1 ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТЕПЛОПОТЕРЬ ЗДАНИЯ
1.1 Исходные данные
Объект строительства – Лечебный корпус №2 Санатория «Рахмановские ключи».
Место строительства – Катон-карагайский район, Восточно-Казахстанская область.
Географическая широта местности 48 с.ш.
Приведенный ниже расчет – поверочный, существующей системы отопления санатория «Рахмановские ключи».
1.2 Определение требуемого и фактического сопротивления теплопередаче наружных ограждений
Сопротивление теплопередаче ограждения, при котором обеспечивается заданная температура на внутренней поверхности ограждения при расчетной наружной температуре для данного климатического района, называется требуемым и обозначается R0 [1].
Требуемое сопротивление теплопередаче (R0тр), (м2*0C)/Вт ограждающих конструкций за исключением полов, окон и дверей, вычисляется по формуле,
(1.1)
где n – коэффициент, принимаемый в зависимости от положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху [1];
tв – расчетная температура внутреннего воздуха, принимаемаемая согласно ГОСТ 12.1.005-76 и нормам проектирования соответствующих зданий и сооружений, [6,прил.1];
tн – расчетная зимняя температура наружного воздуха, принимаемая в соответствии с [2] с учетом тепловой инерции D ограждающих конструкций (за исключением заполнений проемов), 0С, [1];
tн – нормативный температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции, 0C, [1];
в – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, Вт/(м2*0C), [1].
Тепловую инерцию (D) ограждающей конструкции следует определять по формуле:
D=R1*S1+R2*S2+...+Rn*Sn, (1.2)
где R1,R2,...,Rn – термические сопротивления отдельных слоев ограждающей конструкции, (м2*0С)/Вт, (формула 1.3);
S1,S2,...,Sn – расчетные коэффициенты теплоусвоения материала отдельных слоев ограждающей конструкции, Вт/(м2*0C), [1,прил.3]
Термическое сопротивление слоя многослойной ограждающей конструкции ®, (м2*C)/Вт вычисляется по формуле:
(1.3)
где δi – толщина слоя, м;
λi – расчетный коэффициент теплопроводности материала слоя, Вт/(м2*0C), [1,прил.3]
Сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции (Rо), (м2*0C)/Вт вычисляется по формуле:
(1.4)
где Ri - термическое сопротивление ограждающей конструкции, (м2*0C)/Вт, (формула 1.3);
αн – коэффициент теплоотдачи (для зимних условий) наружной поверхности ограждающей конструкции, Вт/(м2*0C), [1].
Сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций (R0), (м2*0C)/Вт должно быть не менее требуемого сопротивления теплопередаче (R0тр), (м2*0C)/Вт (формула 1.1) или [1].
1.3 Определение теплопотерь через стены и верхние перекрытия
Стена из соснового бруса 180*180 мм, наружные и внутренние поверхности брусчатых стен для повышения теплозащитных свойств обшитыми сосновыми строганными досками толщиной 16 мм. Стена оштукатурена с внутренней поверхности цементно-песчаным раствором толщиной 20 мм. Условия эксплуатации – А [1,прил.2]. Теплотехническая характеристика стены сведена в таблицу 2.
Термическое сопротивление слоя, (м2*0C)/Вт, определяется по формуле (1.3):
Сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции, (м2*0C)/Вт, вычисляется по формуле (1.4):
Тепловая инерция ограждающей конструкции определяется по формуле (1.2):
D=0,114*3,87+1,286*3,87+0,114*3,87+0,026*9,60=6,12
Из [1] определяется tн, равная средней температуре наиболее холодных трех суток. В соответствии со СниП 2.01.01-82 [2] температура холодных суток (tх.с.) обеспеченностью 0,92 принимается «минус» 34 0С, а температура холодной пятидневки (tх.) «минус» 30. Отсюда средняя температура наиболее холодных трех суток (tх.) равна «минус» 32 0С.
Требуемое сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций, (м2*0C)/Вт, определяется по формуле (1.1):
Условие R0 больше R0тр – выполняется.
Перекрытие четырехслойное, состоящее из пенобетона, глиняной стяжки, плиты древесно-волокнистой, цементно-песчаной штукатурки.
Теплотехническая характеристика перекрытия сведена в таблицу 3.
Термическое сопротивление слоя, (м2*0C)/Вт определяется по формуле (1.3):
Сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции, (м2*0C)/Вт, вычисляется по формуле (1.4):
Тепловая инерция ограждающей конструкции определяется по формуле (1.2):
D=0,64*3,36+0,12*3,24+0,54*3,93+0,01*9,60=4,8
Так как D больше 4, но меньше 7 [1], то tн будет равна tх., то есть «минус» 320С.
Требуемое сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций, (м2*0C/Вт)
определяется по формуле (1.1):
Условие R0 больше R0 тр – выполняется.
1.4 Расчет теплопотерь через полы
Полы деревянные неутепленные. Потери тепла через полы определяются по зонам. Площадь пола во всем здании разбивается на первую, вторую и третью зоны шириной два метра каждая, начиная от внутренней поверхности наружной стены [3]. К четвертой зоне относится оставшаяся часть пола. Площадь два на два метра квадратных в углах у наружных стен для первой зоны учитываются при определении теплопотерь дважды.
Сопротивление теплопередаче при расчете неутепленных полов по зонам составляют [3, c. 15]:
R0 = 2,1 (м2*0C)/Вт,
R0 = 4,3 (м2*0C)/Вт,
R0 = 8,6 (м2*0C)/Вт,
R0 = 14,2 (м2*0C)/Вт
1.5 Теплопотери окон и наружных дверей
Требуемое сопротивление теплопередаче (R0тр), (м2*0C)/Вт окон принимается из [3] в зависимости от разности температур расчетной и наиболее холодной пятидневки.
R0октр= 0,52 (1.5)
На основании R0 из [3] принимается конструкция окна – тройное остекление в деревянных переплетах.
Требуемое сопротивление теплопередаче R0дв наружных дверей должно быть не менее шести десятых от R0тр ограждающих стен здания.
R0дв=0,6*R0тр, (м2*0C)/Вт (1.6)
R0дв=0,6*0,996=0,598 (м2*0C)/Вт (1.7)
1.6 Расчет тепловой мощности системы отопления
Теплопотери в здании происходят через наружные стены, окна, верхние перекрытия и полы первого этажа. Теплопотери здания в целом определяют как сумму теплопотерь ограждениями отдельных помещений. При этом потери тепла неотапливаемых помещений относят к теплопотерям соседних комнат, оборудованных отопительными приборами.
При определении потерь тепла зданием, компенсируемых системой отопления, необходимо учитывать и добавочные теплопотери.
1.8.1 Основные теплопотери
Основные потери тепла зданием (Q0), Вт определяются путем суммирования потерь тепла отдельными ограждающими конструкциями по формуле:
Q0=k*A(tв-tн)*(1+в); (1.8)
где А – расчетная площадь ограждающей конструкции, м2;
k – коэффициент теплопередачи ограждающей конструкции, Вт/(м20C);
в – добавочные потери теплоты в долях от основных потерь [3].
1.6.2 Порядок расчета теплопотерь помещениями
При расчете теплопотерь все помещения пронумеровываются трехзначной цифрой. Первая обозначает номер этажа, вторая и третья – порядковый номер помещения на этаже.
Названия ограждений и сторон света, вписываемых в таблицу, сокращаются:
а) НС – наружная стена
б) Ок - окно
в) НД – наружная дверь
г) Пт – перекрытие
д) Пл – пол
ж) С - север
и) В - восток
к) З - запад
л) Ю - юг
м) С-В – северо-восток
н) Ю-З – юго-запад
Площадь и линейные размеры ограждающих конструкций определяются [5,c. 43]:
а) окна и двери – по наименьшим размерам проемов в свету;
б) площадь потолков и полов – по размерам между осями внутренних стен и от внутренней поверхности наружных стен до осей внутренних стен;
в) высота стен первого этажа – от уровня нижней поверхности конструкции пола до верха конструкции перекрытия.
Длина наружных стен: а) неугловых помещений – по размерам между осями внутренних стен; б) угловых помещений – от внешних поверхностей наружных стен до осей внутренних стен.
1.7 Добавочные теплопотери
1.7.1 Добавочные потери тепла на ориентацию по сторонам света ограждающих конструкций определяются в процентах от основных
теплопотерь [3].
1.8.1 Добавочные потери тепла на инфильтрацию наружного воздуха (Qi), Вт определяются по формуле:
Qi=0,28*G*c*(tв-tн)*K ; (1.9)
где G – расход удаляемого воздуха, кг/ч;
с – удельная теплоемкость воздуха, 1 кДж/кг0С;
K – коэффициент учета влияния встречного потока в конструкциях, равный семь десятых – для стыков панелей стен и для окон с тройными переплетами.
1.7.3 Тепловыделения
Общие потери тепла помещениями жилых зданий уменьшаются на величину бытовых тепловыделений (Qб), Вт определяемых при расчете 21 Вт на один м2 площади пола помещений, в которых предусматривается установка нагревательных приборов [6]:
Qб=21*Fп, (1.10)
где Fп – площадь пола, м2.
Результаты расчета сведены в таблицу 3.
Тепловой насос никогда не подбирают на полную пиковую отопительную нагрузку. Если это сделать, то капитальные затраты будут так велики, что окупаемость принятого решения не наступит никогда. Выбрав тепловой насос не на пиковую нагрузку, необходимо будет предусмотреть специальный пиковый доводчик. В качестве пикового доводчика обычно применяют электронагреватели. Практически каждый тепловой насос укомплектован электронагревателем.
1.8.2 Подбор котла
Котел подбираем по тепловым потерям:
- через ограждения Qогр=28,864 кВт;
- на горячее водоснабжение QГВС=21,458 кВт;
- на вентиляцию Qв=7,435 кВт.
Для покрытия тепловых потерь Qосн=57, 757 кВт необходимо три котла КВМТ 40 (два рабочих, один резервный).
Таблица 1.5 Техническая характеристика котла КВМТ 40
Параметр
Значение
Вид топлива
Уголь, мазут, дрова, электричество, дизель (380 В)
Расход топлива, кг/ч, не более
7,3
Тепловая мощность, кВт
40
Отапливаемая площадь, м2
300
Температура воды, оС:
на входе
70
на выходе
95
Расчетный КПД, %
87
Параметры воды
на горячее водоснабжение:
давление, кг/см2, не более
1
расход, л/ч, не более
120
температура на выходе, оС
55
Объем загрузочного бункера
при работе на угле, кг, не менее
60
Продолжительность рабочего цикла
при одной загрузке угля, ч, не менее
8
Габаритные размеры, мм:
длина
1310
ширина
1050
высота
1760
Масса, кг
490
1.9 Тепловой насос. Описание. Принцип действия.
1.9.1 Описание. Тепловой насос - это компактная отопительная установка, предназначенная для автономного обогрева и горячего водоснабжения жилых и производственных помещений. Данные системы экологически чисты, так как работают без сжигания топлива и не производят вредных выбросов в атмосферу.
Тепло, выработанное тепловым насосом, расходуется на нужды отопления лечебного корпуса номер 2 санатория «Рахмановские ключи». В качестве низкопотенциального теплоносителя используем грунтовые воды с температурой от 34 до 43 °С.
Тепловой насос марки WSHP- 34, поставляемый из Китая заводом «Первая холодильная компания» размещаем в техническом помещении лечебного корпуса, предназначенном для отопительных целей.
Добыча низкопотенциального теплоносителя – геотермальной воды будет производится из колодца. Из этого колодца водяной насос мощностью 720 Вт будет подавать воду в основной контур, для нагрева и дальнейшего использования.
В помещении лечебного корпуса вода циркулирует по трубопроводам диаметром от 20 до 25 мм. Сброс воды будет осуществляться в сторону стока грунтовых вод во вторую скважину.
Все оборудование теплового насоса изготовлено из нержавеющей стали, поэтому вода не нуждается в химической обработки.
Электропитание прибора будет осуществляться от трех фазной сети при частоте тока 50 Гц и напряжением до 380 Вт.Характерной особенностью теплового насоса является то, что при подводе к тепловому насосу, например, 1 кВт электроэнергии, в зависимости от режима работы насоса и условий эксплуатации возможно получение до 3-4 кВт тепловой энергии. Эффективность теплового насоса характеризует его коэффициент преобразования, представляющий собой отношение тепла в кВт, полученного в тепловом насосе к затратам мощности на привод теплового насоса. Этот коэффициент для теплового насоса равен от 2 до 4.
1.9.2 Принцип действия теплового насоса
Рисунок 1 – Принцип работы теплового насоса
Источником тепла может быть скалистая порода, земля, вода или, например, воздух. Охлажденный теплоноситель, проходя по трубопроводу, уложенному в землю (озеро) нагревается на несколько градусов. Внутри теплового насоса теплоноситель, проходя через теплообменник, называемый испарителем, отдает собранное из окружающей среды тепло во внутренний контур теплового насоса. Внутренний контур теплового насоса заполнен хладагентом. Хладагент, имея очень низкую температуру кипения, проходя через испаритель, превращается из жидкого состояния в газообразное. Это происходит при низком давлении и температуре -5оС. Из испарителя газообразный хладагент попадает в компрессор, где он сжимается до высокого давления и высокой температуры. Далее горячий газ поступает во второй теплообменник, конденсатор. В конденсаторе происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из обратного трубопровода системы отопления дома. Хладагент отдает свое тепло в систему отопления, охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, а нагретый теплоноситель системы отопления поступает к отопительным приборам. После прохождения через конденсатор жидкий хладагент может быть еще более охлажден, а температура прямой воды системы отопления увеличена посредством дополнительно установленного сабкулера. Давление хладагент, тем не менее, все еще остается высоким. При прохождении хладагента через расширительный клапан давление понижается, хладагент попадает в испаритель, и цикл повторяется снова.
1.9.3 Назначение пикового подогрева
Практически во всех моделях тепловых насосов дополнительно установлен электронагреватель. При выборе отопительной установки номинальная мощность рассчитывается исходя из максимальной потребности тепла, т.е. для покрытия тепловой нагрузки в самый холодный зимний день. Для Катон-Карагайского района минимальная расчетная температура «минус» 32 0С.
Рисунок 2 – Интегральный график тепловой нагрузки
Однако, исходя из многолетних наблюдений время стояния такой температуры всего лишь несколько дней в году, а это значит, что при расчете на максимальную мощность значительная часть потенциала теплового насоса будет использоваться очень редко. Для выбора соотношения мощностей теплового насоса (электронагревателя) существует специальный интегральный график рис.2, обладающий свойством универсальности для всех регионов Казахстана.
Тепловые насосы - это законченное изделие, готовая теплоснабжающая установка. Внутри установки находится бойлер, насос внешнего контура, собирающего тепло окружающей среды, насос системы отопления, автоматика регулирования высокого уровня. Все, что нужно сделать в котельной – это подключить 6 трубопроводов – контур отопления, внешний контур, горячую и холодную воду. Установка занимает мало места, имеет приятный внешний вид, напоминающий холодильник. Что касается уровня шума – работу установки можно сравнить с работой бытового холодильника. Важно, что при производстве установки используются проверенные годами схемные решения, и можно считать, что котельная собрана в заводских условиях, подтвержденных сертификатом ISO 9001. Высококачественные комплектующие отнюдь не являются гарантией качества собранной котельной.
1.9.4 Источник энергии. Необходимые требования.
Источником энергии может быть грунт, скальная порода, озеро, вообще любой источник тепла с температурой - 1 градус Цельсия и выше, доступный в зимнее время. Это может быть река, море, выход теплого воздуха из системы вентиляции или какого-либо промышленного оборудования.
Внешний контур, собирающий тепло окружающей среды, представляет собой полиэтиленовый трубопровод, уложенный в землю или в воду.
Расчет длины трубопровода, уложенного в землю или опущенного в скважину, рассчитывается по специальной программе Thermia.
Скважина
При использовании в качестве источника тепла скалистой породы трубопровод опускается в скважину. Не обязательно использовать одну глубокую скважину, можно пробурить несколько не глубоких, более дешевых скважин, главное получить общую расчетную глубину.
Для предварительных расчетов можно использовать следующее соотношение – на 1 метр скважины приходится 50-60 Вт тепловой энергии.
Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходима скважина глубиной 170 метров.
Земляной контур
При использовании в качестве источника тепла участка земли трубопровод зарывается в землю на глубину 1 м. Минимальное расстояние между соседними трубопроводами – 0,8..1 м. Специальной подготовки почвы, засыпок и т.п. не требуется. Предпочтения к грунту – желательно использовать участок с влажным грунтом, идеально с близкими грунтовыми водами, однако сухой грунт не является помехой – это приводит лишь к увеличению длины контура.
Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 метр трубопровода 20..30 Вт.
Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходим земляной контур длинной 350..450 метров, для укладки такого контура потребуется участок земли площадью около 400 кв. метров (20м*20м).
Не обязательно укладывать контур ниже уровня промерзания почвы – глубина в 1 м является оптимальной. Что касается садовой растительности – при правильном расчете контур не оказывает влияния на зеленые насаждения.
Озеро
При использовании в качестве источника тепла воды ближайшего водоема, реки контур укладывается на дно озера. Этот вариант является идеальным с любой точки зрения – короткий внешний контур, «высокая» температура окружающей среды (температура воды в водоеме зимой всегда положительная), высокий коэффициент преобразования энергии тепловым насосом.
Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 метр трубопровода 30 Вт.
Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходимо уложить в озеро контур длинной 300 метров.
Для того чтобы трубопровод не всплывал, на 1 погонный метр трубопровода устанавливается около 5 кг груза.
Теплый воздух
Для получения тепла из теплого воздуха, например, вытяжка системы вентиляции, устанавливается специальная модель теплового насоса с воздушным теплообменником. Тепло из воздуха для системы отопления и горячего водоснабжения также можно собирать на производственных предприятиях, например, на хлебопекарнях, предприятиях по производству керамики и т.п. предприятиях с большим количеством вырабатываемого теплого воздуха.
Тепловой насос вырабатывает тепло не только в отопительный период, тепло для системы горячего водоснабжения вырабатывается круглый год. А для среднего загородного дома затраты на приготовление горячей воды составляют около 15-20 процентов.
1.9.5 Коэффициент мощности и рабочий коэффициент теплового насоса.
С помощью теплового насоса тепло обычно не используемых источников тепла: атмосферного воздуха, грунтовых вод и грунта путем подачи механической энергии может преобразовываться для получения более высокой полезной температуры. Чтобы достичь высокого коэффициента мощности необходимо стремиться иметь как можно более низкую температуру подачи, в случае систем радиаторного отопления. Основная часть тепла, которое подается в отопительную установку, производится не за счет приводной энергии компрессора, а является преимущественно естественной энергии воздуха, грунта, воды. Эта часть может быть в 3-5 раз больше, чем энергия, которая подается на компрессор.
Коэффициент мощности теплового насоса ε есть отношение полезной тепловой энергии к использованной энергии электропривода:
(1.11)
где QWP – тепловая мощность, отдаваемая тепловым насосом, кВт;
PWP – электрическая мощность, подводимая к тепловому насосу, кВт.
Для каждого насоса действует основное правило термодинамики, чем больше разность температур между источником тепла (окружающая среда) и установкой утилизации тепла (отопительная установка), тем выше коэффициент мощности.
Годовой рабочий коэффициент β тепловой насосной установки (ТНУ) это отношение количества полезного тепла, которое отдается ТНУ за год, к количеству общей электроэнергии, использованной ТНУ за год:
(1.12)
где QWPгод – количество тепла, отданное ТНУ в течение одного года, кВт/ч;
Wэл – электрическая энергия, потребляемая ТНУ в течение одного года, кВт·ч.
