Отопление жилого здания

1 Исходные данные

2 Тепловой режим здания

2.1 Расчетные параметры наружного воздуха

2.2 Расчетные параметры внутреннего воздуха

2.3 Теплотехнический расчет наружных ограждающих конструкций

2.3.1 Определение градусо-суток отопительного периода и условий эксплуатации ограждающих конструкций

2.3.2 Стены

2.3.3 Перекрытия над подвалом и чердачные

2.3.4 Окна

2.3.5 Двери

2.4 Тепловой баланс помещений

2.4.1 Теплотехнические характеристики наружных ограждений

2.4.2 Потери теплоты через ограждающие конструкции

2.4.3 Расход теплоты на нагревание инфильтрирующегося и вентиляционного воздуха

2.4.4 Бытовые тепловыделения

2.5 Теплопотери здания по укрупненным измерителям

3. Система отопления

3.1 Тепловой расчет нагревательных приборов

3.2 Гидравлический расчет системы отопления

3.3 Подбор элеватора Список литературы

1. Исходные данные

Здание пятиэтажное с плоской кровлей и с не отапливаемом подвалом в городе Иркутске.

Конструктивно состоит из кирпича с толщиной несущей части 640 мм, с внешней стороны утеплитель пенополистирол и облицовочный керамический кирпич толщиной 20 мм. Перекрытия состоят из ж/б пустотных плит и утеплителя полистирола.

Система отопления принята с нижней разводкой и «П» -образными стояками. Параметры теплоносителя t₁ = 105⁰C, t₂ = 70⁰C. Подключена к центральной системе отопления с параметрами T₁ = 150⁰C, T₂ = 70⁰C.

2. Тепловой режим зданий

2.1. Расчетные параметры наружного воздуха

Расчетные параметры наружного воздуха принимаются по СНиП 23−01−99 «Строительная климатология» холодный период года:

температура воздуха (температура наиболее холодной пятидневки с обеспеченностью 0.92) t_н = -36⁰C;

продолжительность отопительного периода z = 240;

температура отопительного периода t_от = -8.5⁰C;

скорость ветра V = 5 м/с.

Зона влажности принимается по СНиП 23−02−2003 «Тепловая защита зданий» (приложение B) — сухая.

2.2. Расчетные параметры внутреннего воздуха

Расчетные параметры внутреннего воздуха принимаются по ГОСТ 30 494–96 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях» (таблица 1):

температура воздуха t_в = 21⁰C;

влажность помещения = 60%.

Режим помещения принимается по [2, таблица 1] - нормальный.

2.3. Теплотехнический расчет наружных ограждающих конструкций

2.3.1. Определение градусо-суток отопительного периода и условий эксплуатации ограждающих конструкций

Градусо-сутки отопительного периода D_d, ⁰C*сут, определяют по формуле [2]

D_d = (t_в — t_от)*z;

D_d = (21 + 8.5)*240 = 7080 ⁰C*сут2

Условия эксплуатации ограждающих конструкций принимаются по [2, таблица 2] - A.

2.3.2. Стены

Наружная ограждающая конструкция состоит из 4х слоев:

1 слой — цементно-песчаный раствор плотностью = 1800кг/м³, толщиной = 20 мм;

2 слой — кирпич глиняный обыкновенный (ГОСТ 530−80) на цементно-песчаном растворе плотностью = 1800 кг/м³, толщиной = 640 мм;

3 слой — пенополистирол (ГОСТ 15 588−70^*) плотностью = 40 кг/м³, толщиной ;

4 слой — кирпич керамический пустотный =1400кг/м³ на цементно-песчаном растворе толщиной = 120 мм.

Требуемое значение сопротивления теплопередаче определяем по формуле:

[1] R_0тр = n*(tв — tн)/ tн* в, м²*⁰C/Вт, где n — коэффициент, учитывающий зависимость положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху [2, таблица 6];

tн — нормируемый температурный перепад между температурой внутреннего воздуха tн и температурой внутренней поверхности в ограждающей конструкции, ⁰C, [2, таблица 5];

в — коэффициент теплоотдачи внутренней ограждающей конструкции, Вт/(м²*⁰C), [2, таблица 7].

R₀ = 1*(21+36)/4*8.7 = 1.64 м²*⁰C/Вт Значения R_0энерг следует определять по формуле

[2] R_0энерг = a*D_d + b,

где a, b — коэффициенты, значения которых следует принимать по данным таблицы для соответствующих групп зданий, [2, таблица 4].

R_0энерг = 0.35*7080 + 1,4 = 3.88 м²*⁰C/Вт

R_0тр < R_0энерг

По СНиП 11 — 3 -79* «Строительная теплотехника» [4], п2.6, сопротивление теплопередаче R₀, м²*⁰С/Вт, ограждающей конструкции следует определять по формуле где — коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций; = 8.7 Вт/(м²*⁰C);

— коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции для условий холодного периода года; = 23 Вт/(м²*⁰C);

— теплопроводность материала, Вт/(м*⁰C).

Толщину утеплителя найдем по формуле

= [3.88 — (0.115 + 0.026 + 0.914 + 0.207 +0.048)] * 0.041 = 106 мм Найдем R_0ф по формуле [3]

R_0ф = 0.115 + 0.026 +0.914 + 0.207 + 0.048 + + 2.585 = 3.895 м²*⁰C/Вт

R_0энерг = 3.88 м²*⁰C/Вт < R_0ф = 3.895 м²*⁰C/Вт Принимаем толщину утеплителя, равную 106 мм.

Коэффициент теплопередачи равен k = 1/R_0ф, Вт/(м²*⁰C); k =1/3.895 = 0.257 Вт/(м²*⁰C)

2.3.3. Перекрытия чердачные и над подвалом

Перекрытия состоят из 3х слоев:

1 слой — железобетонная пустотная плита плотностью = 2500 кг/м³, толщиной = 220 мм;

2 слой — пенополистирол (ГОСТ 15 588 — 70^*) плотностью = 40 кг/м³, толщиной ;

3 слой — выравнивающий слой цементно-песчаного раствора плотностью =1800 кг/м³, толщиной = 20 мм.

Определим требуемое значение сопротивления теплопередаче по формуле [1]

R_0тр = 0.9*(21 + 36)/2*8.7 = 2.95 м²*⁰C/Вт Найдем R_0энерг по формуле [2], где a = 0.45, b = 1.9

R_0энерг = 0.45*7080 + 1.9 = 5.086 м²*⁰C/Вт

R_0тр < R_0энерг

Фактическое сопротивление теплопередаче найдем по формуле.

Определим термическое сопротивление теплопередаче ж/б конструкции многопустотной плиты. Ж/б пустотная плита — неоднородная ограждающая конструкция. Поэтому ее термическое сопротивление находим по [4, п2.8]. Для упрощения расчета круглые отверстия — пустоты плиты диаметром 150 мм — заменим равновеликими квадратными со стороной a = 132.9 мм.

А. Плоскостями, параллельными направлению теплового потока, условно разрежем конструкцию на участки. В сечении А-А (два слоя железобетона толщиной = 0.058 + 0.028 = 0.086 м с коэффициентом теплопроводности = 1.92 Вт/(м*⁰C) и воздушная прослойка = 0.133 м с термическим сопротивлением Rвп = 0.15 (м²*⁰C)/Вт) термическое сопротивление составит

R_А-А = + R_вп;

R_А-А = 0.086/1.92 + 0.13 = 0.17 (5.м²*⁰C)/Вт.

В сечении Б-Б (слой ж/б = 0.22м с = 1.92 Вт/(м²*⁰C)):

R_Б-Б = 0.22/1.92 = 0.42 (м²*⁰C)/Вт.

Общее термическое сопротивление находим по формуле

R_A = (F_A-A + F_Б-Б)/((F_A-A/R_А-А) + (F_Б-Б/ R_Б-Б))[4],

где F_A-A = (0.133*1)*5 = 0,665 м², F_Б-Б = (0.076*1)*4 = 0.304 м² — площади слоев в сечениях А-А и Б-Б; R_А-А, R_Б-Б — термическое сопротивление сечений;

R_A = 0.969/(3.91 + 0.72) = 0.21 (м²*⁰C)/Вт.

Б. Плоскостями, перпендикулярными направлению теплового потока, конструкцию условно разрежем на слои, из которых одни могут быть однородными, другие — неоднородными (из однослойных участков разных материалов).

Для сечений В-В и Д-Д (два слоя ж/б с = 0.086 м и = 1.92 Вт/(м*⁰C)) R_{В-В и Д-Д} = 0.086/1.92 = 0.044 (м²*⁰C)/Вт. Для сечения Г-Г R_Г-Г = (F_Г-Г + F_вп)/((F_Г-Г/R_Г-Г) + (F_вп/ R_вп)), где F_Г-Г = F_Б-Б = 0.304 м², F_вп = F_A-A = 0.665 м² — площади сечений сечения Г-Г (ж/б и вп); R_Г-Г = 0.969/(0.225 + 6.4) = 0.146 (м²*⁰C)/Вт.

Затем определяем R_Б = R_Г-Г + R_{В-В и Д-Д} = 0.146 + 0.044 = 0,19 (м²*⁰C)/Вт.

Разница между величинами R_A и R_Б составляет

(0.21−0.19)/0.21*100 = 9.5% < 25%

Отсюда полное термическое сопротивление ж/б конструкции плиты найдем из формулы

R_пр = (R_A + 2* R_Б)/3 [5],

R_пр = (0.21 +0.38)/3 = 0.2 (м²*⁰C)/Вт.

Толщину утеплителя определим по формуле [3]

= [5.086 — (0.115 + 0.09 + 0.026 +0.048)]*0.041 = 198 мм.

Отсюда термическое сопротивление будет равно

R_0ф = 0.115 + 0.09 + 0.026 + 0.048 +4.829 = 5.108 (м²*⁰C)/Вт.

R_0энерг = 5.086 м²*⁰C/Вт < R_0ф = 5.108 м²*⁰C/Вт.

Принимаем толщину утеплителя, равную 198 мм.

Коэффициент теплопередачи равен k = 1/5.108 = 0.196 Вт/(м²*⁰C) (по формуле [4]).

2.3.4. Окна

Требуемое сопротивление теплопередаче окон определяется по [2,таблица 4] c помощью интерполяции:

R_0энерг = (0.7−0.6)*1080/2000 + 0.6 = 0.654 м²*⁰C/Вт Фактическое приведенное сопротивление теплопередаче принимается по [4, приложение 6]

R_0ф = 0.68 м²*⁰C/Вт — принимаем окно из двухкамерного стеклопакета в раздельных переплетах из обычного стекла.

Коэффициент теплопередачи равен k = 1/0.68 = 1.47 Вт/(м²*⁰C) (по формуле [4]).

2.3.5. Двери

Требуемое и фактическое сопротивление теплоотдаче наружных дверей должно быть не менее 0.6* R_0тр стен здания по [2, п5.7]. Конструкция устанавливаемой двери должна удовлетворять этому требованию:

R_тр = 0.6*1.64 = 0.98 м²*⁰C/Вт,

k = 1/0.98 =1.02 Вт/(м²*⁰C).

2.4. Тепловой баланс помещений

2.4.1. Теплотехнические характеристики наружных ограждений

2.4.2. Потери теплоты через ограждающие конструкции

Теплопотери через отдельные ограждения рассчитываем по формуле (СНиП 2.04.05 — 91^* «Отопление, вентиляция и кондиционирование» [5], (приложение 9, п1):

Q₀ = A*k*(t_в — t_н)*n*(1 +).

Например, для стены, обращенной на север (жилая комната 101):

Q₀ = 9*0.26*56*1*1.1 = 142.5 Вт.

Результаты расчетов по всем наружным ограждениям и по всем этажам сведены в таблицу 1.

Добавки на ориентацию и на дверь рассчитываются по [5, приложение 9, п2]:

= 0.2*19.53 = 3.91.

Тройная дверь с двойным тамбуром принимается по СНиП 31 — 01 -2003 «Здания жилые многоквартирные» (таблица 9.2).

2.4.3. Расход теплоты на нагревание инфильтрирующегося и вентиляционного воздуха

Выполним расчет жилой комнаты 101 по (5, приложение 10).

Расход теплоты Q_i, Вт, на нагревание инфильтрующегося воздуха следует определять по формуле

Q_i = 0,28 G c (t — t) k [7],

G = 0,216 A₁ p_i^0,67 /R_u + A₂ G_H (p_i/p₁)^0,67 +

+ 3456 A₃ p_i^0,5+0,5 l p_i/p₁ [8], [8],

Расчетная разность давлений p_i, определяется по формуле

p_i = (H — h_i) (_i — _p) + 0,5 p_i v² (c_{e, n} — c_{e, p}) k_l — p_int [9],

Расход теплоты на нагревание инфильтрирующегося воздуха, компенсирующего расход вытяжного воздуха при естественной вентиляции, следует определять по формуле

Q_в = 1.005*1.2*3*10³*(t_в — t_н)*F_п/3600 (7, формула 6.2),

1.005 — удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кг*⁰C);

1,2 — плотность воздуха при t_н = 18 ⁰C, кг/ м³;

3 — количество воздуха, поступающего на 1 м² жилой площади, м³/(м²*ч);

F_п — площадь пола комнаты, м².

Q_в = (20 + 36)*16.7 =935.2 Вт.

2.4.4. Бытовые тепловыделения

Определяем бытовые тепловыделения для комнаты 101 по СНиПу 41 — 01 — 2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» (п6.3.4г) [6]:

Q _быт = 10*F_п;

Q_быт = 10*16.7 = 167 Вт.

Тепловой баланс для помещения 101:

Q_в + Q_т = Q_быт + Q₀

Откуда нагрузка на систему отопления:

Q₀ = 971.4 + 935 — 167 = 1739.4 Вт.

Полные теплопотери здания составят 83 914.4 Вт.

2.5. Теплопотери здания по укрупненным измерителям

Фактическая удельная тепловая характеристика здания, Вт/(м³*⁰C), определяется по формуле Н. С. Ермолаева:

q_ф = P*(k_ст + g (k_ок — k_ст))/F+ (0.9*k_пт + 0.6* k_пл)/H,

P — периметр здания, м;

F — площадь здания, м²;

g — коэффициент, учитывающий остекление (отношение площади остекления к площади ограждения);

H — высота здания, м.

Объем здания V равен 5.8 тыс. м³.

q_ф = 83.4*(0.26 + 0.3*(0.26 +0.3*1.2))/363.1 + (0.9 + 0.6)*1.47/16 = 0.24 Вт/(м³*⁰C).

q_н = 0.39 Вт/(м³*⁰C);

(0.39 — 0.24)/0.39*100% = 38%

Фактический удельный расход теплоты на 1 м² общей площади найдем по формуле

q_уд = Q₀/F;

q_уд = 83 914.4/363.1 = 231.1 Вт/м².

Значение фактической удельной характеристики используем для приблизительного подсчета теплопотерь по укрупненным показателям:

Q_уп =а*q_ф*V*(tв — tн);

Q_уп = (0.55 + 0.22/(21 + 36))*0.24*5800*(21 + 36) = 43 945.4 Вт.

3. Система отопления

3.1. Тепловой расчет нагревательных приборов

Выполним тепловой расчет приборов однотрубной П — образной системы отопления с нижней разводкой.

Требуемый номинальный тепловой поток Q_н.т для выбора типоразмера отопительного прибора определим по формулам справочника.

Необходимая теплоотдача прибора Q_пр определяется по формуле (9.12):

Q_пр = Q₀ — 0.9* Q_тр,

Q_тр = q_в*l_в + q_г*l_г (9.13) — теплоотдача открыто проложенных в пределах помещения труб стояка (ветви) и подводок, к которым непосредственно присоединен прибор:

Q_пр = 869.7 — 0.9*(120*0.8 + 96*3) = 485.7 Вт.

Температура теплоносителя на входе в 1 прибор: t_вх1 = 105 ⁰C.

При выходе из 1 прибора: t_вых1 = 105 — (35/8109.3)*869.7 = 101.2 ⁰C.

t_ср = (105 + 101.2)/2 — 20 =83.1 ⁰C.

Расход воды в стояке по формуле (10.14)

G_ст = Q_0i* * /c* t_ср,

G_ст = G_пр = 3600*8109.6*1.03*1.02/(4187*35) = 209 кг/ч.

Коэффициент приведения к расчетным условиям определяется по формуле (9.3):

= (t_ср/70)^{1 +n}*(G_пр//360)^p*b* *c,

t_ср — разность средней температуры воды в приборе и температуры окружающего воздуха;

— коэффициенты, принимаемые по таблице (9.1).

= (83.1/70)^1.35*(209/360)^0.07*0.983*1*1 = 1.19.

По формуле (9.11)

Q_н.т = Q_пр/ ;

Q_н.т =485.7/1.19 = 408 Вт.

Тип прибора подбирается по [6, таблица X.1].

Расчеты по остальным приборам сводятся в таблицу 2.

3.2. Гидравлический расчет системы отопления

Основное циркуляционное кольцо выбираем через стояк 1.

Гидравлический расчет стояка 1 выполним по характеристикам гидравлического сопротивления. Для последовательно соединенных участков стояка находим сумму S_ст1, Па/(кг/ч)², по [7, таблица 10.19]:

S₁ = 8*23*10^-4 Па/(кг/ч)² -для восьми этажестояков;

S₂ = 12*10^-4 Па/(кг/ч)² — для 2х приборных узлов верхнего этажа;

S₃ = 57*10^-4 Па/(кг/ч)²— для узла присоединения к подающей магистрали с вентилем;

S₄ = 19*10^-4 Па/(кг/ч)² — к обратной магистрали с пробковым краном;

S₅ = 0.2*8*5.74*10^-4 Па/(кг/ч)² — для прямых участков трубы стояка;

S₆ = 201.75*10^-4 Па/(кг/ч)²— для приборных узлов.

S_ст1 = 482.9*10^-4 Па/(кг/ч)².

Потери давления в стояке определяются по [7, формула 10.16]:

P = k*S*G², где k*S находим по формуле (10.17);

P_ст1 = 482.9*10^-4*209² =2019,36 Па Определим потери давления на участке 1 по удельным потерям давления.

Предварительно определим по формуле (10.33) среднее ориентировочное значение удельной потери давления при P_н <= 25 000 Па:

R_ср = (1−0.35)*(25 000−2019)/(13.4+7.2+5.8+6+10+5.3) = 313 Па/м По диаметру участка и расходу по [7, таблица 11.2] определяются: R =14 Па/м; v = 0.116.

По [7, таблица 11.10] определяем = 4.2.

По [7, таблица 11.3] определяем Z = 27.2 Па.

Потери давления на участке 1:

P_уч1 = 14*13.4 + 27.2 = 215 Па Таким же образом определяются потери давления на участках 2, 3.

Потери давления в стояке 1 и участках 1, 2,, 3:

P_ст1 + P_уч1 + P_уч2 + P_уч3 = 2435.36 Па Потери давления в стояке 5:

S_ст5 =482.9*10^-4 Па/(кг/ч)²;

P_ст5 = 482.9*10^-4*209²= 2019.36 Па Определяем невязку:

100*(2435.36 — 2019.36)/2435.36= 17%

Меняем диаметры узлов присоединения стояка 1 к подающей и обратной магистралям, определяем S_ст1:

S_ст1 = 433.6*10^-4 Па/(кг/ч)²

P_ст1 = 433.6 10^-4*209² = 1894 Па

P_ст1 + P_уч123 = 2310 Па Определяем невязку:

100*(2310 — 2019.36)/ 2310 = 12.5%

Результаты расчета сведены в таблицу 3.

3.3. Подбор элеватора

Коэффициент смешения И_р = (150 — 105)/(105 — 70) =1.28.

Расход теплоносителя в системе отопления

G_от =2210 кг/ч = 2.21 т/ч Расход теплоносителя в тепловой сети

G_с =1.03*1.02*(3600*85 660)/(4187*(150−70)) = 967 т/ч Располагаемый напор перед элеватором

H_рас= 1.4*0.32(1 + 1.28)² = 2.33 м вод ст Диаметр горловины D =8.5*(0.967²*(1 + 1.28)²/0.32)^¼ = 13.6 мм Принимаем элеватор с ближайшим меньшим диметром горловины D =15 мм.

Диаметр сопла:

D_c = 9.6*((0.967)²/2.33)^¼ = 7.6 мм.

1. СНиП 23 — 01- 99: Строительная климатология: взамен СНиП 2.01.01 — 82: введен в действие 1.01.2000/ Госстрой России. — М.: ГУПЦПП, 2000.-57с.

2. СНиП 23 — 02- 2003: Тепловая защита зданий: взамен СНиП 11 -3 -79: введен в действие 1.10.2003/ Госстрой России. — М.: ГУПЦПП, 2004.-25с.

3. ГОСТ 30 494– — 96. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях. — Введен 01.03.99/Госстрой России. — М.: ГУПЦПП, 1999. — 25с. — Группа Ж 24

4. СНиП 11 — 3 — 79: Строительная теплотехника

5. СНиП 2.04.05 — 91: Отопление, вентиляция и кондиционирование

6. СНиП 31 — 01 — 2003: Здания жилые многоквартирные: взамен СНиП 2.08.01 — 88: введен в действие 01.10.03/Госстрой России. — М.: ФГУПЦПП, 2004. — 20с.

7. Справочник проектировщика. Внутренние санитарно — технические устройства: в 3 ч. — Ч 1 Отопление; под ред. И. Г. Староверова, Ю. И. Шиллера. — М: Стойиздат, 1990 — 344с.

8. Лаврентьева В. М., Бочарникова О. В. Отопление и вентиляция жилого здания: МУ. — Новосибирск: НГАСУ, 2005. — 40с.

9. Еремкин А. И., Королева Т. И. Тепловой режим зданий: Учебное пособие. — М.: Издательство АСВ, 2000. — 369с.

Таблица N⁰1.

Таблица N⁰ 2 Тепловой расчет нагревательных приборов

Таблица N⁰ 3 Гидравлический расчет системы отопления