Проектирование комбинированной системы теплоснабжения школы с применением теплового насоса

 

 

Термическое сопротивление  стен будет равным

R^ст₀ = 1/23+3×0,02/0,93+0,51/0,76+0,06/0,03+1/8,7 = 2,8 м²× ⁰С/Вт

R^тр₀ – требуемое сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций охлаждаемых зданий и сооружений следует принимать по СНиП 2.11.02-87.

Градусо-сутки отопительного  периода Волгоградской области  для административных и учебных заведений 182сут × 18⁰С=3276⁰С×сут. Интерполируя для полученного значения, получаем

R^тр₀ = 2,11 м²×⁰С/Вт

Условие R^ст₀ > R^тр₀ удовлетворяется.

Среднее значение температуры  внутреннего воздуха, соприкосающегося с ограждением определяется по формуле:

t_в = t_вр + 0.5×K_н×(Н”-2) , ⁰С,     (2.2)

где; K_н – коэффициент, учитывающий добавочные теплопотери по высоте здания; для стен K_н = 0.5 [2]

t_в = 18+0,5 × 0,5 × (9,4-2) =19,85 ⁰С

Температура внутренней поверхности ограждающей конструкции (без теплопроводного включения) следует определить по формуле:

t_в = t_в – n × (t_в - t_н)/(R₀^ст × a_в)    (2.3)

t_в = 18 - 1×(18+22)/(2,8×8,7) = 16,35 ⁰С

Для расчета теплопотерь через  ограждения используем следующую формулу:

Q_огр=0.001 × (F_огр/R₀) × (t_в – t_нр) × a × (1+b), кВт,  (2.4)

где  F_огр – площадь поверхности ограждения, м;

R₀ – термическое сопротивление ограждения, м²×⁰С/Вт;

a - коэффициент, учитывающий положение огрждающих конструкций по отношению к наружному воздуху;

для окон и стен a=1

Потери через фасадную стену

Площадь поверхности  фасадной стены административного  здания находим по формуле:

F_ст^фасад=l₁ × H'   – F_ок^фасад - F_дв^фасад ,м²,   (2.5)

где  l₁, H’ длина и высоты частей стены, значения которых приведены в табл. 1

F_ок^фасад – общая площадь окон, выходящих на фасадную сторону, м²;

F_дв^фасад - общая площадь дверей, выходящих на фасадную сторону, м²;

F_ок^фасад = F_ок × n_ок ,м²    (2.6)

где F_ок – площадь одного окна, м²;

 n_ок – количество окон выходящих на фасадную сторону.

Аналогично  F_дв^фасад = F_дв × n_дв

Значения n_ок и × n_дв берём из табл. 1

F_ок^фасад = (1.88 × 1.61) × 52 = 157.4 м²,

F_дв^фасад = (0.85 × 2.185) × 1 = 1.85 м²

F_ст^фасад = 62.64 × 9.4  –157.4 – 1.85 = 429.56 м²

При дальнейшем расчете  принимаем

R₀^дв = 0.43 м²×⁰С/Вт ; R₀^ок = 0.38 м²×⁰С/Вт.

Q_ст^фасад = 0.001 × (429.56/2.8) × (19.85-(-22)) × 1 × (1+0.1) = 7.2 кВт

Q_ок^фасад = 0.001 × (157.4/0.38) × (19.85-(-22)) × 1 × (1+0.1) = 19.06 кВт

Q_дв^сев = 0.001 × (1.85/0.43) × (19.85-(-22)) × 1 × (1+0.1) = 0.2 кВт

Потери через противоположную  стену

Расчет проводим по формулам (1.3) – (1.6)

F_ст^прот = l₃ × H'   – F_ок^прот ,м²     (2.7)

F_ст^прот = 62.64 × 9.4  – 163.44 = 425.37 м²

F_ок^прот= (1.885 × 1.61) × 54 = 163.44 м²,

Q_ст^юж = 0.001 × (425.37/2.8) × (19.85-(-22)) × 1 × (1+0.1) = 6.99 кВт

Q_ок^юж = 0.001 × (163.44/0.38) × (19.85-(-22)) × 1 × (1+0.1) = 19.79 кВт

 

 

Добавочные теплопотери  через центральный вход не учитываем, так как там устроена воздушная  завеса.

Потери через боковую  стену

F_ст^бок1= l₂ × H – F_ок^бок1  ,м²    (2.8)

F_ок^бок1 = (1.885 × 0.88) × 5= 8.27 м²,

F_ст^бок1 = 11.5× 9.4 – 8.27 = 99.83 м²

Q_ст^бок1 = 0.001 × (99.83/2.8) × (19.85-(-22)) × 1 × (1+0.1) = 1.6 кВт

Q_ок^бок1 = 0.001 × (8.27/0.38) × (19.85-(-22)) × 1 × (1+0.1) = 1 кВт

Теплопотери через вторую боковую стену повторяют этот расчет и равны:

Q_ст^бок1 =1.6 кВт

Q_ок^бок1 =1 кВт

Суммарные теплопотери  через стены, окна и двери находим  по формуле:

Q_огрS = SQ_ст + SQ_ок + SQ_дв ,кВт    (2.9)

Q_огрS = (7.2+6.99+3.2)+(19.06+19.79+2)+2=58.44 кВт.

2.3.2 Потери через потолочные ограждения

Используя формулу (2.1) находим термическое сопротивление потолочного ограждения, учитывая, что для потолка a_н = 12 Вт/м²×⁰С

R₀^пт=1/8.7 + 0.1647 + 0.365/0.13 + 1/12 = 3.17 м²×⁰С/Вт

По рекомендациям находим

R₀^тр.пт = 3.158 м²×⁰С/Вт

Условие R₀^пт > R₀^тр.пт выполняется.

Для потолочных ограждений формула (2.2) имеет вид:

 t_в = t_вр + K_н×(Н”-2) , ⁰С,    (2.10)

t_в = 18 + 0.5×(9.4-2) = 21.7 , ⁰С

Потери тепла через  потолочные ограждения расчитываем  по формуле (2.3). По рекомендациям учебного пособия [2]   a=0,9; b=0

F_пт = l₁ × l₂   ,м²     (2.11)

 

 

 

F_пт = 62,64 ×11,5=720,36  ,м²

Q_пт = 0,001 × (720,36/3,17) × (21,7-(-22)) × 0,9 × (1+0) = 9,82 кВт

2.3.3 Потери через пол

Используя уравнения (2.1) находим термическое  сопротивление пола, учитывая, что a_н = 12 Вт/м²×⁰С [2]

R₀^пл=1/8.7+0.1802+0.01/0.76+0.015/0.76+0.07/0.44+1/12 = 0.56   м²×⁰С/Вт

По рекомендациям [2] подбираем

R₀^тр.п = 0.557 м²×⁰С/Вт

Условие R₀^пл > R₀^тр.пл выполняется.

Потери тепла через  потолочные ограждения рассчитываем по формуле (2.4). По рекомендациям учебного пособия [2]   a=0.75 b=0

F_пл = F_пт = 720.36 м²

Q^’_пл = 0.001 × (720.36/0.56) × (21.7-(-22)) × 0.75 × (1+0) = 46.36 кВт

Q_пл = Q^’_пл × b кВт,

где b – коэффициент, учитывающий то, что расчет велся не поздно. По рекомендациям [2] b = 1.2 .

Q_пл = 46.36 × 1.2 = 55.63  кВт

2.3.4 Суммарные теплопотери  теплопередечей через ограждения

Q_Sтп = Q_Sогр + Q_пт + Q_пл кВт;

Q_Sтп = 58.44+9.82+55.63=123.89 кВт;

2.4 Теплопотери с инфильтрацией

 

Теплолзатраты на нагревание наружного воздуха, поступающего путём  инфильтрации в помещения определяем по формуле:

Q_И=(k×G₀×F₀+0.7×SG×F)×c×(t_в-t_н) ,    (2.12) 
где k – поправочный коэффициент, учитывающий нагревание инфильтрующегося воздуха в межстекольном пространстве окон (и балконных дверей), где воздух

 

 

несколько нагревается  идущим наружу тепловым потоком,

k=0,8 при двойных раздельных переплётах ;

F₀, F– расчетные площади соответственно окон (и балконных дверей) и других наружных ограждений, м²,

F₀=337,38 м² ;

с – удельная массовая теплоёмкость воздуха,

с=1005 Дж/(кг×К) ;

t_н = -22 ^оС – расчетная температура наружного воздуха ;

t_в=18⁰С - комфортная температура внутреннего воздуха ;

G₀, G – количество воздуха, поступающего путём инфильтрации через 1 м² площади соответственно окон ( и балконных дверей) и других наружных ограждений, кг/(ч×м²).

,     (2.13)

где R_и – сопротивление воздухопроницанию заполнения световых проёмов, м²×ч/кг при

Dp₀=9.81 Па (1 кгс/м²) ;

Dp – разность давления воздуха у наружной и внутренней поверхностей наветренных ограждающих конструкций ;

,     (2.14)

где  G^н=0.5 кг/(м²×ч) – нормативная воздухопроницаемость ограждающих конструкций по СНиП 11-3-79

Dp1=g×[0.55×H×(r_н-r_в)+0.03×r_н×u²] ,    (2.15)

где H=9.4 м – высота здания ;

r_н, r_в – плотность наружного и внутреннего воздуха, кг/м³, можно найти из формулы r=353/(t+273)

r_н = 1.4 кг/м³  r_в = 1.21 кг/м³ ;

 

 

u = 8 м/с – средняя скорость ветра.

Dp1=9.81×[0.55×9.4×(1.4-1.21)+0.03×1.4×8²]=36.0 Па .

м²×ч/кг ,

Dp = g × [(H-h)×(r_н-r_в) + 0.05×r_н×u_н²×(с_н-с_з)×k - p_в] ,  (2.16)

 

где Н, h – высата над поверхностью земли соответственно верхней точки здания и верха рассматриваемого элемента ограждения (окна),

Н=9,4 м ,  h=1,8+1,61=3,41 м ;

с_н, с_з – аэродинамический коэффициент соответственно для наветренной и заветренной поверхностей здания,

с_н = +0.8  с_з = - 0.6 ;

k – коэффициент, учитывающий изменение динамического давления ветра в зависимости от высоты и типа местности,

по таблице [3] k = 1.

Dp = 9,81 × [(9,4-3,41)×(1,4-1,21) + 0,05×1,4×8²×(0,8-(-0,6))×1] = 75,5 Па ,

= 0,8 кг/(м²×ч) ,

Q_И=(0,8×0,8×337,78+0,7×20)×1005×(18-(-22))/3600 = 2567,2 Вт .= 2,57 кВт

 

2.5 Расчет тепловыделений

 

В административных, учебных, жилых и бытовых помещениях внутреннему  воздуху передаётся телота от работающих аппаратов, машин и двигателей, горячей продукции, осветительных приборов и людей, находящихся в помещении. Для административных зданий характерны значительные теплопоступления от осветительных приборов и людей.

Тепловыделения от людей:

Q^л_тв = q_ч×М_л ,     (2.17)

 

 

Где; q_ч – количество теплоты, выделяемое одним человеком, кВт/чел;

М_л = 200 чел. – число людей, находящихся в помещении, чел.

Учитывая интенсивность выполняемой  работы и теплозащитные свойства одежды, теплоотдачу одним человеком  определяют  [3]:

q_ч =b_и×b_од×(2.5+10.3×u_в^0.5)×(35-t_п) ,Вт ,   (2.18)

где; b_и – коэффициент, учитывающий интенсивность работы,

b_и = 1.0 – для легкой работы (интеллектуальной) ;

b_од– коэффициент, учитывающий теплозащитные свойства одежды,

b_од = 0.65 – для обычной одежды ;

u_в – скорость движения воздуха в помещении, м/с,

u_в = 0.1 м/с ;

t_п = 18 ⁰С – температура помещения.

q_ч =1×0.65×(2.5+10.3×0.1^0.5)×(35-18) = 63.62 Вт,

Q^л_тв = 0.06362×200= 12.74 кВт

 

2.6 Тепловой баланс

 

Q_от = Q_Sтп + Q_И – Q_тв     (2.19)

Q_от = 123.89 + 2.57 – 12.74 = 113.72 кВт

 

2.7 Удельная тепловая характеристика здания

 

Общие теплопотери здания Q_зд принято относить к 1 м³ его наружного обьёма и 1 ⁰С расчетной разности температуры. Получаемый показатель q, Вт/(м³×К), называют удельной тепловой характеристикой здания.  

, Вт/(м³×К),     (2.20)

где V_н – обьём здания по внешнему обмеру, м³,

 

 

V_н = l₁×l₂×H”       (2.21)

V_н = 62.64 × 11.5 × 9.4=6771.38 м³ ;

Q_зд = Q_Sтп + Q_И      (2.22)

Q_зд = 123.89 + 2.57 = 126.46 кВт ;

, Вт/(м³×К) ,

Удельную тепловую характеристику, вычисляемую после расчета теплопотерь, используют для теплотехнической оценки конструктивно – планировочных решений здания, сравнивая её со средними показателями для аналогичных зданий. Величина удельной тепловой характеристики определяется, прежде всего размерами световых проёмов по отношению к общей площади наружных ограждений (долей остекления), так как коэффициент теплоотдачи заполнений световых проёмов значительно выше коэффициента теплоотдачи других ограждений. Кроме того, она зависит от обьёма и формы зданий.

По справочной литературе [_] находим, что для административных зданий объёмом меньше 10 000 м³ q₀^спр = 0.46 Вт/(м³×К). Разница между q₀ и q₀^спр равная 0.06 Вт/(м³×К) вполне допустима и объясняется высокой долей остекления здания.

Тепловую нагрузку здания можно определить как теоретическим, так и эксперементальным методом. Для определения эксперементальной  тепловой нагрузки необходимо определить значения температур теплоносителя (воды) на входе в подающий трубопровод  теплоснабжения здания, на выходе из трубопровода обратной подачи и на перемычке между ними, а также расход воды в трубопроводах. Если на диагностируемом оборудовании не установлен расходомер или теплосчетчик, то удобней использовать ультразвуковой контактный расходомер. При проведении эксперемента необходимо убедиться, что на исследуемом участке установившийся тепловой режим и осуществлять контроль температуры окружающего воздуха и скорость ветра. Обсчет результатов производится с использованием метода тепловой волны.