Lekciya 1

Раздел № 3. Теплоснабжение зданий и сооружений
Основы строительной теплотехники
Строительная теплотехника изучает процессы, происходящие в ограждающих
конструкциях зданий при передаче теплоты. Знание этих процессов позволяет
проектировать и создавать конструкции зданий с заданными теплофизическими
свойствами.
К основным свойствам строительных конструкций относятся:
-способность защищать помещения от излишнего перегрева или охлаждения в
соответствующие времена года;
-обеспечивать допустимый (нормируемый) перепад между температурой
внутреннего воздуха и внутренней поверхности стены;
-способствовать поддержанию внутри конструкции необходимого температурновлажностнеого режима.
С наступлением зимы, температура наружного воздуха становиться значительно
ниже температуры воздуха внутри зданий и происходит передача теплоты через
наружные ограждающие.
Внутренний воздух помещения передает теплоту внутренней поверхности
ограждения путем конвекции и излучения. За счет этого температура
внутреннего воздуха помещения снижается. Количество передаваемой при этом
явлении теплоты вычисляется по формуле:
Qб=αвF(tв - τв)
Где, αв-коэффициэнт теплопередачи внутренней поверхности ограждения,
Вт/м2К;
F-площадь поверхности ограждающей конструкции, м2;
tв-температура внутреннего воздуха помещения, °С;
τв-температура внутренней поверхности ограждения, °С.
Дальнейшая передача теплоты через ограждение происходит из-за
теплопроводности материала. Теплота проходит через всю толщину ограждения и
достигает его наружной поверхности.
Теплозащитные свойства ограждения характеризуются его термическим
(тепловым) сопротивлением R (сопротивление материала ограждающих
конструкций прохождению через него тепла).
Количество теплоты q(Вт/м2ч) проходящее через 1 кв метр ограждения за 1 час
называется тепловым потоком:
q=( τв – τн)/R
где, τн-температура наружной поверхности ограждения.
R=σ/λ,
Где σ-толщина слоя или однородного ограждения, м;
λ -коэффициент теплопроводности материала.
Коэффициент теплопроводности материала не является постоянной величиной,
даже для одного и того же материала. Его величина зависит от плотности
материала, его влажности, влажностного режима помещения.
Чем больше плотность материала, тем меньше в нем воздушных пор,
которые являются плохим проводником теплоты, тем выше коэффициент
его теплопроводности. Чем больше влажность материала, тем больше
воздушные поры заполняются водой, теплопроводность которой в 25 раз
больше теплопроводности неподвижного воздуха, тем коэффициент
теплопроводности материала становиться еще выше. Таким образом чем
больше плотность материала и его влажность тем выше коэффициент
теплопроводности материала и исходя их вышеуказанной формулы тем
меньше его тепловое сопротивление.
Больше плотность
материала
Больше теплоты/холода через него
проходит (тем меньше его R)
Выше влажность материала
Тем ещё меньше его R
Минимальные значения коэффициентов теплопроводности материалов
ограждающих конструкций принимают по СНиП II-3-79 «Строительная
теплотехника» (сейчас заменен на СНиП 22-03-2003 «Тепловая защита зданий»).
Если ограждающая конструкция состоит из нескольких разнородных слоев, то ее
сопротивление теплопередаче выражается суммой термических сопротивлений
отдельных слоев:
∑Ri=R1+R2+……+Rn
Теплоустойчивость и тепловая инерционность ограждения.
Температура наружного воздуха меняется в течение суток, в связи с этим
меняется и температура воздуха в помещениях. Причем, массивные ограждающие
конструкции защищают от таких колебаний температуру воздуха в помещениях
больше, поскольку амплитуда колебаний температуры постепенно затухает в
толще ограждения.
Свойство конструкции сохранять относительное постоянство температуры на ее
внутренней поверхности при колебании наружной температуры называется
теплоустойчивостью ограждения.
Таким образом, теплоустойчивость ограждения определяется его массивностью.
А массивность характеризуется показателем тепловой инерции ограждения:
Д=R1S1+ R2S2+…..+ RnSn
R1 ;R2;Rn-термические сопротивления слоев ограждения;
S1;S2; Sn- коэффициент теплоусвоения материалов этих слоев.
По величине Д ограждения подразделяют на:
А)легкие(Д до 4)
Б)средней массивности (Д от 4-7)
В)массивные (Д от 7,1 и выше).
Для установления правильного температурно-влажностного режима в процессе
эксплуатации определяют не только сопротивление всей конструкции
теплопередаче, но и вычисляют температуру на ее поверхностях, на границах
между отдельными слоями.
Для помещений, в которых недопустим конденсат на внутренней
поверхности ограждений, проверяют наружные ограждения на конденсацию.
Теплотехнические расчеты ограждающих конструкций заключаются в
определении оптимальной толщины ограждающих конструкций из различных
материалов, проверке фактической инерционности при при заданной толщине
ограждающей конструкции, проверке теплозащитных качеств существующих
ограждений, проверке возможности образования конденсата на внутренней
поверхности ограждения.
Тепловые потери зданий.
В холодный и переходный периоды года здания, в которых температура воздуха
выше наружной, охлаждаются за счет расхода теплоты через ограждающие
конструкции, на нагревание воздуха, поступающего через проемы, за счет
инфильтрации (просачивания) через различные неплотности. Эти расходы
теплоты называются тепловыми потерями зданий, которые бывают основными и
добавочными.
Основные потери состоят из тепловых потерь отдельных ограждающих
конструкций. Общие тепловые потери определяют суммой основных и
добавочных. Основные теплопотери часто оказываются меньше действительных
значений теплопотерь через ограждения (т.к. не учитываются некоторые
дополнительные факторы), поэтому определяются дополнительные теплопотери,
которые определяются долей (процентом) от основных и нормируются СНиП
«Тепловая защита зданий».
Тепловые потери зданий восполняются за счет теплоты, выделяемой
технологическим оборудованием (система отопления и кондиционирования),
нагретыми материалами, людьми, искусственного освещения, инсоляции.
В производственных помещениях они могут восполняться за счет теплоты
выделяемой при осуществлении технологических процессов.
Учет вышеуказанных тепловых потерь и способов их восполнения необходим при
определении теплового баланса помещения и определения дефицита или избытка
теплоты.
Переизбыток теплоты устраняется посредством систем вентиляции и
кондиционирования, а дифицит- посредством устройства систем отопления.
Тепловой и влажностный режим помещений влияет на жизнедеятельность и
самочувствие людей. Например, большая относительная влажность воздуха
помещений при высокой температуре снижает возможность эффективного
испарения и ухудшает тепловое состояние человека.
Оптимальными условиями для жизнедеятельности человека являются:
 Относительная влажность воздуха -45%;
 Температура- 18-20 °С;
 Скорость воздуха- 5-10 см/с.
Влажностный режим конструкций зависит от режима содержания помещений.
Например, попытки усилить отопление за счет включения газовых кухонных плит
приводит к чрезмерной сухости воздуха и насыщает его токсическими
продуктами сгорания газа. Сушка белья в помещении перенасыщают воздух
влагой. Влага является активным ускорителем процесса изменения структуры
строительного материала. Избыток влаги ухучшает физико-механические и
теплотехнические качества ограждения.
Температурная обстановка в помещении в холодное время года во многом
зависит от тепловой мощности системы отопления, от расположения
обогревающих устройств, теплофизических свойств ограждающих строительных
конструкций, интенсивности и других источников поступления и потерь теплоты.
Для определения расчетной тепловой мощности системы отопления Qот
составляется баланс расходов теплоты для расчетных условий холодного периода
года:
Qот= Qогр +Qи(вент)± Qт(быт)
Где, Qогр-потери теплоты через наружные ограждения;
Qи(вент)-расход теплоты на нагревание поступающего в помещение наружного
воздуха;
Qт(быт)-технологические или бытовые выделения теплоты.
Окончательное определение расчетной мощности системы отопления
учитывается также ряд факторов, связанных с тепловой эффективностью
применяемых в системе отопления отопительных приборов. Показателем этого
свойства является отопительный эффект прибора, который показывает
отношение количества фактически затрачиваемой прибором теплоты для
создания в помещении заданных условий теплового комфорта к расчетным
потерям теплоты помещения.
Все расчеты должны осуществляться в соответствии с действующими
нотмативно-техническими документами , рекомендациями и сводами правил.
Теплоснабжение зданий
Теплоснабжение современных зданий осуществляется посредством комплекса
санитарно-технических устройств.
Основной системой, обеспечивающей теплоснабжение зданий является система
отопления. Однако современные ситемы вентиляции и кондиционирования также
способны поддерживать необходимую температуру помещения и заданный
температурно-влажностный режим.
В последнее время активно разрабатываются инновационные системы
теплоснабжения, основанные на использовании энергии солнца, инфракрасного
излучения и других энергосберегающих технологиях.
Основные составляющие традиционных систем отопления являются следующие:
 теплоисточник (генератор тепла) - элемент для получения теплоты;
 теплопроводы -элемент для переноса теплоты от теплоисточника к
отопительным приборам;
 отопительные приборы - элемент для передачи теплоты в помещение.
Однако с некоторые современные системы отопления имеют специфические
особенности строения и в их составе могут отсутствовать некоторые из
вышеперечисленных элементов. Однако постоянным элементом во всех системах
отопления является – теплогенератор (теплогенерирующие установки).
Теплогенерирующие установки, их разновидности.
Теплогенерирующие установки или генераторы теплоты (теплогенераторы)
являются основным оборудованием любой системы теплоснабжения.
Конструктивные особенности теплогенератора определяются, прежде всего,
видом используемого в нём топлива.
Традиционным видом топлива является твёрдое топливо (уголь, древесина и др.).
Наиболее доступным и дешёвым в настоящее время является природный газ.
Газовые водогрейные котлы (рис….) оборудуются либо встроенной атмосферной
горелкой (поступление воздуха для горения газа за счёт естественной тяги в
дымовой трубе), либо выносной горелкой (принудительное создание
газовоздушной смеси).
По способу установки котлы бывают настенные и напольные.
Настенные котлы применяют для отопления небольших помещений, обычно до 200
кв. метров. Те и другие делятся на одно- и двухконтурные. Двухконтурный котёл
одновременно обеспечивает отопление и горячую воду для бытовых нужд. Вода
подогревается в бойлере или проточным способом, если потребности в ней невелики.
Бойлер – это ёмкость для подогрева и хранения воды.
Он позволяет получить горячую воду в любой момент, однако занимает больше
места и требует дополнительного расхода топлива для поддержания заданной
температуры.
Многие модели современных котлов имеют встроенный бойлер. Если
предполагается значительный расход горячей воды (в доме несколько ванных комнат
или душевых кабин) котёл можно доукомплектовать бойлером большего объёма. В
этом
случае
сам
котёл
может
быть
одноконтурным.
По способу удаления отработанных газов котлы бывают с естественной или
принудительной тягой. В котлах с естественной тягой (или открытой камерой
сгорания) воздух поступает непосредственно из помещения, а газы отходят в
дымоход.
Если соорудить дымоход по каким-либо причинам невозможно, или котёл будет
смонтирован в не предусмотренном для него месте, применяют котлы с закрытой
камерой сгорания (с принудительной тягой). В конструкции такого котла имеется
турбина (вентилятор), которая удаляет продукты горения из топки. В этом случае
вместо большого традиционного дымохода устанавливают простой и недорогой
коаксиальный дымоход – труба с вставленной в неё другой трубой меньшего
диаметра.
Полученные таким способом два разделённых канала используются для подачи
воздуха и для отвода газов. Котлы с закрытой камерой сгорания не сжигают
кислород внутри помещения. Практически все современные котлы имеют
регулируемую мощность горелки, позволяющую плавно менять температуру в
зависимости от потребности, тем самым экономя топливо и продлевая ресурс
теплообменника. Коэффициент полезного действия (КПД) газового котла превышает
90%.
При отсутствии газа в котлах используют жидкое топливо - дизельное топливо.
Его использование для работы теплогенератора заметно повышает стоимость
самой котельной за счёт появления в её схеме дополнительного оборудования
(топливных баков, системы топливоподачи и т.д.), а также эксплуатационную
стоимость вырабатываемой генератором теплоты.
Более простым по конструкции является электрический котёл. Он состоит из
теплообменника со встроенными нагревательными элементами и устройства
автоматики.
В качестве нагревательного элемента обычно применяются ТЭНы (трубчатые
электронагреватели). Но известны также и электродные нагреватели.
В электродных котлах нагрев теплоносителя происходит за счёт его ионизации в
замкнутой камере при прохождении через него электрического тока. Они
значительно меньше по размеру и обладают всеми преимуществами электрических
котлов. Однако для них целесообразно использовать специальный антифриз.
Некоторые котлы имеют в составе циркуляционный насос, расширительный бачок и
предохранительный
клапан.
Электрические котлы просты в монтаже и эксплуатации, не требуют отдельного
помещения и дымохода. Работают бесшумно, экологичны и недороги. Основным их
недостатком является высокий расход электроэнергии, для мощных моделей (более
10 кВт) необходима трёхфазная сеть 380 Вольт.
Электрические теплогенераторы не находят широкого применения в России, в
основном, из-за высокого тарифа стоимости электроэнергии при её
использовании на отопительные нужды, а также из-за часто ограниченного
лимита расчётной электрической мощности, выделяемого индивидуальному
застройщику. Подобные котлы с мощностью до 20…30 кВт чаще всего
используются для отопления и горячего водоснабжения жилых или
вспомогательных домов с небольшой площадью.
Инфракрасные плёночные нагреватели. У них в качестве нагревательного
элемента используются тонкие графитовые плёнки. В настоящее время применяются
в системах «тёплый пол».
Такой нагреватель представляет собой тонкий гибкий лист. Он может монтироваться
непосредственно на деревянные поверхности. По разным оценкам, эффективность
плёночного нагревателя до 15% выше чем у кабельного. Монтируется в основном на
потолок и на стены. Это его основной режим работы, как лучевого источника тепла.
Ввиду того, что его рабочая температура невысока, он пожаробезопасен и не
сжигает кислород, но по стоимости дороже кабельного. При равных характеристиках
с батарейной системой и электрокотлом, инфракрасные плёночные нагреватели
дешевле в установке и более долговечны в эксплуатации. Однако, следует помнить,
что на 1 кубический метр пространства помещения приходится ~5 Вт мощности
такого нагревателя, чего может быть не достаточно для поддержания нужной
температуры.
Кроме плёночного нагревателя, к лучевым системам отопления относятся
электрические инфракрасные нагреватели. Оборудованные рефлектором, такие
приборы способны быстро прогреть находящиеся в помещении предметы. Даже
находясь на улице в прохладную погоду, возле такого обогревателя будет тепло.
Но, из-за высокой температуры нагревательного элемента, такие аппараты сжигают
кислород в помещении. Существует множество конструкций таких отопительных
приборов: напольной, настенной и потолочной установки.
Теплогненераторы, работающие за счет энергии солнца-солнечный коллектор. В
них процесс нагрева теплоносителя происходит за счет поглощения солнечного
излучения. Мощность потока солнечного излучения, без учёта потерь в атмосфере,
составляет около 1350 Ватт на квадратный метр. Однако в различных точках
планеты интенсивность солнечного излучения будет разной, например в Европе, она
может быть менее 100 Ватт на квадратный метр, поэтому возникает задача не только
эффективно поглощать солнечную энергию, но и сохранять её. Удачным решением
является конструкция солнечного вакуумного солнечного коллектора.
Это плоская панель со стеклянными трубками, внутри которых находятся медные
трубки меньшего диаметра. Медные трубки покрыты специальной тёмной краской,
выдерживающей высокую температуру (200 градусов по Цельсию и более) и
способствующей лучшему поглощению солнечного излучения. По ним циркулирует
теплоноситель. Внутри стеклянной трубки создают вакуум. Вакуум, не обладая
теплопроводностью, препятствует конвективной передаче тепла от нагретой медной
трубки в окружающее пространство. Такая конструкция работает как термос.
Стеклянные трубки изготавливают из особо чистого и прозрачного стекла. У
современных солнечных вакуумных коллекторов степень поглощения солнечной
энергии достигает 98%. Срок службы более 15 лет. Летом они могут полностью
обеспечить дом горячей водой. Способные работать зимой, такие устройства
послужат весомым дополнением к основной системе отопления. В остальном такая
система отопления (или горячего водоснабжения) по своей гидравлической схеме и
работе автоматики похожа на батарейную.
Другой альтернативной системой отопления является применение теплового
насоса. По сути, это холодильник с источником низкой температуры во внешней
среде. Принцип работы основан на том, что хладагент испаряется в камере с низким
давлением и температурой, а конденсируется в камере с высоким давлением и
температурой. Таким образом осуществляется перенос тепла от холодного тела к
нагретому за счёт работы теплового насоса. Без него такой процесс невозможен.
Низкотемпературная камера охлаждается за счёт циркуляции незамерзающего
теплоносителя в коллекторе, расположенном в грунте, в воде или на открытом
пространстве. В камере с высоким давлением и температурой происходит передача
тепла к теплоносителю системы отопления дома. Для работы такой системы нужна
электроэнергия, питающая двигатель теплового насоса. При этом на каждый
затраченный кВт электроэнергии тепловой насос вырабатывает 2...4 кВт тепловой
энергии. Залогом устойчивой работы такой системы отопления является постоянство
температуры в коллекторе ("холодном теле"). Тепловые насосы позволяют
значительно экономить электроэнергию или газ, однако требуют начальных
вложений и трудозатрат в устройство коллектора. Например, если коллектор
укладывать в грунте (на 0,5 метра ниже уровня промерзания), можно достичь
тепловую мощность ~20 Вт на 1 метр трубопровода. Для скважин ~40 Вт, для
коллектора, уложенного в воде ~30 Вт. Дополнительным преимуществом теплового
насоса является возможность переключения с отопления зимой на охлаждение
(кондиционирование) летом.