Проектирование водяной системы отопления

Министерство образования РФ ГОУ ВПО «УГТУ — УПИ имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

Кафедра Теплогазоснабжение и вентиляция КУРСОВОЙ ПРОЕКТ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВОДЯНОЙ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ

Руководитель Ширяева Н.П.

Студент группы СЗ-4807

Брюховских Е.А.

2011г

Данный курсовой проект содержит расчет и конструирование системы отопления жилого здания, а также расчет отопительных приборов. Курсовой проект состоит из расчетной части и графической части на листе формата А1.

1. Исходные данные

Местонахождение здания — г. Челябинск

Расчетная температура местности:

— расчетная температура по параметру Б, tн = - 28 С.

Номер плана здания — 14.

Схема разводки падающих магистралей — верхняя.

Тип отопительных приборов — «Комфорт 20».

Схема стояка — в

Насосное давление в теплосети, Рн = 13 000 Па.

Температура воды в системе отопления — 95 — 70 С.

Расчетные температуры воздуха в помещениях:

— жилая комната (ЖК) угловая — 20 С;

— жилая комната (ЖК) неугловая — 20 С;

— кухня (К) — 19 С;

— туалет (Т) — 16 С;

— коридор (Кр) — 16 С;

— лестничная клетка, лифтовая площадка (Лк, Лп) — 16 С.

Средняя температура наружного воздуха за отопительный период,

tоп. = - 7,8 С.

Продолжительность отопительного периода, Zоп. = 280 сут.

2. Определение тепловой мощности системы отопления

Заполняется таблица 1 расчета для всех помещений нижнего, промежуточного и верхнего этажей. В конце таблицы 1 указываются суммарные расчетные теплопотери зданием.

2.1 Тепловой расчет ограждающих конструкций

2.1.1 Наружная стена (НС)

Определение сопротивления теплопередаче по условиям энергосбережения, Rreg., (м2 С)/Вт:

Сопротивление теплопередаче по условиям энергосбережения принимается по таблице 2.2. в зависимости от величины градусо-суток отопительного периода В.

В = (tв — tоп.) Zоп.,

где tоп. — средняя температура наружного воздуха за отопительный период, С

Zоп. — продолжительность отопительного периода, сут.

tв — температура внутреннего воздуха;

В = (20 — (- 7,8)) 280 = 8344,

Rreg. = 4,32(м2 С)/Вт.

Коэффициент теплопередачи стеновой панели:

Kст. = 1 / Rreg

Kст. = 1 / 4,32 = 0,23 Вт/(м2 С).

2.1.2 Перекрытие над неотапливаемым подвалом со световыми проемами

Определение требуемого сопротивления теплопередаче:

Rreg= 5,65 (м2 С)/Вт.

Коэффициент теплопередачи:

Kпод. = 1 / Rreg

Kпод. = 1 / 5,65 = 0,17 Вт/(м2 С).

2.1.3 Перекрытие бесчердачное (плоская кровля)

Определение требуемого сопротивления теплопередаче:

Rreg= 6,37 (м2 С)/Вт.

Коэффициент теплопередачи:

Kпот. = 1 / Rreg.

Kпот. = 1 / 6,37 = 0.16 Вт/(м2 С).

2.1.4 Окна и балконные двери

Определение требуемого сопротивления теплопередаче:

Rreg. = 0.70 (м2 С)/Вт.

По табл. 2,3[2] подбираем остекление: двухкамерный стеклопакет из стекла с мягким селективным покрытием.

Rreg. = 0,70 (м2 С)/Вт.

Коэффициент теплопередачи:

Kок. = 1 / Rreg

Kок. = 1 / 0.70 = 1,41 Вт/(м2 С).

Величина скорректированного коэффициента теплопередачи окон и балконных дверей составляет:

Kок. = Kок. — Kст.

Kок. = 1,41 — 0,23 = 1,19 Вт/(м2 С).

2.1.5 Входная дверь

Определение требуемого сопротивления теплопередаче,

Rнсreg., (м2С)/Вт:

Rнсreg. = (tint — texp) n / (tн в),

где n — коэффициент, учитывающий положение наружной поверхности ограждающей конструкции по отношению к наружному воздуху. Для НС n = 1,0;

tint — температура внутреннего воздуха;

texp — температура наружного воздуха;

tн — нормативный температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции. Для НС жилых зданий tн = 4 С;

в — коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции. Для НС в = 8,7 Вт/(м2 С).

Rнсreg. = (16 + 28) 1 / (4 8,7) = 1.26 (м2 С)/Вт.

Сопротивление теплопередаче входной двери принимается в размере 60% от Rнсreg для стеновой панели.

Kдд. = 1 / (0,6 Rнсreg)

Kдд. = 1 / (0,6 1.26) = 1,32 Вт/(м2 С).

Величина скорректированного коэффициента теплопередачи входной двери составляет:

Kдд. = Kдд. — Kнс.

Kдд. = 1,32 — 0,23 = 1,09 Вт/(м2 С).

2.2 Определение тепловой мощности системы отопления

Задача расчёта тепловой мощности системы отопления состоит в нахождении всех составляющих теплового баланса (теплопотерь и теплопоступлений) и в определении дефицита теплоты для каждого помещения и здания в целом.

Qсо = Qо + Qд + Qв — Qбыт

Где Qо — основные потери теплоты через ограждающие конструкции, Вт;

Qд — суммарные добавочные потери теплоты через ограждающие конструкции, Вт;

Qв — потери теплоты на инфильтрацию, Вт;

Qбыт — бытовые тепловыделения, Вт.

2.2.1 Основные теплопотери

Основные потери теплоты Qо, Вт, определяется:

Qо = К F (tint — texp) n

Где К — коэффициент теплопередачи ограждающей конструкции, Вт/(м2С);

F — расчетная площадь, м2;

n — коэффициент, учитывающий положение наружной поверхности ограждающей конструкции по отношению к наружному воздуху.

tint — температура внутреннего воздуха, 20 С;

texp — температура наружного воздуха, texp = - 28 С;

Qонс = 0.23 8,9 (20-(-28)) 1 = 98 Вт;

Qодо+бд 1.19 4,2 (20-(-28)) 1 = 240 Вт;

Qопт = 0.16 7,3 (20-(-28)) 1 = 56 Вт;

Qопл = 0,17 7,3 (20-(-28)) 0,75 = 40 Вт.

2.2.2 Добавочные теплопотери

Добавочные теплопотери Qд учитываются умножением основных теплопотерь на коэффициент N.

Qд = Qо? N

Где Qо — основные теплопотери, Вт;

N — коэффициент добавочных теплопотерь

N = 1 + +

Где — коэффициент учитывающий добавочные потери ограждающих конструкций НС, дверей и окон в зависимости от ориентации по сторонам света см. п. 3.2. [2];

— коэффициент учитывающий добавочные потери на нагрев наружного воздуха, поступающего в здание при открывании входных дверей, и равный 0,27 H., = 0,27 25,2 = 6,8

2.2.3 Теплопотери на нагревание инфильтрующегося наружного воздуха

Добавочные теплопотери на инфильтрацию наружного воздуха Qинф., Вт, рассчитывается для жилых комнат:

Qинф. = 0,28 L int с (tint — texp)

Где L — расход удаляемого воздуха (для жилых зданий 2,7 м3/час на 1 м² площади жилой комнаты), м3/ч;

С — удельная теплоемкость воздуха, равная 1 кДж/(кг С);

int — плотность воздуха в помещении, кг/м3;

texp — температура наружного воздуха, С;

tint — температура внутреннего воздуха, С,

Qинф. = 0,28 (7,33,0) 1.197 1 (20-(-28)) = 350 Вт, для жилой комнаты;

Qинф. = 0,28 60 1,197 1 (19-(-28)) = 950 Вт, для кухни;

для лестничной клетки:

определяем разность давлений Р1 воздуха на наружную и внутреннюю поверхность ограждения (окон лестничной клетки):

Р1=(H-h1)?(exp-int)+0,5?н2?exp?(Сн-Сп)?Кн-Рint=(25,2−4,9)?(14,13−11,98)+0,5?52?1,453?(0,8+0,6)?0,66−0=60,43 Па,

Где Н — высота здания от уровня земли до верха карниза, м;

hi — расчетная высота от уровня земли до верха окон, м;

exp, int — удельный вес, Н/м3, соответственно при температуре наружного

texp и внутреннего tint воздуха, равны:

exp=3463/(273−28)=14,13 Н/м3, int=3463/(273+16)=11,98 Н/м3;

н — скорость ветра м/с, равная 5;

exp — плотность наружного воздуха, кг/м3;

Сн, Сп — соответственно аэродинамические коэффициенты для наветренной и подветренной поверхностей наружных ограждений, равные Сн= 0,8, Сп= - 0,6;

Кн — коэффициент учета изменения скоростного давления ветра в зависимости от высоты здания, равный 0,66;

Рint — условно постоянное давление воздуха, Па, в помещении здания (для жилых зданий Рint= 0),

вычисляем сопротивление Rитр воздухопроницанию по формуле:

Rитр=1/Gн?(Р/Ро)0,67=1/6? (41,1/10)0,67=0,45 (м2 ч)/кг,

Где Gн — нормативная воздухопроницаемость наружных ограждающих конструкций, равная 6 кг/(м2?ч);

Р — разность давлений воздуха на наружной и внутренней поверхности наружных ограждений, Па;

Ро — разность давлений воздуха, при которой определяется сопротивление воздухопроницанию Rи, ?Ро= 10 Па, разность давления? Р определяется по формуле:

Р=0,55?H?(?exp-?int) + 0,03??exp?н2 = 0,55?25,8?(14,13−11,98) + 0,03?14,13?52 = 41,1 Па

Где Н — высота здания от уровня земли до верха карниза, м;

exp, int — удельный вес, Н/м3, соответственно при температуре наружного texp и внутреннего tint воздуха;

н — скорость ветра, м/с, равная 5, вычисляем расход Gи инфильтрующегося воздуха через окно 1 этажа:

Gи=0,216?A1?Рi0,67?Rи=0,216?3,06?60,430,67/0,45+= 22,9 кг/ч,

Где А1 — площадь соответственно окна, м2;

Рi — разность давлений воздуха на наружной и внутренней поверхности наружных ограждений помещения на расчетном этаже, Па;

Gн — нормативная воздухопроницаемость наружных ограждающих конструкций, равная 6 кг/(м2?ч), рассчитываем расход теплоты для нагревания инфильтрующегося воздуха через окна с 1 по 9 этаж и входную дверь:

Qв= 0,28? ?Gи? с? (tint-texp)? Кн, Вт

Где с — удельная теплоемкость воздуха, равная 1 кДж/(кг С);

Кн — коэффициент учета влияния встречного теплового потока в конструкции, равный 0,8;

texp — температура наружного воздуха, С;

tint — температура внутреннего воздуха, С,

Qв = (22,9*0,28*1*(20+28)*0,8=246,2 Вт

2.2.4 Бытовые тепловыделения

Бытовые тепловыделения, Qбыт., Вт, для кухонь и жилых комнат принимаются в размере 10 Вт на 1 м² площади пола.

Qбыт. = 10 Fпл.

Где Fпл — площадь пола отапливаемого помещения, м2.

2.2.5 Тепловая мощность системы отопления жилого здания

Расчетные теплопотери Qр., Вт, помещения, в котором установлены отопительные приборы рассчитываются по формуле:

Qр = Qо. (1+в) + Qв. — Qбыт, Вт

Где Qо — основные потери теплоты через ограждающие конструкции, Вт;

Qв. — потери теплоты на инфильтрацию, Вт;

Qбыт. — бытовые тепловыделения, Вт,

Qр = (221×1)+(163×1,05)+(217×1,05)+(118×1)+620−130= 1230 Вт.

Вычисленные значения Qо., Qв., Qбыт. и Qр. округляются до ближайшего кратного 10 Вт значения.

Тепловая мощность системы отопления Qс.о.1, Вт, определяется как сумма затрат теплоты на отопление отдельных помещений и лестничной клеток.

Qс.о.1 = Qр1эт + Qр (nэт — 2) + Qрверх + Qлк;

Где Qр1эт, Qрверх — теплопотери соответственно первого и верхнего этажей, Вт;

Qр — теплопотери промежуточного этажа, Вт;

Qлк — теплопотери лестничных клеток, Вт,

Qс.о.1 = 140 460 Вт

Все полученные данные записываются в табл. 1.

2.2.6 Определение удельной тепловой характеристики жилого здания

Фактическая удельной тепловой характеристики жилого здания qоф, Вт/(м3?С), определяется по формуле:

qоф = Qр /(Vзд? (tint-texp))

где Qр — расчётные теплопотери всеми помещениями здания, Вт;

Vзд — объём отапливаемой части здания по внешнему обмеру, м3;

(tint-texp) — расчётная разность температур внутреннего и наружного воздуха для характерных помещений, С

Можно объяснить следующим:

1. Удачная ориентация по сторонам света;

2. Небольшие теплопотери на нагревание инфильтрующегося воздуха через окна и двери.

Фактический удельный расход теплоты Qудф на 1 м² общей площади здания, Вт/м2, определяется по формуле:

qудф = Qр/F

где Qр — расчётные теплопотери всеми помещениями здания, Вт;

F — общая площадь всех отапливаемых помещений, м2,

отопительный стояк труба здание

3. Конструирование системы отопления

В курсовом проекте предусматривается вертикальная однотрубная система отопления.

3.1 Установка отопительных приборов

Отопительные приборы устанавливаются в жилых комнатах и кухнях у наружных стен под окнами. В угловых комнатах приборы устанавливаются у обеих наружных стен. Во всех помещениях низ конвекторов располагается над полом на высоте не менее 0,15 м.

В коридорах, прихожих и туалетах отопительные приборы не устанавливаются.

3.2 Установка отопительных стояков

В угловых комнатах устанавливается отопительный стояк в углу, образованный наружными стенами.

К стоякам, обслуживающим отопительные приборы в кухнях, отопительные приборы других помещений не присоединены. Запрещено подключение к одному стояку отопительных приборов, установленных соседними квартирами. При верхней разводке магистралей, главный стояк прокладывается в лестничной клетке, ближайшей к узлу ввода.

3.3 Прокладка магистральных труб

Подающие магистрали при верхней разводке прокладываются на чердаке. Для удобства монтажа и ремонта расстояние от наружной стены до оси трубопровода принимается равным 1−1,5 м. Высота подающих магистралей над перекрытием верхнего этажа принята 0,5 м. Обратные трубопроводы при любой разводке прокладываются на кронштейнах вдоль наружных стен на 1 м ниже от потолка подвала. Магистральные трубопроводы на чердаке и в подвале теплоизолируются. Все магистральные трубопроводы должны иметь уклон 0,003 в сторону ввода теплосети.

При конструировании система отопления делится на две одинаковые части (ветки), расположенные симметрично относительно узла ввода.

3.4 Удаление воздуха.

При верхней разводке воздух удаляется с помощью воздухозборников, которые устанавливаются в конце каждой ветви перед последним стояком.

3.5 Арматура

В каждой пофасадной ветви после узла ввода устанавливается вентиль dу 40 или задвижка dу 50. Такая же арматура устанавливается в конце обратных ветвей перед узлом ввода. На подающих пофасадных ветвях после узла ввода и на обратных пофасадных ветвях до отключающей арматуры перед узлом ввода устанавливаются трубки dу = 15 мм длиной 0,5 м с пробковыми кранами для спуска воды.

В начале стояков (tг = 95С) устанавливаются пробковые краны. В конце всех стояков устанавливаются пробковые краны.

Регулировка теплоотдачи конвекторов осуществляется воздушными клапанами, встроенными в корпус конвектора.

4. Гидравлический расчет системы отопления

Согласно табл. 2.1., плана подвала, верхнего этажа и первого этажа и указаний п. 2.1. — п. 2.5. выбирается главное циркуляционное кольцо. Вычерчивается аксонометрическая схема главного циркуляционного кольца (М 1:100), которое разбивается на расчетные участки. Каждый участок характеризуется расходом теплоносителя и диаметром трубопровода. Вместе с номером указывается его тепловая нагрузка (Вт) и длина (м). У конвекторов тепловая нагрузка пишется сверху.

В качестве первого участка выбирается последний от узла ввода стояк. Он начинается в месте ответвления от подающей магистрали последнего стояка и кончается в точке слияния с ним на обратной магистрали.

Расход теплоносителя на участке:

G = 3,6 Q / c (tг — t0)

где Q — тепловая нагрузка на участке, Вт;

с — удельная теплоемкость воды, с = 4,187 кДж/(Вт 0С);

tг, t0- температуры горячей и обратной воды, С.

Диаметр трубопровода на участке определяется по табл. 6 в зависимости от величины G и ориентировочного значения удельных потерь на трение Rор., Па/м:

где Рр — расчетное располагаемое давление в системе отопления, Па, Рр = Рн + РЕ, где Рн — давление, развиваемое циркуляционным насосом в теплосети, Па;

РЕ — естественное давление от охлаждения воды в системе отопления, Па.

• РЕ = Рпр.+ Ртр
• где Рпр. — давление от охлаждения воды в приборах, Па,
• Рпр. = (3,6 g / c G) (Qп hп)
• где — среднее увеличение объемной массы воды при уменьшении ее температуры на 10С, кг/(м3 0С)
• g — 9,8 м/с2;
• Qп — тепловая нагрузка отопительного прибора n-ого уровня, Вт;
• hп — высота между центром охлаждения отопительного прибора n-ого уровня и уровнем обратной магистрали теплосети в узле ввода, м.
• Рпр. = (3,6 0,64 9,8 / 4,19 229) (1060 20,68 + 930 17,68 + 930 14,68 + 930 11,68 + 930 8,68 + 930 5,68 + 1020 2,68) = 1895 Па
• Ртр. — давление от охлаждения воды в трубах, Па.
• Ртр= 1,57 х ln х nэт2,74
• lnрасстояние по подающей магистрали от главного стояка до вертикальной части расчетного, м.
• nпоказатель степени (для одноэтажного здания равен 0,2, для каждого последующего этажа уменьшается на 0,02)
• Ртр= 1.57×54,40.08×72.74=448 Па
• РЕ= Рпр. + Ртр= 1895+448=2343 Па
• Рр = 13 000 + 2343 = 15 343 Па.
• Rср = (0,65*Рр)/?l
• 0,65- коэффициент учитывающий долю потерь давления на трение.
• ?lобщая длина главного циркуляционного участка, м.
• Rср= (0,65*15 343)/171,9=58 Па/м

По известной величине G и Rст по табл. 6 подбираем диаметр стояка, определяя при этом фактические потери давления на трение Rф и скорость воды w.

Для определения потерь давления в местных сопротивлениях Z для каждого участка составляется перечень местных сопротивлений и в зависимости от величины dу по табл. 7 находятся значения .

Рассчитываем характеристики сопротивления 1-го участка, d=25мм местные сопротивления:

22 отвода на 90 =0,5×22=11

1 вентиль обыкновенный =1×9,3=9,3

1 кран пробковый =1×1,5=1,5

7 конвекторов «Комфорт-20» =7×14,4=100,8

1 воздухосборник =1×1,5=1,5

=124,1

Величина Z находится по табл.10 или по формуле

Z = ((2) / 2)

где — плотность воды, кг/м3; - скорость воды, м/с2. Z =792,32 Па. Затем находится величина общих потерь давления на участке (R l + Z).

Определяем потери давления на трение:

Rф х l= 30,5×10=305 Па Суммарные потери давления на трения составляют:

(R l + Z)1уч.= 792,32+305=1097 Па, что не удовлетворяет устойчивости стояка, поскольку

(R l + Z) / Рр= 1097/15 343=0,07<0,7

Следовательно необходимо создать дополнительное сопротивление, для этого ставим дроссель-шайбу диаметром dш, мм

dш=3,57

где Gстрасход теплоносителя в стояке, кг/ч;

Ризб — разность давлений, равная 0,85Рр-Рст, Па

dш=3,57=5,16 мм ?6 мм.

Таким образом фактическое сопротивление стояка 1 равно 0,85хРр=13 041,55 Па. Суммируем это сопротивление с потерями давления на остальных участках кольца получаем Р=(Rl+Z)=14 558,9 Па, что составляет 0,95 Рр, что допустимо.

5. Тепловой расчет отопительных приборов

В курсовом проекте выполнен расчет для приборов, присоединенных к наиболее удаленному от узла ввода стояку главного циркуляционного кольца.

5.1 Характеристика отопительных приборов

По заданию курсового проекта к установке принят конвектор «Комфорт-20».

Конвектор «Комфорт-20» состоит из двух расположенных в горизонтальной плоскости водогазопроводных труб диаметром 25 мм с оребрением из тонких стальных пластин. Пластины заключены в кожух из стального листа. Конвектор снабжен воздушным клапаном для регулирования теплоотдачи, поэтому регулирующая арматура на подводках к этому отопительному прибору не устанавливается.

5.2 Расчет поверхности нагрева

Общая площадь поверхности нагрева отопительных приборов:

Aр1 = Qпр / qпр, где Qпр — тепловая нагрузка на данный прибор, Вт;

Qпр = Qп — втр Qтр, где Qп — теплопотери помещения, Вт;

втр — поправочных коэффициент, учитывающий долю теплоотдачи теплопроводов, втр = 0,9;

Qтр — суммарная теплоотдача проложенных в помещении открытых трубопроводов, Вт.

Qтр = qв lв + qг lг где lв, lг — длина вертикальных и горизонтальных теплопроводов в пределах помещения, м;

qв, qг — теплоотдача 1 м вертикально и горизонтально проложенных труб, Вт/м (табл. 6.2.).

qпр — поверхностная плотность теплового потока прибора, Вт/м?.

qпр = qном (Дtср / 70) n+1 (Gпр / 360) р с, где qном — номинальная плотность теплового потока, Вт/м?, для конвектора — qном = 357 Вт/м?;

Дtср — разница между средней температурой воды в приборе и температурой помещения:

Дtср = tср. — tв где tср. — средняя температура воды в отопительном приборе, Для первого отопительного прибора по ходу движения воды в стояке сумма расчетных тепловых нагрузок Qп=0. Тогда средняя температура воды в конвекторе на девятом этаже будет равна:

tср1= tгtм-=95- 4 ;

=86,97С

tср. = где tT — температура теплоносителя на входе в прибор, tT = 95С;

t0 — температура воды на выходе из прибора, t0 = 70С.

Gпр. — расход воды через прибор, кг/ч, Gпр. = Gст.

5.3 Определение количества типоразмеров конвекторов

Выбор марки конвектора «Комфорт-20» производен с помощью табл. 6.1. в зависимости от величины расчетной поверхности Fp.

Общая площадь всех принятых к установке в данном помещении марок конвекторов Fф должна удовлетворять следующему условию:

0,95 Fp Fф 1,2 Fp.

1. Водяные системы отопления жилых зданий: Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Отопление"/ Е. А. Комаров, Т. А. Пестрякова, Н. П. Ширяева. Екатеринбург: УГТУ, 1995.

2. Проектирование водяных системы отопления: Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Отопление"/ Е. А. Комаров, Т. А. Пестрякова, Н. П. Ширяева. Екатеринбург: УГТУ, 1995.

3. Обеспечение оптимального микроклимата в жилых зданиях. Часть 1. Отопление: Методические указания к выполнению курсового проекта т практических занятий/ Н. П. Ширяева, Е. А. Комаров. Екатеринбурга: УГТУ-УПИ, 2001.