какие основные теплопоступления учитываются в тепловом балансе
Раздел объясняет, что такое тепловой баланс помещения, описывает основные источники поступления и потерь тепла. Приведен принцип расчета теплового баланса. Дается формула упрощенного расчета теплового баланса для бытового кондиционера и пример расчета поступления тепла в офисном помещении.
Для чего нужен расчет теплового баланса?
При проектировании систем кондиционирования, вентиляции и отопления необходимо с достаточной точностью рассчитать их мощность. В теплый период года поступление тепла в помещение избыточно, и излишнее тепло должно удаляться системой кондиционирования. В холодный период потери тепла превышают его поступление, и недостаток тепла должны компенсировать обогревательные приборы.
На здание одновременно действуют несколько факторов поступления тепла: солнечное излучение, параметры наружного воздуха, а также внутренние теплопоступления. Поддержание заданных условий усложняется тем, что теплопоступления не постоянны, а меняются в течение суток. Для правильного подбора климатической системы важно учесть все факторы, влияющие на баланс тепла и влаги в помещении.
Источники теплопоступления и теплопотерь
(1) Теплопередача через стены, потолки, полы. Она зависит от разности внутренней и внешней температуры и степени теплоизоляции здания. Летом температура в здании ниже, чем на улице, и теплопоступление положительно. Зимой же разность температур снаружи здания и внутри него отрицательна, и поток тепла направлен из помещения вовне.
(2) Поступление тепла от излучения Солнца через застекленные проемы. Теплопоступление от излучения всегда положительно (или равно нулю, если застекленных проемов нет). Летом эту тепловую нагрузку надо компенсировать. Количество теплоты солнечной радиации зависит от формы и размеров световых проемов, типа заполнения проемов, ориентации проема по отношению к сторонам света и др. параметров.
(3) Теплопоступления от внешнего воздуха, проникающего в помещение. Воздух попадает в помещение при вентиляции, а также может проникать через неплотности проемов (обычно при проектировании системы кондиционирования в помещении предусматривается избыточное давление, чтобы воздух не инфильтровался). Параметры наружного воздуха (температура и влажность) сильно меняются в течение года, но практически никогда не совпадают с требуемыми в помещении параметрами. Поступление тепла от внешнего воздуха может быть как положительным, так и отрицательным, в зависимости от времени года.
(1) Тепло, выделяемое людьми. Оно зависит от количества людей и рода их занятий, а также условий в помещении.
(2) Тепло, выделяемое осветительными приборами: люминесцентными лампами и лампами накаливания. Эта величина зависит от мощности освещения, типа ламп и способа их расположения.
(3) В производственных помещениях тепло могут выделять горячие материалы (или поглощать — холодные), а также тепловыделение может происходить при сгорании и химических реакциях.
(4) Тепло, выделяемое электроприборами: * в жилых помещениях — бытовыми приборами: холодильниками, плитами и т.п.
* в офисных помещениях — компьютерами, принтерами, копирами и т.п.
* в производственных помещениях — оборудованием, электродвигателями и т.п.
Подробный расчет теплового баланса приведен в главе «Расчет систем кондиционирования и вентиляции» книги «Системы вентиляции и кондиционирования. Теория и практика» (см. основную литературу).
Упрощенный расчет теплового баланса для бытового кондиционера
Для небольших помещений и несложных систем вентиляции и кондиционирования на основе простого оборудования (например, сплит-система) применяют упрощенный тепловой баланс. В таком случае нет необходимости в долгих и сложных расчетах теплопотерь и теплопоступлений. Для подбора модели кондиционера подходящей мощности надо приблизительно подсчитать избыточное тепло, поступающее в помещение.
Основные источники тепла:
Здесь h — высота потолка в помещении, S — площадь помещения, q — удельная теплота (выбирается в зависимости от естественной освещенности помещения. Если помещение затенено, то q = 30 Вт/кв.м., если средняя освещенность, то q = 35 Вт/кв.м., а для помещений с большим остеклением с солнечной стороны q = 40 Вт/кв.м.)
Для офисных помещений — 300 Вт на каждый компьютер (или 30% от мощности другого оборудования. Конечно, если включено нагревательное оборудование, нужно учитывать его реальную мощность обогрева). Замечание: Если в помещении используется дополнительное оборудование, которое выделяет тепло (электроплиты и т.д.), в расчете нужно учесть его мощность
Обычно считают, что при сидячей работе (в офисе) человек выделяет 100 Вт тепла, а при физических нагрузках 200-300 Вт.
К сумме теплопоступлений, рассчитанных в пунктах 1 — 3, нужно прибавить примерно 20% на неучтенные притоки тепла.
Итак, Q = 1.2*(Q1 + Q2 + Q3)
Пример: комната 15 кв.м, высота потолков 3 м, средняя освещенность, 3 человека работают за компьютерами. Теплопоступление: Q = 1.2*(15*3*35 + 3*300 + 3*100) Вт = 3,3 кВт. Это поступление тепла и должен компенсировать кондиционер.
Как произвести расчет всех теплопоступлений
Теплопритоки — надхождение в помещение тепла от разных источников. Расчет теплопоступлений это неотъемлемая часть разработки систем кондиционирования здания. Этот подсчет очень важен и от него зависит: будет ли микроклимат в комнате комфортным для человека.
Теплопоступления от людей
Теплопритоки от людей делятся на явные, скрытые и полные. Принимают их из пособия 2.91 к СНиП 2.04.05*91. Ниже наведена таблица со значениями теплопритоков от взрослого человека при нужной нам температуре в помещении. Это, так называемые, удельные теплопоступления от человека, то есть сколько тепла выделит один человек при определенной работе, если в комнате наявна такая-то температура.
При упрощенном расчете, не задаются градусами в помещении и просто берут средние значения теплопритоков. Теплопоступления от людей сопровождающиеся: отдыхом 120 Вт, легкой сидячей работой 130 Вт, работой в офисе 150 Вт, легкой работой стоя 160 Вт, легкой работой на производстве 240 Вт, медленным танцем 260 Вт, работой средней тяжести 290 Вт, тяжелой работой 440 Вт.
Напомним, что эти значения это удельные тепловыделения от людей.
Для расчета теплопоступлений от всех, необходимо значение тепловыделений подставить в формулу:
где q- удельные теплопоступления, Вт/чел.
n — количество людей, чел.
И не забывайте, что для разных видов работ — разные удельные теплопритоки, и если у вас в помещении четверо людей отдыхает, двое сидит за компьютером, и шестеро в этот момент передвигают мебель, то необходимо рассчитать тепловыделения от каждой из этих категорий отдельно и потом добавить их все вместе. Например, в данном случае теплопоступления в помещение от людей составят (допустим внутренняя температура будет 20) : 4*116+2*151+6*291=2512 Вт. Вот и весь подсчет. Главное определится к какой категории работ отнести деятельность людей.
Теплопоступления от солнечной радиации
tнар — среднесуточная температура внешнего воздуха, принимаем температуру июля из СНиП 2.01.01-82
θ — коэффициент, показывающий изменения температуры внешнего воздуха,
AMC — наибольшая за сутки амплитуда температуры внешнего воздуха в июле, берем из СНиП 2.01.01-82
tп — температура воздуха в здании, берем по СНиП 2.04.05-91
AOC, ROC — площадь, и приведенное сопротивление теплопередаче остекления берется из СНиП II-3-79
Все данные берутся из приложения в зависимости от географической широты.
Солнечные теплопоступления через ограждающие конструкции рассчитываются так:
Теплопоступления от оборудования
Теплопритоки от оборудования и электродвигателей напрямую зависят от их мощности и определятся из выражения::
или Q=1000 * N * k1*k2*k3* kт
где N — мощность оборудования, кВт к1, к2, к3 — коэффициенты загруженности (0,9 — 0,4), спроса (0,9 — 0,7) и одновременности работы(1 — 0,3),
кт- коэффициент перехода тепла в помещение 0,1 — 0,95
Эти коэффициенты не одинаковы для разного оборудования и берутся из разных справочников. На практике же все коэффициенты и КПД приборов — указываются в техническом задании. В промышленной вентиляции от оборудования может быть больше теплопритоков чем от всего остального.
Зависимость КПД электродвигателя от его мощности:
η 0,75 0,84 0,85 0,88 0,9 0,92
Что же касается бытовой вентиляции, желательно брать мощности и ККД из паспортов оборудования, но бывает встречается что данных нет и если в промышленности не обойтись без технологов, то здесь допускается брать приближенные значения на теплопритоки от оборудования, которые можно найти в всевозможных справочниках и пособиях, например:
Когда на кухне имеется вытяжной зонт, теплопритоки от плиты уменьшают на 1,4.
Теплопоступления от освещения
Они определяются так:
где n — коэффициент трансформации электрической энергии в тепло ( 0.95 для лампы накаливания и 0.5 для люминесцентной лампы. N — мощность светильника. При необходимости допускается принять 50 — 100 Вт/м2 для хорошо освещенных комнат.
На теплопритоки от освещения влияет размещение светильника в пространстве.
Дополнительные теплопоступления
Для определенных случаев к основным теплопоступлениям добавляются дополнительные. Для каждого случая разные. Например для кафе это теплопритоки от еды и от вытяжного зонта на кухне, для гальванических цехов — теплопоступления от открытой водной поверхности и т.д. Рассмотрим же формулы наиболее востребованных.
Теплопритоки от еды
Теплопритоки от еды — неотъемлемая часть расчета вентиляции в кафе, и определяются по формуле:
где g – средний вес всех блюд на одного посетителя(0,85кг)
ccp – средняя теплоемкость еды (3,35 кДж/ кг ͦ С);
tH — начальная температура еды ( 70 ͦ С);
tk — температура еды в момент потребления (40 ͦ С);
n – количество посадочных мест;
Теплопритоки от печей в термическом цеху
От горизонтальной поверхности печи
Fг- площадь горизонтальной поверхности печи, м 2 ;
tв- температура внутреннего воздуха, ;
tпов – температура поверхности печи.
От вертикальной поверхности печи
где все то же кроме Fв=a*b=(2a+2b)h, a и b — размеры печи, h — ее высота
Сначала находим отдельно теплопоступления от вертикальной части печи и отдельно от горизонтальной и просто их додаем, это и будут полные тепловыделения от печи.
Теплопоступления сквозь стенки воздуховодов
Сквозь стенки воздуховодов местных вытяжных систем часть теплого воздуха возвращается в помещение. Тепло,поступающее в комнату сквозь стенки воздуховодов можно найти по формуле:
где к– коэффициент теплопередачи стенки воздуховода;
F – площадь воздуховодов;
Tср– температура среды внутри воздуховода;
Tв– температура воздуха в помещении.
Теплота от отопления
В помещении с большими стеклянными стенами бывает необходимо включать кондиционер, но отопительный сезон еще не закончился. Тогда тепловыделения от системы отопления равны 80-125 Вт/м2 площади помещения. В этом случае необходимо также рассчитывать и теплопотери после чего составляем тепловой баланс помещения и определяем необходимость в кондиционировании.
Какие итоги можно подвести
h2. Теплопоступления от людей.
Они поступают в окружающую среду в виде явной и скрытой теплоты. Явное тепло отдаётся окружающей среде в результате конвективного и лучистого теплообмена. Скрытое тепло – представляет теплосодержание водяных паров, испаряющихся с поверхности тела и лёгких человека.
Полное количество, выделяемой человеком теплоты зависит, в основном, от степени тяжести выполняемой работы и в меньшей мере от температуры помещения и теплозащитных свойств одежды. С повышением интенсивности работы и температуры окружающего воздуха увеличивается доля тепла, передаваемого в виде скрытого тепла испарения. При температуре воздуха 34°С всё тепло, выработанное организмом, отдаётся путём испарения.
Показатели тепловыделений человека во внешнюю среду даны в таблице, приведённой далее.
В этой связи можно высказать несколько замечаний:
* вне зависимости от вида деятельности общее количество выделяемой телом тепловой энергии при низких температурах окружающей среды выше, чем при высоких температурах;
* при низких температурах окружающей среды значение явного (ощутимого) тепла значительно выше показателей скрытого тепла, и наоборот, при высоких температурах преобладает выделение скрытого тепла;
* при температурах, соответствующих комфортному состоянию (22 ± 2°С), при сидячем роде занятий, общее количество выделяемого тепла распределяется приблизительно в следующей пропорции:
p=. *_60 — 65% явного тепла и 40 — 35% скрытого тепла._*
С повышением физических нагрузок начинает преобладать выделение скрытого тепла.
Показатели выделения тепла человеком при различных температурах окружающей среды приведены на нижеследующем графике.
При расчёте поступления тепла от людей нужно принимать во внимание тот факт, что не всегда количество людей, заявленное в исходных данных, будет соответствовать одновременному их присутствию в данном помещении. Этот факт обосновывает применение коэффициента одновременности присутствия. Чтобы выполнить расчёт, соответствующий реальности, этот коэффициент принимают обычно в пределах от _0,9_ до _0,95_. В других случаях, например в гостиницах, ресторанах и т.п., такой коэффициент должен быть установлен на основании Технического задания Заказчика.
(Поступление теплоты в помещения гражданских и производственных зданий)
*_Количество тепла, выделяемое одним человеком, определяется исходя из следующих выражений:_*
* *количество явного тепла*
p= 
(количество явного тепла)
* *количество полного тепла*
p= 
(количество полного тепла)
*Количество тепла и влаги, выделяемое взрослыми мужчинами*
| Показатели | Количество тепла, Вт, и влаги, г/ч, выделяемых мужчинами при температуре воздуха в помещении, °С | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 10 | 15 | 20 | 25 | 30 | 35 | |
| В состоянии покоя | ||||||
| Тепло: | ||||||
| явное | 140 | 120 | 90 | 60 | 40 | 10 |
| полное | 165 | 145 | 120 | 95 | 95 | 95 |
| Влага | 30 | 30 | 40 | 50 | 75 | 115 |
| При легкой работе | ||||||
| Тепло: | ||||||
| явное | 150 | 120 | 100 | 65 | 40 | 5 |
| полное | 180 | 160 | 150 | 145 | 145 | 145 |
| Влага | 40 | 55 | 75 | 115 | 150 | 200 |
| При работе средней тяжести | ||||||
| Тепло: | ||||||
| явное | 200 | 165 | 130 | 95 | 50 | 10 |
| полное | 290 | 290 | 290 | 290 | 290 | 290 |
| Влага | 135 | 185 | 240 | 295 | 355 | 415 |
*Категории работ от вида деятельности.*
table(table).
|_. Категории работ|_. Энергозатраты, Вт|_. Виды работ|
| Легкие (категория I)
Iа
Iб| Не более 174
Не более 139
До 174| Производимые сидя, и сопровож- дающиеся незначительными физическими напряжениями.
Производимые сидя, стоя или связанные с ходьбой и сопровождающиеся некоторым физическим напряжением|
| Средней тяжести(категория II)
IIа
IIб| 175-290
175-232
233-290| Связанные с постоянной ходьбой, перемещением мелких ( до 1 кг) изделий или предметов в положении стоя или сидя и требуют определенного физического напряжения.
Связанные с ходьбой, перемещением и переноской тяжестей ( до 10 кг) и сопровождаются умеренным напряжением.|
| Тяжелые (категория III)| Более 290| Связанные с постоянным пере- движением, перемещением и перенос- кой значительных ( свыше 10 кг) тяжести и требующие больших физических усилий.|
1. Категория работ — разграничение работ по тяжести на основе энергозатрат организма.
2. Под рабочей зоной следует принимать пространство, ограниченное по высоте 2 м над уровнем пола, или площадку, на которой находятся места постоянного или непостоянного (временного) пребывания людей.
h2. Теплопоступления от искусственного освещения.
Принято считать, что вся электрическая энергия, затрачиваемая на освещение, полностью переходит в теплоту. Величины освещённости на уровне рабочих мест и электрической мощности освещения определяются видом работ, выполняемых в помещении.
Если электрическая мощность освещения _Nосв., кВт_, известна, то поступления тепла в помещение _Qосв._ можно определить, как:
В тех случаях, когда источник света находится за пределами помещения (за остеклённой поверхностью, в составе вентилируемого светильника), в него поступает только радиационное излучение (видимая и невидимая часть спектра электромагнитных излучений).
Если электрическая мощность освещения неизвестна, её можно определить по величине нормируемой освещённости с помощью формулы:
где: *_Е_* — уровень освещенности, _лк_;
*Уровень общего освещения помещений – Е, лк*
| № № п/п | Наименование помещения | Освещенность рабочих поверхностей, лк | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1 | Общественные здания и вспомогательные помещения предприятий | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1.1 | Спортивные залы и сооружения для видов спорта: F — площадь пола помещения, _м 2 _; *Удельные тепловыделения от люминесцентных ламп, qосв., Вт / (м 2 × лк)* *Примечание.* При применении ламп накаливания вводиться поправочный коэффициент 2,75. *_ηосв_* — доля тепла, поступающего в помещения * источники света находятся в помещении * источники света находятся вне пределов помещения — в чердачном помещении, за стеклянной стеной p=. *_ηосв = 0,45 при люминесцентных лампах;_* p=. *_ηосв = 0,15 при лампах накаливания._* h2. Теплопоступления от отопительных приборов. В режиме вентиляции: p= В режиме кондиционирования: p= где: *_Qт.п._* — суммарные тепловые потери помещения, Вт; p= *_tпод, tобр_* — температура теплоносителя в подающем и обратном трубопроводе системы отопления, °С; h2. Теплопоступления от технологического оборудования cтоловой. p= где: *_КО_* — коэффициент одновременности работы теплового оборудования; *Характеристика теплового оборудования предприятия общественного питания.*
*_NН_* — установленная электрическая мощность не модулированного технологического оборудования, _кВт_;
*_NР_* — установочная мощность электрического оборудования в раздаточном проеме, _кВт_;
*_КЗ_* — коэффициент загрузки оборудования (см. таблицу); h2. Теплопоступление от солнечной радиации. _Для остекленных поверхностей_ p= где: *_FO_* — площадь поверхности остекления, _м 2 _; *_Солнечная радиация qo через остекленные поверхности в_* _ккал / (м 2 × ч)_ (при _Ао_ = 1)
*_АО_* — коэффициент, зависящий от характеристики остекления. *Значение коэффициента АО.*
p= где: *_FП_* — площадь поверхности покрытия, _м 2 _; *Величина солнечной радиации в* _ккал / (м 2 × ч)_ *через* *_1 м 2 _* *поверхности покрытия*
*_КП_* — коэффициент теплопередачи покрытия должен быть не выше _0,8 ккал / (м 2 × ˚С)_; При подсчете теплопоступлений от солнечной радиации следует принимать большую из двух величин: * теплопоступление через остекление, расположенное в одной стене помещения + теплопоступление через покрытие; h2. Теплопоступление от электропотребляющего оборудования. (бытовые электрические приборы: электронагреватели, электроутюги, сушилки и т.п.). p= где: *_NЭ_* — электрическая мощность прибора, _Вт_; Если прибор находится в помещении без укрытия при устройстве специальных укрытий с отсосом от них воздуха h2. Теплопоступления от нагретых поверхностей оборудования. p= где: *_αО_* — коэффициент теплоотдачи, _Вт / (м 2 × ˚С)_ h2. Тепловыделения от горячей пищи. p= где: *_qП_* — средняя масса всех блюд, приходящихся на одного посетителя, _кг_, принимаем *_СП_* — условная теплоемкость блюд, входящих в состав обеда, _кДж / (кг × ºС)_, принимаем *_tН.П._* — начальная температура пищи, *_tК.П._* — конечная температура пищи, *_ZП_* — продолжительность приема пищи одним посетителем h2. Тепловыделения от компьютеров. В среднем принимаем тепловыделение на 1 компьютер в полной комплектации _300 Вт_. При этом необходимо учитывать коэффициент одновременности работы компьютеров h2. Теплопоступления от нагретых поверхностей, не имеющих тепловой изоляции металлических стенок. К таким поверхностям относят стенки баков, ванн с водой и иными нагретыми жидкостями и т.п. Обычно предполагают, что температура внешней поверхности стенки близка температуре жидкости, находящейся в ней. Температура жидкости обычно бывает задана технологической частью проекта. Количество теплоты, поступающей с 1м 2 нагретой поверхности, имеющей температуру *_tпов._*, в помещение с температурой воздуха *_tв_*, определяется как сумма потоков лучистого и конвективного тепла: где: *_αпов_* — коэффициент полного теплообмена между нагретой стенкой и помещением, _Вт / (м 2 × ºС)_. Для натурных расчётов эту величину вычисляют по формуле: p= где: *_εпрC0_* — коэффициент приведённого излучения. Для ржавых или окисленных стальных и окрашенных поверхностей коэффициентприведённого излучения может быть принят равным _4,7_. СО — степень черноты абсолютно чёрного тела, равная _5,78 Вт/(м 2 × К)_. *_В_* — температурный коэффициент равен: *_А_* — эмпирический коэффициент для вертикальных поверхностей, принимаемый по нижеприведённой таблице. table(table). Для нагретых горизонтальных поверхностей, обращённых вверх, коэффициент _А_ увеличивают на _30%_, обращённых вниз – уменьшают на _30%_ против значений, приведённых в таблице. Коэффициент полного теплообмена между нагретой стенкой и помещением может быть также определён по графику. На графике показана зависимость коэффициентов полного *_αпов._*, лучистого *_ 3 /сек_; где: *_ζг_* — КПД сварочной газовой горелки принимается равным _0,9_.
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(Теплопоступления от отопительных приборов в режиме вентиляции)
(Теплопоступления от отопительных приборов в режиме кондиционирования)!
(Средняя температура отопительного прибора)!
(Теплопоступления от технологического оборудования cтоловой)
(Теплопоступление от солнечной радиации для остекленных поверхностей)
(Для покрытий)
(Теплопоступление от электропотребляющего оборудования)!
(Теплопоступления от нагретых поверхностей оборудования)
(Тепловыделения от горячей пищи)
(Для натурных расчётов)