Тепловой баланс зданий и сооружений

Тепловой баланс зданий и сооружений позволяет установить соотношение между тепловыми потерями и количеством тепла, выделяемым различными источниками внутри зданий и сооружений.

В общем случае составление тепловых балансов позволяет определить КПД установки, расход топлива или электроэнергии для получения единицы тепловой энергии, расход пара (или другого теплоносителя) для получения единичной продукции. Тепловой баланс это соотношение, связывающее приход и расход теплоты и составляется на единицу выпускаемой продукции, на 1 кг твердого или жидкого топлива, на 1 м³ газообразного топлива или в процентах, %, от введенной (суммарной) располагаемой теплоты.

Полученная информация о тепловом балансе организации или предприятия используется для исследования либо отдельного объекта, либо организации в целом. Методы анализа полученной информации делятся на физические и финансовые [3].

Физический метод исследования оперирует с физическими или натуральными параметрами и имеет целью определение характеристик эффективности энергоиспользования. Он включает следующие этапы:

1. Все данные энергопотребления приводятся к единой международной системе измерения – СИ.

2. Определяется состав объектов: отдельные потребители, подразделения, технологические линии, цеха или предприятие в целом.

3. Проводится распределение потребляемой энергии по отдельным объектам, а также видам энергоресурсов и энергоносителей: электроэнергия, пар, горячая вода, топливо (твердое, жидкое, газообразное).

4. Определяются факторы, влияющие на потребление энергии: температура наружного воздуха (для систем отопления и вентиляции), расход топлива в паровых теплогенераторах (для систем пароснабжения) и водогрейных котлах (для систем теплоснабжения), электрической энергии (для технологического оборудования, холодильников).

5. Вычисляется удельное энергопотребление по отдельным видам энергоресурсов и объектам, которое определяется отношением энергопотребления к выпуску продукции (Вт или 1 кг топлива/на единицу продукции). Значение полученного удельного энергопотребления сравнивается с нормативными значениями, после чего делается вывод об эффективности энергоиспользования как по отдельным объектам, так и по предприятию в целом. Нормативные значения могут быть заданы, рассчитаны или взяты из периодической литературы.

6. Определяются прямые потери различных энергоносителей за счет потерь электроэнергии, утечек воды или конденсата, недогрузки или простоев оборудования, потерь теплоты (с уходящими топочными газами, химический и механический недожог, от наружных ограждений в окружающую среду), неквалифицированной эксплуатации и других выявленных нарушений.

7. Выявляются наиболее неблагоприятные объекты с точки зрения эффективности энергоиспользования.

Финансовый метод исследования оценивает прямые потери в денежном выражении и проводится параллельно с физическим методом исследования. Он придает экономическое обоснование выводам, полученным на основании физического метода исследования и позволяет вычислить распределение затрат на энергоресурсы по всем объектам энергопотребления и видам энергоресурсов. Финансово-экономические критерии имеют важное значение при исследовании энергосберегающих рекомендаций и проектов.

В данной лекции рассмотрен метод составления энергетических балансов здании и сооружений на примере квартиры в многоквартирном доме. Более широкий подход к составлению тепловых балансов приводится в литературе [3].

В осенне-зимний период создание приемлемого теплового режима помещения обеспечивается преимущественно посредством системы отопления. В расчетах тепловых балансов гражданских помещений учитываются также тепловыделения бытовых электроприборов, особенно если они работают длительное время; теплоотдача от человека, а для производственных помещений - и другие источники тепла.

При этом помещение теряет теплоту через наружные ограждения (окна и стены), она также расходуется на нагревание наружного воздуха, проникающего через неплотности ограждений или вентиляционные отверстия и каналы.

В установившемся режиме потери равны поступлениям теплоты. Посредством расчета всех составляющих поступления и расхода теплоты определяется избыток или дефицит теплоты. Дефицит теплоты указывает на необходимость установки дополнительных источников тепла; избыток теплоты на количественном уровне устраняется вентиляцией, на качественном – уменьшением площади или заменой отопительных приборов.

Уравнение теплового баланса для квартиры для стационарного режима имеет вид [6]:

, [Вт] (1)

где - теплота, уносимая через ограждения;

- теплота, расходуемая на нагрев инфильтрующегося воздуха;

- теплота, поступающая от системы отопления;

- теплота, выделяемая бытовыми электроприборами;

- теплота, выделяемая человеком.

Распишем каждое из составляющих уравнения теплового баланса и обозначим все входящие в уравнения величины.

Теплота, уносимая через ограждения.Указанные составляющие уравнения теплового баланса следует определять с округлением до 10 Вт по формуле [6]:

, (2)

где - cтены или окна;

- площади соответственных наружных ограждений, м², правила обмера которых следующие:

а) площади окон, дверей измеряются по наименьшему строительному проему,

б) площади наружных стен измеряются:

- в плане – по внешнему периметру между наружным углом и осями внутренних стен,

- по высоте (в средних этажах) – от поверхности пола до поверхности пола следующего этажа,

в) при необходимости определения теплопотерь через внутренние ограждения их площади берутся по внутреннему обмеру;

, - температуры воздуха, расчетная в помещении и наружная для холодного периода года соответственно, °С, согласно [4, 5];

- добавочные потери теплоты в долях от основных потерь, определяемые для наружных ограждений в зависимости от их ориентации на сторону света, согласно [6];

- коэффициент, принимаемый в зависимости от положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху по [8];

- сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции, м²×°С/Вт, следует определять по [8] по формуле:

, (3)

где — коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций Вт/(м²×°С), находится из таблиц [8];

— термическое сопротивление ограждающей конструкции, м²×°С/Вт,

где - толщина данного слоя в составе ограждающей конструкции, м,

- теплопроводность данного слоя в составе ограждающей конструкции, Вт/(м×°С);

Для многослойных ограждающих конструкций определяется по формуле [8]:

, (4)

где , , - термические сопротивления каждого из слоев ограждения;

— коэффициент теплоотдачи (для зимних условий) наружной поверхности ограждающей конструкции, Вт/(м²×°С), находится из таблиц [9].

Теплота, расходуемая на нагрев инфильтрующегося воздуха. Расчет проводится согласно [4, 6].

Расход теплоты , Вт, на нагревание инфильтрующегося воздуха в помещениях жилых и общественных зданий при естественной вытяжной вентиляции, не компенсируемого подогретым приточным воздухом, следует принимать равным большей из величин, полученных из расчета по формулам (4.5) и (4.9), указанным ниже [6].

, Вт (5)

где - расход инфильтрующегося воздуха, кг/ч, через ограждающие конструкции помещения, определяемый по формуле (6);

- удельная теплоемкость воздуха, равная 1000 Дж/(кг×К);

- коэффициент учета влияния встречного теплового потока в конструкциях, равный:

а) 0,7 - для стыков панелей стен и окон с тройными переплетами,

б) 0,8 -для окон и балконных дверей с раздельными переплетами,

в)1,0 - для одинарных окон, окон и балконных дверей со спаренными переплетами и открытых проемов.

Расход инфильтрующегося в помещение воздуха , кг/ч, через неплотности наружных ограждений следует определять по формуле [6]:

, (6)

где , - площади наружных ограждающих конструкций, м², соответственно световых проемов (окон, балконных дверей, фонарей) и других ограждений;

- площадь щелей, неплотностей и проемов в наружных ограждающих конструкциях, м²;

, — расчетная разность давлений, определяемая по формуле (7), между давлениями на наружной и внутренней поверхностях ограждающих конструкций соответственно на расчетном этаже при Dp₁=10 Па;

Разность давлений воздуха на наружной и внутренней поверхностях ограждающих конструкций , Па, следует определять по формуле [8]:

, (7)

где - высота здания (от поверхности земли до верха карниза), м;

, - удельный вес соответственно наружного и внутреннего воздуха, Н/м³, определяемый по формуле

, (8)

- максимальная из средних скоростей ветра по румбам за январь, м/c;

— сопротивление воздухопроницанию, м²×ч×Па/кг определяемое для окон и балконных дверей по формуле [8]:

(9)

— нормативная воздухопроницаемость наружных ограждающих конструкций, кг/(м²×ч), находится из таблицы в [8];

— длина стыков стеновых панелей, м.

, Вт (10)

где - расход удаляемого воздуха, м³/ч, не компенсируемый подогретым приточным воздухом; для жилых зданий - удельный нормативный расход 3 м³/ч на 1 м² жилых помещений;

- плотность воздуха в помещении, кг/м³.

Теплота, поступающая от системы отопления.Тепловая потребность помещения, которую должна обеспечивать система отопления, есть (см. формулу (1)):

, Вт (11)

Одновременно

, Вт (12)

отсюда найдем:

, Вт (13)

где - теплоотдача от радиаторов, Вт;

- теплоотдача от подводящих трубопроводов, Вт.

С помощью формул (11) и (13) нужно найти и сопоставить действительную и требуемую теплоотдачу от радиаторов в квартире. При этом следует:

1. Найти - действительную теплоотдачу от радиаторов - из таблиц [4, 5] в зависимости от типа радиаторов, количества секций и расчетной температуры воздуха в помещении;

2. Найти по изложенной ниже методике и, подставив ее в формулу (13), получить - требуемую теплоотдачу - и сопоставить ее с .

найдем по методике, изложенной в [10]. Для этого по таблице определим площадь в эквивалентных квадратных метрах (экм) одного метра неизолированного участка трубопровода в зависимости от его диаметра. Найдем теплоотдачу с 1 экм по формуле:

, (14)

где - разность между температурой воды, поступающей в радиатор и расчетной температурой воздуха в помещении.

Тогда теплоотдача от подводящих труб вычисляется по формуле:

, (15)

где - поправочный коэффициент на статус подводящих трубопроводов и равен:

а) 0.5 – для стояков;

б) 0.9 – для подводок к радиаторам;

в) 0.25 – для магистралей над потолком;

г) 0.75 - для магистралей под потолком;

- длина отдельных участков, м.

Теплоотдача с гладкотрубного змеевика в ванной рассчитывается по формуле, указанной в [10], Вт:

, (16)

где - площадь требуемой теплоотдающей поверхности змеевика, экм;

= 1.0 (для ванной комнаты); 1.03 (для других помещений)- поправочный коэффициент на остывание воды в трубопроводах;

= 0.95 – коэффициент учета числа секций;

= 1.14 (для ванной комнаты); 0.95 (для других помещений) – коэффициент учета способа подводки теплоносителя к нагревательному прибору и изменение теплоотдачи в зависимости от относительного расхода воды;

= 1.0 – коэффициент учета способа установки нагревательного прибора и различные укрытия.

Теплоотдача от бытовых электроприбороввычисляется по формуле[11]:

, Вт (17)

где - потребляемая прибором мощность, Вт;

- коэффициент, учитывающий переход электрической энергии в тепловую;

- время работы прибора, с/сут.

Теплоотдача от человека вычисляется по формуле [11]:

, Вт (18)

где - количество человек в квартире;

- коэффициент, учитывающий интенсивность физической нагрузки:

- легкая работа 1.0,

- средняя работа 1.07,

- тяжелая работа 1.15;

- коэффициент, учитывающий утепленность одежды:

- легкая одежда 1.0,

- одежда средней утепленности 0.66,

- одежда высокой утепленности 0.5;

- подвижность воздуха в помещении, 0.10 – 0.12 м/с;

- время пребывания людей в помещении, с/сут.

Оценка удельной тепловой характеристики квартиры.Удельную тепловую характеристику квартиры можно рассчитать по формуле [11]:

, Вт/(м³×°С) (19)

где - расчетные тепловые потери через наружные ограждения всеми помещениями квартиры, Вт;

- объем квартиры по внешнему обмеру, м³.

Расчет годовых затрат теплоты.В [9] указывается, что для Санкт-Петербурга месяцы с октября по апрель включительно есть месяцы со среднемесячной температурой менее 8 °С. Согласно [10], продолжительность отопительного сезона составляет 219 суток. При этом средняя температура наружного воздуха в отопительный сезон составляет –2.2 °С.

Найдем годовые затраты теплоты по формуле [11]:

, ГДж (20)

где - установочная тепловая мощность системы отопления по укрупненным показателям, Вт:

(21)

- средняя температура наружного воздуха в отопительный сезон, °С;

- продолжительность отопительного сезона, сут.

Таким образом вычислив все вышеприведенные компоненты можно составить тепловой баланс помещения, оценить его удельную тепловую характеристику и годовые затраты на отопление и выработать перечень мероприятий по сбережению тепловой энергии.