолка, пола. независимо от изменений, происходящих во внешней окружающей среде. Человек способен самостоятельно поддерживать температуру своего тела, отдавая излишнее тепло при перегреве окружающей среде, или генерируя его при охлаждении окружающей среды. Но чрезмерно длительный перегрев или охлаждение окружающей среды способен нарушить стабильность работы организма человека.

В связи с этим требуется организовать подачу или удаление избыточного тепла, т.е. организовать отопление помещений.

В современных зданиях имеется большое количество технологического оборудования, которое способно выделить тепло, человеческий организм реагирует на эти воздействия и, естественно, у него наблюдается перегрев или остывание организма, он потеет, мерзнет, происходит затруднение в работе кровеносной системы, потеря солей воды в организме и ряд других расстройств. Для стабилизации теплового режима среды в помещениях устраивается система отопления, которая должна обеспечивать:

- постоянство параметров микроклимата, чистоту воздуха, соблюдая их значения в пределах допустимых норм, в зависимости от категории помещений.

- допустимые уровни шума и вибрации от работы этих систем.

- обеспечивать надежность работы этих систем и соблюдение взрывопожарной безопасности.

- энергоэффективность и экономичность этих систем.

Все эти требования рассматриваются нормами и стандартами (гостами). Так микроклимат в жилых и общественных зданиях регламентируется ГОСТом 30494. В производственных помещениях в соответствии СН245 и СанПинами.

Для обеспечения этих требований необходимо при проектировании обеспечивать компенсацию потерянного тепла, прошедшего через наружные ограждения (стены, окна, двери) за счет системы отопления и удаления избыточного тепла с помощью системы вентиляции. Отопительная система рассчитывается на количество тепловой энергии уходящей из помещений при преодолении термического сопротивления ограждений R_0, о котором говорилось ранее в разделе 1.5. вместо ушедшей (потерянной) тепловой энергии в помещение должно в отопительный период поступать от приборов системы отопления такое же её количество, чтобы обеспечивалось равновесное состояние и чтобы температура внутри помещения t_в оставалась соответственно нормативной.

Количество тепла Q теряемое через ограждающие конструкции определяется как сумма потерь через площадь каждой конструкции F_i при соблюдении чтобы термическое сопротивление её было не менее требуемого значения или установленного по фактической конструкции ограждения, т.е. либо или , и тогда

– количество тепла, теряемое через ограждение,

где или

F_i – площадь i-ой ограждающей конструкции помещения (стена, перекрытия, окна).

t_н и t_в – расчетная температура в помещении и снаружи соответственно.

n – коэффициент, учитывающий положение конструкции: вертикальное, горизонтальное, наклонное и т.д. (по СНиП-3-79*).

Кроме того, учитываются дополнительные потери тепла через необогреваемые полы, двери, окна в процентах от основных потерь.

Такой метод подсчета потерь очень трудоемкий. Допускается определять возможные потери тепла по удельным характеристикам в виде потерь тепла с одного кубометра объема здания по наружному обмеру при разности температур наружного и внутреннего воздуха в 1ºС. Например для жилых зданий объемом менее 3 тыс. м³ q=0,49 Вт/м³ºС, от 3 до 10 м³ – 0,38; 11-25 тыс. м³ – 0,33 и более 25 тыс. – 0,3Вт/м³ºС. Для административно-бытовых зданий при объеме до 3 тыс. м³ q=0,51 Вт/м³ºС, и при объеме5-15 тыс. м³ – 0,41 Вт/м³ºС для предприятий общественного питания - о,407 вт/м3С

Зная температуру t_в и t_н и объем здания V легко определить общие потери тепла для отопительной системы.

В современных зданиях, насыщенных оборудованием, работающем на электрической энергии, газе и других видах, следует при расчете учитывать тепло, возникающие при включении этого оборудования. На это количество надо снижать потребность тепла на отопление.

Для летних условий важно не допускать перегрев помещений, который регламентируется требованием, чтобы амплитуда колебаний температур на внутренней поверхности стен помещений А_τв в июле месяце не превышала требуемой величины. Возможная температура внутренней поверхности зависит от температуры наружной поверхности стены, суммарной величины солнечной радиации, падающей на наружную стену, коэффициента теплопередачи материала наружной поверхности стен. Если это условие не соблюдается, то необходимо увеличивать массивность стен, менять цвет поверхностей и использовать ряд других способов. Не маловажным для поддержания параметров микроклимата помещений является обеспечение условий воздухонепроницаемости ограждений, стыков, т.к. вместе с фильтрующим воздухом теряется тепло. Его количество зависит от скорости ветра и может примерно учтено процентах от расчетного значения в размере 5-15%. Таким образом, отопление является неотъемлемым инженерным оборудованием зданий.

2. Системы отопления. Виды отопления.

Системы отопления – это комплекс из трех составляющих:

- Источник теплоты

- Теплопроводы

- Отопительные приборы

В качестве источника тепла (тепловой энергии) используют котельные, где топливо с потенциальной энергией (дрова, уголь, газ, нефть и т.д.) превращается в тепловую энергию (и далее в ее разновидности: теплая вода, пар, электроэнергия). Различают котельные-отопительные, производственно-отопительные, производственные (для технологических цепей), получения электроэнергии. Теплофикация селитебной территории осуществляется от ТЭЦ-теплоэлектростанций, районных котельных, домовых котельных, печей в помещениях .

Вид и мощность котельных определяется по теплопотерям зданий с учетом некоторого резерва.

По виду теплоносителя системы отопления зданий можно разделить на: водяные, паровые, воздушные, печные, радиационные и электрические.

Все эти теплоносители имеют соответствующие возможности, конструктивное исполнение и область применения.

Наиболее эффективным и широко распространенным теплоносителем являются водяное и паровое отопление, в которых теплоноситель подается в помещения с безопасной температурой не более 80ºС, а в трубопроводах она не превышает 150ºС.

Водяное отопление осуществляется через систему водопроводов и отопительных приборов, различают однотрубную и двух трубную систему подачи воды.

Однотрубная система предназначена для подачи тепла последовательно на все приборы (см. рис. 12.1) и двухтрубная с подающей магистралью и обратной магистралью, в которой из каждого прибора вода удаляется и возвращается к источнику (см. рис. 12.2). Подача воды может быть с верхней и нижней разводкой (разливом). Циркуляция воды обеспечивается за счет разницы веса горячей и охлажденной воды (естественная) или принудительной циркуляции с помощью насосов.

Рис. 12.1 Однотрубная система разводки в сетях отопления

1 – котел; 2 – главный стояк; 3 – расширительный бак; 4 – магистраль верхнего разлива; 5 – воздухосборник; 6 – кран двойной регулировки; 7 – отопительный прибор; 8 – стояк с о смешанным замыкающим участком; 9 – трехходовой регулирующий кран; 10 – вентиль для отключения стояка; 11 – вентиль для спуска воды; 12 – магистраль охлажденной воды; 13 – вертикальный стояк; 14 – циркуляционный насос; 15 - однотрубный проточный вертикальный стояк; 16 – воздушный кран; 17 – горизонтальный проточно-регулируемый стояк.

Рис. 12.1 Двухтрубные системы разводки в сетях отопления

а – с верхней прокладкой горячих магистралей;

б – с нижней прокладкой;

1 – котел; 2 – главный стояк; 3 – расширительный бак; 4 – магистраль горячей воды; 5 – воздухосборник; 6 – воздушная линия; 7 – кран двойной регулировки; 8 – двухтрубный стояк; 9 – отопительный прибор; 10 – магистраль охлажденной воды; 11 – циркуляционный насос; Т1, Т2 – подающий и обратный трубопроводы.

Системы парового отопления в принципе не отличаются от систем водяного отопления. Теплоноситель пар отличается от жидкости по своим свойствам при поддержании давления и температуры пар находится в состоянии насыщения (сухой пар). Оставаясь в приборах, пар превращается в воду, ёе надо отводить в нижнюю часть системы. Иногда по этой причине возникают гидравлические пробки, в связи с чем появляется в системе шум. Кроме того паровое отопление дает высокую температуру на поверхности отопительных приборов до 150ºС, что опасно при соприкосновении с ними. По этой причине оно применяется только в помещениях производственных зданий. Печное, радиационное, электрическое, будет рассмотрено при описании приборов отопления.

Воздушное отопление используют для обеспечения допустимых параметров воздуха в обслуживаемой или рабочей зоне помещений. Это позволяет объединить в одной системе функции отопления и вентиляции. Иногда делают циркуляцию воздуха, то есть используют внутренний воздух с его отчисткой и увлажнением если это допускается санитарными нормами (по наличию вредности и микрофлоры и т.д.). Приточный воздух предварительно нагревается и подается вентиляторами. Пример схемы воздушного отопления показан на рис. 12.2

Рис. 12.2 Схемы систем воздушного отопления

а – прямоточная; б – с частичной рециркуляцией; в – полностью рециркуляционная; 1 –воздухозаборная шахта; 2,4,10 - решетки; 3 – выбросная шахта; 5 – приточный воздуховод; 6 – калорифер; 7 –вентилятор; 8 – рабочая зона (помещения); 9 - клапан

Для снижения поступления холодного воздуха у ворот, дверей делают тепловые завесы, принцип действия у них такой же как и у отопительных. Воздушное отопление имеет много достоинств (малые первоначальные затраты, высокое санитарно-гигиеническое состояние среды). Недостатки – значительный размер воздуховодов, большая потеря тепла.

3. Трубопроводные системы отопления и запорная арматура

Также как и в системах водопровода трубопроводы предназначены для перемещения воды – теплоносителя, поэтому в качестве труб используют стальные электросварные трубы диаметром до 60мм для разводки и больше 60мм – для магистралей. Толщина стенок труб зависит от способа соединения на сварке или на резьбе. Трубопроводы и системы прокладывают отдельно. При скрытой прокладке предусматривают смотровые люки, уклоны. При пересечении перекрытий и стен трубы следует прокладывать с гильзой из негорючих материалов.

В последнее время трубопроводы отопления стали делать из метало-полимерных труб, состоящих из полиэтилена и металлической части, склеенными клеями (метало-пластики). Но эти трубы не разрешается прокладывать в помещениях с источниками огня (сварки электродуговая, газовая, открытый огонь).

Рис. 12.3 Конструкция металлополимерной (металлопластиковой) трубы

1- полиэтилен; 2 – клеевой слой; 3 – металлическая часть

Запорная и регулирующая арматура: задвижки, вентили, пробковые краны; эта арматура ставится на резьбе, как и в системах водопровода.

Промышленность изготавливает эту арматуру. Ввиду ее разнообразности она шифруется цифрами, буквами, что позволяет по каталогу видеть нужное изделие.

Например, кран пробкоспускной имеет шифр 10, к цифре добавляется буква, обозначающая материал, С – углеродная сталь, Л.С. – сталь легированная, Н.Ж. – сталь нержавеющая, далее указывается материал поверхности уплотнения: к – кожа, бт – баббит.

Например шифр арматурного изделия 30с76бр обозначает: 30 – задвижка, С – стальной корпус, 76 – разновидность задвижки, бр – бронза – материал запорного устройства.

4. Отопительные приборы

В зависимости от системы отопления используются соответствующие приборы отопления. Под отопительным прибором понимается устройство, предназначенное для передачи тепла в отапливаемое помещение. Эти устройства должны отвечать ряду требований:

-теплотехническим – соответствующим количеству тепла, отдаваемого 1 кг. веса или 1 кв. м. поверхности устройства в течение часа.

-гигиеническим – способностью и доступностью уборки пыли и грязи.

-архитектурно-строительным – компактность и эстетичность.

-монтажным – прочность, транспортабельность при перевозке, иметь простое крепление, индустриальность монтажа

-эксплуатационным – сводящимся к обеспечению комфортности при изменении внешних условий (погоды и т.д.). Отопительные приборы должны быть оснащены приборами для регулирования тепловой мощности, иметь высокую коррозийную стойкость, поверхность приборов должна быть гладкой.

Рассмотрим основные типы отопительных приборов:

Регистры – гнутые трубы диаметром 32-109 мм. Коэффициент теплоотдачи 10,5-14 Вт/м³ºС. Они отвечают всем требованиям, упомянутым выше. Широко распространены регистры и ребристых чугунных труб, ребра на поверхности повышают площадь теплоотдачи.

Рис. 12.4 – регистры из гладких труб

Радиаторы – чугунные, стальные. Чугунные радиаторы делаются из секций, собираемых при монтаже, в зависимости от требуемой мощности теплоотдачи. Чугунные радиаторы трудоемки в изготовлении и монтаже. Стальные – из листовой стали на сварке. Делают радиаторы из листового алюминия, такие радиаторы изготавливают зарубежные и российские изготовители.

Рис. 12.5 – схема отопительных приборов различных видов

(поперечные разрезы)

а – секция чугунных радиаторов; б – радиаторы стальные штампованные типа РСВ (РСВ1-1 и РСВ1-2); в – ребристая чугунная труба;

Приборы конвекторного типа – это трубы, на которых установлены ребра из листовой стали, что повышает площадь теплоотдачи. Сейчас изготавливают много типов конвекторов отечественного производства: аккорд, комфорт, ритм и много зарубежных.

Рис. 12.6 – Конвекторы

а – типа «Аккорд»; б – типа «Комфорт-20»;

1 – ребра; 2 – бесшовные стальные трубы;

3 – поворотный клапан; 4 – стальной кожух

Напольное отопление – трубы в конструкции пола (теплый пол), в таких системах в трубах малый объем теплоносителя, но большая площадь пола позволяет обеспечить нужный (требуемый) поток теплоносителя. Применение металлополимерных труб обеспечивает долговечность такой системы. В качестве теплоносителя в таких полах также используются греющие электрокабели, которые укладываются в конструкцию пола в покрывающий слой.

Приборы электрического обогрева – приборы, где в качестве теплоносителя используется электрическая энергия, преобразующаяся в тепловую путем нагрева воды, масла, антифриза и других жидкостей. Видов таких приборов, стационарных и передвижных, очень много как отечественного, так и зарубежного производства.