Тепловой баланс здания расчет

Тепловой баланс помещения

Расчёт системы кондиционирования и вентиляции начинается с составления теплового баланса помещения. На данном этапе необходимо учесть основные критерии, оказывающие непосредственное воздействие на воздушную среду помещения.

Определим все поступления и потери тепла в объёме помещения. Тепловые нагрузки можно условно разделить на два основных типа:

1) Внешние тепловые нагрузки.

— Изменение состояния воздуха внутри помещения, возникающее из-за разности температур уличного воздуха и внутреннего. Данные изменения могут носить как положительный характер (теплопоступления), так и отрицательный (теплопотери). Происходит это за счёт теплообмена через ограждающие конструкции (окна, стены, полы, кровля, перекрытия и т.д.)

— Поступление тепла за счёт солнечного излучения. Данный вид нагрузок всегда только положительный и выражается в виде ощутимого человеком тепла. Такие теплопоступления должны быть учтены в летний период года. В зимний период их можно принять незначительными. Также стоит учесть, что есть они только в дневное время.

— Приток наружного воздуха за счёт естественного теплообмена. В общем случае, конструкции помещений таковы, что всегда остаётся возможность притока воздуха через щели и зазоры. Данный вид нагрузок носит переменный характер. Зимой это приток воздуха с отрицательной температурой, летом – наоборот.

2) Внутренние тепловые нагрузки.

— Тепловыделения от технологического оборудования и бытовых приборов ( компьютеры, печи, промышленное оборудование и пр.), расположенных внутри помещения.

— Тепловыделения от ламп освещения. Данный тип тепловыделений стоит не учитывать, если установлены энергосберегающие лампы или светодиодные.

— Теплопоступления от людей в помещении.

— Специфичные источники тепла для данного помещения (производственные линии, продукты горения и т.д, от остывающей пищи).

Нагрузки второго типа всегда положительны, поэтому летом их нужно компенсировать работой системы кондиционирования. В зимний же период они позволят снизить затраты на работу системы отопления.

Теплопоступления и теплопотери за счёт разности температур наружного и внутреннего воздуха, в первом приближении, можно определить по известным зависимостям, изложенным в СП 50.13320.2013 и СП 60.13330.2016.

Количество тепла Q, передаваемое через единичный элемент конструкции здания (стена, окно, пол и т.д.), определяется по формуле:
Q=F*k*(tн-tв)*Ψ, где

F – площадь элемента конструкции м^2;
K – коэффициент теплопередачи элемента конструкции (Вт/м*K);
tв — расчётная температура внутреннего воздуха, С;
tн — расчётная температура наружного воздуха, С;
Ψ – поправочный коэффициент, который выбирается согласно СП 50.13320.2013 и СП 60.13330.2016. Данный коэффициент является составным и включает в себя

— поправку на ориентацию ограждения на сторону света;
— поправка на этажность;
— поправка на обдуваемость ветром;
— поправка на проникновение в помещение наружного воздуха через неплотности;
— поправка на солнечную радиацию.

Важным фактором является цвет наружных стен, т.к. коэффициент поглощения тепла наружных стен может достигать 0,9 для тёмных оттенков.
Важным элементом теплового баланса является приток тепла от солнечного излучения. Для зданий с стеклянными витражами (бизнес-центры, шоу-румы, и т.д.) тепловая нагрузка солнечного излучения может составлять до 50% всего теплового баланса помещения.

Поступления тепла учитываются для летних и переходных периодов с средней дневной температурой от +10 С.
Количество теплоты (Вт/м2*ч) поступающего от солнечной радиации для различных типов остеклённых поверхностей приведены в нижеследующих таблицах:

За искомое значение тепла от солнечного излучения принимают большее из:

1) Тепло, поступающее через одну из остеклённых поверхностей, имеющую наибольшую площадь или освещаемую большую часть времени в течение суток.
2) 70% от тепла, поступающего через две взаимно перпендикулярные остеклённые поверхности в помещении.

Как не трудно заметить, приведённые выше правила требуют больших трудозатрат. В практике проектирования систем вентиляции и кондиционирования воздуха существует отработанная экспресс-методика расчёта теплового баланса. Она подходит для случаев, когда необходимо быстро оценить мощность системы кондиционирования.

Теплопоступления от разности температур внутреннего и наружного воздуха, а также от солнечной радиации принято рассчитывать согласно формуле

V – объём помещения м3;
q_уд – удельная тепловая нагрузка, выбираемая из следующего списка:

30-35 Вт/м3 – солнечное излучение в помещение не поступает;
35 Вт/м3 – среднее значение;
35-40 Вт/м3 – конструкция помещения содержит большое остекление с солнечной стороны.

Теплопоступления Q2 от работающего офисного оборудования и орг. техники принимаются как 300 Вт на один компьютер (или 30 % от общей мощности работающего в помещении оборудования). Если в помещении есть доп. тепловыделяющее оборудование (электроплиты, газовые плиты, радиаторы отопления), эти теплопоступления также необходимо учесть.

Теплопоступления Q3 от находящихся в помещении людей выбираются в зависимости от характера деятельности людей. Для офисных помещений Q3 рассчитывают исходя из 100 Вт на одного человека. Для помещений, где люди занимаются физической деятельностью теплоприток на одного человека принимают за 150-300 Вт в зависимости от категории работ согласно СП.

Суммируем полученные величины: Q_общ= Q1+Q2+Q3.

К этой сумме нужно прибавить 20% на неучтённые теплопритоки.

Тепловую мощность (Вт) системы отопления помещений для содержания животных определяют по уравнению теплового баланса:

где: Q_огр — поток теплоты, теряемой помещением через наружные ограждения;

Q_в — поток теплоты , идущий на нагрев приточного воздуха ;

Q_исп — поток теплоты , расходуемой на испарение влаги с мокрых поверхностей животноводческого помещения ;

Q_ж— поток свободной теплоты, выделяемой животными.

2.1 Определение тепловых потерь через наружные ограждения

При расчете тепловых потерь (Вт) помещением учитывают основные суммарные потери через все наружные ограждающие конструкции помещения и добавочные суммарные теплопотери:

Q_огр=Q + Q_доб (2.2)

Основные потери теплоты через отдельные ограждения определяют по формуле:

Q = (2.3)

где: Ro — общее сопротивление теплопередаче ограждения, м 2 ∙ºС/Вт;

F — площадь ограждения, м 2 ;

t_в и t_н – расчетные температуры внутреннего и наружного воздуха, ºС; ([1] Приложение 2)

n — коэффициент, зависящий от положения наружной поверхности ограждения по отношению к наружному воздуху (n = 1).

Сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции:

Ro = Rв++Rн (2.4)

где: Rв — термическое сопротивление тепловосприятию внутренней поверхности ограждения, м 2 °С/Вт;

— сумма термических сопротивлений теплопроводности отдельных слоев m-слойного ограждения толщиной (м), выполненных из материалов с теплопроводностью , Вт/(м°С);

Rн – термическое сопротивление теплоотдаче наружной поверхности ограждения (для наружных стен и бесчердачных покрытий Rн = 0,043 Вт/(м°С), для перекрытий чердачных и над неотапливаемыми подвалами

Определяем термические сопротивления перекрытий

Несущие стены выполнены из двухслойных керамзитобетонных панелей [стр 7.,]

Rн = 0,043 м 2 °С/Вт

Rв = 0,086 м 2 °С/Вт

Определим Rо.ст для стены

Rо.ст = 0,086 + 0,4/0,2 + 0,043 = 2,129 м 2 °С/Вт

Окна с двойными переплетами раздельные (двойное остекление)

Rо.ок = 0,38 м 2 °С/Вт

Площадь окна равна Fокн. = 2,16 м 2

Наружные ворота деревянные двойные

Определяем основные теплопотери

Площадь ворот с западной стороны: Fз.в = 22,72,4 = 12,96 м 2

Теплопотери (n = 1): Qз.в = 12,96/0,43(20 – (-25))1 = 1356,27 Вт

Площадь западной стены:

Fз.ст. = 873- 37∙ Fокн = 261 – 79,92 = 181,08 м 2

Теплопотери (n = 1): Qз.ст = 181,08/2,129451 = 3827,4 Вт

Площадь окон с западной стороны (37 шт.): Fз.ок = 2,16∙37 = 79,92 м 2

Теплопотери (n = 1): Qз.ок = 79,92/0,38(20 – (-25))1 = 9464,21 Вт

Площадь ворот с восточной стороны: Fв.в =22,72,4 = 12,96 м 2

Теплопотери: Qв.в = 12,96/0,43(20 – (-25))1 = 1356,27 Вт

Площадь восточной стены:

Fв.ст. = 873 -38∙ Fокн — Fв.в = 261 – 82,08 – 12,96 = 165,96 м 2

Теплопотери: Qв.ст = 165,96/2,129451 = 3507,8 Вт

Площадь окон с восточной стороны (38 шт.): Fз.ок = 2,16∙38 = 82,08 м 2

Теплопотери: Qв.ок = 82,08/0,38(20 – (-25))1 = 9720 Вт

Площадь западной стены:

Fю.ст. = 93 — 1∙ Fокн = 27 – 2,16 = 24,84 м 2

Теплопотери (n = 1): Qю.ст = 24,84/2,129451 = 525,03 Вт

Площадь окон с западной стороны (1 шт.): Fю.ок = 2,16∙1 = 2,16 м 2

Теплопотери (n = 1): Qю.ок = 2,16/0,38(20 – (-25))1 = 255,78 Вт

Площадь ворот с западной стороны: Fс.в = 3 2,7 = 8,1 м 2

Теплопотери (n = 1): Qс.в = 8,1/0,43(20 – (-25))1 = 847,67 Вт

Площадь западной стены:

Fс.ст. = 93- 2∙ Fокн — Fз.в = 27 – 4,32 – 8,1 = 14,58 м 2

Теплопотери (n = 1): Qс.ст =14,58 /2,129451 = 308,17 Вт

Площадь окон с западной стороны (2 шт.): Fс.ок = 2,16∙2 = 4,32 м 2

Теплопотери (n = 1): Qс.ок =4,32 /0,38(20 – (-25))1 = 511,57 Вт

Fкр = 873,35∙2 = 582,9 м 2

Покрытие: Асбестоцементные волнистые листы λ = 0,49 Вт/(м°С) δ = 0,012 м

Утеплитель: Минераловатные плиты λ = 0,07 Вт/(м°С) δ = 0,04 м

Настил из досок: λ = 0,16 Вт/(м°С) δ = 0,06 м

Rн = 0,043 м 2 °С/Вт

Rв = 0,086 м 2 °С/Вт

Определим Rо.ст для крыши

Rо.ст = 0,086 + 0,012/0,49 + 0,04/0,07 + 0,06/0,16 +0,043 = 1,32 м 2 °С/Вт

Теплопотери (n = 1): Qкр = 582,9/1,32451 = 19871,59 Вт

1) Бетон на гравии =0,08 м =1,8 Вт/(м°С)

2) крупнозернистый песок, утрамбованный со щебнем:

= 0,12 м = 0,23 Вт/(м°С)

Пол утепленный т.к. _у.с 2 °С/Вт)

по зонам разбивки пола: R_н.п.I=2,15 м 2 °С/Вт , R_н.п.II=4,3 м 2 °С/Вт , R_н.п.III=8,6 м 2 °С/Вт, R_н.п.IV=14,2 м 2 °С/Вт

Разбиваем пол на зоны шириной по 2 м.

Рис.1 План разбивки пола

Находим площади зон

F_I = 87∙4 + 9∙4 = 384 м 2

F_II = 83∙4 + 1∙4 = 336 м 2

F_III = 79∙1= 79 м 2

Вычисляем термические сопротивления для каждой зоны по формуле (2.4):

для I зоны R_у.п.I = 2,15 + 0,08/1,80 = 2,19 м 2 °С/Вт

для II зоны R_у.п.II = 4,3 + 0,12/0,23 = 4,82 м 2 °С/Вт

для III зоны R_у.п.III = 8,6 + 0,12/0,23 = 9,12 м 2 °С/Вт

Теплопотери через пол по формуле (2.3):

Qпол = (384/2,19 + 336/4,82 + 79/9,12 )∙ 451 = 11412 Вт

Основные Q через все строительные ограждающие конструкции помещения (двери, стены, окна, крыша , пол).

Q = Qз.в + Qв.в + Qс.в + Qз.ст + Qв.ст + Qю.ст + Qс.ст +

+ Qз.ок +Qв.ок + Qкр + Фпол

Q = 1356,27 + 1356,27 + 847,67 + 3827,4 + 3507,8 + 525,03+

+ 308,17 + 9464,21 + 9720 + 19871,59 + 11412 = 62196,4 Вт

Определяем добавочные теплопотери:

Потери по сторонам света:

Передняя сторона выходит на запад – 5%

Задняя сторона выходит на восток – 10%

Одна из боковых сторон выходит на север – 10%

Дополнительные теплопотери будут равны :

Qдоб.ст = Qз.ст∙0,05 + Qв.ст∙0,1 + Qс.ст∙0,1

Qдоб.ст = 3827,4∙0,05 + 3507,8∙0,1+308,17∙0,1 = 572,94 Вт

Qдоб.ок = Qз.ок∙0,05 + Qв.ок∙0,1

Qдоб.ок = 9464,21∙0,05 + 9720∙0,1 = 1445,2 Вт

Добавочные теплопотери через наружные ворота с тамбуром между ними принимают равными 80% от основных через них.

Qдоб.в = 0,8∙3560,2 = 2848,16 Вт

Дополнительные потери теплоты на нагревание наружного воздуха, инфильтрующегося притворы окон, дверей и ворот принимаем 30% от основных теплопотерь через все ограждения.

Qинф = 0,3∙Q

Qинф = 0,3∙62196,4 = 18658,9 Вт

Таким образом добавочные теплопотери через ограждения

Qдоб = Qдоб.ст + Qдоб.ок + Qдоб.в + Qинф

Qдоб =572,94 +1445,2 + 2848,16 + 18658,9 = 23525,2 Вт

Qогр =62196,4 + 23525,2 = 85721,6 Вт

СОДЕРЖАНИЕ

1. Исходные данные для проектирования

2. Расчет теплового баланса помещения

2.1 Статьи теплового баланса

2.2 Потери теплоты через ограждающие конструкции

2.3 Затраты теплоты на испарение влаги

2.4 Теплота, выделяемая животными

2.5 Тепловой баланс помещения

2.6 Определение температуры приточного воздуха

3. Расчет необходимого воздухообмена и мощности системы отопления

3.1 Воздухообмен на разбавление влаги

3.2 Воздухообмен по допустимой концентрации углекислого газа

3.3 Воздухообмен по нормам расхода свежего воздуха на 100 кг

живой массы животного (птицы)

3.4 Мощность системы отопления

3.5 Расчет калорифера

4. Выбор и аэродинамический расчет системы вентиляции

4.1 Выбор системы вентиляции

4.2 Аэродинамический расчет приточной

4.3 Аэродинамический расчет нагнетательной части вентиляционной

4.4 Выбор и расчет мощности привода вентилятора

4.5 Расчет воздуховыбросных шахт

Вентиляторы применяются во всех отраслях народного хозяйства.

В России при эксплуатации вентиляторов в различных отраслях промышленности потребляется до 8% всей вырабатываемой электроэнергии.

Особое место вентиляция имеет в сельскохозяйственных зданиях и сооружениях. Если говорить о влияние вентиляции на продуктивность животных, установлено, что продуктивность животных зависит не только от эффективного использования кормов, но и в значительной мере определяется состоянием среды в животноводческих помещениях.

Для обеспечения устойчивости животных к простудным заболеваниям, роста их продуктивности необходимо создание оптимальных условий их содержания, то есть микроклимата, который зависит от ряда факторов или показателей, основными из которых являются температура, влажность, подвижность и загазованность воздуха в животноводческих помещениях.

Требуемый микроклимат достигается правильным соблюдением теплофизических норм строящихся животноводческих помещений, организация воздухообмена, выбором системы удаления навоза, применением эффективных средств регулирования параметров воздушной среды.

Соблюдение параметров микроклимата в животноводческих помещениях влияет не только на здоровье животных и продуктивность, но и на продолжительность срока службы основных производственных зданий, улучшение условий эксплуатации технологического оборудования и труда обслуживающего персонала.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Вид животных и количество: Куры несушки, 8000 голов.

Размеры помещения: 18х90х3 м.

Материал стен: кирпич пористый

Толщина стен: 520 мм.

Тип кровли: Чердачная

Наружная температура: -28ºC.

Параметры теплоносителя: 90/70 ºC

Таблица1 – Параметры наружного воздуха

t_н, °С	φ, %	d_н, г/кг	i,кДж/кг	t_т.р, °С	ρ_н, кг/м 3
-28	—	0,4	-36,4	—	1,44

i = c∙t=1,3∙(-28)= -36,4

Таблица 2 – Параметры наружного воздуха

t_вн, °С	φ, %	d_вн, г/кг	i,кДж/кг	t_т.р, °С	ρ_н, кг/м 3
1,22

РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА ПОМЕЩЕНИЯ

Статьи теплового баланса

Расчет теплового баланса производится для определения мощности системы отопления (избыточной теплоты).

Уравнение теплового баланса имеет вид, Вт:

(2.1)

Тепловой баланс в первую очередь составляется для определения наличия теплопритоков в помещение либо недостатков тепла.

Расходуемая теплота, Вт,

(2.2)

Поступающая теплота, Вт,

(2.3)

Затраты теплоты на испарение влаги

Затраты теплоты на испарение влаги, Q_исп, Вт, определяют по формуле

(2.11)

(2.12)

М_ж = m∙ (2.13)

Теплота, выделяемая животными

Теплота, выделяемая животными, Q_ж, Вт, определяется по формуле

(2.15)

Тепловой баланс помещения

(2.16)

Так как ΔQ > 0, то в помещении имеет место недостаток тепла и тогда

(2.17)

Определение температуры воздуха подаваемого в помещение приточной вентиляцией

(2.18)

(2.19)

РАСЧЕТ НЕОБХОДИМОГО ВОЗДУХООБМЕНА И МОЩНОСТИ СИСТЕМЫ ВОЗДУШНОГО ОТОПЛЕНИЯ

Необходимый воздухообмен рассчитывается на основании баланса каждой вредности, поступающей в помещение и удаляемой из помещения. Как правило, производят расчет необходимого воздухообмена по каждой вредности, поступающей в помещение, и в качестве расчетного значения воздухообмена принимают наибольшее.

Мощность системы отопления

Мощность системы отопления Q_отопл, Вт, определяется из уравнения теплового баланса помещения с учетом тепла, необходимого на нагрев приточного воздуха

Расчет калорифера

На сельскохозяйственных предприятиях для нагрева воздуха могут использоваться различные агрегаты: теплогенераторы прямого и непрямого нагрева, электрокалориферы, водяные и паровые калориферы. В данной работе будет рассматриваться водяной калорифер.

Выбор и расчет водяных калориферов

(3.7)

По данному значению выбираем калорифер КВБ11Б-П-У3

Таблица 3.1 – Техническая характеристика выбранного калорифера

Площадь поверхности теплообмена, F_ф, м 2	107,08
Площадь фронтального сечения, f_ф, м 2	1,66
Площадь сечения прохода воды, f_труб, м 2	0,00348
Аэродинамическое сопротивление, Па (определяется по фактической массовой скорости воздуха)

1) определяем действительную (фактическую) массовую скорость воздуха, , кг/(м 2 с), через калорифер

(3.8)

где f_ф – фактическая площадь фронтального сечения выбранного калорифера.

2) расход воды, G_вод, м 3 /с, проходящей через калорифер определяем по формуле

(3.9)

3) cкорость движения воды по трубкам калорифера, ω, м/с, будет равна

(3.10)

4) коэффициент теплопередачи калорифера (калориферной установки (при применении двух и более калориферов), К, Вт/(м 2 ∙°С), определяется по фактической массовой скорости воздуха, проходящего через калорифер, (v_ρ)_ф, кг/(м 2 с), и скорости движения воды по трубкам калорифера, ω, м/с, (приложение 8);

5) требуемая площадь поверхности нагрева, F_тр, м 2 , калориферной установки определяется по формуле

(3.11)

Средняя температура воды, t_ср, °С:

(3.12)

Средняя температура воздуха, t ср _возд, °С:

(3.13)

6) определяем коэффициент запаса (в %) калориферной установки по поверхности нагрева; он должен составлять 10…20%

(3.14)

При температуре -28 и ниже, использовать частичную рециркуляцию.

Выбор системы вентиляции

В животноводческих помещениях, как правило, в холодный период года используется механическая приточная и естественная вытяжная вентиляция через воздуховыбросные шахты, расположенные на кровле здания. Приточная механическая вентиляция может применяться с раздачей воздуха сосредоточенными струями (в основном в коровниках) и рассредоточенными струями сверху вниз или обратными потоками .

Следует иметь в виду, что система вентиляции не должна мешать технологическому процессу, связанному с содержанием животных. Система при наименьших капитальных затратах должна быть проста в монтаже и удобна в эксплуатации.

ЛИТЕРАТУРА

· Проектирование отопительно-вентиляционной системы животноводческого помещения,2014г, Г.А. Круглов, Р.И. Булгакова, М.В. Андреева.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Исходные данные для проектирования

2. Расчет теплового баланса помещения

2.1 Статьи теплового баланса

2.2 Потери теплоты через ограждающие конструкции

2.3 Затраты теплоты на испарение влаги

2.4 Теплота, выделяемая животными

2.5 Тепловой баланс помещения

2.6 Определение температуры приточного воздуха

3. Расчет необходимого воздухообмена и мощности системы отопления