КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ НАГРУЗОК

Несмотря на значительное разнообразие тепловой нагрузки, её можно разбить на две группы по характеру протекания во времени: сезонная и круглогодичная.

Изменения сезонной нагрузкизависят главным образом от климатических условий: температуры наружного воздуха, направления и скорости ветра, солнечного излучения, влажности воздуха и др. Основную роль играет наружная температура. Сезонная нагрузка имеет сравнительно постоянный суточный график и переменный годовой график нагрузки.

К сезонной тепловой нагрузке относятся отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Отопление и вентиляция (ОВ) являются зимними тепловыми нагрузками. Для кондиционирования воздуха в летний период требуется искусственный холод.

К круглогодичной нагрузкеотносятся технология и ГВС. Исключением являются только некоторые отрасли промышленности, главным образом связанные с переработкой сельскохозяйственного сырья (например, сахарная), работа которых имеет сезонный характер.

График технологической нагрузки зависит от профиля производственных предприятий и режима их работы, а график нагрузки ГВС – от благоустройства жилых и общественных зданий, состава населения и распорядка его рабочего дня, а также от режима работы коммунальных предприятий (бань, прачечных и др.).

Технологическая нагрузка и ГВС в отличие от сезонной нагрузки весьма слабо зависят от наружной температуры. Эти нагрузки имеют переменный суточный график. Годовые графики этих нагрузок также в определенной мере зависят от времени года. Как правило, летние нагрузки ниже зимних вследствие более высокой температуры перерабатываемого сырья и водопроводной воды, а также благодаря меньшим теплопотерям в теплосетях и производственных трубопроводах.

Одна из первоочередных задач при проектировании и разработке режима эксплуатации систем централизованного теплоснабжения заключается в определении значения и характера тепловых нагрузок.

 

Сезонная нагрузка

Основная задача отопления заключается в поддержании внутренней температуры помещений на заданном уровне. Для этого необходимо сохранение равновесия между тепловыми потерями здания и теплопритоком.

Условие теплового равновесия здания может быть выражено в виде равенства

 

Q = Q_т + Q_и = Q_о + Qтв = Qт (1 +µ), (1.1)

 

где Q - суммарные теплопотери здания; Q_т - теплопотери теплопередачей через наружные ограждения; Q_и - теплопотери инфильтрацией из-за поступления в помещение через неплотности наружных ограждений холодного воздуха; Q_о - подвод теплоты в здание через отопительную систему; Qтв - внутренние тепловыделения; µ = Q_и /Q_т - коэффициент инфильтрации.

Источником внутренних тепловыделений Qтв в жилых зданиях являются обычно люди, приборы для приготовления пищи, осветительные приборы. Эти тепловыделения носят в значительной мере случайный характер и не поддаются никакому регулированию по времени, кроме того они не распределяются равномерно по зданию: в помещениях с большой плотностью – относительно велики, с малой – незначительны.

Для обеспечения в жилых районах нормального температурного режима обычно устанавливают гидравлический и температурный режим теплосети по наиболее невыгодным условиям, т.е. по режиму отопления помещений с нулевыми внутренними тепловыделениями, т.е. Q тв= 0.

Источником внутренних тепловыделений в промышленных зданиях являются различного рода тепловые и силовые установки и механизмы (печи, сушила, двигатели и др.). Эти тепловыделения довольно устойчивы и нередко представляют существенную долю расчетной отопительной нагрузки, поэтому они должны учитываться при разработке режима теплоснабжения промышленных районов.

Теплопотери теплопередачей через наружные ограждения в Дж/с могут быть определены расчетным путем по формуле

 

Qт =∑ k F t, (1.2)

 

где k – коэффициент теплопередачи наружных ограждений, Вт/(м²·К), F – площадь поверхности отдельных наружных ограждений, м², t – разность температур воздуха с внутренней и наружной стороны ограждающих конструкций, °С.

На практике теплопотери теплопередачей определяются по следующей формуле

 

Q_т = q_о V ( t_в - t_н ) (1.3)

 

где q_о - удельная теплопотеря здания, Вт/(м³·К), V - объем здания по наружному обмеру, м³ , t_в - усредненная температура внутреннего воздуха отапливаемых помещений, °С, t_н - наружная температура, °С.

Для жилых и общественных зданий при правильной эксплуатации максимальное значение коэффициента инфильтрации не превосходят 3 – 6 %, что лежит в пределах погрешности расчета теплопотерь. Поэтому для упрощения инфильтрацию не вводят в расчет, а значение удельных теплопотерь принимают с небольшим запасом. Потери инфильтрацией промышленных зданий нередко достигают 25 – 30% теплопотерь и их необходимо учитывать при расчете.

При определении расхода теплоты на отопление исходят не из минимального кратковременного значения наружной температуры для данной местности, а из другого, более высокого, так называемого расчетногозначениянаружнойтемпературыдляотопленияtо, равной средней температуре наиболее холодных пятидневок, взятых из восьми наиболее холодных зим за 50-летний период.

Все значения наружных температур по всей территории России приведены в СНиП 23-01-99 «Строительная климатология».

Для экономного и правильного использования топлива имеет весьма важное значение выбор начала и конца отопительного сезона, которое для жилых и общественных зданий обычно регламентируется местными властями.

Действующими СНиП продолжительность отопительного периода определяется по числу дней с устойчивой среднесуточной температурой +8 °С и ниже. Эту наружную температуру обычно считают началом и концом отопительного периода. Однако эксплуатационные наблюдения показывают, что нельзя оставлять жилые и общественные здания без отопления в течение продолжительного времени при наружной температуре ниже +10 - + 12 °С, т.к. это приводит к заметному снижению внутренней температуры в помещении и неблагоприятно отражается на самочувствии людей.

Начало и конец отопительного сезона для промышленных зданий определяются наружной температурой, при которой теплопотери через наружные ограждения делаются равными внутренним тепловыделениям. Т.к. тепловыделения в промышленных зданиях значительны, то в большинстве случаев длительность отопительного сезона для них короче, чем для жилых и общественных зданий.

Расход теплоты на вентиляцию жилых зданий, не имеющих, как правило, специальной приточной системы, относительно невелик. Он обычно не превышает 5 - 10 % расхода теплоты на отопление и учитывается в значении удельной теплопотери здания.

Расход теплоты на вентиляцию производственных и коммунальных предприятий, а также общественных и культурных учреждений составляет значительную долю суммарного теплопотребления объекта, часто превосходя расход на отопление.

Расход теплоты на вентиляцию принимают по проектам местных систем вентиляции или по аналогичным проектам зданий, а для действующих установок – по эксплуатационным данным.

Ориентировочный расчет расхода теплоты на вентиляцию, Дж/с, можно проводить по формуле

 

Q_в = m V_в cв ( t_вп – t_н ), (1.4)

 

где m - кратность обмена воздуха, l/c или l/ч; V_в - вентилируемый объем здания, м³ ; св - объемная теплоемкость воздуха, равная 1260 Дж/(м³ ·К); t_вп - температура нагретого воздуха, подаваемого в помещение, °С; t_н - температура наружного воздуха, °С.

Для удобства расчета формулу (1.4) применяют в следующем виде

 

Qв = q_в V ( t_в – t_н ), (1.5)

 

где q_в - удельный расход теплоты на 1м³ вентилируемого здания по наружному обмеру и на 1°С разности между усредненной расчетной температурой воздуха внутри вентилируемого помещения и температурой наружного воздуха; tв - усредненная внутренняя температура, °С.

При отсутствии перечня общественных зданий с указанием их назначения усредненное значение удельного расхода теплоты на вентиляцию для предварительных расчетов можно принять равным 0,235 Вт/(м³ ·К), а вентилируемый объем – равным суммарному объему всех общественных зданий данного района или города. В районах нового строительства, при отсутствии данных об объеме намечаемых к сооружению общественных зданий, его можно учесть в размере 30% суммарного объема жилых зданий.

Отопительная нагрузка, как правило, имеет для жилья круглосуточный и практически постоянный характер, для общественных и промышленных зданий - непостоянно суточный а часто и непостоянный недельный график, когда в целях экономии теплоты искусственно снижают подачу теплоты на отоплении в нерабочие часы.

Значительно более резко изменяется как в течение суток, так и по дням недели вентиляционная нагрузка, т.к. в нерабочие часы промышленных предприятий и учреждений вентиляция, как правило, не работает.

В настоящее время существенную нагрузку в летний период имеют установки кондиционирования воздуха. При выработке искусственного холода тепловыми методами (абсорбционным или эжекционным), установки кондиционирования воздуха создают в летний период дополнительную тепловую нагрузку.

Одна из основных задач установок кондиционирования воздуха заключается в отводе из помещения избыточной теплоты, создающей дискомфортные условия из-за значительного повышения внутренней температуры.

Избыточное количество теплоты, подлежащее удалению из здания, Дж/с, определяется по формуле

 

Qиз = Qтп+ Q_тв , (1.6)

 

где Q_тп - количество теплоты, поступающее в здание через сплошные наружные ограждения и остекленные поверхности; Q_тв - внутренние тепловыделения.

 

Круглогодичная нагрузка

Параметры и расход теплоты на технологические нуждызависят от характера технологического процесса, типа производственного оборудования, общей организации работы и т.д.

Для экономии топливно-энергетических ресурсов следует совершенствовать технологические процессы, максимально использовать отработавшую теплоту для технологических целей, а при теплоснабжении от ТЭЦ максимально использовать теплоноситель более низкого потенциала.

Как правило, тепловые нагрузки промышленных предприятий задаются технологами на основе соответствующих расчетов или данных тепловых испытаний.

Наряду с расходами теплоты на отопление и вентиляцию зданий за счет её отпуска в горячей воде могут быть покрыты также расходы теплоты на системы горячего водоснабжения(ГВС) этих зданий. Горячая вода из из таких систем может расходоваться на бытовые нужды в зданиях всех групп, а в производственных помещениях – также и на технологические нужды. Бытовое ГВС является одним из основных видов благоустройства зданий.

По нормам для жилых и общественных зданий, все они должны оснащаться системами ГВС, а для отдельных групп зданий в соответствии с их назначением необходимы большие расходы горячей воды (предприятия общественного питания, бани, прачечные, больницы, спортивные сооружения).

Для систем ГВС, охватывающих здание в целом, температуру воды на входе приходится поддерживать не ниже уровня, соответствующего наивысшему из требуемых для водоразборных приборов различного типа.

ГВС имеет весьма неравномерный характер как в течение суток, так и в течение недели. Наибольшая нагрузка ГВС в жилых районах имеет как правило, в первый выходной день – субботу.

Средненедельный расход теплоты, Дж/с, бытового ГВС отдельных жи- лых, общественных и промышленных зданий или группы однотипных зданий:

 

Qг = a m c ( t_г – t_х ) / n_с , (1.7)

 

где a – норма расхода горячей воды с температурой 60°С, кг(л), на единицу измерения; m – количество единиц измерений; c – удельная теплоемкость воды, принимается равной 4,187 кДж/(кг ·К); t_г , t_х - температуры соответственно горячей и холодной воды, °С; n_с - расчетная длительность подачи теплоты на ГВС, с/сут, ч/сут.

При отсутствии данных о температуре холодной воды, её принимают в отопительный период 5°С, в летний 15°С.

Температура горячей воды в местах водоразбора должна быть в следующих пределах: в открытых системах теплоснабжения и в системах местного горячего водоснабжения не ниже 55 и не выше 80 °С, в закрытых системах теплоснабжения не ниже 50 и не выше 75 °С.

Для жилых домов, общежитий, гостиниц, пансионатов, школ-интернатов, домов отдыха, больниц, детских садов-яслей условно принимают n_с = 86400 с/сут = 24 ч/сут.

Для промышленных зданий и предприятий, имеющих местные аккумуляторы горячей воды, значение nс принимается равным значению фактической среднесуточной длительности подачи теплоты из сети на ГВС.

При отсутствии данных о количестве и типе жилых и общественных зданий во вновь застраиваемых жилых районах можно ориентировочно определить средненедельный расход на бытовое ГВС по формуле

Qг = m ( a + b ) c ( t_г – t_х ) / n_с , (1.8)

где m - число жителей, a - норма расхода воды с температурой 60°С на 1 жителя, л/сут; b - расход горячей воды для общественных зданий, отнесенных к 1 жителю района, л/сут.

Средний расход теплоты на бытовое горячее водоснабжение за сутки наибольшего потребления:

Qг = χ_н∙∙ Qг , (1.9)

где χ_н - коэффициент недельной неравномерности расхода теплоты, принимается для жилых и общественных зданий равным 1,2, для промышленных предприятий – 1,0.

Расчетный (максимально-часовой) расход тепла на ГВС равен среднечасовому за сутки наибольшего потребления, помноженному на коэффициент суточной неравномерности равным (для ориентировочных расчетов) 1,7 – 2,0 для городов и населенных пунктов и 1,0 для промышленных предприятий.

 

Вопросы для самопроверки

1. Назовите группы тепловой нагрузки, отличающихся характером протекания во времени и их общие характеристики.

2. Какие тепловые нагрузки относятся к сезонным, круглогодичным?

3. Каковы основная задача отопления и условие теплового равновесия здания?

4. Источники и характер внутренних тепловыделений в зданиях.

5. Расчет теплопотерь теплопередачей через наружные ограждения.

6. Дайте определение расчетной температуры наружного воздуха для отопления и продолжительности отопительного сезона.

7. Приведите формулы расчета расхода теплоты на вентиляцию, кондиционирование.

8. Какие факторы определяют расходы теплоты на технологические нужды предприятий?

9. Как определяется средненедельный расход теплоты на бытовое горячее водоснабжение?

10. Какие значения температур холодной и горячей воды принимаются в расчетах систем ГВС?

 

 

РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ НАГРУЗОК

Для определения расхода топлива, разработки режимов использования оборудования и графика его ремонта, загрузки и графика отпусков обслуживающего персонала, необходимо знать часовой и годовой расходы теплоты на теплоснабжение, а также его распределение по сезонам (зима, лето) или по отдельным месяцам.

 

Тепловые нагрузки

Тепловые нагрузки (тепловые потоки) при отсутствии проектов ОВ и ГВС зданий и сооружений определяются:

а) для предприятий – по укрупненным ведомственным нормам, утвержденным в установленном порядке, либо по проектам аналогичных предприятий,

б) для жилых районов городов и других населенных пунктов – по формулам:

1. Максимальная тепловая нагрузка, Вт, на:

- отопление Q_{О мах} = q_о A ( 1 + k₁ ), (1.10)

- вентиляцию Q_{В мах} = k₁ k₂ q_о A, (1.11)

 

- ГВС Q_{ГВ мах} = 2,4 QГВ _ср, (1.12)

где q_о - укрупненный показатель максимальной тепловой нагрузки на отопление жилых зданий 1 м² общей площади, Вт/м²; A – общая площадь жилых зданий, м²; k₁ - коэффициент, учитывающий тепловую нагрузку на отопление общественных зданий, при отсутствии данных следует принимать равным 0,25; k₂ - коэффициент, учитывающий тепловую нагрузку на вентиляцию общественных зданий, при отсутствии данных следует принимать равным: для общественных зданий, построенных до 1985г. – 0,4, после 1985г. – 0,6.

2. Средняя тепловая нагрузка, Вт, на:

- отопление Q_{O ср} = Q_{О мах} , (1.13)

- вентиляцию Q_{В ср} = Q_{В мах∙} , (1.14)

- ГВС в межотопительный период Q ГВср = Q_{ГВ ср} ß, (1.15)

где tвн – средняя температура внутреннего воздуха отапливаемых зданий, °С; tот - средняя температура наружного воздуха за отопительный период, °С; tно – расчетная температура наружного воздуха для проектирования отопления, °С; tхл – температура холодной (водопроводной) воды в летний период, °С; tхз – температура холодной (водопроводной) воды в отопительный период, °С; ß - коэффициент, учитывающий изменение среднего расхода воды на ГВС в летний период по отношению к отопительному периоду, принимается при отсутствии данных для жилищно-коммунального сектора равным 0,8 (для курортных и южных городов ß = 1,5), для предприятий – 1,0;

- ГВС в отопительный период Q_{ГВ ср} = c, (1.16)

где m – число жителей; a – норма расхода воды в л на ГВС при температуре 55°C для жилых зданий на одного человека в сутки, которая принимается в соответствии со СНиП 2.04.01 «Внутренний водопровод и канализация зданий»; b – то же, для общественных зданий; при отсутствии данных принимается равной 25 л в сутки на одного человека.

Потери теплоты в тепловых сетях следует определять расчетом с учетом тепловых потерь через изолированные поверхности трубопроводов и со среднегодовыми утечками теплоносителя.