close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

up ingoborudzdan 2015

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки Российской Федерации
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГИИ И ДИЗАЙНА»
Кафедра дизайна оборудования в средовых объектах
Б. Г. Устинов А. Н. Фешин В. Д. Коркин
ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ В ДИЗАЙНЕ СРЕДЫ
ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
ИНЖЕНЕРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ЗДАНИЙ
Утверждено Редакционно-издательским советом
университета в качестве учебного пособия
Санкт-Петербург
2015
УДК 696: 72 (075.8)
ББК 38.76:85.11я73
У80
Рецензенты:
главный специалист ОАО «Трансмашпроект» В. Д. Фомичев;
кандидат физико-математических наук, доцент Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна
Т. В. Камынина
Устинов, Б.Г.
У80 Инженерное оборудование зданий: учеб. пособие. Б. Г. Устинов, А. Н.
Фешин, В. Д. Коркин / СПб.: ФГБОУ ВПО «СПГУТД», 2015 г. – 181 с.
ISBN 978-5-7937-1036-7
В пособии подробно изложены и проиллюстрированы следующие разделы проектирования инженерного оборудования зданий и сооружений:
1. Теплопотребление. Типы систем и основные принципы расчётов.
2. Газоснабжение. Источники и их характеристики.
3. Термодинамические основы процессов вентиляции и кондиционирования
воздуха. Требования к среде помещений, системам и оборудованию.
Также рассматривается исторический путь развития инженерного оборудования и его использования.
Одной из главных задач при проектировании является обеспечение необходимых санитарно-гигиенических условий в жилых и нежилых комплексах и
требования к высокому уровню их комфорта, что возможно при использовании
высокотехнологичного, эффективного инженерного оборудования являющегося, в том числе, частью интерьеров, непосредственно связанных с архитектурно-планировочными решениями.
Разделы инженерного проектирования, не вошедшие в пособие, предъявлены в отдельных методических указаниях.
Предназначено для студентов по направлению подготовки 072500.62 –
Дизайн, 072500.68 – Дизайн пространственной среды.
УДК 696: 72 (075.8)
ББК 38.76:85.11я73
ISBN 978-5-7937-1036-7
© ФГБОУВПО «СПГУТД», 2015
© Устинов Б.Г., 2015
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. Введение ………………………………………………………………………..…4
2. Теплопотребление…………………………………………………………….…..6
2.1. Теплопотери отапливаемых помещений и зданий……………….…...12
2.2. Центральное отопление…………………………………………...……22
2.3. Режимы работы систем центрального отопления.
Общие представления о расчете……………………………………………37
2.4 Особые случаи отопления зданий……………………………..……….46
2.5 Печное отопление……………………………………………………….55
2.6 Отопительные котельные……………………………………………….61
2.7 Системы теплоснабжения………………………………………..……..69
3. Газоснабжение……………………………………………………………….......82
4. Термодинамические основы процессов вентиляции и кондиционирования
воздуха…………………………………………………………………………..…..94
4.1. Требования к воздушной среде помещений……………………...…104
4.2. Определение воздухообменов…………………………………..……112
4.3. Системы естественной вентиляции……………………………….....130
4.4. Системы механической вентиляции……………………………...….142
Заключение ………………………………………………………………………..164
Библиографический список………………………………………………………168
Приложение ..………………………………………………………………….….169
3
1. ВВЕДЕНИЕ
В состав инженерного оборудования зданий и сооружений обычно включают следующие системы: отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха, водоснабжение, канализация. Сюда входят также холодоснабжение, газоснабжение, мусороудаление, пылеудаление,
электроснабжение, слаботочные
сети и вертикальный транспорт. Говоря об инженерном оборудовании населенных мест рассматривают наружные сети и сооружения водоснабжения и канализации, тепло- и газоснабжения, электроснабжения и др.
Каждая из названных систем является предметом изучения и исследования
специалистами соответствующего профиля. Подготовка специалистов по этим
системам ведется с той или иной степенью подробности в строительных, технологических и политехнических учебных заведениях. Архитектор-дизайнер
обязан достаточно уверенно ориентироваться в широком спектре вопросов инженерного оборудования. Важно заметить, что часто именно архитектордизайнер определяет принятие принципиальных решений по инженерным системам. Поэтому его компетентность определяется не только творческой, но и
инженерной подготовкой.
В наше время уровень инженерного оборудования жилых, общественных и
промышленных зданий очень высок.
Современный специалист-дизайнер средовых объектов
обязан знать ин-
женерные системы и грамотно увязывать их и со строительными конструкциями, с обликом здания и внутренними пространствами.
Заметим, что выдающиеся архитекторы прошлого были прекрасными
специалистами в области инженерного оборудования. Так, например, в России
первые по-настоящему профессиональные труды по отоплению и вентиляции
написаны архитекторами Н. А. Львовым «Русская пиростатика», 1795–99 гг. и
И.С. Свиязевым «Теоретические основы печного искусства», 1867 г.
В системе мероприятий по охране окружающей среды и атмосферного воздуха инженерные системы также играют важнейшую роль.
4
Загрязнение атмосферы стало составной частью всей современной жизни.
Оно формируется за счет издержек тех способов, которыми мы производим ту
или иную продукцию, вырабатываем энергию, осуществляем перевозки и т. п.
Основными источниками загрязнения атмосферного воздуха следует считать
процессы сжигания органического топлива в энергетических установках
транспортных средствах. Другими мощными источниками загрязнения являются газы и пыль, сопутствующие технологическим процессам. Методами и средствами вентиляции и аспирации (очистки от аэрозолей) удается решать многие
задачи, связанные с защитой атмосферы.
Защита водоемов от загрязнения также является прерогативой инженерного оборудования зданий, сооружений и населенных мест и, в частности, систем
канализации и отчистки промышленных сточных вод. Широко известно, что
развитие промышленности и рост городов ведут к загрязнению водоемов. Такое
загрязнение привело к тому, что многие реки превратились в сточные канавы, а
в озерах уровень загрязнения столь велик, что жизнь в них становится практически невозможной. Такая ситуация сложилась, например, в Великих озерах на
территории США и Канады.
Одной из главных задач инженерного оборудования зданий и населенных
мест является обеспечение необходимых санитарно-гигиенических условий в
быту и на производстве. Заметим, что требования к уровню комфорта у нас в
стране постоянно растут вместе с ростом народного благосостояния. Улучшение жилищных условий населения немыслимо без совершенствования систем и
средств инженерного оборудования зданий на основе последних достижений
науки.
Очень важную роль играют инженерные системы и оборудование в обеспечении условий для хранения ценностей, произведений искусства, предметов
культуры.
Широкое строительство современных предприятий, внедрение новых технологических процессов, строительство зданий административного и обще-
5
ственного назначений потребовали расширения как номенклатуры, так и количества выпускаемого оборудования.
2. ТЕПЛОПОТРЕБЛЕНИЕ
Виды теплопотребления.
Использование теплоты на отопление, вентиляцию, кондиционирование
воздуха, горячее водснабжение и технологические нужды называется теплопотреблением.
Тепловые нагрузки можно подразделять на сезонные и круглогодичные. К
первым относят нагрузки на отопление, вентиляцию и кондиционирование воздуха, ко вторым - горячее водоснабжение и технологические нагрузки. Системы кондиционирования воздуха в теплый период года потребляют значительное количество холода.
Величина тепловой нагрузки на отопление зависит от теплофизических
свойств ограждающих конструкций и климатических условий района строительства (наружной температуры, скорости ветра, соляции, в меньшей степени
от относительной влажности воздуха). Вентиляционная тепловая нагрузка
определяется практически только температурой наружного воздуха. То же
можно сказать и о кондиционировании.
Время работы отопительных систем в течение года называется отопительным периодом. Продолжительность отопительного периода для того или
иного района определяется нормами по числу дней (часов) с устойчивой среднесуточной температурой наружного воздуха 8 °С и ниже. Зто относится к жилым и общественным зданиям. В промышленных зданиях отопительный период имеет, как правило, меньшую продолжительность, так как здесь в расчет
принимаются внутренние тепловыделения (выделение теплоты от работающего
оборудования, от нагретых поверхностей, электроосветительных приборов).
Начало и конец отопительного сезона в промышленных зданиях определяют по
наружной температуре, при которой внутренние тепловыделения становятся
равными потерям теплоты через ограждающие конструкции.
Подсчет тепловыделений - задача непростая. Её грамотное решение во
6
многом определяет качество принимаемых решений по созданию в помещениях промышленных зданий требуемого воздушно теплового режима.
Внутренние тепловыделения могут быть весьма значительными. Так, например,
10 м горизонтального трубопровода, по которому транспортируется пар, диаметром 200 мм выделяет в помещение около 60 000 Вт теплоты.
Приведем некоторые данные о продолжительности отопительного периода
в различных районах России в днях:
- Сибирь, Урал, Север европейской части ..................................... ……..230 ;
- Средняя полоса европейской части, северная часть Средней Азии. ..210;
- Юг европейской части ……………………………………………….180 ;
- Крым, Кавказ и юг Средней Азии ............... .. ............................ ….…120 .
Выбор теплоносителя, его гигиеническая и технико-экономическая оценка.
Каждая отопительная система состоит :
-из генератора теплоты;
- из теплопроводов;
-из нагревательных приборов, служащих для передачи теплоты от теплоносителя отапливаемому помещению.
Тепловая энергия получается в генераторе за счет сжигания твердого, жидкого или газообразного топлива. Для получения теплоты в последнее время все
шире используют ядерную энергию и так называемые возобновляемые источники (геотермальные воды, энергию Солнца).
В качестве теплоносителей применяют пар, воду, воздух и дымовые газы.
Системы отопления могут быть местными и центральными. Местными
отопительными системами принято называть такие, в которых все элементы
объединены и находятся в обслуживаемом помещении (печное отопление,
отопление газовыми и электрическими приборами). В центральных системах
генератор теплоты вынесен за пределы отапливаемого помещения, а чаще и
здания.
7
Центральные системы могут быть паровыми, водяными, воздушными. Системы парового отопления в зависимости от давления пара делят на системы
высокого (более 0,7 ати), низкого (до 0,7 ати) давления и вакуум-паровые (давление ниже атмосферного).
Системы водяного отопления подразделяются на две разновидности:
- с нагревом воды до 100 °С;
- с нагревом воды более 100 °С (перегретая вода).
Вода, пар и воздух, применяемые в качестве теплоносителей, обладают
различными технико-экономическими и гигиеническими показателями. Правильный выбор теплоносителя кроме оптимизации самой отопительной системы должен обеспечивать также удовлетворительную увязку отопительного
оборудования со строительными конструкциями здания и архитектурным
оформлением отапливаемых помещений.
Количество теплоты, перемещаемой в единицу времени по каналам и трубам, должно всегда компенсировать теплопотери. Что же касается объемов теплоносителей, то они всегда неодинаковы, так как неодинаковыми являются их
теплоёмкости. Поэтому для восполнения одного и того же количества теплоты
объем перемещаемой воды будет в 77 раз меньше объема пара и в 3000 раз
меньше объема воздуха. Если принять, что соотношение скоростей движения
воды, пара и воздуха 1:70:20, то оказывается, что габариты элементов систем
парового и водяного отопления соизмеримы. Воздушные системы имеют габариты на порядок больше. Можно принять первоначальную стоимость систем
примерно пропорциональной габаритам. Но при оценке экономической целесообразности того или иного теплоносителя надо учесть еще и расходы, связанные с перемещением теплоносителей от генератора к нагревательному прибору. В паровых системах эти расходы минимальны, так как пар перемещается за
счет давления, получаемого в генераторе. Для транспортировки воды и воздуха
требуются значительные затраты энергии.
В результате получается, что наиболее экономичными являются паровые
системы отопления, наименее - воздушные.
8
Однако пар как теплоноситель обладает весьма серьезными гигиеническими недостатками. Высокая температура поверхности нагревательных
приборов (больше 100 °С), во-первых, может приводить к ожогам, во-вторых,
вызывает интенсивное загрязнение воздуха помещений продуктами сухой возгонки органической пыли. Кроме того регулирование теплоотдачи нагревательных приборов в паровых системах возможно осуществлять только "пропусками", то есть выключением на время системы. Срок службы паровых систем меньше, чем водяных или воздушных, из-за интенсивной коррозии конденсатопроводов.
Не случайно поэтому наибольшее распространение в жилых и общественных зданиях получили системы водяного отопления.
Расчетные и годовые расходы теплоты на различные нужды.
Расчетные расходы теплоты это такие расходы, которые определяют тепловую мощность отопительных систем.
Годовые расходы позволяют оценивать среднее потребление теплоты зданием, населенным пунктом, промышленным предприятием за год и необходимы для оценки потребности в топливе, определения технико-экономических
показателей систем и т. д.
Для определения расчетных и годовых расходов теплоты часто пользуются
так называемыми удельными отопительными q 0 и вентиляционными q в характеристиками знаний. Они представляют собой расход теплоты на 1 м 3 строительного объема здания при 1°С расчетной разности температуры. размерность
этого показателя
Вт
ккал
/ 30 /.
3 0
м С м С
Тогда расчетный расход теплоты на отопление составит
Q  q 0VH 10 3 (t B  t HP ) ,
(1)
где V H - объем здания по наружному обмеру (без подвала);
t B - температура воздуха в помещении;
t HP - расчетная наружная температура для проектирования отопления.
9
В качестве t HP принимается средняя температура наиболее холодных восьми пятидневок за пятидесятилетний период. Для Москвы и Санкт-Петербурга
t HP = 25 °С.
Приведем некоторые данные по q 0 ,
Вт
м3 0 С
Жилые и общественные здания:
- одноэтажные ………………………………………………………....….0,7-0,83
- 2–3- этажные……………………………………………………………..0,47-0,58
- 4–5- этажные…………………………………………………………..…0,43-0,47
- 6 и более этажей ……… ……………………………………………..…0,35-0,47
Производственные здания:
- сталелитейные цехи ………………………………………………….….0,2-0,3
- механосборочные цехи ………………………………………………....0,4-0,6
- складские здания……………………………………………………….….0,7-0,9
Расходы теплоты на отопление при любой наружной температуре можно
найти по формуле (2)
Q0 / max  Q
tB  tH
,
t B  t HP
(2)
где : t H - текущая наружная температура.
При этом имеется в виду линейная зависимость Q0. max = f (t H ) .
Используя такое представление, нетрудно найти годовое потребление теплоты на отопление по формуле (3)
Q0.год  Qoф П 0 24 ,
(3)
где: Qоф - средний за отопительный период расход теплоты, соответствующий
средний за этот период температуре наружного воздуха;
П 0 - число суток отопительного периода.
При определении расхода теплоты на вентиляцию (расчетного и годового)
необходимо иметь в виду, что для жилых зданий такой расход вообще не учи-
10
тывается, а в промышленных и общественных зданиях вентиляция не работает
круглые сутки, т. е.  В ‹ 24.
В вентиляционных системах теплота затрачивается на подогрев наружного
воздуха. Поэтому здесь расчетный часовой расход по формуле ( 4)
QВ 
 Н Cр
(t В  t HР ) ,
рВ
(4)
где  H - часовой расход наружного воздуха, м 3 /ч;
Ср- теплоемкость воздуха,
Вт
;
кг.г рад
р В - плотность воздуха, кг/ м 3 .
Годовой расход теплоты и вентиляцию составит:
QВ.год  QВ.ср П В  В ,
где
(5)
П В - число суток работы в году установок для подогрева наружного во -
здуха;
QВ.ср - средняя за отопительный период тепловая нагрузка на вентиляци-
ные системы (по аналогии с отоплением).
Для определения теплопотребления жилых районов иногда используют
показатель – теплоплотность. Под теплоплотностью понимают величину тепловой нагрузки, приходящейся на единицу площади застраиваемой территории
(МВт) га, МВт ( км 2 ).
Величины теплоплотности МВт/га:
- Сибирь, Урал, Север европейской части……………………………..0,81
-Средняя полоса европейской части ………………………….……… 0,75
-Юг европейской части .............................................................. .………. 0,67
-Крым, Кавказ, юг Средней Азии............................ .................. ………...0,58
Величины теплоплотности позволяют решать вопросы выбора систем теплоснабжения, теплового районирования, распределения источников теплоты и
др.
11
В градостроительной практике используют данные по расходу теплоты на
одного жителя. Такие данные нетрудно найти в справочной литературе.
2.1 ТЕПЛОПОТЕРИ ОТАПЛИВАЕМЫХ ПОМЕЩЕНИЙ И ЗДАНИЙ
Общие сведения.
Потеря теплоты зданиями имеет место в основном из-за разности температуры между воздухом помещения и наружным воздухом (∆t= t В  t H ) . При этом
t В поддерживается системой отопления на постоянном уровне (нормативном по
СНиП 2.04.05-84) в пределах 18 - 23 °С, а t H существенно переменна.
Кроме того потери теплоты зданиями зависят от ветровой нагрузки (скорости ветра), которая связана с инфильтрацией холодного наружного воздуха.
Теплота, вносимая в здание путем инсоляции, в расчетах не учитывается и
идет в запас.
При определении теплопотерь приходится сталкиваться с тремя видами
передачи теплоты: теплопроводностью, конвекцией и излучением.
Теплопроводность (кондукция) - переход теплоты внутри тела или от одного тела к другому посредством соприкосновения материальных частиц . При
этом по формуле (6):
QT  
где  -
t1  t 2

F,
(6)
коэффициент теплопроводности (количество теплоты, переносимой
через 1 м 2 изотермической поверхности в единицу времени при разности температуры, равной единице);
t1 ,t 2 - температура внутренней и наружной поверхностей;
 - толщина конструкции;
F - площадь, через которую осуществляется перенос теплоты теплопроводностью.
12
Размерность коэффициента теплопроводности - Вт/ м К, ккал/м ч °С, 1 ккал/
м ч °С = 1,163 Вт/ м К. Для строительных и теплоизоляционных материалов
значения коэффициентов теплопроводности колеблются от 0,02 до 3 Вт/ м К и
приводятся в СНИП 11-3-79 и справочниках .
Конвекция - перенос теплоты в жидкостях и газообразных средах вместе с
материальными частицами. Для передачи теплоты конвекцией у поверхности
твердого тела:
QK  £K (t1  t ) F ,
гд е
(7)
£K -коэффициент теплоотдачи конвекцией (количество теплоты, перено-
симое у поверхности через 1м2 при разности температуры между поверхностью
и газом (воздухом)1 °С)
Для внутренних поверхностей ограждений £ В K = 5-8 Вт/ м2 К, для наружных поверхностей - 11-23 Вт/ м2 К.
Излучение - теплообмен между поверхностями через лучепрозрачную среду.
Q л  £л (t1  t ) F ,
(8)
где £л -коэффициент излучения (по содержанию аналогичен £K ).
Определяется £л по формуле Стефана-Больцмана:
T
T
( 1 )4  ( 2 )4
100 C пр,
£л = 100
t1  t 2
где С пр - приведенный коэффициент излучения;
t1 ,t 2 - температура теплообменивающихся поверхностей, °С;
T1 ,T2 - то же, но в К.
Размерность С пр – Вт/ м 2 К 4
С пр =
1
1
1
1


С1 С 2 С 0
где С 0 - коэффициент излучения абсолютно черного тела,
13
С0  5,7 Вт / м 2 К 4
С1 ,С 2 - коэффициент излучения теплообменивающихся тел.
Теплопередача через плоскую стенку.
Запишем уравнения для тепловых потоков через стенку
QВ  £В (t В  t ВП ) F ;
QT 

(t ВП  t НП ) F ;

QН  £Н (t НП  t Н ) F ;
Заметим, что
QВ  QТ  QН  Q .
Тогда
Q
 t В  t ВП ;
ВF
Q

F

 t ВП  t НП ;
Q
 t НП  t Н .
Н F
Рис. 1
Суммируем правые и левые части
Q 1 
1
(
 
)  tВ  tН .
F В  Н
Далее
14
Q
tВ  tН
1 
1
 
aВ  aН
F.
Выражение
1
K
1 
1
 
aВ  aН
представляет собой коэффициент теплопередачи. Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, – термическое сопротивление стенки.
Как видим, термическое сопротивление является суммой сопротивлений
материал стенки и сопротивлений теплопереходу у поверхностей.
Последние связаны с тем, что непосредственно у поверхностей стенки
имеет место так называемый пограничный слой, обладающий подобно материалу стенки своим термическим сопротивлением.
Итак, R0 
и RВ 
1 
1
 
aВ  aН
1

1
.
; RТ  ; RH 
aВ

aН
Окончательно формула
Q
tВ  tН
F.
R0
(9)
Для многослойных ограждений
R0 

1 1
1
1 n i
1
  ... П 

 
.
I
a В 1
П aН aВ
i a H
Полученные зависимости позволяют определить распределение температуры по толщине стены. Нетрудно видеть, что для стационарного режима
Q
 dt 
t ВП  t НП
t ВП  t НП


F   (
d
)F
dx
tx
t ВП  t НП
t ВП

dx; dt 

x
0
dx
t ВП  t X t ВП  t НП
x

; t X  t ВП  (t ВП  t НП ) .
x


Если ограждение двухслойное и 1 >  2 , то
t В  t ВП t ВП  t1 t1  t НП t НП  t Н



.
RВ
R1
R2
RН
И t1  t НП > t ВП  t1 ,если  1   2 (рис. 2).
15
Воздухопроницаемость
и
влажностный режим ограждений
рассмотрены в курсе строительной
теплотехники. Заметим только, что
в зимний период влага мигрирует
из помещения в атмосферу, так как
парциальное давление водяного пара в помещении больше, чем в атмосфере. А это значит, что внутренние слои ограждений
Рис. 2
находятся в более влажном режиме. Следовательно, теплоизоляцию надо располагать с наружной стороны ограждения.
Требуемое термическое сопротивление ограждений.
С увеличением термического сопротивления ограждений уменьшаются теплопотери, но растет стоимость
ограждений. Рис.3 хорошо иллюстрирует
тот факт, что с ростом R0 в то же время
уменьшаются как следствие снижения
теплопотерь и эксплуатационные затраты. Следовательно, можно определить такое значение R0 опт , при котором приведенные затраты минимальны.
Рис. 3
П - приведенные затраты; К - капитальные затраты;
Э – эксплуатационные затраты
П= К+Е н + Э.
Однако во всех случаях общее термическое сопротивление ограждения должно
16
быть таким, чтобы была исключена возможность недопустимо больших колебаний температуры на внутренних поверхностях.
Зависимость температуры внутренней поверхности t ПВ от R0 при установившемся режиме можно найти так:
a В (t В  t ВП ) 
t ВП  t В  RВ
tВ  tН
;
R0
tВ  tН
;
R0
Или R0  RВ
tВ  tН
.
t В  t ВП
Разность
t В  t ВП
не
должна превышать нормируемой
величины:
для
наружных стен - 4– 6 °С.
потолков - 4 °С, пола 2 °С
Рис. 4
Отсюда R0мр ≥ RВ
t В  t НР
n,
t нор
где t HP - расчетная наружная температура, которая определяется кроме всего
прочего массивностью ограждения;
п – коэффициент, зависящий от степени контакта наружной поверхности
ограждения с наружным воздухом.
Степень массивности ограждений определяется безразмерной характеристикой тепловой инерции ограждения D, которая определяется по формуле:
n
D   Ri S i ,
(10)
1
где S – коэффициент теплоусвоения материала, Вт / м 2 К .
Согласно теории О. Е. Власова формула:
17
S
2П
С ,

(11)
где С – теплоемкость материала;
λ - коэффициент теплопроводности;
υ – объемный вес;
z –период изменения температуры (при расчетах теплопотерь принимается равным 24 часам).
Если D менее 1,5, ограждение считается безынерционным и в качестве
расчетной при определении R0мр принимается абсолютная минимальная температура наружного воздуха. При D от 1,5 до 4 ограждение обладает малой инерционностью, а расчетной является средняя температура наиболее холодных суток. Когда D находится в пределах от 4 до 7 (средняя инерционность), расчетная температура равна средней температуре тех наиболее холодных суток. При
D более 7 имеет место большая инерционность, а расчетной является средняя
температура наиболее холодной пятидневки.
Теплопотери помещений
Рис. 5. Обмер наружных ограждений
НС – наружная стена; 0 – окно; ПЛ – пол; ПТ – потолок; Д – дверь
Для определения теплопотерь помещений используют формулу
18
Q  K рссч (t В  t НР ) F 
t В  t НР
F,
R0расч
(12)
где F- расчетная теплопередающая поверхность.
Поверхность нетрудно определить, если руководствоваться правилами обмера
наружных ограждений, иллюстрируемыми
(рис. 5).
Расчет теплопотерь через полы на
грунте, лагах и через подземные части зданий определяют с помощью разбиения последних на двухметровые зоны так, как это
показано на (рис. 6).
Для не утепленных полов коэффициенты
Рис. 6
термического сопротивления условно принимают следующими для зон
( м 2 °С) Вт: RI  2,15; RII  4,3; RIII  8,6; RIV  14,2 .
Для утепленных полов эти коэффициенты можно определять по формуле:
n
R уп  Rнп  
1
 усi
,
 усi
(13)
где  ус - толщина утеплителя;
 ус - коэффициент теплопроводимости теплителя.
Для полов на лагах Rл  1,18R уп .
Подземные части зданий при расчете теплопотерь идентифицируют с полами на грунте.
Набавки к теплопотерям:
1. На ориентацию по странам света:
- северо-западная ориентация - 10 %;
- восточная ориентация - 10 %;
- юго-восточная ориентация - 5 %;
19
- северная ориентация -10 %;
- западная ориентация -5 %.
2. На обдувание здания ветром:
- для наружных ограждений, защищенных от ветра – 5 %;
- для ограждений при скорости ветра до 5 м/с – 10 %.
Если скоростьветра превышает 5 м/с, то надбавка увеличивается в два раза.
При скорости ветра более 10 м/с надбавка увеличивается в три раза. При этом в
расчет принимается скорость ветра - средняя для отопительного периода по
СНиП 2.01.01-82 (Строительная климатология и геофизика). Еще большие
надбавки принимаются для некоторых районов Крайнего Севера и Дальнего
Востока.
3. На входные двери надбавка принимается в зависимости от конструк-
ции входа и числа этажей n, в %:
- при двойных дверях без тамбура - 100 n ;
- при двойных дверях с тамбуром - 80 n. ;
- при одинарных дверях - 65 n ;
4. Для общественных зданий при высоте этажа более 4 м – 2 % на каждый
метр сверх четырех, но не более 15 %.
5. При наличии в помещении двух и более наружных стен – 5 %.
Теплотехнические соображения по выбору рациональных архитектурнопланировочных решений.
Сами по себе отопительные системы, если не учитывать так называемых
замыкающих затрат, то есть затрат, связанных с выработкой энергии для отопления зданий, имеют весьма небольшой удельный вес в стоимости здания. Однако функционирование систем связано с существенными расходами людских,
материальных и топливно-энергетических ресурсов. Все это приводит, например, к тому, что срок окупаемости отопительных систем продолжительнее, чем
у строительных конструкций. Последнее связано также с увеличением стоимости
20
производства
энергии.
Серьезное
беспокойство
у
специалистов-
энергетиков вызывает перерасход энергии при ее нерациональном использовании. Это определяется в известной степени тем, что при проектировании зданий и сооружений теплотехнические качества последних во многом формируются до расчета систем, определяющих микроклимат. Значительное влияние на
теплотехнические характеристики зданий и сооружений оказывает степень
остекления наружных теплопередающих поверхностей. Достаточно указать,
что увлечение остеклением в 50 – 60-х годах XX века привело к росту теплопотерь зданиями в 1,3 – 1,5 раза. Заметим также, что развитие остекления
приводит не только к увеличению потерь теплоты, но и к росту холодильной
нагрузки летом. В отличие от массивных ограждающих поверхностей остекление является безынерционным, то есть пропускает в помещение теплоту, в том
числе и теплоту инсоляции, без запаздывания во времени. А это значит, что в
самое жаркое или холодное время суток в помещении будут наблюдаться
наиболее неблагоприятные условия воздушной среды. Кроме того массивные
ограждения позволяют не только снижать мгновенную температуру в помещении, но и приводят к сглаживанию нежелательной временной температурной
неравномерности. Сильно развитые поверхности остекления вызывают дискомфорт за счет радиационного переохлаждения зимой и перегрева летом.
Для гражданских зданий зависимость удельной тепловой характеристики
от степени остекления может быть определена по формуле:
q0  1,163
(1  2d ) F  S
H
,
(14)
где с/ - доля остекления стен;
F- площадь наружных стен, м 2 ;
S- площадь здания в плане, м²;
 H - объем здания, м .
3
Сравнение тепловой характеристики конкретного здания с типовой может быть полезным при выборе степени остекления.
Величина удельной тепловой характеристики, а следовательно, и расход
теплоты на отопление зависит отформы и объема здания. Здания малого объема
21
обладают повышенными потерями теплоты точно так же, как здания узкие,
сложные по конфигурации с увеличенным периметром. Уменьшенные теплопотери имеют здания, форма которых приближается к кубу. Еще меньшие
теплопотери имеют шарообразные сооружения, так как в них наблюдается минимальное отношение поверхности к объему.
2.2 ЦЕНТРАЛЬНОЕ ОТОПЛЕНИЕ
Разновидности систем центрального отопления.
Системы центрального отопления предполагают централизованное получение теплоты в котельных или как побочный продукт на ТЭЦ. Последние
предпочтительнее, так как позволяют вырабатывать теплоту с высоким значением теплового коэффициента полезного действия. Кроме того централизация
теплоснабжения обеспечивает возможность сжигать с достаточной полнотой
низкосортное топливо, широко внедрять прогрессивные виды топлива, в том
числе ядерное, оздоровлять воздушный бассейн городов. Правда, при этом растет протяженность тепловых сетей.
Системы центрального отопления принято прежде всего классифицировать по виду теплоносителя. По этому признаку различают водяные, паровые и воздушные системы отопления.
Водяные системы в последнее время находят преимущественное распространение, так как обладают рядом достоинств: гигиеничностью, возможностью регулирования в широких пределах, относительной долговечностью, хорошей увязкой с режимами работы тепловых сетей.
Системы водяного отопления подразделяют:
1. По способу циркуляции теплоносителя – на гравитационные (с естественным побуждением) и насосные. Принципиальная схема гравитационных
систем приведена на рис. 7. Располагаемый напор в гравитационных системах
составляет: P  qh(  0  Г ) , где h - плотность вода соответственно в обратном и
подающем трубопроводах; q - ускорение силы тяжести.
22
Этот напор принято определять для расчетных значений температуры
воды в системе: температура горячей воды 95 °С и температура обратной воды
70 °С.
Системы с естественной циркуляцией применяют для небольших зданий, так как они имеют ограниченный радиус действия 30 – 50 м. Скорость
движения воды в трубопроводах этих систем невелика (до 0,2 м/с). Поэтому
уклон магистралей здесь от расширительного бака. В насосных системах
(рис. 8) обеспечивается принудительная циркуляция. При этом скорости
движения воды увеличиваются до 1–1,5 м/с (в промышленных зданиях - до
3 м/с)
Рис. 7. Гравитационная система отопления:
1 - котел, 2 - расширительный бак,
3 - нагревательный прибор
Рис. 8. Насосная система отопления
1- котел, 2 - насос,
3 - нагревательный прибор,
4 -воздухосборник,
5 - расширительный бак
Уклоны в этих системах предусматриваются против движения воды, в верхних точках систем устанавливаются воздухосборники /вантузы/. Расширительный
сосуд присоединяется к обратной магистрали у всасывающего патрубка насоса с
23
тем, чтобы исключить в трубопроводах возникновение давления ниже атмосферного.
2. По расположению подающих магистральных
трубопроводов - но. системы с
верхней и нижней разводкой.
Примером системы с верхней разводкой может служить схема, изображенная
на рис. 2. Система отопления с нижней разводкой иллюстрируется на рис. 9.
3. По способу подачи и отвода воды от нагревательных приборов – на двухтрубные и однотрубные (рис. 10).
Вариантов присоединения приборов к стоякам, как в однотрубных, так и
в двухтрубных системах может быть много.
Рис. 9. Система отопления с нижней
разводкой магистралей: 1- котел;
2 - насос;3 - нагревательный
прибор; 4 - кран ля выпуска воздуха;
5 - расширительный бак
24
Рис. 10. Способы присоединения
нагревательных приборов к стоякам
Рис. 11. Тупиковая система водяного отопления: I, II, III – кольца циркуляции
Рис. 12. Система водяного отопления с попутным движением воды:
I, II, III – кольца циркуляции
3. По направлению движения воды в кольцах циркуляции – на тупиковые
(рис. 11) и с попутным движением воды (рис. 12). В первых путь проходимый
циркулирующей в системе водой, неодинаков. Во вторых длина всех колец
циркуляции одна и та же.
25
Кроме того водяные системы отопления могут быть высокотемпературными (t > 100 °С) и обычными.
Паровые системы центрального отопления подразделяют по следующим
признакам:
1. По величине давления пара – на системы высокого ( p > 0,7 ати), низкого ( p ≤ 0,7 ати), и вакуум-паровые системы.
2. По способу возврата конденсата – на системы с самотечным возвратом
(замкнутые) и системы с насосной перекачкой конденсата (разомкнутые).
Принципиальные схемы обеих систем изображены соответственно на рис. 13.
Рис. 13. Систама парового отопления с самотечным возвратом конденсата:
1 - котел; 2 – нагревательный прибор; 3 – конденсатоотводчик
26
Рис. 14. Система парового отопления с насосной перекачкой конденсата.
1 - котел; 2 - нагревательный прибор; 3 – конденсатоотводчик; 4 - конденсационный бак;
5 – насос
Рис. 15. Рециркуляционная система воздушного
отопления:
1 – вентилятор; 2 – воздухонагреватель;
3 – воздуховод; 4 - помещение
Рис. 16. Система воздушного
совмещенного с вентиляцией
1 – вентилятор; 2 –воздухонагреватель;
3 – воздуховод; 4 - помещение
27
Рис. 17. Децентрализованная система воздушного отопления:
1 – воздушный отопительный агрегат; 2 – помещение
В вакуум-паровых системах давление пара расходуется только на преодоление сопротивления трубопроводов до нагревательных приборов.
Движение пара конденсата после приборов осуществляется за счет работы
вакуум-насоса.
Системы воздушного отопления подразделяются на рециркуляционные
(рис. 15)совмещенные с вентиляцией (рис. 16) и системы с децентрализацией
воздухонагревателей (рис. 17)
Конструктивные элементы систем отопления.
Нагревательные приборы.
Нагревательные приборы, как правило, устанавливаются в отапливаемом
помещении и служат для передачи теплоты от теплоносителя в помещение.
К нагревательные приборам предъявляются теплотехнические, гигиенические, экономические и эстетические требования.
Теплотехнические требования сводятся к тому, чтобы с каждого квадратного метра поверхности нагревательного прибора получить по возможности
большее количество теплоты, то есть иметь максимально возможный коэффициент теплопередачи.
28
Экономические требования чаще всего связывают с удельным расходом
металла, который принято оценивать показателем теплового напряжения металла по формуле:
M 
Q
,
GM t P
(15)
где Q - тепловая нагрузка прибора;
G M - расход металла;
t P - расчетная разность температуры.
Этот показатель у чугунных радиаторов, например, составляет в среднем
- 0,36, а у бетонных отопительных панелей - 1,32, откуда видно, что последние
являются менее металлоемкими, а следовательно, и более экономичными.
Гигиенические качества нагревательных приборов определяются гладкостью поверхности и доступностью всех
элементов прибора для уборки.
Внешний вид нагревательных приборов должен соответствовать интерьеру
помещений или во всяком случае не уродовать его.
По типу теплообмена нагревательРис. 18. Конвектор
"Комфорт".
типа
ные приборы относят к конвективным,
если доля лучистой теплоты менее 25 %,
излучающим и смешанным, когда вклад лучистого и конвективного теплообмена сопоставимы. К конвективным нагревательным приборам относится конвекторы различных конструкций. На рис. 18 изображен конвектор типа "Комфорт”. Радиаторы выпускаются нашей промышленностью чугунными и стальными. До последнего времени наиболее распространенными являются чугунные двухколонные радиаторы М-140.
Этот радиатор (рис. 19) собирают из отдельных секций на ниппелях.
29
Рис. 19. Чугунный радиатор М-140
1 – ниппель; 2 – проходная радиаторная пробка; 3 – глухая радиаторная пробка
Стальные радиаторы изготавливаются путем штамповки с последующей
сваркой.
В промышленных зданиях широко используются чугунные ребристые
трубы. Этот прибор достаточно дешев, но имеет весьма неприглядный внешний
вид и с большим трудом подвергается очистке от пыли.
Излучающие нагревательные приборы централизованно не выпускаются. Их изготовление, как правило, осуществляется непосредственно на предприятиях строительной индустрии.
Самым лучшим местом для размещения отопительных приборов следует
считать подоконное пространство у наружной стены. При отсутствии приборов
под окнами у их холодной поверхности возникают ниспадающие потоки охлажденного воздуха, что приводит к формированию неблагоприятно воздействующего на людей вертикального градиента температуры.
Прежде имело место требование размещения нагревательных приборов
по центру оконного проема. Стояки отопительных систем располагались посередине между окнами. В настоящее время приборы смещаются от центра окон-
30
ного проема так же, как и стояки, с тем, чтобы длина подводки от стояка к прибору была унифицирована.
Требуемую теплоотдающую поверхность нагревательных приборов,
устанавливаемых в каждом помещении, определяют по формуле:
Fпр 
Qпом
n,
K (t ср  t В )
(16)
где Qпом - расчетные тепловые потери помещения;
К – коэффициент теплопередачи отопительного прибора;
t ср - средняя температура поверхности прибора, принимаемая равной
средней температуре теплоносителя;
t В - температура воздуха в помещении;
n - коэффициент, учитывающий снижение теплоотдачи прибора.
Расчетную поверхность радиаторов и конвекторов принято определять
по гарантированной заводом-изготовителем поверхности одного элемента (секции). При этом пользуются понятием эквивалентного квадратного метра поверхности (экм). Экм - это такая поверхность, через которую передается 500 Вт
(435 ккал/ч/) теплоты при температурном напоре 64,5 °С и расходе теплоносителя 4,8 10 3 кг/с. Коэффициент теплопередачи при этом становится равным
7,84 Вт/ м 2 °С. Поверхность нагрева в экм расчитывается по формуле:
Fпр 
где
Qпом1  2  3
,
7,84t 4  5
(17)
 1 - коэффициент на количество секций в приборе;
 2 - коэффициент на остывание воды в трубах;
 3 - коэффициент, учитывающий способ установки прибора;
 4 - коэффициент, учитывающий способ присоединения прибора к стояку
или магистрали;
31
 5 - коэффициент, учитывающий расход воды в приборе.
Необходимое число секций в приборе находят по очевидной формуле:
П сак 
Fэкм
,
Fсак
(18)
где Fсак - расчетная поверхность одного элемента (секции) экм.
Трубопроводы и арматура.
Трубопроводы отопительных систем диаметром о т 1 5 мм д о 50 мм
монтируют из водогазопроводных труб. Трубы большего диаметра изготавливают бесшовными или электросварными. Величина максимального расчетного давления для трубопроводов отопительных систем принимается равной
10 ати (I мПа). Соединения труб осуществляют на сварке или на резьбовых соединениях с помощью фасонных частей из ковкого чугуна. Трубы диаметром
более 50 мм соединяются только на сварке. Водогазопроводные трубы часто
соединяют с помощью фасонных частей, хотя в последнее время широко используют и сварку. Диаметры трубопроводов отопительных систем обозначают
в так называемых условных проходах в мм или дюймах.
На трубопроводах отопительных систем устанавливают различную запорную и регулирующую арматуру. На разводящих магистралях диаметром
более 50 мм устанавливают задвижки (рис. 20) с латунными уплотнительными
кольцами. На стояках отопительных систем устанавливаются пробковые проходные краны (рис. 21). На трубопроводах отопительных систем используют
также муфтовые и фланцевые вентили различных диаметров
32
(рис. 22).
Рис. 20. Задвижка.
1 – корпус; 2 – диски для плотного примыкания к латунным кольцам; 3 – ось; 4 – маховик
Рис. 21. Проходной пробковый кран.
1 – корпус; 2 – конусная пробка;
3 – натяясная гайка; 4 – шайба
Рис. 22. Фланцевый запорный вентиль.
1 – шпиндель; 2 – золотник
На подводках к отопительным приборам предусматривают установку
кранов двойной регулировки, которые после наладки системы (первая регулировка) позволяют производить индивидуальное регулирование теплоотдачи
прибора в пределах, установленных во время наладки. В последнее время в связи с широким внедрением однотрубных отопительных систем, в которых изменение теплоотдачи одного прибора влияет на количество теплоты, передаваемой в помещения другими приборами, и широким внедрением централизо-
33
ванного регулирования, необходимость в обязательной установке кранов двойной регулировки отпадает.
Специальные устройства отопительных систем.
Для создания дополнительной емкости, необходимой для компенсации
расширения воды и удаления воздуха из системы, предусматривается установка
расширительных баков. Устанавливаются расширительные баки в самой высокой точке системы. Их принципиальная схема и общий вид приведены на рис.
23.
Рис. 23. Расширительный бак: а - расположение штуцеров на стенках сосуда; б - пример
установки бака; 1 – для расширительной трубы; 2 – для циркуляционной трубы; 3 – для контрольной трубы; 4 – для переливной трубы
Рис. 24. Вантуз: 1 – корпус: 2 – штуцер для присоединения к магистрали; 3 – фланец корпуса; 4 – крышка; 5 – поплавок; 6 – крючок для подвески поплавка; 7 – защитный колпак над
клапаном; 8 – крышка защитного клапана.
34
Удаление воздуха в системах с принудительной циркуляцией осуществляют через воздухосборники и вантузы. Вантузами воздух удаляется из системы
автоматически (рис. 24). Если в пространстве между корпусом и поплавком собирается воздух, поплавок опускается, сжимает пружину клапана, через который открывается выход воздуху в атмосферу. После этого уровень воды поднимается, поплавок всплывает и отверстие в клапане прикрывается. Выпуск воздуха из воздухосборников осуществляется вручную.
В паровых системах важно, чтобы пар не попадал в конденсатопроводы.
Функцию парозапирающих устройств играют здесь конденсатоотводчики. Они
могут быть поплавкового или сильфонного типов. Кондесатоотводчик сильфонного типа изображен на рис. 25.
При контакте с паром сильфон (гофрированная коробка), заполненная расширяющейся при нагревании жидкостью, растягивается и прикрепленный к ней
конусный золотник закрывает отверстие для прохода пара. Контакт сильфона с
конденсатом, имеющим меньшую, чем пар, температуру, приводит к открыванию отверстия и выходу конденсата в трубопровод.
В системах отопления с нижней разводкой магистралей в радиаторах верхних этажей в верхней их пробке предусматривается отверстие с воздуховыпускным шурупом (рис. 26).
Для принудительного перемещения воды в системах отопления используют пропеллерные или центробежные насосы. Первые применяют в системах с
небольшим количеством транспортируемой воды. Схема пропеллерного насоса
приведена на рис. 27. Центробежный насос показан на рис. 28.
35
Рис. 25. Конденсатоотводчик.
1 – сильфон; 2 – отверстие для прохода
конденсата; 3 – конусный золотник
Рис. 27. Насос типа ЦНИИПС.
1 – пропеллер; 2 – корпус насоса;
3 – электродвигател
36
Рис. 26. Радиаторная пробка
с воздуховыпускным шурупом
Рис. 28. Центробежный насос ЦНШ
2.3 РЕЖИМЫ РАБОТЫ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ. ОБЩИЕ
ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О РАСЧЕТЕ СИСТЕМ.
Водяные системы отопления
В последнее время наиболее широкое распространение получили однотрубные системы отопления. Они экономичны, так как обладают относительно
небольшой металолоемкостью, просты в монтаже и характеризуются большой
гидравлической устойчивостью. В двухтрубных отопительных системах разрегулировка возникает в связи с тем, что в них каждый прибор является кольцом
циркуляции, и в кольцах высоких этажей имеет место сильное дополнительное
влияние гравитационного давления (рис. 29). С ростом номера этажа n j и при
низких значениях наружной температуры существенно растет p j , так как
h3 > h2 > h1 . Поэтому в двухтрубных системах на верхних этажах приходится
устанавливать дополнительные сопротивления (краны, дроссельные шайбы).
Однотрубные (особенно гравитационные) системы способны к саморегулированию: если в отопительных приборах этих систем вода сильнее охлаждается, то интенсифицируется циркуляция.
Рис. 29. Расчетная схема двухтрубной отопительной системы
37
Оптимальными считают такие режимы работы систем, при которых
обеспечивается расчетная теплоотдача приборов в случае расчетных значений наружных температур, а в остальных случаях ей пропорциональная. При
этом стремятся к тому, чтобы гидравлическое сопротивление системы было
по возможности наименьшим. В целях экономии теплоты используют автоматическое регулирование температуры горячей воды, диспетчеризацию систем, комнатные терморегуляторы, пофасадное регулирование.
Расчет отопительных систем состоит в том, чтобы определить количество
воды, проходящей через каждый прибор, и изменение температуры по мере
прохождения теплоносителя через каждый элемент системы. Первый этап - это
гидравлический расчет системы, второй - тепловой.
Перед гидравлическим расчетом определяют тип и расставляют нагревательные приборы. Возможны два варианта расчета систем: первый – когда во всех отопительных стояках имеет место один и тот же перепад температуры (25 °С), второму варианту соответствуют различные (переменные) перепады температуры воды в стояках.
Для первого варианта характерен такой порядок расчета:
- определение тепловой нагрузки на каждый стояк путем суммирования расчетной теплопроизводительности всех отопительных приборов, присоединяемых к стояку;
- расчет количества воды, проходящей через каждый стояк, по формуле:
Gст 
где
КQст
,
С ж (t Гст  t Ост )
(19)
К - коэффициент, учитывающий потери теплоты в трубопроводах;
Qст - тепловая нагрузка стояка;
С ж - теплоемкость воды;
t Гст  tОст - разность температуры воды на входе и выходе из стояка (при-
нимается в данном случае постоянной и равной 25 °С).
- определение диаметров трубопроводов, т.е. гидравлический расчет системы, заключающийся в том, чтобы в каждый стояк подать расчетное количество воды;
38
- определение площади нагревательных приборов с учетом способа их
установки, присоединения к стояку и количества воды, проходящей через каждый прибор.
При гидравлическом расчете тупиковых систем отопления потери давления в каждом кольце циркуляции при расчетном режиме должны быть одинаковыми. На рис. 30 изображена расчетная схема такой системы с двумя кольцами циркуляции. На каждом участке имеет место потеря давления pi . Требование равенства потерь давления в каждом кольце циркуляции означает, что
p1  p2  pст1  p5  p1  p2  p3  pст2  p4  p5
Следовательно, pст1  pст2  p3  p4 ;
и
pст1 > pст
2
d ст1 < d ст 2
Рис. 30. Расчетная схема тупиковой отопительной системы
Потери давления в трубопроводах систем складываются из линейных потерь
на трение и потерь на преодоление местных сопротивлений, т. е
p  pтр  p мс .
Линейные потери вычисляют по известной формуле Дарси:
39
pтр 
где
 2
d 2
 жl ,
(20)
 - коэффициент трения;
d - диаметр трубопровода;
 - скорость движения воды в трубопроводах;
 ж - плотность воды;
l - длина участка трубопровода.
Местные сопротивления связаны с потерями при прохождении арматуры,
поворотов, со слиянием и разделением потоков. Определяют их по формуле
p мс  
2
2
ж   ,
(21)
где  - сумма коэффициентов местных сопротивлений на расчетном участке.
Окончательно
  Rl   .
Определение площади нагревательных приборов производят по зависимостям, приводившимися ранее.
При расчете систем отопления с переменными перепадами температуры
стремятся к тому, чтобы иметь все стояки одного диаметра. Такое стремление
объясняется тем. что единый диаметр стояка позволяет унифицировать элементы отопительных систем и тем самым обеспечить их изготовление в заводских
условиях применительно к тому или иному типу здания.
В этом случае порядок расчета системы изменяется по сравнению с рассмотренным выше: сначала производится гидравлический расчет системы, в результате которого определяется количество воды, затекающей в каждый стояк,
затем по известной тепловой нагрузке на стояк и количеству воды находится
температурный перепад. В конце расчета подбирается площадь нагревательных приборов. Такой расчет трудоемок и требует определенного навыка.
В последнее время для расчета систем отопления все шире исполь зуется
вычислительная техника.
40
Расчетным путем определяется емкость расширительного бака:
 рб  0,045 сист .
(22)
При t Г  t 0  25 °С оказывается, что на каждые 1,16 кВт мощности системы (1000 ккал/ч) объем воды  жi в отдельных элементах системы в литрах
равен:
- радиаторы - 12;
- конвекторы - 0,8-1,2;
- ребристые трубы - 6,5;
- чугунные котлы - 3;
- трубопроводы гравитационных систем - 16;
- трубопроводы насосных систем - 8.
Тогда
 сист 
Qсист
 жi .
1,16
Циркуляционные насосы систем водяного отопления подбирают по характеристикам, которые приводятся в справочной литературе по данным заводов-изготовителей. Характеристикой насоса называют графическую зависимость давления, развиваемого насосом, от его производительности. В этих же
координатах строится и характеристика сети. Ее построение производят по
данным гидравлического расчета. Если характеристика насоса представляет собой пологопадающую кривую, то характеристика сети имеет вид параболы второго порядка, проходящей через начало координат (рис. 31). Режим работы
насоса оценивают наложением характеристик сети и насоса друг на друга. Из
рис. 31 хорошо видно, что этот режим в сильной степени определяется числом
оборотов рабочего колеса насоса.
41
Рис. 31. Характеристики отопительной сети и циркуляционного насоса
Электродвигатель к насосу выбирают в зависимости от требуемой мощности, которую находят по формуле:
N
где
K залGсист Рсист
,
3600 Н п 102
(23)
Gсист - количество воды, циркулирующей в системе;
Рсист - давление, создаваемое насосом;
K зал - коэффициент запаса;
 Н п - коэффициенты полезного действия насоса и передачи.
Остальные элементы отопительных систем принимаются конструктивно .
Паровые системы отопления.
При использовании пара в качестве теплоносителя приходится иметь дело:
- с влажным насыщенным паром, который получается при наличии контакта
с зеркалом воды;
- с сухим насыщенным паром;
- с перегретым паром.
В небольших системах используется только насыщенный пар (сухой или
влажный). Перегретый пар используют только в крупных системах для наружных паропроводов с целью исключить появление так называемого попутного
конденсата.
42
Насыщенный пар имеет ту же температуру и давление, что и вода, из которой он получен.
Количество теплоты, которая передается паром нагревательному прибору, может быть определено по формуле
Q  r  Cж t Н  t К Gn ,
(24)
где r - скрытая теплота парообразования (около 530 ккал)кг
или 2300
кДж/кг/;
Cж - теплоемкость воды;
t Н , t К - соответственно температура насыщенного пара и конденсата;
Gn - количество пара, подаваемого в прибор.
Для расчета поверхности нагревательных приборов и их подбора используются те же формулы, что и для систем водяного отопления, но средняя температура прибора здесь намного выше и принимается:
- при Pп < 0,2 ати
t пр = 100 °С
- при Pп > 0,2 ати
t пр  t H
(по таблицам).
В жилых зданиях системы парового отопления не предусматриваются. Их
проектируют в административных зданиях, бытовых помещениях, зрелищных
сооружениях, коммунальных зданиях - при Pп ≤ 0,7 ати (системы низкого давления); в производственных зданиях - при Pп > 0,7 ати (системы высокого давления).
Системы парового отопления делят на замкнутые и разомкнутые.
При этом замкнутые системы могут быть с так называемыми сухим и мокрым конденсатопроводами. На рис. 32 изображена система с сухим конденсатопроводом. В ней конденсатопровод 6 работает неполным сечением. Для
этого точка n должна быть поднята над уровнем II-II на, как минимум, 200 мм.
Это дает возможность удалять воздух из системы.
43
Рис. 32. Замкнутая система парового отопления:
1 – котел; 2 – предохранительное гидравлическое устройство; 3 – паропровод;
4 – нагревательный прибор; 5 – стояк; 6 – конденсатопровод
Рис. 33. Разомкнутая система парового отопления:
1– котел; 2 – гидравлический затвор; 3 – паропровод; 4 – нагревательный прибор; 5– конденсатопровод; 6 – кондесационный бак; 7 – насос; 8 – напорный конденсатопровод
Уровень 11-11 определяют по давлению пара в котле.
Уклоны паро- и конденсатопроводов должны быть не менее 0,005 в сторону движения пара и конденсата.
Схема разомкнутой системы изображена на рис. 33. Здесь нет необходимости прокладывать конденсатопровод выше уровня давления пара в
44
котле, так как он поступает в котел принудительно.
Расчет паровых систем начинается с выбора даления пара в котле. Оно зависит от радиуса, действия системы и может быть принято по таблице 1.
Таблица1
R
50 м
100 м
200 м
300 м
500 м
P, ати
0,05
0,1
0,15-
0,2-0,3
0,5
0,2
Методика гидравлического расчета паровых систем аналогична методке
расчета систем водяного отопления с той лишь разницей, что в данном случае
жестко фиксируется доля местных сопротивлений в общей величине давления.
Принято считать, что 35 % давления пара расходуется на их преодоление.
Конденсатопроводы рассчитывают точно так же, как и трубопроводы водяных систем отопления. Сам расчет проще, так как в этом случае не надо увязывать кольца циркуляции.
Объем конденсационного бака в разомкнутых системах рассчитывают на
сбор конденсата в течение 1-2 часов. Отсюда
 кб 
Qсист 3600T
.
r ж
(25)
Производительность насоса для перекачки конденсата определяют по
формуле:
GH 
1,2Qсист
.
r ж
(26)
Расчетное давление насоса составляет:
Pнас  Ркот  hб  ж  ( Rl  ) ,
где hб - расстояние от дна бака до уровня воды в котле
Для предотвращения вскипания конденсата насосы устанавливают "под
залив", то есть ниже уровня воды в баке.
45
Системы парового отопления высокого давления устраивают только
разомкнутыми. Перед подачей пара к нагревательным приборам он редуцируется в специальных устройствах - редукторах. Под редуцированием понимается
понижение давления пара.
2.4. ОСОБЫЕ СЛУЧАИ ОТОПЛЕНИЯ ЗДАНИЙ
Отопление зданий повышенной этажности.
В зданиях повышенной этажности уже при определении теплопотерь
необходимо очень тщательно учитывать количество инфильтрующего воздуха.
В них, как правило, нижние этажи находятся в худшем положении, так как холодный воздух с улицы поступает в нижнюю часть здания, - что приводит к её
переохлаждению. В верхних этажах в формировании теплового режима помещений более существенную.роль, чем обычно, играет ветровой напор.
К мерам по уменьшению количества инфильрующего воздуха можно отнести следующие:
– герметизацию оконных и дверных проемов;
– уменьшение воздухопроницаемости ограждений;
– устройство тамбуров на входе и этажах;
– герметизацию мест прохода инженерных коммуникаций через междуэтажные перекрытия.
Для зданий большой высоты из-за увеличения гидростатического давления устройство единой отопительной системы становится невозможным. Поэтому высотные здания зонируются - делятся на части - зоны определенной высоты, между которыми помещаются технические этажи. естественно, что технические этажи вносят известную специфику во внешний облик здания.
В системах отопления высота зоны определяется допустимым давлением в
наиболее низко расположенных приборах и возможностью размещения оборудования и коммуникаций на технических этажах. В зависимости от рабочего
давления, допустимого для отдельных видов отопительных приборов и арматуры, высота зоны (с известным запасом) не должна превышать 55 м при исполь-
46
зовании чугунных и стальных приборов и 90 м для приборов со стальными
греющими трубами. В первом случае такая высота соответствует 14-15 этажам,
во втором - примерно 30.
В каждой зоне устраивается самостоятельная система отопления. Схема
присоединения отопительной зоны к тепловым сетям чаще всего в таких случаях выбирается независимой (закрытой), то есть через водоподогреватель. В
технических этажах размещаются расширительные баки, воздухосборники и
магистральные трубопроводы. В подвале здания устанавливаются насосы, водоподогреватели, коллекторы теплосети и систем, средства контроля и управления.
Рис. 34. Схема водоводяного отопления высотного здания.
1 – общий теплообменник; 2 – циркуляци- онный насос; 3 – зональные насосы для
повышения давления; 4 – расширительный бак (общий); 5 – регуляторы давления; 6 – обратный клапан
Число зон по высоте здания определяется допустимым гидростатическим
давлением для оборудования в тепловом пункте, находящимся, как правило, в
подвальном этаже.
Водо-водяные теплообменники и насосы, изготовленные по специальному
заказу, рассчитываются на рабочее давление 1,6 МПа (16 кг/см). Это значит,
47
что высота здания при водо-водяном отоплении имеет предел, равный 150 – 160
м. В таком здании можно устраивать две зоны по 75-80 м или три зоны по 50 –
55 м (рис. 34).В зданиях высотой от 160 до 250 м прибегают к устройству
комбинированного отопления (рис. 35): помимо водо-водяного отопления (в
нижних 160 м) в зоне выше 160 м предусматривают паро-водяное отопление.
Теплоноситель - пар, отличающийся незначительным гидростатическим давлением, подается на технический этаж над верхней зоной водо-водяного отопления, где оборудуется-соответственно тепловой пункт. В нем устанавливают пароводяной теплообменники циркуляционный насос. Такой комплекс комбинированного отопления действует довольно успешно в центральной части главного корпуса МГУ.
Рис. 35. Схема пароводяного отопления высотного здания:
1, 11 – зоны с водоводяным отоплением; 111 – зона с пароводяным отоплением.
1 – водо-водяные теплообменники; 2 – пароводяной теплообменник; 3 – циркуляционные
насосы; 4 – расширительные баки
48
В зданиях высотой более 250 м предусматривают новые зоны пароводяного отопления. Можно также применять электроводяное отопление с
установкой электрических котлов в каждой зоне. Возможны и другие варианты
отопительных систем, но каждый из возможных вариантов требует устройства
технических этажей на расстояниях, которые указаны выше.
Системы лучистого и панельного отопления.
В системах лучистого и панельного отопления гладкие трубы заделывают в перекрытия, стены, перегородки, которые становятся нагревательными приборами, (рис. 36).
Рис. 36, Размещение нагревателей лучистопанельного отпления.
1—в полу; 2 – в наружной стене; 3 – в перегородке; 4 – в перекрытии
Если трубы расположены в перекрытиях, то в зависимости от того, какая
сторона перекрытия является греющей, различают лучистые потолочные и
напольные системы. Если трубы вмонтированы в вертикальную поверхность,
то говорят о панельном отоплении, так как здесь известную роль играет конвективный перенос теплоты у нагретой поверхности. Различают панельное
отопление с подоконными панелями и панелями в перегородках. Схемы расположения змеевиков в панелях и сами конструкции панелей могут быть различными. Примеры подоконных панелей приведены на рис. 37.
49
Рис.37. Конструкции и размещение подоконных панелей
Системы панельного и лучистого отопления гигиеничны: у них невысокая температура греющей поверхности, они позволяют снижать температуру воздуха в
помещении, что при водит к интенсификации процесса конвективного теплопереноса, а следовательно, к улучшению самочувствия людей, так как именно к
этому процессу механизм их терморегуляции приспособлен в наилучшей степени.
напольном лучистом отоплении – 29 °С (в общественных зданиях
– 34 °С);
настенном панельном отоплении – 60 °С.
Иногда устраивают воздушные лучистые системы, но это выгодно только
тогда, когда имеется в наличии дешевое вторичное тепло.
Одной из разновидностей панельного отопления являются так называемые бифилярные отопительные системы с подоконными панелями
(рис. 38.)
Достоинством этих систем считают постоянство средней тем-
пературы нагревательных приборов на любом этаже. Это приводит к улучшению гидравлической устойчивости систем.
50
Рис. 38. Стояк бифилярной отопительной системы:
1 – нагревательный элемент, 2 – стык, 3, 4, 5 – арматура, 6 – дроссельная шайба
Газовое отопление
В некоторых случаях возможно сжигание газа в специальных отопительных приборах для отопления отдельных помещений.
Газовые отопительные приборы могут работать как с каналами для отвода
продуктов сгорания в атмосферу, так и без них. Последние, как правило, обладают небольшой производительностью (до 2000 Вт).
Газовым отоплением оборудуются небольшие общественные помещения
или производственные помещения любых размеров. В первых используются
газовые приборы конвективного типа (газовый воздухонагреватель «Огонек»,
газиатор Моспроекта, конвектор ГК-1М, газовый камин «Луч» и др.). Инфракрасные излучатели получили широкое распространение в производственных
помещениях. В них образующаяся в закрытой камере газовоздушная смесь по51
ступает в распределительную коробку, проходит через дырчатую насадку и
сгорает у наружной поверхности, которая раскаляется до 900 – 1000 °С и становится источником интенсивного инфракрасного излучения (рис. 39).
Рис. 39. Схема газовой инжекционной излучающей горелки:
1 – рефлектор; 2 – керамическая плитка; 3 – смеситель; 4 – сопло; 5 – корпус; 6 –
сборная камера
Для квартирного отопления применяются емкостные газовые водонагреватели АГф, оборудованные автоматикой безопасности. Могут использоваться
также такие котлы ВНИИСТО, оснащенные горелками для сжигания газового
топлива.
Особое внимание при применении газовых приборов обращается:
- на правильную организацию процессов горения;
- на отвод продуктов сгорания;
- на вентиляцию отапливаемых помещений.
Квартирное отопление и отопление малоэтажных зданий.
В малоэтажных зданиях источником теплоты часто является котел, устанавливаемый в подвале здания, а если нет подвала, то даже на одном уровне с
отопительными приборами первого этажа. Котлы, применяемые в таких случаях, имеют небольшую производительность. Используются, как правило, водонагревательные котлы, собираемые из секций.
В квартирных системах часто применяют водонагреватели, заделываемые в
кухонный очаг. Циркуляция воды в таких системах происходит за счет давле52
ния, связанного с остыванием воды в трубопроводах. Поэтому их радиус действия не превышает 10 – 15 м.
Различают следующие варианты отопительных систем малоэтажных зданий:
- горизонтальная однотрубная система с последовательным обогревом
верхнего нижнего этажей (рис. 40, а);
- горизонтальная, но двухтрубная система (рис. 40, б).
Принципиальные схемы этих систем приведены на
рис. 40 (а, б). Квар-
тирные системы выполняются по тем же схемам.
а
б
Рис. 40. Схемы отопительных систем малоэтажных зданий
В приведенных схемах последовательное прохождение верхнего, а затем
нижнего этажей приводит к увеличению располагаемого напора.
Кроме того в таких системах всегда стремятся иметь подающий трубопровод в верхней части помещения. Расчетный гравитационный напор в системах
отопления, выполненных по указанным выше схемам, определяют ориентировочно по следующей формуле:
53
  gвhГ (l  hГ )  h1 (  0   Г ) ,
где
(27)
hГ - средняя высота над центром котла подающего трубопровода;
в - коэффициент, учитывающий изоляцию трубопроводов /при изоляции
только главного стояка - 0,4; при изоляции главного стояка и обратных трубопроводов - 0,34; при изоляции всех трубопроводов - 0,16/;
l - протяженность подающего трубопровода;
h1 - высота центра нагревательного прибора над центром котла.
После того, как определено располагаемое давление, производится подбор диаметров трубопроводов таким образом, чтобы при расчетном перепаде
температуре воды для системы (или кольца циркуляции) проходило требуемое
количество воды (теплоносителя).
Расчет и подбор нагревательных приборов осуществляется по обычной
методике.
Электрическое отопление.
Электрическое отопление основано на принципе перехода электрической
энергии в тепловую при проходе по проводнику, (кВт-ч эквивалентен 3600 кДж
или 860 ккал).
Электрическое отопление в принципе может быть выполнено лучистым,
или конвективным.
Типы электрических нагревательных приборов:
- электрорадиаторы (металлические с масляным заполнением или керамические с заполнением водой). Маслонаполненные радиаторы выпускаются промышленностью мощностью 0,5 и 1,0 кВт;
- рефлекторы (керамический конус с желобами для проводника, расположенный в так называемом оптическом зеркале);
- электрокалориферы для нагревания воздуха, где трубчатые электронагреватели (ТЭН’ы) омываются воздухом. Промышленностью выпускаются электрокалориферы различной производительности, в том числе
54
портативные (до I кВт), снабженные вентиляторами;
-электроконвекторы;
-греющие кабели, закладываемые в керамические вставки, размещаемые в
конструкциях стен и потолка. Перспективными являются электротеплонасосные установки с исполь зованием полупроводниковых элементов, использование токопроводящей резины и др.
Весьма рациональным является применение электроаккумуляционного
отопления с потреблением энергии в часы ночных "пpoвaлoв". Теплоноситель
здесь - вода.
Достоинства электроотопления: малая металлоемкость, простота регулирования, гигиеничность.
Недостатки электроотопления: высокая пожароопасность, высокая стоимость электроэнергии, низкий по сравнению с теплофикацией коэффициент
полезного действия использования топлива.
2.5 ПЕЧНОЕ ОТОПЛЕНИЕ.
Общая характеристика печного отопления
Печное отопление допускается в настоящее время в зданиях не выше
двух этажей (назначение зданий при этом может быть различным), к которым
нет централизованной подачи теплоносителя.
Отопительные печи довольно просты по конструкции, позволяют сжигать многие виды топлива, при горении которого воздух забирается из помещения. В помещении таким образом организуется смена воздуха,что с гигиенической точки зрения является достоинством. Тепловой коэффициент полезного
действия современных отопительных печей может достигать 80 – 85%.
Недостатками печного отопления можно считать:
- большую неравномерность температурного режима в помещениях, обслуживаемых печным отоплением, в течение суток.
Однако этот недостаток в известной степени (для здоровых людей) в
настоящее время начинают считать достоинством, так как "динамиче-
55
ский"характер температуры приводит к тренировке механизма терморегуляции человека;
- необходимость периодической чистки печей и дымоходов;
- потребность в значительной полезной площади для установки печей;
- пожароопасность;
- известную опасность отравления продуктами неполного сгорания топлива
(в первую очередь угарным газом).
При топке печей температура их поверхности далеко неодинакова. Кроме
того уже при температуре 70 °С на поверхности печей происходит сухая возгонка пыли, отрицательно сказывающаяся на самочувствие людей. Для изразцовых печей эта температура может быть принята равной 90 °С.
Рис. 41. Схемы движения газов в отопительных печах.
1 – однооборотная; 2 – двухоборотная; 3 – многооборотная; 4 – с параллейным движением газа; 5 – колпаковая; 6 – с нижним прогревом
Допускаемая температура поверхностей печей составляет 120 °С. В детских и лечебных учреждениях максимальная температура поверхностей печей
не должна быть выше 90 °С.Температура более 120 °С допускается в помещениях с временным пребыванием людей при установке экранов, предохраняющих от ожогов и переоблучения. Печи классифицируют: по теплоемкости - на
56
теплоемкие с объемом нагреваемого массива не менее 0,2 м 3 и толщиной стен
топливника не менее 6 см и нетеплоемкие, требующие непрерывной топки;
- по схеме движения газа (рис. 41);
- по виду топливника - на глухие и с колосниковыми решетками;
- по форме в плане - на круглые, прямоугольные, угловые и др.;
- по способу и материалу изготовления.
Конструкции печей и их установка
На рис. 42 показана сравнительно простая умеренного прогрева (на поверхностях до 90 °С) двухоборотная печь. Теплоотдача ее составляет 2700
ккал/ч при двухразовой топке. Печь работает на дровах, торфе, каменном угле.
Неравномерность температуры поверхности печи сравнительно велика. Она
может быть облицована металлическими листами или плиточными материалами.
Рис. 42. Двухоборотная печь умеренного прогрева
Имеются достаточно совершенные конструкции печей затяжного (непрерывного) действия. Такая печь изображена на рис. 43.
57
Есть и другие конструкции печей, в том числе и с использованием газового
топлива. В последних предусматриваются предохранительные клапаны для
предотвращения опрокидывания циркуляции через топливник. Такие устройства позволяют сделать эксплуатацию печей на газовом топливе безопасной.
На практике применяются комбинированные печи для одновременного отопления и хозяйственно-бытовых нужд: кухонные плиты с обогреваемыми щитками, духовыми шкафами, водогрейными бачками и прочее,
универсальные
"русские" печи, банные печи-"каменки", камины и др.
Рис. 43. Печь непрерывного действия
Кладка печей ведется вымощенным красным кирпичом на глино-песчаном
растворе. Толщина шва не должна превышать 5 мм. Внутренние стены топливников выкладываются из огнеупорного кирпича на огнеупорной глине. Толщи-
58
на шва - не более 3 мм. Красный и огнеупорный кирпич между собою не перевязываются. В состав штукатурки печи обязательно входит асбест.
Сечения дымовых каналов принимают исходя из следующих соображений:
1/2 х 1/2 кирпича - при печах с теплоотдачей до 3 400 Вт (3000 ккал/ч); 1/2 х
З/4 кирпича - при печах с теплоотдачей от 3 400 до 5 100 Вт;
1/2 x 1 кирпича - при печах с теплоотдачей от 5 100 до 6 800 Вт.
Устройство печей связано с выполнением противопожарных требований. В
частности, металлические трубы должны быть отнесены на 700 мм от сгораемых конструкций и на 500 мм от трудно сгораемых. Минимальное расстояние
кирпичных печей от сгораемых и несгораемых конструкций должно составлять
соответственно 380 и 250 мм. При проходе труб через перекрытия устанавливают «разделки». Пример «разделки» приведен на рис. 44.
Рис. 44. Разделка кирпичной трубы, проходящей через перекрытие
Подбор отопительных печей.
В качестве расчетной наружной температуры для подбора отопительных
печей принимают t НP для проектирования отопления. При этой температуре
59
определяют теплопотери помещений.
Печи удобно подбирать по альбомам, в которых имеются их характеристики, получаемые в результате проведения лабораторных испытаний. Если характеристики той или иной печи отсутствуют, то среднечасовая её теплоотдача
может быть принята по формуле:
Q  f1  q2 f 2  q3 f 3 ,
(28)
где q1 , q2, q3 -средняя теплоотдача открыто расположенных поверхностей
и поверхностей, обращенных в отступки и в камеру (камера - внутреннее пространство печи, не сообщающееся с дымовыми газами).
Величина q1 колеблется в пределах:
- печи отштукатуренные в металлическом футляре с массой до 1000 кг 500 – 350 ккал/ч м 2 (570 – 400 Вт/ м 2 ) (большее значение для двухразовой топки);
- изразцовые печи и остальные печи с массой более 1000 кг – 550 – 400
ккал/ч м 2 ( 630 – 440 Вт/ м 2 ).
Для q 2 и q3 принимают коэффициент к q1 в пределах 0,5-0,75.
Чтобы амплитуда колебания температуры воздуха в помещении не превышала допустимого значения, коэффициент неравномерности печи
M 
следует
Qmax  Qmin
F
проверять по условию: М < M max  4.3qср.тп a ,
2Qср
Q
где qср.тп - среднее теплопоглащение всеми внутренними поверхностями
помещения, приходящееся на один квадратный метр площади пола Fn.
При Fn<11 м 2 qср.тп = 50 ккал/ч м 2 , при Fn>25 м 2 qср.тп = 65-85 ккал/ч м 2 .
а – коэффициент: при одноразовой топке он равен 1, при двухразовой – 0,7.
Поверхность нетеплоемких печей подбирают по формуле:
F
60
Q лот
,
q
(29)
где q – удельная теплоотдача.
В заключение приведем некоторые данные для ориентировочного подбора
печей при топке один раз в сутки:
- толстостенные печи ½ кирпича и более:
не покрытые изразцами – 280-400 ккал/ч м 2 ;
изразцовые – 350-430 ккал/ч м 2 ;
- тонкостенные с массой более 1000 кг – 350-400 ккал/ч м 2 ;
- то же, но с массой до 1000 кг – 320-390 ккал/ч м 2 .
При топке два раза в сутки эти данные рекомендуется увеличивать в 1,4
раза.
2.6 ОТОПИТЕЛЬНЫЕ КОТЕЛЬНЫЕ
По типу приготаливаемого теплоносителя различают водогрейные и паровые котельные. По назначению котельные могут быть:
- отопительными;
- производственными;
- производственно-отопительными;
- пиковыми;
- энергетическими.
В свою очередь отопительные котельные разделяются по сфере обслуживания :
- на индивидуальные;
- на домовые;
- на квартальные;
- на районные.
Домовые и групповые котельные включают в свой состав котлы (не менее
двух), питательные и тяго-дутьевые устройства. Котельные большой производительности имеют кроме того экономайзеры, служащие для утилизации теплоты уходящих дымовых газов, водоподготовительные, топливоснабжающие,
61
золоудаляющие и другие устройства.
В котельных теплоснабжения нагревается вода до 95 – 200 °С или производится пар с давлением до 20 ати. Энергетические котлы высокого давления
позволяют получать водяной пар с давлением до 250 ати и более.
В домовых котельных устанавливают небольшие котлы, служащие как для
отопительно-вентиляционных целей, так и иногда для целей горячего водоснабжения. В связи с тем, что в системах горячего водоснабжения горячая вода
теряется безвозратно и необходима постоянная подпитка котла холодной водой
с соответствующей ее обработкой для избежания образования накипи и шлама,
котлы горячего водоснабжения стремятся не совмещать с котлами для приготовления воды в системе отопления. На рис. 45 приведена принципиальная
схема небольшой отопительной котельной. Здесь насос 2 из обратной трубы 6
направляет воду в котел 1, откуда, нагревшись до требуемой температуры, она
подается в отопительную магистраль 7.
Рис. 45. Принципиальная схема отопительной котельной небольшой производительности
Возможные утечки воды восполняются в баке-аккумуляторе через точку m.
Водопроводная вода 4 поступает в котел горячего водоснабжения 3, где нагре-
62
вается примерно до температуры 70 °С и затем направляется в бак-аккумулятор
и уже из него в магистраль горячего водоснабжения 8. Бак-аккумулятор размещают в самой высокой точке здания. Он кроме создания требуемого гидростатического давления способствует удалению из воды кислорода и других разов
и тем самым снижает коррозионную опасность.
Схема крупной отопительной котельной приведена на рис. 46. На этой
схеме обратная вода из теплосети 10, пройдя грязевик 3, поступает к сетевому
насосу 2 и затем направляется в котел 1. В котле она приобретает требуемую
температуру и направляется в подающую магистраль тепловой сети 9. Вода для
системы горячего водоснабжения и компенсации утечек подается из водопровода 11 через водоподогреватель 5 и фильтр 6. В группе фильтров вода также
умягчается. После умягчения она направляется в деаэратор 8 с вторичным подогревов в водонагревателе 7. после деаэратора подпиточная вода насосом 4
подается в обратную магистраль тепловой сети. Фильтрование, умягчение и деаэрация воды позволяют удалить из нее взвешенные частицы, соли жесткости и
растворенные газы: азот, инертные, но особенно кислород и углекислый газ.
Рис. 46. Принципиальная схема крупной отопительной котельной
63
Рис. 47. Принципиальная схема производственно-отопительной котельной
Паровые котлы чаще всего применяются в производственно-отопительных
котельных. В них пар отпускается на технологические нужды, а горячая вода для целей отопления и горячего водоснабжения вырабатывается в пароводяных
водоподогревателях. Принципиальная схема такой котельной приведена на рис.
47. Из парового котла пар поступает к технологическому трубопроводу II, а для
целей отопления, вентиляции и горячего водоснабжения - к пароводяным водоподогревателям 5, в которых нагревается вода, циркулирующая в тепловых сетях 13 и 14. Конденсат от технологического оборудования 12 и водоподогревателей собирается в бак 8 и из него насосом 9 снова направляется в котел.
Подпитка сетей ‘осуществляется насосом 10 в обратный трубопровод между
грязевиком , 7 и сетевым насосом 6. Вода из водопровода проходит подогреватель 2, фильтры 3 и деаэратор 4. Подогреватель 2, охлаждая деаэрированную
воду примерно от Ю 0°С до 60 – 70°С, подогревает водопроводную воду соответственно до 30 – 40°С, обеспечивая тем самым оптимальные условия работы
фильтров 3.
В отопительных котельных используются котлы большой и малой теплоемкости. Последние имеют наибольшее распространение в первую очередь из-
64
за своей компактности. Теплоемкие котлы, как правило, представляют собой
стальные (чаще горизонтальные) резервуары, обладающие большим аккумуляционным запасом воды. Используются они чаще всего для целей горячего водоснабжения, особенно на предприятиях коммунального обслуживания (бани,
прачечные и т. п.).
Различают котлы низкого и высокого давления. К последним, выполняемым только из стали (котлы низкого давления могут быть чугунными),
относят паровые котлы с давлением пара выше 0,7 ати и водогрейные котлы с
температурой получаемой воды более 115 °С. Котельные высокого давления
располагаются только в отдельно стоящем здании, котлы низкого давления
можно устанавливать в подвальных этажах зданий.
В небольших котельных устанавливают чугунные секционные котлы различной производительности: до 50 кВт – ВНИИСТО-Мч (рис. 48), до 200 кВт –
«Универсал», до 800 кВт – «Энергия» (рис. 49).
Рис. 48. Отопительный котел ВНИИСТО- Мч
65
Рис. 49. Чугунный секционный котел «Универсал-6»:
1 – средняя шатровая секция; 2 – крайняя секция; 3 – колосниковая решетка; 4 – нижнее
ниппельное отверстие; 5 – то же, верхнее; 6 – боковой газоход; 7 – изоляция
В котельных средней и большой производительности применяются стальные котлы с жаровыми или водонагревательными трубами (ДКВР, ТМЗ и др.).
Поверхность нагрева котлов определяется по очевидному выражению:
Fk 
(1.1  1.2)Q
,
q
(30)
где Q – расчетная нагрузка,
q – съем теплоты с 1 м 2 поверхности нагрева.
Для чугунных котлов q = 7 000 – 13 000 ккал ( м 2 ч) 8 – 15 кВт ( м 2 ).
В паспортных данных котлов приводится поверхность нагрева каждой секции. По количеству секций можно судить и о габаритах котла в целом.
66
Любая котельная, в том числе и местная, представляет собой комплекс помещений: котельный зал, внутренний склад топлива, санитарный узел (обязательно с душем), насосная мастерская.
Хотя бы одна из стен котельной должна иметь световые проемы для обеспечения естественного освещения и притока наружного воздуха (на горение и
вентиляцию).
Встроенная местная котельная оборудуется собственным выходом с тамбуром во двор и бункерами для загрузки топлива (для котельных на твердом
топливе). В мелких котельных насосы и теплообменники размещаются непосредственно в котельном зале.
Котлы в котельном зале устанавливают вдоль единой фронтовой линии.
Для экономии площади котлы часто спаривают.
Рис. 50. Планировка местной отопительной котельной:
1 – водогрейный котел; 2 – паровой котел; 3 – мастерская; 4 – бункер; 5 – дымовой и
вытяжной каналы; 6 – склад топлива; 7 – котельный зал; 8 – насосная; 9 – вытяжные каналы
из санузла и душевой
Удобство обслуживания и ремонт требуют определенной ширины проходов между котлами. Она должна составлять 70 – 100 см. От стен до котлов
оставляется проход шириной 1,0 – 1,5 м. Расстояние перед фронтом котлов в
зависимости от их типа колеблется от 1,5 до 3,5 м. Высота котельного зала принимается на 1,0 м выше высоты котла, но не менее 3,0 м. Если же котлы обслу67
живаются сверху, то над ними должно быть пространство не менее 1,9 м. Перекрытия над встроенной котельной проектируют несгораемыми и газонепроницаемыми. Пол котельной также выполняется из несгораемых материалов. На
рис. 50 приведена планировка местной встроенной котельной с двумя водогрейными одним паровым котлами. На (рис. 51) изображен план отдельно стоящей котельной. Здесь уже четыре, спаренных по два, водогрейных котла и
один паровой.
Рис. 51. Отдельно стоящая котельная:
1 – водогрейный котел; 2 – то же, паровой; 3 – газоходы от котлов; 4 – сборный газоход;
5 – дымовая труба; 6 – неподвижные жалюзи
При каждой котельной организуется склад топлива. Склады рассчитываются из условия хранения месячного запаса. Площадь склада определяют по
следующему выражению:
Fск 
где
600qТ
,
 Т hшт
(31)
qТ - часовой расход топлива , кг/ч;
Т - плотность топлива, кг/ м 2 ;
hшт - высота штабеля топлива, м (бурый уголь 1 – 5 м, антрацит – 2,5 м,
торф – 4 м).
68
2.7. СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
Классификация систем теплоснабжения.
Системы теплоснабжения выполняют две функции: приготовление теплоносителя и транспортировку теплоносителя к месту потребителя. В первую
очередь системы теплоснабжения классифицируют по радиусу действия на
местные, центральные и централизованные. Кроме того они подразделяются по
типу источника теплоты, виду теплоносителя, количеству теплопроводов и способу присоединения абонентов.
Источниками теплоты в системах теплоснабжения могут быть котельные, о
которых выше уже шла речь, тепловые электрические станции, атомные электростанции, вторичные энергетические ресурсы высокотемпературных технологических процессов и нетрадиционные источники теплоты (термальные воды, гелиоутановки).
Рис. 52. Принципиальная схема паровой теплофикационной системы:
1 – котельная группа, 2 - паровая турбина, 3 – электрический генератор, 4 - конденсатор, 5 –
паропровод тепловой сети, 6 - конденсатопровод, 7 – система водоподготовки, 8 – насос, 9 –
резервуар для сбора конденсата
69
Местные и центральные, чаще всего – районные и квартальные, системы
теплоснабжения присоединяются к котельным. Централизованные системы
теплоснабжения, иначе называемые теплофикационными, характеризуются
комбинированной выработкой электрической и тепловой энергии на тепловых
электрических станциях (ТЕЦ или ТЕС). Теплофикационные системы бывают
паровыми и водяными. При теплоносителе – паре из котельной ТЭЦ 1 (рис. 52)
пар высокого давления подается на паровую турбину 2, которая приводит в
действие генератор 3, вырабатывающий электрический ток. При совершении
работы пар снижает давление от начального 3-13 МПа до 0,25-0,6 МПа и с таким давлением поступает в паропровод тепловой сети 5.
Далее пар
расходуется на технологические нужды, нужды отопления,
вентиляции и горячего водоснабжения.
В тепловую сеть, однако, поступает не весь пар. Существенная его часть
направляется в конденсатор 4, от которого уже конденсат насосом 8 транспортируется в резервуар 9. Туда же поступает конденсат из теплосети 6 и вода из
водопровода через систему водоподготовки 7.
Рис. 53. Принципиальная схема водяной теплофикационной системы:
1 – котельная группа; 2 - турбина; 3 - генератор; 4 - конденсатор; 5 – горячий трубопровод
тепловой сети; 6 - обратный трубопровод теплосети; 7 – водоподогреватели; 8 - система
водоподготовки; 9 – конденсационные насосы; 10 – подпиточный насос тепловой сети; 11 –
сетевые насосы; 12 - грязевик,; 13 – резервуар
70
При водяной теплофикации (рис. 53) от турбин 2 отбирается пар более
низкого давления, чем при паровой – 0,06 – 0,25 МПа (0,6 – 2,5 ати). При этом
весь пар остается на ТЭЦ и его не нужно собирать от рассредоточенных потребителей, что приводит к меньшим потерям пара. нагревание воды на ТЭЦ происходит в водоподогревателях 7, через которые циркулирует сетевая вода по
трубопроводам 5 и 6. Подпитка котла и сети осуществляется через системы водоподготовки 8. Так же, как и при теплоносителе – паре сбор конденсата производится в резервуар 13 насосами 9 от водоподогревателей 7 и конденсатора
4.
На сети устанавливается сетевой циркуляционный насос 11 и грязевик 12.
Водяная теплофикация более экономична, так как пар более глубоко отрабатывает на лопатках турбин. Непосредственно на ТЭЦ обычно получают воду с
температурой 110 – 120 °С. Для получения воды более высокой температуры
устанавливаются либо пиковые котлы, либо пиковые водоподогреватели, работающие на более высоком, чем 0,25 МПа, давлении.
В большинстве городов у нас приняты расчетные параметры теплоносителя при расчетной наружной температуре 150 – 70 °С. Иногда они составляют
135 – 70 °С.
Схема теплофикации с водяным теплоносителем является наиболее распределенной в СССР и широко распространена в городах и на промышленных
площадках.
Кроме ТЭЦ для выработки электроэнергии проектируется также конденсационные станции (КЭС). На них скрытая теплота отработавшего на лопатках
турбин пара отдается в конденсаторе не сетевой воде, а специально подводимой
к нему, которая в свою очередь поступает в водоемы или охлаждается по оборотному циклу в градирнях, бассейнах и т. п.
Таким образом эта теплота попросту теряется. Коэффициент полезного
действия КЭС составляет 30 – 40 %, а ТЭЦ имеют КПД порядка 70 – 80 %.
По количеству теплопроводов системы теплоснабжения могут быть:
71
- однотрубными (когда нет возврата конденсата или обратной воды к источнику теплоты);
- двухтрубными (пар-конденсат, горячая вода-обратная вода);
- трехтрубными (добавляется трубопровод для горячей воды к трубопроводам, предназначенными для отопления);
- четырехтрубными (имеет место в том случае, когда необходима циркуляция горячей воды в системах горячего водоснабжения с целью предотвратить
ее остывание).
Присоединение абонентов к тепловым сетям может осуществляться по открытой или закрытой схеме. В первом случае вода через водоструйный элеватор (рис. 54) из тепловой сети поступает непосредственно в отопительную систему или систему горячего водоснабжения.
Рис. 54. Водоструйный элеватор:
1 – рабочее сопло; 2 – камера всасывания; 3 – смесительный конус; 4 – диффузор
Во втором - сетевая вода нагревает воду систем отопления или горячего
водоснабжения а различных по конструкции теплообменниках. По такому же
принципу работают и паровые системы, выполненные по закрытой схеме.
72
Гидравлические режимы работы тепловых сетей.
Разработка гидравлического режима имеет цель определить:
- распределение давления по длине сети;
- распределение теплоносителя по отдельным участкам и потребителям.
Рис. 55. Пьезометрический график тепловой сети
Гидравлический режим учитывает геодезические отметки, высоту зданий,
потери давления в трубопроводах, выбранные схемы присоединения абонентов
и др.
Для наглядного изображения распределения давления в сети при заданных
(проектных) расходах строят так называемые пьезометрические графики. Пример такого графика приведен на рис. 55.
При построении графиков необходимо соблюдать следующие условия:
1.
Обеспечение требуемого избыточного давления во всех точках се-
ти: не выше допустимого для абонентских систем (чаще всего 60 м водяного
столба) не ниже атмосферного для предотвращения подсоса воздуха.
73
2.
Обеспечение напоров, не допускающих вскипания воды в трубо-
проводах (ни в одной точке линии A1 M 1 и A3 M 3 не должны пересекаться).
3.
Напор в системе теплоснабжения не должен быть меньше гидроста-
тического напора местных систем. В противном случае возможно опорожнение
систем.
4.
Минимальное значение сетевого напора перед сетевыми насосами
должно быть не менее 5 – 10 м ( H В ).
5.
В точках присоединения потребителей напор должен обеспечивать
работу водоструйных элеваторов и другого оборудования.
Когда построен пьезометрический график магистрального трубопровода,
производится построение таких же графиков для ответвлений от магистрали:
их диаметры подбирают таким образом, чтобы при соблюдении перечисленных
условий и при расчетном расходе обеспечивалось сопротивление ответвления,
равное располагаемому избыточному давлению ( H 1K ).
Тепловые режимы тепловых сетей.
Потребность в теплоте у потребителей в течение времени постоянно меняется. Связано это со многими причинами. Технологические потребители являются достаточно постоянными, но и для них тепловая нагрузка не остается
неизменной: она колеблется в зависимости от цикличности технологического
процесса, сменности работы предприятий, степени гибкости технологического
процесса и др. Тепловая нагрузка на горячее водоснабжение является наиболее
постоянной, хотя и она в течение суток и более длительных периодов подвержена регулярным изменениям. Наиболее изменчивой является нагрузка на
отопление и вентиляцию. Здесь главным фактором, влияющим на изменение
нагрузки, выступает температура наружного воздуха.
Для обеспечения соответствия количества вырабатываемой тепло- и параметров теплоносителя потребностям абонентов служат системы регулирования
отпуска теплоты и температуры теплоносителя. Различают центральное, инди74
видуальное и местное регулирование. Центральное регулирование тепловой
нагрузки производится непосредственно у источника теплоты на ТЭЦ или в
районной котельной. Индивидуальное регулирование подразумевает изменение
теплоотдачи нагревательного прибора или другого устройства, являющегося
конечным в системе.
Местное регулирование выполняется в тепловых пунктах промышленных
предприятий, в групповых или индивидуальных узлах присоединения местных
систем к сетям теплоснабжения. По условиях эксплуатации центральное регулирование имеет преимущества по сравнению с местным. Однако одним центральным регулированием удается ограничиваться только при однородной
нагрузке. Так, например, в современных тепловых сетях центральное регулирование предусматривается для основной нагрузки, которой является отопительная, для иных нагрузок предусматривается местное регулирование.
Рассмотри основные способы центрального регулирования на примере
отопительных систем. Несмотря на значительное конструктивное разнообразие
применяемых отопительных приборов, все они, как правило, являются теплообменниками поверхностного типа, теплоотдачу которых при переменных режимах целесообразнее всего определять по формуле:
Q  Wmin E (t грн  tнагрН ) ,
(32)
где Wmin - минимальный водяной эквивалент одной из двух сред (нагреваемой или греющей), равный произведению количества жидкости на ее теплоемкость, т.е Wmin  Gж Сж ;
E – тепловая эффективность теплообменника (например, радиатора отопления);
t грн  tнагрН - разность между начальной температурой греющей среды и
начальной температурой нагреваемой среды;
 - коэффициент для учета возможных перегревов в работе.
75
В зависимости от того, изменением какой величины осуществляется изменение теплоотдачи, различают следующие виды регулирования;
- качественное, когда изменяют t грн , оставляя постоянным  и Gж ;
- количественное, когда изменяют Gж , оставляя постоянными  и t грн ;
- качественно- количественное, когда при одновременном изменении t грн и
Gж значение  остается постоянным;
- прерывистое (регулирование пропусками), когда периодически включают
и выключают прибор или отопительную систему, т. е изменяют значение коэффициента  , оставляя постоянными t грн и Gж .
В системах теплоснабжения при центральном регулировании наиболее
распространенным способом является качественный. В этом случае регулируемым параметром является температура теплоносителя. Зависит она от температуры наружного воздуха. Для определения температуры теплоносителя удобно пользоваться отопительными графиками (рис. 56).
Рис. 56. Отопительный график
В паровых системах теплоснабжения наиболее распространенным способом регулирования является прерывистое, т. е. регулирование пропусками. По
этой причине пар, как правило, не используется в качестве теплоносителя в системах вентиляции и кондиционирования воздуха.
76
Схемы тепловых сетей.
Тепловые сети представляют собой теплопроводы, т. е. сооружения, состоящие из стальных труб различного диаметра, соединенных сваркой, тепловой изоляцией, запорной и регулирующей арматурой, компенсаторов теплового удлинения труб, регуляторов расхода и температуры, опор, устройств для
спуска воды и выпуска воздуха и др.
Принятая схема тепловых сетей в большой мере определяет надежность
теплоснабжения, маневренность системы, удобство ее эксплуатации и экономическую эффективность. Принципы построения крупных систем теплоснабжения, средних и мелких систем существенно отличаются.
Крупные и средние системы имеют иерархическую структуру. Высший
уровень - магистральные сети, соединяющие источники теплоты с крупными
тепловыми узлами – районными тепловыми пунктами (РТП), которые распределяют теплоноситель по сетям низшего уровня и обеспечивают в них автономные гидравлический и тепловой режимы. Низший уровень составляют распределительные системы, которые транспортируют теплоноситель в групповые
или индивидуальные тепловые пункты. В случае присоединения через водо –
водяные водоподогреватели гидравлические режимы магистральных и распределительных сетей полностью разобщаются, что делает систему надежной,
гибкой и маневренной. В системе теплоснабжения с насосами в РТП отсутствует полная изоляция магистральных и распределительных сетей. Последнее приводит к зависимости режимов работы магистральных сетей от потребителя,
усложнению их и меньшей маневренности и надежности.
Различают радиальные и кольцевые тепловые сети. Радиальные сети характеризуются постепенным уменьшением диаметра по мере удаления от источника теплоснабжения и снижения тепловой нагрузки. Эти сети просты и
требуют наименьших капитальных затрат. Распределительные сети, как правило, являются радиальными. Кольцевыми выполняют магистральные сети. Часто
77
осуществляют кольцевание промышленных тепловых сетей, а также сетей для
потребителей, не допускающих перерывов в теплоснабжении.
Радиальные сети иногда оснащают перемычками, т. е. через определенное
расстояние соединяют трубопроводы горячей и обратной воды. По существу
перемычки приводят к частичному кольцеванию сетей, что повышает их
надежность. На перемычках устанавливается запорная арматура.
От источника теплоснабжения на территории города тепловые сети отдельно для промышленных предприятий, как правило, не прокладываются, а
совмещаются с сетями жилых, общественных и гражданских зданий. Направление террасы теплопроводов выбирают таким образом, чтобы она проходила
по районам с наиболее плотной тепловой нагрузкой. Это обеспечивает
наименьшие объемы работ по устройству сетей.
Уклон тепловых сетей должен приниматься независимо от направления
движения теплоносителя и способа прокладки не менее 0,002. На проводах к
отдельным зданиям при подземной прокладке уклон должен выполняться от
здания к ближайшей камере или теплофикационному колодцу для предотвращения затопления подвалов.
Конструкции тепловых сетей
Теплопроводы прокладывают подземными или надземными способами
Подземный способ является основным в жилых районах, так как при этом
не загромождается территория и не ухудшается архитектурный облик населенного места. Надземный способ применяют обычно на территориях промышленных предприятий при совместной прокладке энергетических и технологических
трубопроводов. В жилых районах надземный способ используют только в особо тяжелых условиях: вечномерзлые и проседающие грунты, заболоченные
участки, большая густота существующих подземных сооружений и коммуникаций, пересечение естественных и искусственных препятствий.
Подземные теплопроводы прокладывают в проходных, полупроходных и
непроходных каналах или бесканальным способом. Кроме того распредели78
тельные сети прокладывают иногда в технических подпольях зданий, что удешевляет сети и улучшает условия их эксплуатации. Варианты подземной прокладки теплопроводов изображены на рис. 57.
Рис. 57. Варианты подземной прокладки теплопроводов:
а – сборный железобетонный непроходной канал; б - бесканальная прокладка; в – прозодной канал; 1 – труба; 2 – тепловая изоляция; 3 – внешняя штукатурка; 4 – бетонные прокладки; 5 – плиты и стенки каналов; 6 – гравий; 7 – дренажная труба; 8 – песок; 9 – металлический каркас; 10 – подготовка основания
При использовании подземного способа прокладки теплопроводов в каналах или технических подпольях зданий они защищены от механических воздействий и частично от грунтовых и поверхностных вод. Для восприятия собственного веса трубопроводов в каналах устраивают подвижные опоры, которые при тепловом расширении перемещаются по опорной плите или консоли.
При бесканальной прокладке теплопроводы укладываются непосредственно в
грунт, и внешние механические нагрузки воспринимаются трубой и теплоизоляционной конструкцией. При этом подвижных опор не предусматривают, а
теплопроводы укладывают прямо на слой песка или гравия. Стоимость бесканальной прокладки на 20 – 25 % меньше, чем канальной, однако условия работы теплопроводов существенно ухудшается.
79
Глубина заложения теплопроводов от верхнего уровня каналов или изоляционной конструкции (при бесканальной прокладке) до поверхности земли
должна составлять не менее 0,5 – 0,7 м. При высоком уровне грунтовых вод его
понижают путем устройства попутного дренажа из гравия, песка и дренажных
труб под каналом или изоляционной конструкцией (рис. 57).
Каналы устраивают из унифицированных сборных железобетонных деталей. Для защиты от грунтовых вод и поверхностных вод наружную поверхность каналов покрывают битумом с оклейкой гидроизоляционными рулонными материалами. Однако, несмотря на гидроизоляцию, влага, как правило, попадает в каналы и испаряется, что приводит к увлажнению тепловой изоляции.
В проходных каналах обеспечиваются наилучшие условия для работы и
эксплуатации теплопроводов, хотя по затратам они являются наиболее дорогостоящими. В связи с этим сооружать их целесообразно для наиболее ответственных участков, а также при совместной прокладке теплопровода с другими
коммуникациями. Проходные каналы (коллекторы) оборудуют естественной
или принудительной вентиляцией, обеспечивающей температуру не выше 40 °С
и приемлемую относительную влажность воздуха, электрическим оснащением
30 В и телефонной связью.
Для сбора влаги в проходных каналах в пониженных местах трассы устанавливают приямки, сообщающиеся с водостоками, или оборудованные откачивающими насосами с дистанционным или автоматическим управлением.
Непроходные каналы применяют обычно для трубопроводов до 500 мм.
Бесканальную прокладку используют обычно для трубопроводов небольших диаметров (до 300 мм). Однако в последние годы в связи с повышением
качества сварочных и теплоизоляционных работ её начинают использовать и
для труб больших диаметров (до 500 мм и более).
Теплопроводы, прокладываемые бесканально, разделяют в зависимости от
вида теплоизоляционной конструкции на литые, засыпные и в оболочках.
80
На подземных теплопроводах оборудование, требующее обслуживания,
такое, как задвижки, некоторые типы компенсаторов, дренажные устройства,
спутники, вантузы, насосы и другое, размещают в специальных камерах, а Побразные компенсаторы – в нишах (рис. 58).
Рис. 58. Ниша с П-образным компенсатором
Конструктивно камеры выполняют с наземными или подземными павильонами. Наземные павильоны предусматривают на теплопроводах большого
диаметра.
Надземные теплопроводы прокладывают на отдельно стоящих опорах,
мачтах, эстакадах со сплошными пролетным строением в виде ферм или балок,
в виде вантовых конструкций. На промышленных предприятиях применяют
иногда прокладку на консолях (кронштейнах) по стенам зданий и на подставках
по крышам зданий.
Для тепловых сетей применяют несколько разновидностей стальных труб:
81
- стальные трубы диаметром от 50 до 400 мм – горячекатаные бесшовные с
толщиной стенки от 2,5 до 13 мм, пригодные для давления до 3,6 МПа;
- стальные трубы диаметром от 400 до 700 мм - электросварные с толщиной стенки 5 – 6 мм, пригодные для давления до 1,6 МПа.
На теплопроводах предусматривают задвижки для отключения отдельных
участков трубопроводов. Задвижки располагают в теплофикационных камерах
или колодцах. По конструкции они такие же, как и те, что устанавливаются на
отопительных системах. Открывание и закрывание задвижек большого диаметра осуществляется электродвигателями, управление которыми осуществляется автоматически или дистанционно.
Компенсаторы устанавливают на прямых участках трубопроводов, если их
длина превышает 25 – 30 м. Расстояние между компенсаторами зависит от
диаметра трубопровода и температуры теплоносителя, колебания которой и
приводит к изменению длины труб. Приближенно в зависимости от диаметра
это расстояние можно принимать в пределах 30 – 70 м.
Между компенсаторами располагают неподвижные опоры, представляющие собой конструкции для замоноличивания трубопроводов либо в стенки канала, либо в грунт.
Высокое качество работы систем теплоснабжения обеспечивается средствами автоматического управления и контроля, которыми оснащаются как источники теплоты, так и соответствующие сооружения на теплопроводах.
3. ГАЗОСНАБЖЕНИЕ.
Источники газоснабжения. Некоторые характеристики горючих газов.
Источниками газоснабжения населенных пунктов и промышленных предприятий могут быть месторождения природного газа и газовые заводы, на которых газы получают путем соответствующей термической переработки твердых топлив (в основном каменного угля).
Природные газы в настоящее время получили наиболее распространение.
По химическому составу они представляют собой смесь различных углеводо82
родов. Природные газы подразделяют на три типа:
получаемые из чисто га-
зовых месторождений, «попутные», выделяющиеся из нефтяных скважин вместе с нефтью, газы конденсатных месторождений (смесь сухого газа и паров
тяжелых углеводородов).
Природные газы обладают рядом преимуществ перед другими видами топлива, в том числе и перед искусственными газами. Они дешевы, обладают
большой теплотворной способностью (30 000 – 40 000 кДж/ нм 3 против примерно 15 000 кДж/ нм 3 у искусственных, характеризуются высокой
транспорта-
бельностью, а также большим возможностями автоматизации процесса горения.
Замена газов других видов топлива, кроме того, приводит к уменьшению
территорий, занятых под склады угля, дров, шлака, а также к разгрузке городского транспорта от перевозки топлива.
Зарождение использования газа в качестве топлива относятся к концу
ХVIII – началу ХIХ в., когда стали использовать газ, получаемый из каменного
угля для освещения городов Англии, Франции, Бельгии и других стран. В первой половине ХIХ в. появились крупные установки для выработки газа из каменного угля – газогенераторы. В дореволюционной России небольшое количество газа добывалось на нефтяных промыслах, на мелких заводах из угля
производился низкоколорийный газ. Природный газ не использовался и его месторождения не были известны.
К концу 1971 г. добыча газа у нас в стране была доведена до 212 млрд м 3 ,
а получение искусственного газа – до 2 млрд м 3 . В 1975 г. было добыто уже 300
млрд м 3 . В последние годы именно у нас в стране разработаны и внедрены
конструкции высокодебитных скважин диаметром 300 мм. Каждая такая скважина позволяет получать на таких крупных месторождениях, как Уренгойское,
Медвежье, Заполярное, примерно 3 млрд м 3 газа в сутки. По разведенным
запасам газа России занимает первое место в мире (16 триллионов м 3 , в том
числе Уренгойское – около 4 триллионов м 3 ).
83
Важнейшим элементом газоснабжения является системы транспортировки
газа. Газ передается от месторождения к потребителям по газопроводам. В России широко внедряются трубы диаметров и повышаются рабочие давления газопроводов до 7,5 Мн/ м 2 (75 кг/ см 2 ). Строятся газопроводы диаметром 1400 и
2020 мм. Необходимая степень сжатия газа для передачи на большие расстояния обеспечивается компрессорными станциями, расстояния между которыми
составляют 100 – 130 км.
Развитие газопроводного транспорта в СССР до 1941 г. характеризовалось
сооружением газопроводов из труб малых диаметров (100 – 250 мм) для подачи
газа от месторождений со сравнительно небольшими запасами природного и
попутного нефтяного газа. В 1946 – 50 гг. у нас сооружаются первые крупные
магистральные газопроводы для подачи газа из месторождений Саратовской
области в Москву и из месторождений Предкарпатья в Киев. Газопровод Саратов - Москва из труб диаметром 325 мм и длиной 800 км явился первым в
СССР магистральным газопроводом. Затем создаются крупные и крупнейшие
газопроводы Дашава - Киев - Москва (1300 км), Серпухов-Ленинград (815 км),
«Сияние Севера» (2200 км), Бухара-Урал (4500 км), Средняя Азия-Центр (около
5500 км), Уренгой-Ужгород (6000 км) и др. В 1967 г. у нас в стране впервые в
мировой практике стали широко применяться трубы диаметром 1220 мм. В последнее время магистральные трубопроводы для транспортировки газа в России сооружаются из труб диметром 1420 мм. Проектируются газопроводы диаметром 2520 мм. Максимальный диаметр труб в США 1067 мм. Средний диаметр магистральных газопроводов в России 674 мм, в США – 410 мм.
Следует отметить, что газ, подаваемый в города, идет в основном на промышленные предприятия и частично подается в квартиры и общественные здания. В СССР 85 % природного газа используется в промышленности в качестве
топлива, 6 % всего добываемого газа идет на производство минеральных удобрений, синтетического каучука, спирта, сажи, пластмасс, ацетилена и другой
ценной продукции.
84
Для надежности газоснабжение вблизи крупных промышленных центров
создаются хранилища газа, чаще всего подземные. Газ в течении суток и года
потребляется неравномерно. Летом, например, потребление газа сокращается
до 60 – 70 % от среднегодового, зимой возрастает в среднем до 130 – 140 %.
Наземные хранилища - газгольдеры служат для сглаживания суточной неравномерности, подземные-сезонной. Подземные газовые хранилища сооружаются
двух типов: в пористых породах и в полостях горных пород. К первому типу
относятся хранилища в истощенных нефтяных и газовых месторождениях, ко
второму – созданные в заброшенных шахтах, старых тоннелях и в специальных
горных выработках. В хранилищах первого типа газ хранится в газообразном
состоянии, второго – в сжиженном. В СССР впервые в мире осуществлено в
промышленных масштабах вблизи Ленинграда (Гатчинское подземное хранилище) хранение газа в горизонтальных и полого падающих водоносных пластах.
Первое подземное хранилище газа сооружено в Канаде в 1915 г. в истощенной залежки. Наибольшее развитие подземного хранения газа получило в
США, где в 1970 г. Насчитывались 330 хранилищ общей емкостью 124 млрд.
Первое газовое хранилище под землей было сооружено в Куйбышевской обл.
(Башкатовское) в 1958 г. К настоящему времени емкость подземных газовых
хранилищ у нас в стране составляет более 51 млрд м 3 . Крупнейшим в мире является Щелковское, его емкость около 3 млрд м 3 .
Несмотря на большие удобства, которые дает применение газа для приготовления пищи в квартирах, необходимо иметь в виду и недостатки, присущие
сжиганию газа в газифицированных кухнях.
Это прежде всего изменение газового состава воздуха и насыщение воздушной среды кухонь и квартир продуктами сгорания. Меняется и температурный режим, увеличивается влагосодержание воздуха. Концентрация кислорода,
например, снижается с 21 до 18 %, приращение температуры достигает 9 °С, а
относительная влажность воздуха становится равной 70 – 80 %.
85
Потребление газа в городах подразделяется на следующие группы: а) бытовое (для приготовления пищи и горячего водоснабжения); б) коммунальнобытовое (потребление в зданиях сферы обслуживания и общественных зданиях); в) на отопление и вентиляцию зданий; г) промышленное. По СНиП расход
газа на одного человека в год следует принимать: на приготовление пищи –
2680 МДж при наличии централизованного водоснабжения; на приготовление
пищи и горячей воды на плите – 3400 МДж; на приготовление пищи и горячей
воды в газовом водонагревателе – 5330 МДж. Нормы расхода газа на промышленных предприятиях определяются технологическими процессами.
Количество газа ( м 3 /год) определяются давлением годового расхода газа в
МДж на теплоту сгорания.
Газовые распределительные сети и газорегуляторные станции (ГРП)
От места добычи до города газ поступает по магистральным трубопроводам. Началом транспортировки газа является головная компрессорная станция,
а конечным пунктом - газораспределительная станция (ГРС), расположенная
на вводе в город (населенный пункт). Площадь земельного участка для ГРС
принимается в пределах от 300 до 10 000 м 2 . После компрессорной станции,
как уже указывалось, давление газа повышается до 5 – 5, 5/50 – 55 кг / см 2 . На
вводе магистрального газопровода в город давление газа обычно составляет
примерно 1 – 1, 2 МПа.
От ГРС начинаются городские газовые сети. Давление в них снижается до
требуемой величины. Для небольших городов и поселков или промышленных
объектов предусматривается контрольно-распределительные пункты (КРП).
Городские газопроводы (рис. 59) подразделяются на распределительные
газопроводы высокого, среднего низкого давления; абонентские ответвления к
отдельным потребителям и их группам; внутридомовые трубопроводы. Для газопроводов высокого давления определенно давление 0,3 – 1,2 МПа, среднего –
0,005 – 0,3 МПа, низкого – до 5 кПа.
86
Газопроводы высокого давления служат для питания через газорегулярные
пункты (ГРП) среднего давления распределительных сетей среднего и низкого
давления. По газопроводам среднего давления газ подается к крупным потребителям (промышленным предприятиям, ТЭЦ, отопительным котельным и
коммунально-бытовым предприятиям) и к ГРП низкого давления, от которых
он поступает в сети низкого давления. Газопроводы низкого давления служат
для подачи газа в жилые дома, мелкие коммунально-бытовые предприятия.
Конфигурация газовых сетей чаще всего предусматривается кольцевой, что
обеспечивает высокую надежность и равномерное распределение давления в
сети. Газопроводы в пределах города прокладывают в грунте. При транспортировке влажного или сжиженного газа во избежание образования наледи на
трубах их прокладывают ниже глубины промерзания с уклоном к конденсатосборникам не менее 0,002. Газопроводы осушенного газа размещают в зоне сезонного промерзания. Минимальная глубина заложения газопроводов – 0,8 от
верха трубы. Газопроводы низкого давления размещают от стен здания на расстоянии не менее 2 м, среднего давления – 5 м. Газопроводы прокладывают по
городским проездам. При этом газопроводы среднего и низкого давления разрешается прокладывать совместно с другими трубопроводами и кабелями
освещения и связи в проходных коллекторах или полупроходных каналах. В
непроходных каналах совместная прокладка газопроводов запрещена. В таблице 2 приведены минимальные расстояния в метрах по горизонтали между подземным газопроводами и другими инженерными сооружениями.
87
Рис. 59.
Схема газоснабжения города: 1 – ГРС; 2 – газгольдерные станции; 3 – ГРП среднего давления, ГРП среднего давления, ГРП низкого давления; 5 - газопровод высокого давления; 6 газопровод среднего давления; 7 - газопроводы низкого давления; 8 – магистральный газопровод
88
Т а б л и ц а 2. Расстояния между подземным газопроводами и другими сооружениями и коммуникациями
Минимальное расстояние в м от подземного газопровода.
Газопровод
до
зданий
Высокого давле- 15
ния
(0,6 – 1,2 МПа)
9
То же
(0,3 – 0,6 МПа)
5
Среднего давления
2
(0,005 – 0,3
МПа)
до рельса
Ж-Д
пути
тр.
пути
10
3
до кабеля
элек.
сети и
связи
2
до водопр.
трубы
до
тепл.
канала
до канала
трубы
до
ствола
дерева
7
3
1
1
2
2
1,5
4
2
1
1
2
1,5
1,5
3
2
1
1
2
1
1,5
1
4
5
1,5
Низкого давления
(до 5 кПа)
При устройстве газопроводов применяют стальные трубы, соединяемые сваркой. На них накладывают слой гидроизоляции.
Постоянства давления в городской газовой сети поддерживается на заданном уровне при помощи автоматически действующих регуляторных станций.
Они обеспечивают передачу газа из газопроводов с более высоким давлением в
газопроводы с более низким давлением. Часто газорегуляторные станции называют газорегуляторными пунктами (РГП). РГП могут быть сетевыми, падающими газ в распределительные сети среднего и низкого давления, и объектовыми, подающими газ промышленным или коммунально-бытовым потребите-
89
лям. В зависимости от давления газа на выходе РГП могут быть среднего и низкого давления.
Сетевые РГП размещают в отдельно стоящих зданиях. Для мелких потребителей они могут размещаться в шкафах, устанавливаемых на несгораемых
конструкциях зданий снаружи. Отдельно стоящие РГП располагают в садах,
парках, внутри жилых кварталов и во дворах. Расстояния от РГП до зданий и
сооружений должны быть не менее указанных в таблице 3.
Т а б л и ц а 3. Расстояния между РГП и другими зданиями и сооружениями в
метрах
Давление газа на вводе в
Расстояния от РГП по горизонтали в свету
до зданий
или сооружений
до Ж – Д трамвайных.путей до
ближайшего
рейса
до автодо-
До 6 (0,6)
10
10
5
Не меньше 1,5
высоты опоры
6 – 12 (0,6 –
1,2)
15
15
8
То же
РГП в атм
(МПа)
роги
до воздушной
линии электропередачи
Площадь отдельно стоящих – 12 – 15 м 2 при высоте не менее трех метров. На
рис. 60 приводятся план и разрез такого РГП.
90
Рис. 60. Газорегуляторный пункт: 1 – отключающая задвижка; 2 – фильтр; 3 – предохранительно-запарный клапан; 4 – регулятор давления; 5 – задвижка в городскую сеть; 6 –
обводная линия (байпас); 7 – задвижка на обводной линии; 8 – приборный щит
Газоснабжение зданий.
Газ в жилых зданиях используется в качестве топлива для приготовления
пищи и горячей воды. Основными газовыми приборами являются газовые плиты, водонагреватели, пищеварочные котлы и т. п. Газовые приборы в жилых и
общественных зданиях должны работать на низком давлении. В жилых зданиях
газовые плиты устанавливаю в кухнях объемом не менее 15 м 3 - для четырехкомфорочной плиты и 8 м 3 - для двухкомфорочной плиты. Высота кухни не
должна быть менее 2,2 м. Кухни должны иметь вытяжную вентиляцию. Для
других газовых приборов продукты сгорания отводятся в атмосферу по специальным дымоходам. Каждый дымоход конструируется обособленным. Минимальная площадь дымохода 100 – 150 м 2 .
Газоснабжение зданий (рис. 61) включает вводы и внутренние газопроводы. Вводы в жилых зданиях проходят через нежилые помещения (лестничные
клетки, коридоры). В общественных, коммунально-бытовых, промышленных
зданиях, предприятиях общественного питания вводы предусматриваются на
лестничных клетках, помещениях, где установлены газовые приборы, или
91
смежных помещениях, которые имеют воздухообмен не менее трехкратного и
соединены с основным дверным проемом.
В связи с взрывоопасностью смеси газа с воздухом (сам газ не взрывоопасен) не допускается прокладка вводом в подвалы, лифтовые помещения, вентиляционные камеры и шахты, мусоросборники, электрораспределительные
устройства и склады.
При осушенном газе ввод прокладывают снаружи здания, он проходит через стену выше фундамента (рис. 62). При влажном или сниженном газе диаметр ввода увеличивают и прокладывают через отверстие, устанавливаемое в
фундаменте. В месте прохода трубы через фундамент на нее одевают футляр
диаметром на 100 мм больше диаметра трубы (рис. 63), минимальный диаметр
ввода 50 мм.
Рис. 61. Схема внутридомовой газовой сети:
1 – газовая плита; 2 – газовая колонка; 3 – газовый счетчик; 4- краны пробковые; 5- стояк
газовый; 6-ввод газовый; 7- вытяжка вентиляции
92
Внутренние газопроводы состоят из разводящих трубопроводов, стояков и
поэтажных разводок. Разводящие трубопроводы служат для подачи газа от
ввода к стоякам. Они прокладываются обычно в нижней части здания. Стояки
предназначены для распределения газа по этажам здания. Поэтажные разводки
служат для передачи газа от стояков к газовым приборам и технологическому
оборудованию.
Рис 62. Ввод газопровода в здание выше фундамента
1 – место сварки; 2 – штраба в фундаменте; 3 – уровень земли; 4-съемный лист
93
Рис. 63. Устройство подземного ввода газопровода через фундамент
В системах газоснабжения имеются соответствующая регулирующая и
предохранительная арматура.
4. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ВЕНТИЛЯЦИИ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА
При изучении отопительных систем было установлено, что основной целью является поддержание требуемого (нормируемого) значения температуры
воздуха в помещениях. В большинстве случаев (особенно при панельном и лучистом отоплении) нормируется и температура внутренних поверхностей
ограждений.
Вентиляция в зданиях и сооружениях предусматривается для подачи свежего наружного воздуха и удаления воздуха, загрязненного продуктами жизнедеятельности и различными примесями, сопровождающими технологические
процессы. В том случае, когда с помощью вентиляционных установок и систем
поддерживается и заданное значение температуры воздуха в холодное время
года, говорят о воздушном отоплении.
94
Кондиционирование воздуха включает все перечисленные
функции и,
кроме того, за счет использования искусственного или естественного холода
обеспечивает удаление из помещений избыточной теплоты в теплое время года.
Понимание сущности процессов вентиляции и кондиционирования воздуха
основано на знании некоторых термодинамических закономерностей.
Термодинамические уравнения влажного воздуха
В системах вентиляции и кондиционирования воздуха используется, как
правило, атмосферный воздух, представляющий собой смесь сухой части и водяного пара. Основными компонентами сухой части являются азот (78 % по
объему), кислород (21 %), инертные газы (около 0,96 %) и углекислый газ (0,03
– 0,04). Количество водяного пара в воздухе существенно переменно: его достаточно много в воздухе летом и очень мало зимой. Тем не менее водяной пар
всегда присутствует в воздухе, а потому в системах вентиляции и кондиционирования приходится иметь дело с влажным воздухом.
В расчетах влажный воздух с достаточной для практики точностью можно
считать идеальным газом и распространять на него закономерности, справедливые для таких газов.
Известно, что смеси идеальных газов подчинятся закону Дальтона, в соответствии с которым сумма парциальных давлений компонентов смеси равна
общему давлению. Атмосферный воздух находится под атмосферным давлением В. Тогда
B  PГС  Pn ,
где
(33)
PГС - парциальное давление сухой части воздуха;
Pn - парциальное давление водяного пара;
Если далее воспользоваться уравнением состояния идеальных газов, то для
сухой части можно написать:
PГС  G ГС PГС T ,
где
(34)
GГС - масса сухого воздуха, кг;
95
 - объем, занимаемый воздухом, м 3 ;
PГС - газовая постоянная сухого воздуха, Дж/кг К;
Т - температура по абсолютной шкале, К.
Известно, что плотность  ГС  G ГС /  , а 1/  ГС есть не что иное, как удельный
объем  . Тогда
 ГС  RГС Т
(35)
 ГС 0 =1,293 кг/ м 3 ,
При температуре 0 °С и B = 760 мм РТ. ст.
а величина RГС = 287 Дж/кг К(29,27 м (°С )).
Важной характеристикой сухого воздуха является энтальпия (теплосодержание)
i ГС .
Обычно
её
отсчитывают
от
0°С.
Тогда
i ГС  C ГС t ,
(4)
где
C ГС - удельная теплоемкость сухого воздуха при постоянном давле-
нии, 1,0 кДж/кг К/0,24 ккал /кг °С.
Для водяного пара по аналогии с (3) можно написать
Pn  Gn RnT ,
где
(36)
Pn -парциальное давление водяного пара;
Rn - газовая постоянная водяного пара.
Величина газовой постоянной водяного пара Rn =461 кДж/кг К=47,06 м/°С.
Удельная теплоемкость водяного пара C n =1,8 кДж/кг К=0,46 ккал/кг °С.
Пар может находиться в воздухе в насыщенном или перегретом состоянии. В насыщенном состоянии он имеет ту ж температуру t II , что и вода, с поверхности которой он испаряется. В перегретом состоянии его температура t
равна температуре воздуха и, кроме того, t > t II .
Энтальпия насыщенного водяного пара слагается из энтальпии воды при t II
и удельной теплоты испарения r:
inII  cж t II  r ,
96
где cж - удельная теплоемкость воды, равная 4,19 кДж/кг К или I ккал/кг °С.
Удельная теплота испарения зависит от температуры и определяется по
формулам:
r  2500  2.39t II , кДж/кг;
r  595  0.54t II , ккал/кг.
Тогда
inII  4.19t II  2500  2.39t II  2500  1.8t II ;
inII  t II  595  0.54t II  595  0.46II
.
Энтальпия перегретого водяного пара, находящегося в воздухе при температуре t, может быть представлена суммой энтальпии насыщенного пара и дополнительной теплоты, потребной для его перегрева:
in  inII  cn (t  t II )  2500  1.8t , кДж/кг ;
или in  595  0.46t ккал/кг
(37)
(38).
В связи с тем, что в воздухе всегда присутствует водяной пар, необходимо
уметь оценивать это присутствие количественно. Осуществляют такую оценку
чаще всего с помощью двух величин : относительной влажности и влагосодержания d.
Относительная влажность есть отношение концентрации водяного пара,
содержащегося во влажном воздухе рассматриваемого состояния, к концентрации насыщенного пара при той же температуре.
Концентрация водяного пара является его плотностью и тогда …=
n
 nII
(39).
Относительную влажность удобно выражать через отношение парциальных давлений пара. Написав уравнения состояния для пара двух рассматриваемых состояний получим
97
Pn   n RnT
(40)
PnII   nII RnT
(41),
а затем поделив (40) на (41), получим
Следовательно
Pn

P
 IIn = nII
II
Pn
n
Pn
(42)
Влагосодержанием d называется количество (масс) водяного пара, приходящееся на единицу массы сухой части воздуха. размерность влагосодержания
г/кг/кг/кг. Относительная влажность в свою очередь измеряется в процентах
или долях.
Относительной влажностью пользуются, характеризуя гигиенические и
технологические качества воздушной сферы. Влагосодержание выступает, как
правило, в качестве параметра, чрезвычайно удобного и наглядного в расчетах
по вентиляции и кондиционированию воздуха.
Влагосодержание и относительную влажность можно связать уравнением,
играющим важную роль в термодинамических расчетах с влажным воздухом.
Получим это уравнение. Для этого запишем вначале уравнение состояния (5)
применительно к количеству водяного пара, приходящегося на 1 кг сухой части
воздуха, то есть d
Pn  dRnT
и поделим (3) на (12):
Отсюда d =
(43)
PГС R ГС 1

Pn
Rn d
R ГС Pn
R n PГC
R ГС
PnII
 0.622 . Тогда с учетом (1) и (2) получим d  0.622
Отношение
Rn
В -PnII
(44)
Если влагосодержание измеряется в граммах, то
d  622
98
PnII
.
B nII
(45).
При выполнении термодинамических расчетов необходимо уметь вычислять энтальпию влажного воздуха, которая определяется зависимостью:
Y  i ГС  i n d .
Если теперь воспользоваться (4), (6) и (7), можно получить
Y  1.0t  (2500  1,8t)d
(46)
или Y  0.24t  (595  0.46t )d .
(47)
Полученные выше уравнения позволяют производить различные расчеты,
связанные с изменением состояния влажного воздуха, в частности , получать
значения остальных параметров по известным (не менее двух).
Пример. Состояние влажного воздуха задано температурой t = 15°С
и относительной влажностью  = 60 °С.
Определить парциальное давление водяного пара, влагосодержание и энтальпию.
Решение. Парциальное давление насыщенного водяного пара при той ил иной
температуре находят по специальным таблицам.
Для t = 15 °С PnII – 17,049 ГПа.
Тогда парциальное давление водяного пара
Рn =  PnII = 17,049 x 0.6 = 10.229 ГПа.
Влагосодержание вычисляем по формуле (13)
d
10.229 x0.622
 6.345 x10 3 кг / кг
1013  10.229
Энтальпия определяется по формуле (15):
  15 x 1.0  (2500  1.8 x 15) x 6.345 x 10 -3  31.03 кДж/кг.
Y-d диаграмма влажного воздуха
Полученные выше уравнения позволяют проводить самые различные
расчеты, однако, требуют выполнения многочисленных вычислений и не отличаются наглядностью. Очень удобной оказалась предложенная в 1918 г. профессором Петроградского политехнического института Л. К. Рамзиным Y-d
99
диаграмма влажного воздуха, которая устраняет отмеченные выше недостатки,
имеющие место при пользовании системой уравнений. На рис. 64 изображена
Y-d диаграмма. Не останавливаясь подробно на ее построении, заметим только, что на вертикальной оси в соответсвующих масштабах откладываются энтальпия Y и температура t, а наклонная ось является осью влагосодержания d.
Рис. 64
Линии Y = const таким образом параллельны оси d, а направление изотерм
определяется положением прямой t = 0, и они либо почти горизонтальны, либо
имеют небольшой наклон к горизонтальной оси. В принципе направление линии t = 0 определяет выбор угла наклона оси d. В координатах Y-d линии
 = const изображаются семейством кривых, а линия Pn = f(d) представляет со-
бой наклонную прямую, проведенную из точки d=0. масштабная линейка для
Pn откладывается обычно справа от линии Pn = f(d).
Рассмотрим теперь порядок отыскания параметров воздуха по известному положению на Y- d диаграмме точки А, характеризующей его состояние.
Этот порядок иллюстрируется на рис. 65.
100
Рис 65.
Как видно на рис. 65 с помощью Y- d диаграммы можно отыскать восемь параметров, характеризующих состояние воздуха:
- энтальпию Y A ;
- влагосодержание d A ;
- относительную влажность A ;
- температуру t A ;
- парциальное давление водяного пара в воздухе Pn A ;
- парциальное давление насыщенного водяного пара при температуре
t A - PnII A ;
- температуру точки росы t AII ;
- температуру смоченного термометра t AI .
Последние два параметра нуждаются в пояснениях.
Под температурой точки росы понимают такую температуру, при которой
количество водяного пара, находящегося в воздухе, становится насыщенным.
Такое определение делает очевидным порядок отыскания температуры точки
101
росы на Y- d диаграмме: необходимо опуститься по линии d = const до кривой насыщения  = 1 и определить температуру, соответствующую точке пересечения названных линий.
Температура точки росы - очень важный термодинамический параметр.
При контакте влажного воздуха с поверхностями, имеющими температуру ниже t II , на них из воздуха выпадает конденсат. Последнее обстоятельство широко используется в установках кондиционирования для осушения воздуха.
Температура смоченного термометра представляет собой параметр термодинамического равновесия жидкости (воды) и газ (воздуха) при их контакте.
Нетрудно сказать, что этим параметром является температура точки пересечения изоэнтальпы, соответствующей состоянию воздуха, с кривой насыщения
(рис. 65). Измеряется эта температура термометром, термочувствительный элемент которого смачивается чаще всего с помощью влажной ткани. Отсюда и
название параметра.
Важность температуры смоченного термометра определяется тем, что при
обработке воздуха водой,
рециркулирующей в аппаратах, где имеет место
непосредственный контакт воды с обрабатываемым воздухом, последний точно так же, как и вода, стремится принять температуру t I , т. е. процесс изменения его состояния характеризуется линией Y = const. При этом воздух увлажняется и охлаждается. Такие процессы называются процессами адиабатного (так
как
Y = const) увлажнения воздуха и широко используется в технике вентиля-
ции и кондиционирования воздуха по причинам своей простоты, экономичности и отсутствия потребности в искусственном холоде.
Для того, чтобы изобразить на Y-d
диаграмме точку, характеризующую
то или иное состояние влажного воздуха, необходимо знать два параметра, не
выражающиеся друг через друга (t- , t-Y, Y-d и др., но не d- , d-Pn ). Процессы нагревания и охлаждения воздуха изображаются на диаграмме
вертикальными линиями, парллельными оси J (рис. 66 )
102
прямыми
Рис. 66.
При этом количество теплоты Q, подведенное к воздуху или отведенное от
него, при количестве последнего G Г (в килограммах) легко определить из очевидных уравнений:
Q  СрGГ (t В - t А )
(49)
или
Q  G Г (YВ - YА )
(50)
При изменении и влагосодержания (например, процесс АВ3 на (рис. 66)
использование формулы (49) исключается, так как она приводит к недопустимым погрешностям.
Довольно часто в вентиляции и кондиционировании приходится сталкиваться со смешением двух и более количеств воздуха. Процессы смешения (для
простоты - двух количеств) изображаются Y-d
диаграмме прямой линией, со-
единяющей точки, характеризующие состояние количеств воздуха, участвую-
103
щих в смешении (рис.64).При этом параметры смеси (точки С) находят из соотношения
AC / CB  GB / G A
т. е. точка смеси С делит прямую АВ на отрезки, длина которых обратно пропорциональна количествам воздуха, участвующим в смешении (рис. 64)
Не следует думать, что Y-d
диаграмма является единственным способом
графической интерпретации термодинамических уравнений влажного воздуха.
В США, Австралии, в меньшей степени в странах Европы для расчетов и изображения процессов изменения состояния воздуха используется психрометрические диаграммы. Они менее удобны, чем Y-d диаграмма, но в силу традиций
применяются в тех странах фирмах, где впервые получили применение.
Более подробно с процессами изменения состояния воздуха будет необходимо ознакомиться при рассмотрении различных способов его обработки в
установках кондиционирования.
4. 1 ТРЕБОВАНИЯ К ВОЗДУШНОЙ СРЕДЕ ПОМЕЩЕНИЙ
Воздушная среда помещений должна удовлетворять требованиям, которые
предъявляются, во-первых, людям, находящимися в них, во-вторых, осуществляемыми в помещениях технологическими процессами, работающим оборудованием, хранящимся имуществом. Первые принято называть санитарногигиеническими, вторые - технологическими.
Санитарно-гигиенические требования к воздушной среде зависят в основном от характера деятельности людей в помещении. У нас в стране уровень санитарно-гигиенических требований постоянно растет.
Технологические требования определяются характером технологических
процессов, степенью точности изготовления различных видов изделий, условий
хранения тех или иных видов имущества, предметов искусства и т. д, причем
они также не остаются незменными и совершенствуются по мере совершенствования технологии, появления новых технологических процессов, оборудования. Это в первую очередь относится к современным производствам: радио104
электронике, вычислительной технике, производству оптических приборов, кино и фото - пленки, большинства видов синтетических волокон, некоторых видов продукции текстильной промышленности и т. д.
Заметим, что не всегда санитарно-гигиенические и технологические требования совпадают. В таких случаях задача обеспечения приемлемых для людей
условий воздушной среды существенно усложняется.
Все факторы воздушной среды действуют на человека и оборудование
комплексно. Однако их можно подразделить на следующие основные группы:
- требования к газовому составу воздуха – регламентируют различные отклонения в содержаний основных газов, входящих в состав воздуха;
- требования к чистоте воздуха – определяют содержание в воздухе различных посторонних примесей (твердых или жидких частиц, газов, паров, микроорганизмов);
- требования к метеорологическим параметрам воздуха (к микроклимату
помещений). Под метеорологическими параметрами понимают температуру,
влажность, скорость движения (подвижность). Все эти факторы воздействуют
совместно с так называемым радиационным фактором - температурой поверхностей ограждений, мебели, оборудования.
Перечисленные выше требования достаточно подробно излагаются в различных общегосударственных и ведомственных нормах, основными из которых
являются:
- Санитарные нормы проектирования промышленных предприятий (СН245-71);
- ГОСТ 12.1.005-76. Воздух рабочей зоны промышленных предприятий;
- Строительные нормы и правила (СНиП 2.04.05-84. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха).
В некоторых случаях нормируются степень ионизации воздуха, запахи.
105
Требования к газовому составу воздуха.
Из всех газов, составляющих воздух, важнейшими для жизнедеятельности
людей являются кислород и углекислый газ. Они принимают участие в газообмене человека с окружающей средой, который осуществляется главным образом в легких в процессе дыхания. Процесс дыхания сопровождается выделением теплоты (метаболизм) и углекислого газа и поглощением кислорода.
Наилучшие условия для усвоения кровью кислорода имеют место при его парциальном давлении 160 мм рт. ст., что при атмосферном давлении 760 мм рт.
ст. соответствует нормальному процентному содержанию кислорода в атмосферном воздухе, т. е. 21 %.
Благодаря способности человеческого организма приспосабливаться, нормальное дыхание может наблюдаться и при меньшем содержании кислорода.
Если уменьшение содержания кислорода происходит за счет азота и инертных
газов, то возможно значительное, до 12 % уменьшение его количества.
Однако в помещениях с пребыванием людей снижение доли кислорода
происходит з счет нарастания концентрации углекислоты. Поэтому в нормативных документах эта доля не допускается ниже 17 – 18 % по объему.
Количество углекислого газа ( CO 2 ) в атмосфере постоянно растет. Связано
это в первую очередь со сжиганием органического топлива и ростом промышленного производства. Если в начале века его содержание соответствовало 0,03
%, то теперь оно составляет около 0,035 %. В воздухе крупных городов его
обычно больше. Для расчетов принимают содержание CO 2 в атмосферном воздухе 0,04 %.
В воздухе помещений без каких-либо вредных последствии могут быть допущены концентрации углекислого газа, существенно превышающие 0,04 %.
При кратковременном пребывании людей в помещениях с концентрацией CO 2
1 – 2 % каких-либо нарушений в организме, как правило, не наблюдается.
В помещениях жилых и общественных зданий в качестве нормативных
можно принять следующие концентрации углекислого газа: при постоянном
106
пребывании людей – 0,1 (жилые помещения) и 0,07 % (лечебные и детские
учреждения); в помещениях с периодическим пребыванием людей (учреждения, учебные заведения) – 0,125; в помещениях с кратковременным пребыванием людей (кинотеатры, концертные залы и т. п.) – 0,2 %.
Требования к чистоте воздуха
Посторонние примеси у воздуху принято называть вредностями. Наибольшее количество вредностей, как правило, поступает в воздух производственных
помещений. Полное их устранение из воздуха не всегда возможно в основном
из-за ограниченных технических возможностей средств очистки воздуха. Поэтому часто приходится допускать присутствие в нем некоторого количества
вредностей, но не более так называемых предельно-допустимых концентраций
(ПДК). Концентрация вредных веществ определяется обычно в мг/ м 3 . В качестве нормативной ПДК той или ной вредности применяется такая ее максимальная концентрация, при которой даже после длительного воздействия на
людей не возникает каких бы то ни было объективных признаков ухудшения их
самочувствия и здоровья.
Не останавливаясь на описание вредностей (их более 5000), встречающихся в помещениях различного назначения, дадим только краткую характеристику пыли.
Минеральная и органическая пыль - самая распространенная вредность,
встречающаяся в самых различных помещениях. Если пыль составляет токсические вещества, то ее ПДК ими и определяется.
Но даже если пыль не ядовита – она вредна, так как обладает фиброгенным
действием, связанным с прониканием в легкие и повреждением весьма нежной
легочной ткани.
В помещениях общественных зданий предельно-допустимые концентрации
пыли колеблются от 0,15 до 2,0 мг / м 3 . Меньше значения относятся к детским и
лечебным учреждениям. Особой очистке подвергается воздух, подаваемый в
хирургические отделения больниц.
107
Требования к метеорологическим параметрам воздушной среды.
Создание
поддержание в помещениях с требуемой степенью точности
наперед заданных метеорологических параметров воздуха в помещениях является важнейшей задачей систем кондиционирования. Требования к этим параметрам вырабатывается на основе изучения энергетических балансов человеческого организма и теплообмена между телом человека и окружающей его средой.
Тепловая энергия, вырабатываемая в организме за счет так называемого
метаболизма, т. е. биологических процессов, которые ведут к образованию теплоты, тратится главным образом на поддержание температуры тела на определенном уровне (около 37 °С). Последняя в значительной степени зависит от
теплопередачи с поверхности тела, которое целиком определяется условиями
окружающей среды.
Тепловой баланс человек - окружающая среда принципиально выглядит
так, как на формуле:
M  QK  QЛ  QU  QP  QH   Q ,
(51)
где М – теплопродукция, или полное количество теплоты, вырабатываемое в
организме за счет метаболизма;
QK - теплота, отдаваемая от поверхности тела конвективным путем;
QЛ - теплота, отдаваемая в окружающую среду излучением;
QU - расход теплоты на испарение влаги с поверхности кожи и легких;
QP - расход теплоты на работу, совершаемую человеком;
QH - теплота, необходимая для нагревания вдыхаемого воздуха;

Q - избыток или недостаток теплоты в организме.
QU и QP в правой части управления всегда положительны.
Знак остальных членов определяется метеорологическими условиями воздушной среды. При этом обязательным для удовлетворительного состояния челове108
ка является равенство  Q = 0. Но даже тогда, когда это равенство имеет место
хорошее самочувствие (состояние комфорта) наблюдается лишь при условии,
если организму не приходится напрягать механизм терморегуляции.
Одинаковое тепловое состояние человека может иметь место при различных комбинациях метеорологических параметров. Например, повышение температуры воздуха может компенсироваться ротом подвижности (скорости) воздуха. Возможны и другие комбинации.
Тепловые ощущения людей зависят и от психологической нагрузки, характера выполняемой работы, возраста, индивидуальных особенностей. Но в среднем
для большинства можно получить общие закономерности, отражающее
сознательное состояние, когда тепловой комфорт или дискомфорт определяет
не только ощущения, но и работоспособность.
История комплексного подхода к нормированию метеорологических параметров начинается с И. И. Флавицкого, который ещё в 1884 г. указывал на важность такого подхода и предложил соответствующие принципы нормирования.
В дальнейшем большой вклад в разработку практических методов комплексного нормирования метеорологических параметров воздушной среды внесли американские специалисты.
Однако до 50-х годов XIX века в большинстве зданий микроклимат поддерживался в основном с помощью систем отопления, и в принципе речь могла
идти о нормировании лишь температуры. Массивные ограждающие конструкции, характерные для того периода, сравнительно небольшие площади окон давали возможность поддерживать тепловой режим помещений даже при резких
колебаниях температуры наружного воздуха.
Соляция, как таковая, принималась в расчет только косвенно - через ориентацию зданий. Характерной особенностью того периода являлось и то, что в
решении задач обеспечения требуемого микроклимата архитекторы практически не принимали активного участия.
109
С внедрением в строительство облегченных конструкций, увеличением
площади остекления, применением новых архитектурных решений возникло
несоответствие с традиционными приемами нормирования микроклимата и реальностью.
Создание к настоящему времени специальных микроклиматических камер,
оснащенных весьма совершенными средствами контроля самочувствия людей и
метеорологических параметров воздушной среды, позволило разработать достаточно совершенную систему комплексного нормирования этих параметров.
Наиболее совершенные методы расчета условий теплового комфорта разработаны П. О. Фангером (Датский технический университет), Р. Г. Невинсом (Канзасский университет, США), Л. В. Павлухиным, В. Н. Тетеревниковым (лаборатория кондиционирования воздуха, ВНИИОТ ВЦСПС, Ленинград). Сюда же
можно отнести работы венгерского специалиста Л. Банхиди.
Одним из приемов комплексного подхода к нормированию микроклимата
является использование представления о так называемой эквивалентно - эффективной температуре (ЭЭТ), учитывающей совместное воздействие температуры, относительной влажности и подвижности воздуха и соответствующее такому представлению графика, построенного по данным натурных исследований
(рис. 67).
110
Рис. 67
Можно дать определение (ЭЭТ). Под нею понимают все комбинации температуры, относительно влажности и скорости движения воздуха, вызывающие
одинаковые тепловые ощущения у человека, причем такие, которые возникают
в неподвижном воздухе, полностью насыщенном водяным паром при температуре, численно равной (ЭЭТ).
Пользоваться графиком (ЭЭТ) просто. Если известно нормативное значение (ЭЭТ), достаточно провести на график через точку, соответствующую этому значению, прямую линию до пересечения со шкалами t и t I , предварительно выбрать скорость, соответствующую назначению помещения и характеру
выполняемой в нем работы.
Так, например, для ЭЭТ=26,6 °С и скорости, равной нулю – t = 30°С, а
t = 24°С (рис. 67). Те же температуры соответствуют ЭЭТ = 25°С, но уже при
скорости 1,5 м/с.
Недостатком ЭЭТ является недоучет воздействия радиационного фактора,
так как при ее построении принято условие равенства температуры воздуха и
окружающей человека поверхностей.
Комплексное нормирование микроклимата с учетом радиационного фактора основано на использование так называемой шкалы результирующих температур (РТ). Порядок использования ею рассматривается в специальной литературе.
Содержание санитарно-гигиенических требований к метеорологическим
параметрам заключается, как это уже указывалось, в том, чтобы обеспечить
условия, благоприятные для отвода теплоты, вырабатываемой в организме.
Именно таким условиям соответствует наилучшее (комфортное) состояние человек, которое оценивается и объективно (приборами) субъективно. В комфортных условиях наблюдаются хорошее самочувствие и высокая работоспособность.
111
Комфортные условия различны для людей, занятых выполнением работы
различной интенсивности. Они зависят также от времени года и климата. В
среднем комфортные условия можно оценить так:
- для южных районов России – летом ЭЭТ = 24°, зимой - 20 °.
- для умеренных широт
– летом ЭЭТ = 22°, зимой - 18-19 °.
В принципе одни и те же значения ЭЭТ могут быть получены при весьма
существенных колебаниях отдельных параметров, что не всегда допустимо. Не
останавливаясь подробно на причинах, укажем только, что диапазон изменения относительной влажности принимают в пределах 30 – 65 %, минимальное
значение скорости воздуха ограничивают величиной 0,1 – 0,15 м/с, а ограничения, связанные с температурой поверхностей ограждений рассматривались при
изучении вопросов расчета тепловых потерь при проектировании отопления.
4.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОЗДУХООБМЕНОВ
Общие положения.
Системы вентиляции и кондиционирования воздуха с различной степенью
полноты и точности обеспечивают создание и поддержание в помещениях зданий и сооружений требуемых условий воздушной среды. При этом на обслуживаемые этими системами помещения воздействует, как правило, ряд факторов,
стремящихся нарушить нормируемые параметры воздуха. Поэтому здесь
уместно говорить о том, что рассматриваемые системы предназначены, в известном смысле, для нейтрализации нарушающих факторов.
По своему существу эти факторы можно разделить на внутренние, связанные с технологическими процессами, пребыванием в помещениях людей и других, и внешние, определяемые климатическими характеристиками района и архитектурно-строительными особенностями здания.
Одним из важнейших этапов проектирования не только систем вентиляции
и кондиционирования воздуха, но и всего здания в целом является качественная
и количественная оценка внутренних и внешних факторов. Надо иметь в виду,
112
что чем сильнее их воздействие, тем сложнее получаются системы вентиляции
и кондиционирования и тем дороже они становятся не только первоначальной
стоимости, но и по количеству расходуемо в этих системах энергии для привода установок и компенсации потерь теплоты и холода. Поэтому уже при архитектурном проектировании необходимо задумываться над методами и средствами, способствующими снижению степени воздействия на воздушную среду помещений нежелательных факторов.
Перечислим важнейшие из этих мероприятий.
1. Следует предусматривать такие технологические процессы, при которых
выделение вредных веществ, теплоты и влаги сводится к минимуму. Это значит, что архитектор обязан вникать в существо технологических процессов и
иногда даже принимать участие в их разработке.
2. Необходимо использовать рациональные объемно-планировочные и конструктивные решения, способствующие снижению влияния в первую очередь
наружных нарушающих факторов. Сюда относятся: ориентация зданий и сооружений относительно стран света и направления господствующих ветров,
выбор формы и размеров здания; определение степени и характера остекления;
предотвращение за счет планировочных и конструктивных мероприятий неорганизованного поступления наружного воздуха; выбор материалов и конструкций ограждений, обладающих необходимыми тепло – и влагоизоляционными
качествами низкой воздухопроницаемостью.
3. Следует рационально подходить к расположению тех или иных помещений в общей архитектурно-компоновочной структуре здания. Так, например,
помещения, требующие для вентиляции наибольших объемов воздуха, целесообразно располагать вблизи от мест забора и выброса воздуха. В противном
случае наиболее протяженными оказываются воздухопроводы, имеющие самые
большие габариты. Это обстоятельство приводит иногда к необходимости
иметь специальные помещения (технические коридоры) для размещения последних.
113
Желательно группировать помещения, характеризующиеся как примерно
одинаковыми вредностями, так и одинаковыми требованиями к расчетным параметрам воздуха.
Как видим, уже на стадии принятия предварительных решений, при формировании образа здания архитектор должен соотносить свою деятельность не
только с конструкторами, но и с инженерами других специальностей.
Разновидности систем вентиляции и кондиционирования воздуха.
Системы вентиляции подразделяют по следующим основным признакам:
- способу побуждения движения воздуха - на системы с естественным
побуждением (системы естественной вентиляции) и системы с принудительным побуждением (системы механической вентиляции);
- способу снабжения помещений воздухом – на системы, которыми воздух подается в помещение (системы приточной вентиляции) и системы, с помощью которых воздух из помещений удаляется (системы вытяжной вентиляции);
- способу организации вентиляционного процесса в помещениях – на системы, действие которых распространяется только на часть объема помещения
(местные системы), и системы, которые обслуживают весь объем помещения
(общеобменные системы).
Системы кондиционирования воздуха, в свою очередь, можно различать
по следующим признакам:
- степени использования наружного воздуха – на прямоточные, в которых наружный воздух используется однократно, и рециркуляционные, вовсе не
использующие наружного воздуха, а также системы с частичной рециркуляцией (приточно-рециркуляционные);
- степени централизации – на центральные системы, обслуживающие из
одного центра несколько помещений, и местные, предусматривающие обслуживание одного помещения, оборудование которых, как правило, в нем же и
располагается;
114
- способу комплектации основного оборудования – на системы с агрегатированными кондиционерами и системы с самостоятельными устройствами
для реализации различных процессов приготовления воздуха требуемого качества.
Как правило, кондиционеры в виде отдельного агрегата имеют относительно небольшую производительность по воздуху (до 20 тыс м 3 /ч) и могут быть
либо автономным, имеющими встроенную холодильную машину, либо неавтономными, получающими холод от внешнего источника.
Нагрузки на системы вентиляции и кондиционирования воздуха.
Наиболее распространенными внутренними факторами, нарушающими
расчетное состояние воздушной среды (вредностями), являются избыточная
теплота, влаговыделения, поступающие в объем помещений пары, газы и
аэрозоли.
Одним из важнейших видов вредностей является избыточная теплота.
При расчете систем вентиляции и кондиционирования воздуха обязательно
подсчитывается баланс поступающей в помещение и теряемой им теплоты. В
общем случае тепловой баланс помещения можно представить следующим образом
Q  Qоб  Q л  Q осв  Q огр  Q paq ,
где
(52)
Qоб - количество теплоты, поступающей от оборудования;
Q л - количество теплоты от людей;
Q осв - количество теплоты от освещения;
Q огр - количество теплоты, поступающей через наружные ограждения или
теряемой через них за счет разности температуры внутреннего и наружного
воздуха;
Q paq - теплота, вносимая в помещение за счет солнечной радиации.
115
Тепловой баланс может быть положительным (имеют место теплоизбытки) и отрицательным (имеют место теплопотери).
Как правило, при проектировании зданий сооружений определяют максимальные (расчетные) значения теплоизбытков и теплопотерь. При этом при
определении теплопотерь количеством теплоты от освещения, людей и солнечной радиации пренебрегают. Максимальное количество избыточной теплоты
является расчетной нагрузкой для систем вентиляции и кондиционирования
воздуха.
Исходя из расчетных теплопотерь, проектируются системы отопления, в
том числе и воздушного.
Рассмотрим теперь более подробно составляющие теплового балнса.
При определении тепловыделений от оборудования в общем случае пользуются зависимостью (53)
Q   ( n  t B ) F ,
(53)
где  - коэффициент теплопередачи, Вт/ м 2 К или ккал/ м 2 ч 0 С ;
 n - температура теплоотдающей поверхности, К или 0 С ;
t B - температура воздуха в помещении, К или 0 С ;
F- площадь теплоотдающей поверхности, м 2 .
Воспользоваться этой формулой удается для поверхностей относительно
простой формы. Сведения о численных значениях  можно получить из специальной литературы.
Одним из распространенных видов оборудования являются электродвигатели. Расчетная формула для определения количества теплоты, которое необходимо принимать в расчет, имеет вид (54):
Qэл 
N
(1  2 ?) К спр ,
2?
где N-номинальная мощность двигателя, кВт;
116
(54)
ŋ – коэффициент полезного действия электродвигателя (0,75 – 0,92);
К спр - коэффициент спроса на электроэнергию, принимаемый по спра-
вочным данным.
Довольно часто количество теплоты от оборудования удается определить в
технологической части проекта. В некоторых случаях эта задача становится
предметом специальных исследований и разработок.
Теплопоступления от электрического освещения можно определить по
формуле (55)
Qосв  N ?оос
где
(55)
N - мощность установленных в помещении светильников, кВт;
? осв -коэффициент перехода электрической энергии в тепловую
(0,95 – 1,0).
Ориентировочно количество теплоты от освещения нетрудно определить
по табл. 4.
Таблица 4. Выделение теплоты от освещения на 1 м 2 пола помещения, Вт/ м 2
Тип
Освещенность, лк
светильника
До 100
100 – 200
200 – 400
400 – 600
Люминисцентные
5
10
25
35
20
45
65
Лампы накалива- 10
ния
Примечание. Освещенность в первом приближении принимают в зависимости от назначения помещений следующей: читальные залы, рабочие кабине117
ты, аудитории – 300 лк, помещения конструкторских бюро – 500 лк, залы заседаний, спортивные залы – 200 лк, номера гостиниц – 100 лк, торговые залы магазинов - 200 – 300 лк.
Все рассмотренные виды тепловыделений характеризуются тем, что поступающая в помещение теплота является «сухой» или «явной». Теплопоступления в помещения имеют место и тогда, когда в них поступает водяной пар,
прорывающийся через неплотности в оборудовании и образующийся в результате сгорания того или иного топлива (газа, например). Тепловыделения в этом
случает называют «скрытым» и определяют по формуле (56)
Qскр  i n Gn
(56)
где i n -энтальпия водяного пара, кДж/кг;
Gn -количество водяного пара, кг/ч.
Тепловыделения от людей также состоит из двух составляющих: «явной»
теплоты, отдаваемой в помещение в основном конвекцией, и «скрытой», поступающей в помещение месте с испаряющейся с поверхности кожи влагой.
Общее (полное) количество теплоты, выделяемой одним человеком, в
среднем можно принимать:
- в состоянии покоя – 115 Вт (100 ккал/ч);
- при выполнении легко по энергическим затратам работы – 150 Вт (130
ккал/ч);
-при выполнении работы средней тяжести – 200 Вт (175 ккал/ч);
- при выполнении тяжелой работы – 290 Вт (250 ккал/ч).
Интересно, что при оценке теплопоступлений от людей «скрытая» теплота
составляет солидную долю. Ведь даже при выполнении тяжелой работы температура тела человек остается примерно постоянной, а рост теплопоступлений
происходит за счет интенсивного испарения влаги с поверхности кожи.
Влаговыделения в помещениях складываются из поступлений через неплотности в оборудовании самого различного назначения, при испарении водя118
ного пара с открытых поверхностей, в результате жизнедеятельности людей,
находящихся в них.
Количество водяного пара, прорывающего через неплотности в оборудовании задается в технологической части проекта или определяется по специальным источникам и методикам.
Количества же водяного пара, поступающего с открытых поверхностей,
может быть вычислено по формуле (57)
Gn   p ( PnII  Pn ) F ,
(57)
где  p - коэффициент массообмена между воздухом и водой, отнесенный к
разности парциальных давлений (размерность  p определяется размерностью
Pn );
PnII Pn - парциальное давление соответственно насыщенного водяного пара
при температуре воды и пара, находящегося в воздухе помещения могут быть
легко определены по Y-d диаграмме);
F- площадь поверхности испарения.
Численные значения  p в каждом конкретном случае определяют по методикам, рассматриваемым в специальной литературе.
Выделение водяного пара людьми в зависимости от степени физического
напряжения
и метеорологических параметров в помещениях колеблются в
пределах 40 – 300 г/ч.
В производственных помещениях приходится сталкиваться с различными
количествами вредных веществ, выделяющихся в воздух. Эти вредности в виде
газов, паров и аэрозолей поступают через неплотности в оборудовании, аппаратуре и трубопроводах, работающих, как правило, при повышенных давлениях.
Количества таких вредностей указывается обычно технологами, хотя в ряде
случаев могут быть и рассчитаны по следующим формулам (58)
- при Р Г >200 кПа
119
К 1
2 К 1
Gг 
F3600 К(
) PГ  Г ,
К 1
1 
1
(58)
где  - коэффициент местного сопротивления не плотности;
К- показатель адиабады (К=1,4);
 Г - плотность газа;
- при PГ ≤20 кПа
Gг 
1
1 
F3600 2PГ  Г
.
(59)
Испарение вредных веществ с открытых поверхностей в воздух помещений
происходит по тем же физическим законам, что и испарение воды. Поэтому
здесь для определения количеств вредностей может применяться известная
формула (57). Только вместо PnII должно подставляться давление паров испаряющейся жидкости, а Pn в таком случае равно нулю.
Люди в процессе жизнедеятельности выделяют в воздух помещений в основном углекислый газ. Имеет место и выделение других веществ, являющихся
результатом биологических реакций, происходящих в организме. Как следствие
таких выделений появляются не всегда приятные запахи, усиливающиеся при
плохой вентиляции. Количественное определение всех составляющих людей
практически невозможно. Поэтому в расчетах используют только количество
углекислого газа. В зависимости от выполняемой человеком работы могут принимать следующие количества CO2 на одного человека: состояние покоя и умственная работа – 23 л/ч, легкая физическая работа – 30 л/ч, тяжелая работа –
45 л/ч.
Все рассмотренные нами вредности можно отнести к так называемым
внутренним нарушающим факторам.
К внешним факторам относят теплоту, поступающую в помещения как за
счет разности температуры t H  t B , так и за счет солнечной радиации, и водяной
пар, поступающий через строительные ограждения.
120
В крупных городах атмосферный воздух может быть загрязнен, но такие
загрязнения в состав внешних нагрузок на помещения не принимаются, так как
воздух, подаваемый в них, обязательно подвергается очистке от посторонних
примесей. Все внешние факторы существенно переменны во времени и их учет
и нормирование представляют собой весьма непростую задачу, которую до
настоящего времени нельзя считать решенной удовлетворительно.
Изменение параметров воздуха в атмосфере наиболее просто представляется за суточный период. Например, изменение температуры с достаточной
степенью точности можно описывать закономерностями гармонических колебаний, т. е:
t H  t Hсс .сут  At cos  ,
(60)
где t Hсс .сут - среднее значение температуры в течении суток;
At - максимальное отклонение температуры от среднего значения;
 - частота колебаний;
 - время.
Аналогичные
зависимости приблизительно справедливы и для потока
солнечной радиации. В расчет же принимаются некоторые средние значения, и
только для остекленных поверхностей ориентируются на максимальную интенсивность.
Приблизительно теплопоступления от солнечной радиации определяют по
формулам: через остекленные поверхности
Qост  Fост qост Аост1000
(61)
через покрытия
Qпок  Fпокqпок1000 ,
(62)
где Fост, Fпак - площади соответственно остекленных поверхностей и покрытий, м2;
qост, qпок - плотность радиационного потока через остекленные поверхности
и покрытия ( можно принимать по табл. 2), Вт,м2 ;
121
Аост - коэффициент, характеризующий остекление и степень его загрязнения ( принимают в среднем 0,6 – 0,8)
Удельные теплопоступления через ограждающие конструкции за счет солнечной радиации,
Вт / м 2
.
ккал / м 2 ч
Закономерности изменения параметров наружного воздуха (в первую очередь, температуры и энтальпии) необходимы для выбора расчетных условий
при проектировании как сооружений, так и систем, а также для оценки расходов теплоты и холода, потребляемых системами.
Изобразим Y-d диаграмме область возможных состояний наружного воздуха (рис. 68). Ее границей является линия, соединяющая состояния, зарегистрированные в данном географическом пункте за все время наблюдений хотя
бы один раз. Граничные изоэнтальпы (Ymax и Ymin) зоны Н и соответствующие
им параметры являются для данного пункта абсолютными (максимальными и
минимальными). Они принимаются в качестве расчетных в тех случаях, когда
нарушений заданных условий воздушной среды в помещениях не допускается.
Этим параметрам соответствуют самые мощные и дорогостоящие системы вентиляции и кондиционирования.
Таблица 2. Несветопрозрачные ограждения
Наименование
Конструкции
Бесчердачное
покрытие
Покрытие
с
чердаком
122
Географическая широта
35
65
23
20
14
12
5,8
5
5,8
5
Светопрозрачные ограждения
Ориентация поверхности
Наименование
конструкции
Ю
Ю-В Ю-
В-З
С-В
С-З
С
З
Географическая широта
40 60
40-60
40-60
40
60
40
60
40
60
Вертикальная
81
70
163
140
151  175
130  150
163  210
140  180
87
75
87
75
99
85
99
85
0
0
0
0
Наклонная под
углом 600
244 244
210 210
220  256
190  220
198  244
170  210
110
90
110
90
116
100
116
100
0
0
0
0
Наклонная под
углом 300
268 268
230 230
244  280
210  240
210  256
180  220
175
150
87
75
175
150
87
75
163
140
93
80
Горизонталь-
В среднем
ная
232
200
Рис. 68
Обычно при проектировании систем исходят из допустимости определенного числа часов нарушений требуемых условий. Именно такой подход поло123
жен в основу нормирования наружных условий. Расчетным параметрам, не допускающим нарушений, присвоен индекс В. Параметрами Б являются температура и энтальпия, значения которых в теплое время года не превышается более
200 часов. Если число часов нарушений более 200, но менее 400, то говорят о
параметрах А.
Значения параметров А, Б и В определены для 233 городов и географических пунктов России и приводятся СНиП II-33-75x .
Расчетные параметры Б принимаются при проектировании большинства
систем кондиционирования воздуха, параметры А - для большинства систем
общеобменной вентиляции.
Заметим, что в летнее время для многих районов страны теплопоступления за счет разности температуры tH-tB малы по сравнению с теплопоступлениями от солнечной радиации.
При определении расходов теплоты и холода системами, а также выборе
расчетных параметров, исходя из заданного числа нарушений, либо отличного
от нормативного, либо при отсутствии подробных статистических по тому или
иному географическому пункту используют приближенные методы, основанные на том, что годовые распределения энтальпии и температуры наружного
воздуха часто можно принять подчиняющимися нормальному закону распределения случайной величины. Такое предложение справедливо потому, что формирование, например, энтальпии происходит под воздействием
многих случайных факторов.
124
Рис. 69
Если по оси абсцисс (рис. 69) отложить значения энтальпии наружного
воздуха от Ymin до Ymax, а по оси ординат - плотность распределения f(Y), то
можно получить график распределения энтальпии в течение года.
При этом (63)
 (Y  Yср ) 2 
f (Y ) 
exp 
,
2 2 
 2

1
(63)
где  - среднее квадратичное отклонение;
Yср - среднегодовое значение энтальпии.
Вероятность попадания Yв интервал (Y1, Y2) составит (64)
Y2
PY1  Y  Y2    f (Y )dY
,
(64)
Y1
т. е. равна заштрихованной площади на (рис. 69). Вся же площадь. ограниченная кривой распределения равна 1. Известно, что в году 8 760 часов. Тогда
доля, соответствующая интервалу (Y1, Y2), умноженная на 8760, даст представление о том времени, в течение которого энтальпия наружного воздуха находится между значениями Y1 и Y2 . Каждому характерному значению энтальпии
наружного воздуха соответствует определенный режим работы системы кондиционирования или вентиляции, определенное потребление теплоты или холода.
Анализируя весь головой интервал изменения энтальпии путем разбиения его
125
на достаточно малые участки, можно судить об энергетическом совершенстве
системы.
При отсутствии нормативных данных для расчета кривую распределения
тоже можно построить, зная Yср , Ymin и Ymax, которые известны для любого географического пункта. Для определения  пользуются правилом "трех сигм". Из
него (65)

Ymax  Ymin

.
(65)
Если мы ограничим, например, расчетный наружный климат значением
энтальпии
Yср  2 ,
периодов года
то получим общее число нарушений для теплого и холодного
n  0.05  8760  438 ,
что примерно соответствует параметрам Б по
СНиП.
Влагопоступлениями через наружные надземные части зданий можно пренебречь. Скорее, наоборот, опасным для сохранности ограждений может стать
явление влагопереноса из помещений некоторых типов сооружений в атмосферу (бани, прачечные, производственные помещения с "мокрыми" технологическими процессами и пр.). Методы защиты от подобного явления излагаются в
курсе строительной теплофизики.
Рассмотрим поступление водяного пара через слой гидроизоляции из грунта в подземные части зданий. Заметим, что инфильтрация свободной влаги
ограждения в этом случае должны быть исключена. Расчет количества водяного пара ведут по формуле (66)
Gn 
PnII г р  Pn
Rn
Fогр ,
(66)
где PnII г р - парциальное давление насыщенного водяного пара при температуре грунта, Па;
Rn - суммарное сопротивление паропроницанию слоя гидроизоляции и
ограждения, м2сПа/кг.
126
Для установившегося режима температура грунта  гр может быть определена и известной формулы (67)
 гр  t B  q n ( RB  
i
.
i
(67)
Суммарное сопротивление паропроницанию Rn является величиной, обратной коэффициенту паропроницания, и в данном случае вычисляется по
формуле (68)
Rn 
 u  огр

 RnB ,
 u  огр
(68)
где  u ,  огр - коэффициент паропроводности материала слоя гидроизоляции
и строительного ограждения, кг/м с Па;
RПВ - переходное сопротивление при выходе пара в воздух помещения
(примерно 1,7 м2с Па), кг.
Имея представление о различных видах нагрузок на систему, составляют
уравнения теплового. влажностного и газового балансов и переходят к расчету
воздухообменов.
Примером теплового баланса может служить уравнение (52). Влажностный
и газовый балансы составляются аналогично.
Методы определения воздухообменов.
Под воздухообменом понимают количество воздуха, подаваемого в единицу времени и помещение с помощью систем вентиляции или кондиционирования или удаляемого из него этими системами.
Проще всего задача определения воздухообменов решается в том случае,
когда количество выделяющихся вредностей постоянно во времени и когда по
уравнениям баланса эти количества определяются достаточно точно.
Зная концентрацию вредности в подаваемом воздухе pH и количество выделяющейся вредности в единицу времени GВР, можно составить уравнение баланса по этой вредности. если подавать в помещение £ м3/ч воздуха (69)
£рН +GВР+£ рН ,
(69)
127
где РB - концентрация вредности в удаляемом воздухе.
В качестве РB при проектировании систем вентиляции и кондиционирования принимают так , например, предельно-допустимые концентрации (ПДК).
Тогда, преобразуя (18), легко найти воздухообмен (70)
£=
G ВР
РВ  РН
.
(70)
Часто в наружном воздухе отсутствует выделяющаяся в помещении вредность. Тогда (71)
£=
G ВР
РВ
.
(71)
Если в качестве вредности выступает избыточная теплота то в общем случае (72)
£=
Qизб
.
 г ( В   n )
(72)
где Yв, Yп - энтальпия вытяжного и приточного воздуха;
 Г - плотность воздуха.
При выделении только теплоты формула (21) преобразуется к виду (73)
£=
Qизб
,
С р  Г (t В  t n )
(73)
где Cр -теплоемкость влажного воздуха (в среднем принимается 1,005
кДж/кг К, 0,24 ккал,кг 0С).
Приведенные зависимости выведены из предположения мгновенного и
равномерного распределения как вредности, так и поступающего воздуха по
всему объему помещения. В действительности в помещениях всегда имеет место та или иная неравномерность, что существенно осложняет задачу определения воздухообменов. Методы определения воздухообменов с учетом неравномерного распределения вредностей и воздуха излагаются в специальной литературе.
128
В тех случаях, когда расчетным путем не удается получить количество
вредностей, пользуются способами определения воздухообменов по укрупненным показателям: по кратностям и по расчетному количеству воздуха на характерный источник вредностей.
Под кратностью понимают количество воздуха £, отнесенное к объему
помещения Ʊ, т. е.
n

, 4-1
,
(74)
где знак (+) соответствует притоку, а знак (-) вытяжке.
Значения кратности для различных помещений принимаются на основании
выработанных практикой данных и приводятся в справочной и нормативной
литературе. Так, например, для кинотеатров воздухообмен в зрительных залах
определяется с расчетом на основании подсчета нагрузок. В остальных помещениях - кратностям: кулуары и фойе - n=+2; кинопроекционная - nпр = +3, nвыт
= -4; аккумуляторная nпр = +8, nвыт = - 10; курительные n = -10.
Санитарно-технические приборы в вентиляционных расчетах принимаются
в качестве характерных источников вредности. Так, например, в зависимости от
назначения сооружения на каждый установленный в помещении унитаз требуется втяжка объемом от 50 до 100 м3/ч, писсуар - 25 – 50 м3/ч.
Так же определяется воздухообмен для находящихся в помещении людей.
В этом случае количество наружного воздуха может быть легко получено по
формуле (19) из условия ассимиляции углекислого газа.
Оно составляет примерно 20 – 30 м3/ч на человека. Однако в ряде помещений устанавливается норма подачи наружного воздуха на одного человека в
пределах 40 – 80 м3/ч. Такое увеличение объясняется потребностью уменьшения запахов, сопутствующих пребыванию людей.
В местных вентиляционных системах методы определения воздухообменов
настолько специфичны и зависят от вида системы и особенностей обслуживаемых ею оборудования и устройств, что далеко выходит за пределы рассмат129
риваемого курса. Заметим только, что в общем балансе перемещаемого в системах вентиляции воздуха доля местных систем невелика (едва ли более 10
%), но роль их оценивается не количеством воздуха. Так, например, локализующая вытяжка вентиляция от агрегатов, выделяющих вредные пары и газы, не
допускает прорыва вредностей в объем помещения, а это значит, что в дестки, а
иногда и сотни раз сокращается общий воздухообмен.
4.3. СИСТЕМЫ ЕСТЕСТВЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ
В системах естественной вентиляции перемещение воздуха происходит
под действием естественных сил: гравитационного (теплового) и ветрового
напоров. Величина гравитационного напора для систем вентиляции определяется по разности плотности наружного воздуха  Н и воздуха помещения  В
(75)
 i  hi q(  H   В ) ,
(75)
где hi - расстояние по вертикали от центра вентиляционного отверстия в
помещении i-го этажа до отметки воздуховыпкскного отверстия.
Под ветровым напором понимают давление, оказываемое ветром на различные поверхности зданий. Отсчет ветрового напора осуществляется от барометрического давления, т.е. последнее принимается за нулевой уровень. Ветровой напор определяется по формуле (76)
PВ  K В
 в2
2
,
(76)
где K В - аэродинамический коэффициент, показывающий долю кинетической энергии ветра, переходящей в потенциальную энергию давления; K В может быть положительным, и тогда имеет место давление выше атмосферного, и
отрицательным, и тогда наблюдается разрежение;
 В - скорость ветра, м/с;
 - плотность воздуха, кг/ м 3 .
130
Значения аэродинамических коэффициентов для зданий различной конфигурации в зависимости от направления ветра определяют в результате постановки специальных экспериментов. Мы только отметим, что положительные
значения ветрового напора имеют место с наветренной стороны, отрицательные
– с подветренной, причем перед отдельно стоящим зданием область положительных давлений распространяется на расстояние около 5 высот здания, отрицательных – 6 высот по направлению ветра. Последняя носит название аэродинамической тени (рис. 70).
Рис. 70.
Системы естественной вентиляции подразделяют на бесканальные и канальные.
В бесканальных системах в расчет принимаются как тепловой, так и ветровой напоры. Такой способ вентиляции носит название аэрации. При аэрации с
помощью незначительных разностей давлений изнутри и снаружи здания можно организовать перемещение очень больших масс воздуха. Аэрация широко
применяется для вентиляции производственных зданий со значительными тепловыделениями и не очень жесткими требованиями к параметрам воздушной
среды.
Рассмотрим процесс аэрации простейшего однопролетного здания под воздействием только теплового напора. Расчетная схема изображена на рис. 71.
Примем t В t Н ,  В   Н
Давление на отметке оси нижнего отверстия составит (77):
131
Снаружи здания PH  PH  h1  H ;
б
1
(77)
g
Внутри здания PВ  PВ  h1  В g ;
1
(78)
Б
Разность давлений на этой отметке (79)
P1  PH1  PВ1  PН Б  РВБ  h1 g (  H   В ) .
(79)
Рис. 71.
Если обозначить P1  y  h1 g (  H   В ) ,
(80)
По аналогии разность давлений на отметке оси верхнего окна составит (81)
P2  y  h2 g (  H   В ) .
(81)
При установившемся процессе количества воздуха, входящего через одно
отверстие и выходящего через другое, равны. Приточным отверстием при принятых нами условиях является, естественно, нижнее. Обозначим P1  0 , а P2 0 ,
т. е.
y  h1 (  H   В ) g 0 ;
(82)
y  h2 (  H   В ) g 0 .
(83)
Неравенства (82) и (93) означают, что на какой-то отметке hx ( h1 hx h2 )
имеет место равенство P  0 .
Обозначим расстояние между отверстиями H, а расстояния от нейтральной
зоны до отметок осей отверстий Z 1 и Z 2 .
Тогда
132
Z1  hx  h1 ;
(84)
Z 2  h2  hx .
(85)
А так как на отметке hx
P  0 , то
y  hx g (  H   В ) .
(86)
Подставим в (12) (6) и (7) и получим
P1  Z1 g (  H   В ) ; P2  Z 2 g (  H   В ) .
(87)
Зная, что G1  G2  G , т. е. расходы через отверстия равны, запишем их:
G1  36001 F1 2 H P1 ;
(88)
G2  3600 2 F2 2 в P2 ,
(89)
(где 1 ,  2 - коэффициенты расхода (при одинаковых конструкциях отверстий
1   2   ).
Рассмотрим теперь влияние изменения площади одного из отверстий на
количество перемещаемого воздуха. Для этого в выражения (88) и (89) подставим значения Р1 и Р2 и приравниваем их.
После преобразований будем иметь
F1  H Z1  F2  В Z 2 .
Пусть F2  mF1
тогда m 
F2

F1
(90)
( m1 ),
 H Z1
Z1

.
Z2
ВZ2
Имея в виду H  Z1  Z 2 , получим m 2 
(91)
Z1
H  Z1
И далее
Z1 
m2
;
1  m2
(92)
Z2 
1
H.
1  m2
(93)
Теперь можно отыскать отметку нейтральной зоны. Она равна
133
h2  h3  Z1  h1 
m2
H.
1 m 2
(94)
Если размеры отверстий одинаковы (m = 1), то нейтральная ось делает
расстояние между ними пополам. В этом случае
G  3600F1 2  H
H
(  H   В )g ;
2
(95)
G I  3600F1 2  H
m2
H (  H   В )g .
1  m2
(96)
Отсюда
GI
2m 2
.

G
1  m2
(97)
Нетрудно видеть, что при m→ ∞
im
GI

G
2
 2.
1
1
m2
Таким образом увеличение одного из отверстий при неизменной площади
другого не дает существенного эффекта. На практике устойчивая работа аэрации обеспечивается условием
F1 1  1,2F2  2 .
(98)
Действие ветра при аэрации учитывается тем, что к располагаемому гравитационному напору для приточных отверстий добавляют ветровое давление.
Аэрационные расчеты существенно усложняются, если отверстий (или поясов) по высоте здания более двух.
Подача воздуха снаружи в помещения при аэрации для сооружений, расположенных в холодных климатических районах, предусматривается на двух
уровнях:
летом – 0,5 – 1,8 м от отметки пола,
зимой – не менее 4 м.
134
Для обеспечения устойчивой вытяжки предусматривают так называемые
незадуваемые фонари (в верхнем поясе). Схемы таких фонарей изображены на
рис. 72.
Рис. 72
В жилых зданиях и небольших общественных сооружениях ( школы, больницы, общежития, гостиницы и т. п. ) предусматривают канальные системы
естественной вентиляции, которые, по существу, являются вытяжными. При
этом принимается, что приток происходит неорганизованным путем через форточки в оконных проемах и неплотности в ограждениях. Исключение составляют здания с числом этажей равным и более трех, расположенные в суровых
климатических условиях (подрайоны IA, IБ, IГ). В этих условиях разрешается
для названных типов зданий устройство приточной вентиляции с механическим побуждением и подогревом воздуха. В некоторых случаях предусматривается и его увлажнение в зимний период.
В жилых здания IУА климатического района часто
предусматривают
установку автономных кондиционеров или других индивидуальных охлаждающих устройств.
Схемы канальной вентиляции жилых зданий приведены на рис. 73 и
рис. 74.
Первая схема позволит удовлетворительно обеспечивать вентиляцию зданий с числом этажей не более пяти. При большем числе этажей устройство самостоятельного канала каждому вентиляционному отверстию становится невозможным. Поэтому схема предусматривает каналы двух типов – сборные ка135
налы и каналы-спутники, которые присоединяются к сборным. Благодаря
большому сечению сборного канала его аэродинамическое сопротивление невелико, что препятствует опрокидыванию циркуляции. На последних этажах в
вытяжных отверстиях часто устанавливаются осевые вентиляторы.
Вентиляционные устройства располагаются в верхней части кухонь, санитарных узлов, ванных, душевых. В некоторых случаях при числе комнат в квартире более трех предусматривается вытяжка и из жилой комнаты.
Вентиляционные каналы устанавливают либо внутри кирпичных стен (минимальное сечение 0,5 кирпича), либо в специальных вентиляционных блоках,
входящих в конструкцию стены или приставленных к ним. Некоторые возможные варианты таких блоков приведены на (рис.73).
Вентиляционные каналы всегда располагаются во внутренних стенах.
Наружные стены исключаются в таких случаях по двум причинам:
- охлаждение воздуха в каналах приводит снижению и без того небольшого располагаемого давления;
- возможно выпадение конденсата из удаляемого воздуха на внутренних
холодных поверхностях каналов.
Радиус действия канальных систем естественной вентиляции невелик. не
превышает, как правило, 8 – 10 м и существенной зависит от температуры
наружного воздуха (см. уравнение (I)). Поэтому расчет этих систем ведется
обычно на некоторый условный режим, который, в известном смысле, должен
определять предельные возможности системы. В качестве такого режима для
жилых и общественных зданий принимаются условия, соответствующие
наружной температуре t H  5 0 C .
Располагаемое давление в канальных системах естественной вентиляции
многоэтажных зданий определяют по формуле, предложенной Е.В. Константиновой:
Pззасi  Pi  Pi ,
где Pi – гравитационное давление, вычисленное по формуле (99);
136
(99)
Pi - перепад давлений наружного и внутреннего воздуха на уровне сере-
дины окна соответствующего этажа (табл. 5).
Рис. 73
137
Т а б л и ц а 5. Величины Pi при притоке, равном вытяжке, Па
Этаж
здания
Pi при этажности здания
9
10
11
12
13
14
15
16
I
4,4
4,9
5,4
5,9
6,37
6,87
7,34
7,85
II
2,94
3,43
3,92
4,4
4,9
5,4
5,9
6,87
III
1,97
2,45
2,45
2,94
3,45
3,92
4,9
5,9
IУ
0,98
0,98
1,47
1,96
2,45
3,45
3,92
4,9
У
0
0
0,5
0,98
1,47
1,96
2,94
3,92
УI
-0,49
-0,49
0
0
0,49
0,98
1,47
2,45
УII
-1,47
-0,98
-0,49
0
0,49
0,49
0,49
0,98
УIII
-2,94
-2,45
1,96
-2,47
-0,98
0
0
0
IX
-3,92
-3,45
-2,94
-2,94
-2,45
-1,96
-1,47
0,98
X
-
-4,9
-4,4
-3,92
-3,45
-2,94
-2,45
-1,96
XI
-
-
6,87
-5,9
-4,9
-3,92
-3,45
-2,94
XII
-
-
-
-7,85
-7,34
-6,37
-5,4
-4,4
XIII
-
-
-
-
-8,83
-7,85
-6,87
-5,9
XIУ
-
-
-
-
-
-9,8
-8,83
-7,34
XУ
-
-
-
-
-
-
-10,75
-9,3
XУI
-
-
-
-
-
-
-
-11,8
Методика определения сечения каналов естественной вентиляции аналогична расчету сечения трубопроводов центрального отопления и включает в
себя:
- выбор местоположения шахт, каналов и размещение вентиляционных отверстий на планах здания;
138
- вычерчивание аксонометрической схемы вентиляционной системы;
- определение воздушной нагрузки на каждом участке сети ( при этом воздухообмены в помещениях определяются либо расчетом, либо по соответствующим разделам СНиП);
а
б
Рис.74. Вентиляционный дефлектор;
а – распределение давления на поверхности внешнего цилиндра;
б – схема дефлектора ЦАГИ; 1 – патрубок для соединения с шахтой; 2 – диффузор; 3 –
зонт (от атмосферных осадков); 4 – внешний цилиндр дефлектора.
- расчет вентиляционных каналов, шахт, воздуховодов и определение габаритов вентиляционных решеток (при этом потери напора на преодоление линейных и местных сопротивлений не должны превышать располагаемого давления).
Для увеличения располагаемого давления в системах естественной вентиляции широко используются специальные устройства – дефлекторы (рис.74).
Обычно они устанавливаются над вытяжными шахтами. Действие дефлекторов
основано на использовании своеобразного распределения давления на поверхности цилиндра, обдуваемого ветром, когда под раздражением оказывается
139
примерно 6/7 его поверхности (рис. 74 -а). Последнее обстоятельство приводит
к перемещению воздуха за пределы дефлектора и, соответственно, помещения.
Остановимся несколько подробнее на механизме этого явления.
Разность между давлением воздуха в помещении и в зоне разрежения можно определить по формуле (100)
P0  Kд
 в2
,
2
(100)
где Кд - коэффициент, характеризующий внешнее обтекание дефлектора
воздушным потоком;
 В - расчетная скорость ветра, м/с.
Располагаемая разность давлений расходуется на преодоление сопротивления сети воздуховодов (каналов), присоединенных к дефлектору, и самого дефлектора, т. е. (101)
P0  ( c   д )
 д2
2
,
(101)
где  c ,  д - коэффициенты сопротивления сети и дефлектора;
 д - скорость воздуха во входном патрубке дефлектора.
Полезная часть располагаемой энергии расходуется на преодоление сопротивления сети:
P c
 д2
2
.
(102)
Из последних двух зависимостей имеем
P  P0   д
 д2
2
или с учетом (100)
P  Kд
140
 В2
2
д
 q2
2
.
(103)
Преобразуем следующим образом:
P

2
В
 Kд   д (
q 2
) ;
В
2
P  P0   д 
2
.
(104)
Зависимость представляет собой характеристику дефлектора. Последнюю
можно изобразить графически (рис. 75).
Рис. 75
Для наиболее распространенных в настоящее время дефлекторов ЦАГИ
аэродинамическая характеристика выглядит следующим образом (105):
P  0.4  1,2
2
.
(105)
Ориентировочная величина диаметра патрубка дефлектора определяется
по формуле:
Д  0,0188
L
д
,
где L – производительность дефлектора, м 3 / ч.
Скорость воздуха в патрубке дефлектора ЦАГИ можно с учетом найти по
зависимостям:
- в условиях действия только ветрового давления
д 
0,4 В2

1,2    0,02
d
,
141
- в условиях действия ветрового и теплового давления
д 
0,4 В2  16 РТ

1,2    0,02
d
,
где РТ  h д д(  H   В ) - тепловое давление;
 - длина сети воздуховодов, присоединенных к дефлектору, м;
d – диаметр воздуховодов;
 - сумма коэффициентов местных сопротивлений.
4.4. СИСТЕМЫ МЕХАНИЧЕСКОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ
Системы механической вентиляции предполагают использование для перемещения воздуха специальных устройств – вентиляторов, и которые , как
уже было указано ранее, подразделяются на приточные и вытяжные. И те, и
другие могут быть общеобменными, т. е. осуществлять вентиляционный процесс во всем объеме помещения, и местными.
Общеобменная механическая вентиляция – наиболее распространенный
вид вентиляционных систем. В частности, общественные здания оборудуются
этими системами в подавляющем большинстве случаев.
Рис. 76
Общая схема общеобменной вентиляция приведена на рис. 76. На этой
схеме представлен наиболее полный набор элементов. В конкретных случаях в
системе могут отсутствовать то или иное оборудование. Так, например, очистка
142
вытяжного воздуха производится лишь в случаях его загрязнения выше доступных норм. Увлажнение приточного воздуха также предусматривается не
всегда, а только в тех случаях, когда это необходимо по технологическим или
гигиеническим соображениям.
Воздухоприемные и воздуховыбросные устройства в системах механической вентиляции выполняются в виде соответствующим образом оформленных
проемов в ограждениях (рис. 77, а), приставных или отдельно стоящих шахт
(рис. 77, б, в).
Рис. 77
Расположение и конструкцию воздухоприемных устройств выбирают с
учетом требований к чистоте приточного воздуха и принципов архитектурного
проектирования внешнего облика здания. Они не должны находиться вблизи
источников загрязнения воздуха (выбросов запыленного и загазованного воздуха и дымовых газов, кухонь и т. п.). Отверстия для забора воздуха должны располагаться на высоте не менее 2 м от поверхности земли ( в зеленой зоне – не
менее 1 м) и закрываться жалюзийными или другими решетками.
Для защиты помещений от поступления в них через вентиляционные каналы наружного холодного воздуха воздухоприемные и воздуховыбросные
устройства оборудуются утепленными клапанами чаще всего с механическим
приводом. Нередко такой клапан блокируется с вентилятором, т. е. закрывается
143
при его отключении, и снабжаются электрическим подогревом, препятствующим обмерзанию створок.
Важнейшим элементом систем механической вентиляции являются вентиляторы. Они перемещают воздух по системе, преодолевая ее сопротивление.
По величине создаваемого давления вентиляторы делят на три группы: низкого
давления – до 1000 Н/ м 2 (100 мм вод.ст.); среднего – от 1000 Н/ м 2 до 3000
Н/ м 2 (100 – 300 мм вод.ст.); высокого – от 3000 Н/ м 2 до 12000 Н/ м 2 (300 – 1200
мм вод.ст.). По принципу действия и связанными с ним конструктивными особенностями
различают вентиляторы осевые (рис. 78,б) и радиальные-
центробежные (рис.78, а). В последние годы промышленность наладила впуск
вытяжных радиальных вентиляторов с электродвигателями в кожухе (крышные
вентиляторы) для установки их на кровле зданий (рис.79).
Рис. 78. Схемы устройства вентиляторов:
а – радиального; б – осевого; 1- электродвигатель; 2 – кожух вентилятора; 3 – вход воздуха; 4 – выход воздуха; 5 – рабочее колесо ветилятора; 6 – станина
144
Рис.79. Крышный вентилятор:
а – общий вид; б – разрез; 1 – направляющие лопатки; 2 – электродвигатель; 3 – поток
охлаждающего воздуха; 4 – рабочее колесо; 5 – поток выбрасываемого воздуха; 6 – отверстие в перекрытии; 7 – покрытия здания.
Осевой вентилятор представляет собой рабочее колесо, помещенные внутри кожуха (обечайки) цилиндрической формы, расположенное, как правило, на
одном валу с электродвигателем. Такие вентиляторы при относительно высокой
производительности развивают небольшое давление (до 70 мм вод. ст.), а потому используются в системах с малым аэродинамическим сопротивлением, т. е.
есть с небольшой протяжностью воздуховодов.
Центробежные вентиляторы, в отличие от осевых, имеют улиткообразный
кожух. Воздух в них засасывается через боковой приемный патрубок и, совершая движение, вместе с рабочим колесом выходит через выхлопное отверстие.
При этом меняется направление движения воздуха. Наличие в центробежном
вентиляторе закрытого кожуха, обладающего соответствующими конструктивными особенностями, позволяет обеспечивать существенно большее, по сравнению с осевыми, давление.
145
При этом , центробежные вентиляторы могут иметь как один, так и два
всасывающих патрубка (с двух сторон кожуха). Последние носят название вентиляторов с двухсторонним всасыванием.
Осевые вентиляторы являются реверсивными: при изменении направления
вращения рабочего колеса меняется направление движения воздуха. Центробежные вентиляторы таким свойством не обладают.
В зависимости от состава перемещаемого воздуха вентиляторы могут быть
в обычном или специальном исполнении (коррозийностойком, искрозащищенном и др). Первые рассчитаны на перемещение неагрессивной среды при температуре до 80 0 C .
Используемые в настоящее время вентиляторы обладают весьма широким
диапазоном производительности и давления. Габариты вентилятора зависят в
основном от производительности и определяются так называемым номером,
который означает диаметр рабочего колеса в дециметрах. Промышленность
выпускает вентиляторы различного назначения от номера 2,5 до 20.
Подбор вентиляторов осуществляется по аэродинамическим характеристикам, представляющим собой зависимости давления Р, мощности N и коэффициента полезного действия от количества перемещаемого воздуха L. Наиболее
важной является характеристика P-L, т. е. зависимость давления, развиваемого
вентилятором, от производительности. Эта характеристика основана на использовании уравнения (107)
P  u 2 ,
(107)
где  - плотность перемещаемого воздуха;
 - коэффициент давления, зависящий от конструкции рабочего колеса;
u – окружная скорость на внешних концах лопаток рабочего колеса.
Поскольку плотность воздуха и окружная скорость от производительности
не зависят, характеристика P-L при постоянном числе оборотов рабочего колеса должна бы представлять собой прямую линию и параллельную оси абсцисс
146
(рис.80).При этом, чем больше число оборотов, тем выше должна располагаться
эта прямая, так как u 
Пdn
,
60
где d – диаметр рабочего колеса, n – число обо-
ротов рабочего колеса в мин.
Рис. 80
Однако в связи с наличием потерь при движении воздуха вдоль лопаток
рабочего колеса и изменением так называемой степени закручивания при изменении его количества коэффициент давления  уменьшается по мере роста
производительности вентилятора. Поэтому действительные характеристики
P  L представляет собой «падающие» кривые б и в, характер которых опреде-
ляется в результате проведения специальных исследований. Экспериментально
определяется и характеристика -L.
Мощность, потребляемую вентилятором, нетрудно найти по выражению
(108), кВТ
N
aPL
,
3600  102  1 2
(108)
где a – коэффициент запаса (1,1-1,15);
1 , 2 - коэффициент полезного действия соответственно вентилятора и пе-
редачи (чаще всего ременной).
Размерности P и L в этой формуле:
147
[Р]=
К2
М3
,
мм
вод.
ст.;
[L]=
r
М2
для каждого типа номера вентилятора строятся свои характеристики, которые приводятся в справочной литературе. На рис. 81 для примера приведена
характеристика вентилятора Ц4-70 № 4.
Рис. 81
Давление, создаваемое вентилятором, расходуется на преодоление аэродинамического сопротивления вентиляционных сетей и обеспечения требуемой
скорости воздуха. первую составляющую можно связать с так называемым
статическим давлением Рст, вторую – с динамическим Рд.
Вентилятор, работающий на сеть воздуховодов, создает до себя разрежение Рвс, а после себя повышенное давление Рнагн. Полное давление, создаваемое вентилятором, слагается из этих двух составляющих, т.е. Рn + Pвс + Рнагн.
Все сказанное иллюстрируется на рис.82.
148
Рис.82.
Воздуховоды представляют собой каналы, по которым транспортируется
воздух. Материал воздуховодов определяется параметрами транспортируемого
воздуха, назначением системы, архитектурными и конструктивными особенностями здания.
В системах вентиляции промышленных зданий воздуховоды часто изготавливают из кровельной тонколистной стали или других металлов. Наиболее
распространенным способом соединения звеньев и фасонных частей металлических воздуховодов как в промышленных зданиях, так и в общественных сооружениях являются фланцы. В промышленной вентиляции широко используются круглые воздуховоды с продольными и спиральными швами. Как правило
вентиляционные системы промышленных зданий располагаются в обслуживаемых им помещениях открыто и кроме того, в большинстве случаев нет трудностей при их размещении в габаритах. При таких условиях предпочтительной
считается их круглая форма, основным достоинством которой является возможность высокой степени индустриализации при изготовлении. Причем размеры круглых воздуховодов и фасонных частей унифицированы и обезличены,
что имеет большие преимущества как для производства, так и для монтажа.
В жилых, общественных и административных зданиях чаще применяют
прямоугольные воздуховоды, которые лучше вписываются в габариты помеще149
ний и в большей степени, чем круглее, приемлемы для архитектурного оформления. Часто вентиляционные каналы образуются строительными конструкциями.
Габариты воздуховодов бывают весьма значительными. Для перемещения
больших количеств воздуха могут даже предусматриваться специальные вентиляционные коридоры, а иногда и подземные каналы.
Металлические круглые воздуховоды изготавливают диаметром от 100 мм
до 2000 мм, прямоугольные – от 100 х 100 до 3000 х 4000 мм.
С целью обеспечить механизированные заготовки и обеспечить технологичность монтажа типоразмеры прямоугольных воздуховодов также, как и
круглых, унифицированы.
Движение воздуха по воздуховодам является частным случаем движения
жидкостей и газов по трубам, а потому описывается общими закономерностями
гидроаэромеханики.
Рис. 83.
Аэродинамический расчет воздуховодов сводится к определению необходимых размеров их поперечного сечения для перемещения расчетного количества воздуха и соответствующего этому количеству аэродинамического сопротивления сети, которое складывается из потерь давления на трение и на преодоление местных сопротивлений на отдельных участках (рис. 83). При этом
150
участком принято называть часть сети с постоянным сечением и расходом. Заметим, что в отличие от отопительных систем, которые являются замкнутыми,
вентиляционные сети-тупиковые. Последнее обстоятельство существенно
упрощает аэродинамический расчет. Однако размеры вентиляционных воздуховодов, как правило, оптимизируют, принимая в качестве критериев оптимизации экономические показатели. Чаще всего таким показателем являются приведенные затраты оптимизационные расчеты сложны и выполняются с использованием ЭВМ.
Порядок расчета воздуховодов следующий:
1. На планах и разрезах сооружения после предварительной оценки габаритов воздуховодов намечаются места их прокладки.
2. Составляется аксонометрическая схема сети (рис.83).
3. Определяются расходы воздуха через приточные (или вытяжные)
устройства и на отдельных участках Li. Проставляются длины участков i .
4. Выбирается расчетная магистраль (наиболее длинный и нагруженный
путь от входа воздуха в систему до выхода из нее). На (рис.8) магистраль отмечена жирной линией.
5. Принимая так называемые экономические скорости, определяют сечения
воздуховодов на магистрали и потери давления на всех ее участках. Суммарные
потери давления на магистрали составляют общее аэродинамическое сопротивление сети.
6. Производят расчет ответвлений, имея в виду, что давление в точке присоединения ответвления к магистрали представляет собой располагаемый
напор. Отсюда смысл расчета ответвления заключается в том, чтобы выбранные размеры воздуховодов при расчетном обеспечивали потери давления, равные располагаемому напору.
Как и в системах отопления, в вентиляционных сетях потери давления на
преодоление местных сопротивлений сопоставимы с линейными потерями, а
потому требуется их тщательный подсчет. Формулы для определения как ли151
нейных, так и местных потерь приведены выше на с. 49. Для определения линейных потерь и коэффициентов местных сопротивлений используются таблицы и номограммы, которые можно найти в специальной и справочной литературе.
Габариты воздуховодов определяют в результате выполнения аэродинамического расчета. Однако в первом приближении к решению этого вопроса можно подойти, ориентируясь на средние значения скоростей воздуха в воздуховодах. Ориентировочно можно принимать скорость воздуха  , в магистральных
воздуховодах равной 8 – 10 м/с, на ответвлениях – 4 – 6 м/с. В таком случае
площадь поперечного сечения воздуховода F, м 2 , нетрудно определить по
формуле:
F
L
,
3600  
(109)
где L – расчетное количество воздуха, м 3 /ч.
Основное вентиляционное оборудование приточных и вытяжных установок располагается чаще всего в специальных помещениях, называемых вентиляционными камерами. Приточные камеры в общественных административных
и жилых зданиях предусматривает, как правило, в первом этаже, в цокольной
части здания или в технических подпольях. Вытяжные камеры стремятся располагать, если это возможно, в верхней части зданий. В многоэтажных зданиях
вентиляционные камеры устраивают в технических этажах. При этом надо
иметь в виду, что зачастую именно оборудование вентиляционных систем регламентирует их высоту.
Вентиляционные камеры желательно располагать в центре нагрузок. Не
допускается размещение в одной камере приточных и вытяжных устройств. Не
рекомендуется устраивать камеры вблизи помещений с низким допустимым
уровнем шума (зрительные залы, аудитории, жилые помещения и т. п.).
152
Вентиляционные камеры могут конструироваться либо из строительных
конструкций по месту, либо представлять собой типовые изделия, изготавливаемые индустриально.
На рис. 84. представлена конструкция приточной камеры. Как видно из
этого рисунка, наружный воздух поступает через воздухозаборную решетку и
после утепленного клапана проходят фильтры. Очищенный от пыли воздух
нагревается в калорифере и далее вентилятором подается в систему.
Рис. 84. Приточная вентиляционная камера.
1 – приточный короб; 2 – центробежный вентилятор; 3 – гибкие вставки; 4 – калорифер; 5 – фильтры; 6 – привод для управления приемным клапаном; 7 – приемный клапан; 8 –
решетка; 9 – рециркуляционный клапан; 10 – звукопоглощающие покрытие; 11 – камера шумоглушения; 12 – рециркуляционный короб
Из (рис. 84) видно, что приточная камера состоит из отдельных помещений
(между клапаном и фильтрами, между фильтрами и калорифером и др.). Каждое такое помещение должно иметь отдельный вход с герметической дверью.
Это необходимо для обслуживания элементов камер. Устройство вытяжной
153
вентиляционной камеры, расположенной в верхней части здания, иллюстрируется на рис.85.
Размеры вентиляционных камер определяются габаритами установленного
в них оборудования. Имеются конструкции типовых приточных камер. Их характеристики можно найти в справочной литературе.
В редких случаях приточные и вытяжные вентиляционные агрегаты размещают непосредственно в обслуживаемых помещениях. Это скорее свойственно помещениям промышленных зданий, в которых допустим высокий
уровень шума. В общественных зданиях иногда непосредственно в помещениях устанавливают небольшие вытяжные агрегаты (в курительных туалетах и
т.п.).
Рис. 85. Вытяжная вентиляционная камера.
1 – дверка; 2 – шахта; 3 – клапан; 4 – воздуховоды; 5 – вентилятор
154
Сложной и специфической проблемой является распределение воздуха в
объеме помещений, особенно крупных (зрительные и спортивные залы, производственные помещения с большим количеством рабочих мест, торговые помещения, музеи и т. п.) Решение этой проблемы основано на изучении аэродинамических характеристик вентиляционных струй и оценке степени неравномерности параметров (в основном температуры, подвижности и наличия в воздухе посторонних примесей) по площади или объему помещения.
Не останавливаясь подробно на методах решения этой проблемы, укажем
только, что требуемые условия воздушной среды необходимо обеспечивать, как
правило, не во всем объеме помещений, а в так называемой рабочей зоне, т. е.
той его части, которая занята оборудованием или людьми. При отсутствии оборудования в качестве рабочей зоны принимается часть объема, ограниченная
высотой 2,0 м от уровня пола. Для распределения воздуха используются
устройства, формирующие различные типы приточных вентиляционных струй
(рис. 86). Задача специалиста, проектирующего систему вентиляции, заключается в том, чтобы при внедрении в рабочую зону параметры воздуха в струе
(  x , t x ) на рис. 87 соответствовали нормативным их значениям.
Рис. 86. Приточные вентиляционные устройства:
а – для вертикальной подачи компактными струями; б - для горизонтальной подачи веерными струями; в – для наклонной подачи; г – патрубки ,насадки с направляющими лопатками; е – перфорированная полусфера; ж – насадка, формирующая конусную струю
155
Рис.87
Вытяжным устройствам и струям при расчете вентиляции уделяется существенно меньшее внимание. Связано это с малым, в отличие от приточных,
дальнодействием вытяжных устройств.
Более того ограниченность зоны вытяжного факела позволяет применять
комбинированные приточно – вытяжные плафоны, в которых приточное
устройство совмещено с вытяжным (рис. 88).
Рис .88
156
Вообще же вытяжное устройство не должно находиться в зоне действия
приточных струй, но располагаться в местах наибольшей концентрации вредностей.
В качестве люстрации на рис.89 приведены некоторые схемы организации
воздухообмена в зрительных залах.
а
в
б
г
Рис. 89. Схемы организации воздухообмена в зрительных залах:
а – сверху вниз , приток через плафоны, вытяжка под сиденьями;
б – снизу вверх, приток через спинки кресел, вытяжка через плафоны;
в – прток сверху горизонтальными струями, вытяжка под сиденьями;
г – приток горизонтальными струями с двух уровней, вытяжка под сиденьями
Местные системы характерны больше для производственных помещений.
При этом различают вытяжную и приточную местную вентиляцию.
Местные вытяжные устройства (отсосы) весьма разнообразны по конструкции (рис. 90), которая определяется характером использования, но всегда
157
преследует одну и ту же цель – не позволить распространяться вредным веществам по объему помещений.
Рис. 90. Местные вытяжные устройства.
а, б, в - к вентилятору
В общественных зданиях использование местных отсосов ограничивается
лабораторными и некоторыми техническими помещениями.
Еще меньшее распространение в рассматриваемых зданиях находят местные приточные устройства (воздушные души, оазисы и др. ). Широкое распространение в гражданских сооружениях с большими потоками людей (торговые,
транспортные) получили лишь воздушно-тепловые завесы – одна из разновидностей местных приточных систем. Как правило, в них предусматривают боковой подвод воздуха плоской струей (из щели) со скоростью не менее 5 – 7 м/с.
Завесы предотвращают прорыв холодного наружного воздуха в помещения.
Схема воздушно-тепловой завесы приведена на рис. 91.
В системах механической вентиляции широкое распространение имеют
различные пылеочистные устройства. В атмосферном воздухе, а также в воздухе помещений всегда содержится пыль.
158
Характер и количество пыли в наружном воздухе зависят от расположения
и степени благоустройства населенных пунктов, интенсивности движения
транспорта, технологических процессов предприятий и их выбросов в атмосферу.
Рис. 91. Воздушная завеса:
1 – забор воздуха; 2 – воздуховод; 3 – калорифер; 4 – вентилятор; 5 – раздача воздуха
Атмосферный воздух считается чистым, если концентрация пыли в нем не
превышает 0,15 мг/ м 3 . Такая концентрация имеет место в лесу после дождя. В
населенных пунктах запыленность колеблется в пределах от 0,3 мг/ м 3 до 1,0
мг/ м 3 , поэтому наружный воздух, подаваемый в помещения, подлежит очистке.
В системах кондиционирования очищаться должен и рециркуляционный
воздух, если его запыленность равна или более запыленности наружного воздуха.
Весьма загрязненным пылью может быть воздух вытяжных систем вентиляции. Здесь запыленность достигает иногда 500 мг/ м 3 и более. Такой воздух
перед выбросом в атмосферу также должен подвергаться очистке. В некоторых
159
случаях очистка удаляемого из помещений воздуха предусматривается в целях
утилизации ценного сырья.
Запыленность кроме количественной весовой характеристики оценивают
также дисперсностью, т. е. содержанием различных фракций с примерно одинаковыми размерами пылинок.
В зависимости от относительной разности между начальной  H и конечной
 K запыленностью, называемой коэффициентом пылезадержания, и размеров
частиц пыли, отделяемых от воздуха, различают:
- грубую очистку воздуха, которая является предварительной и обеспечивает задержание частиц крупнее 100 км;
- среднюю очистку, позволяющую полностью улавливать частицы не менее 100 км и обеспечивающую остаточную концентрацию пыли 30 – 50 мг/ м 3 ;
- тонкую очистку воздуха, при которой ставится задача улавливания самых
мелких фракций пыли и обеспечения остаточной концентрации 1,0 мг/ м 3 и менее.
Формула для определения коэффициента пылезадержания при этом по
определению выглядит так:
 
H  K
100 % .
H
Воздух, удаляемый в атмосферу, должен подвергаться грубой
(110)
средней
очистке, если она вообще необходима, приточный и рециркуляционный воздух
– тонкой очистке.
Пылеочистные устройства принято делить по назначению на две группы:
пылеуловители, предназначенные для очистки удаляемого в атмосферу воздуха, и фильтры, служащие для очистки воздуха, подаваемого в помещения.
В современных пылеочистных аппаратах применяются различные методы
отделения пылевых частиц из воздуха. Определенным методам соответствуют
конкретные пылеочистные устройства. Кратко остановимся на них.
160
1. Использование гравитационной силы, под действием которой пылинки
сравнительно крупных размеров, обладающие большой плотностью, оседают в
воздухе, движущемся со скоростью не более 0,5 м/с. На этом принципе основано устройство пылеосадочных камер (рис. 92), имеющих многочисленные модификации.
Рис. 92. Схемы пылеосадочных камер:
а – простая; б – многополочная; в – лабиринтная
2. Использование инерционных сил путем изменения направления движения запыленного потока. На этом принципе основано конструирование целого
класса пылеотделителей. В качестве примера такого устройства на рис. 92 приведена схема циклона.
3. Пропускание запыленного воздуха через пористые фильтрующие материалы, способные отделять пылинки из воздуха. Физический механизм пылевых частиц в фильтрах сложен и является предметом специального изучения и
исследований. Используемые здесь материалы различны: от гравийных засыпок
и проволочных фильтров до использования специальных тканей, волокон, бумаги. Для примера на рис. 93 изображен бумажный рамочный фильтр. Конструктивное многообразие фильтров представляет интерес для специалистов.
Мы будем иметь в виду, что степень очистки воздуха в них может быть весьма
161
высокой, составляет, как правило, более 90 %, а в некоторых случаях (при использовании, например, ткани ФП) достигает практически 100 %.
Рис. 93. Схема циклона
Рис. 94. Бумажный рамочный фильтр: 1 - фильтрующая бумага; 2 - сетка
1. Использование пленок различных жидкостей (масло, вода) для поглощения пылевых частиц. Этот метод следует рассматривать как дополнительный в инерционных пылеотделителях и пористых фильтрах.
2. Использование электрических сил: предварительно частицы пыли ионизируются, а затем осаждаются на электродах.
162
3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Архитектоника любой пространственно временной отдельности –
опреде-
лённости есть её жизненное содержание – состав и строение как целого, так
и взаимодействие частей целого друг с другом, с целым и с объемлющим
целое.
1.1. Архитектонические способности определяются глубиной и широтой чувствования – видения
- понимания
архитектоники пространственно-
временной определённости, на которую направлены внимание и воля к взаимодействию.
1.2.
Обустройство пространства – среды обитания человека является архитек-
тонически самой трудной задачей по необъятности архитектонического содержания и самой ответственной по последствиям этого обустройства, как
для жизни отдельных членов сообщества, так и для необозримого и неповторимого разнообразия общин в неповторимых условиях обитания этих
общин и отдельных её членов.
2. Энергетическое и вещественное взаимодействие (обмен веществ и энергетический обмен) поселения в целом, его частей друг с другом и с целым и с
объемлющим, есть жизненно важнейшее явление, свидетельство здорового
или нездорового состояния обустроенных пространств.
2.1. Энерго-вещественное взаимодействие поселений, его частей и объемлющего осуществляется посредством коммуникаций для движения людей, воды, света, воздуха, электричества, газа и транспорта (личного, общественного, товарного)…
2.1.1. Коммуникации - так именуются в современном языке связи, соединяющие любые разнообразия в единство – целость. В современной проектной
практике коммуникационное обустройство жилых пространств именуется
инженерно-техническим обустройством (водопровод, канализация, мусоропровод, вентиляция, транспорт).
163
2.2. Истории становления обустройства человеком пространства своего обитания всегда сопутствовало нарастание предметно-вещевого наполнения обустраиваемых пространств. Этому обустройству сопутствовало расширение
объёма энергетических, экологических, экономических, социальных и воспитательных последствий.
Последние исторические этапы в становления человеческого общежития
сопровождало
исключительно быстрое нарастание предметно-вещевого
быта, некоторые из которых существенно меняли образ жизни в человеческом общежитии.
Например:
- промышленные революции; появление автомобиля как основного личного
и общественного транспорта; современная текущая компьютеризация;
- развёртывание воздушного транспорта преобразует всё земное общежитие
в мировой мегаполис.
3. Проектирующий сооружение любой мерности должен чувствовать – понимать (инстинктивно, интуитивно, разумно, рассудочно) коммуникационное
взаимодействие частностей сооружения друг с другом, с целым и с объемлющим целое. Не чувствование – непонимание неизбежно влечёт за собой
схематизм и их плоско-рассудочное выполнение сложившихся в прошедшем навыков - предписаний.
3.1.
«Прочность, польза, красота» как основной лозунг архитектурной деятельности толкуется подавляющим
большинством архитектурного цеха
как самостоятельные отдельности - постулаты. В ХХ веке это толкование
явило «стилевые»
различия
«конструктивизм, функционализм, класси-
цизм». Наиболее распространённый схематизм в архитектуре и дизайне подмена глубины и широты архитектонического взаимодействия частей и
целого, цветения жизненной сущности сооружения, «пластической развитостью сооружения», достигаемого украшательством и стилизаторством. Кра-
164
сота, таким образом, является в этом толковании прилагательным - украшением скучных пользы и прочности.
4. Разум и мышление, дарованные человеку способности, – основные орудия,
инструменты взаимодействия Человека и Мира. Взаимодействие может
быть глубоким, широким, здоровым, содержательным или видимостью –
иллюзией, имитацией, исполнением роли.
4.1. Здоровое поселение – это здоровое взаимодействие его частей – органов
друг с другом. Нарастающие технико-технологические возможности нарастание предметно-вещевого наполнения, вовлечённость этих необъятно
нарастающих возможностей в обустройство как отдельных пространственно-функциональных единиц, так и всевозможных жилых комплексов – свидетельство нарастания в обустройстве человеческого общежития коммуникаций.
Например:
технико-технологические возможности и очерёдность обустройства жилых
комплексов разнообразных мерностей и построение в этой связи коммуникаций, необходимых для жизни этих комплексов, неповторимы.
4.2. Создание отдельной жилой единицы (пространство бытия семьи) на земле,
создание жилых комплексов разной ярусности и разной насыщенности жилыми единицами, разнообразной оторванности жилых единиц от земли
предполагают разновидовые коммуникационные обустройства. Если мы
понимаем жилую единицу как целое, состоящее из трёх родов пространств (приёмных, общесемейных, личных), то коммуникационное
оснащение жилой единицы должно находиться во взаимодействии с
этим различением и коммуникационным оснащением жилого комплекса в целом, частью которого является жилая единица.
165
Например:
-. взаимодействие коммуникаций жилой единицы с коммуникационным строем многоярусного сооружения;
-.
взаимодействие конструктивного строя с коммуникационным строем сооружения - несущих и коммуникационных конструкций;
-. также в современном положении городов запечатлевается нездоровое взаимоотношение личного и общественного транспорта, грузового, товарного и
пассажирских потоков. Горожанин в современном поселении вытеснен с
дневной поверхности земли автомобилями.
4.3. Архитектор в процессе обустройства пространства жизни человеческого
общежития является единственным работником в производственном сообществе обустраивающих это пространство людей, сотрудником понимающим и чувствующим как природное взаимодействие всех органов и организмов человеческого общежития, так и вовлечённых в это обустройство
специалистов. Тепловоздушное дыхание отдельных помещений и их взаимодействие друг с другом с наружными пространствами определяет техническое оснащение. Одним из важных разделов обустройства человеческого
общежития во всех уровнях поселений является воздушно-температурное
обустройство жилых пространств, то есть их тепловое дыхание - взаимодействие.
Большие пространства – залы для собирания большого количества людей
(театральные, концертные, молитвенные). Предпочтение даётся напольному
отоплению, как прогревающему нижние слои пребывания человеческой
массы, или воздушному отоплению доставки согретого воздуха в помещение через полость внутри полового покрытия. Полость используется как
камера согретого воздуха с небольшим повышением давления (например,
Филармонический зал в Берлине по проекту Г. Шаруна).
Обычное отопление большинства комнат – помещений с конца ХIX века оснащение конвекторным – батарейным отоплением, размещаемым под
166
оконными проёмами. Основное назначение батарей – создание около проёмов тепловых занавес, использование движения тепловых потоков для смешивания – нагрева всего воздуха содержащегося в помещении.
5. Жизненно важно понимание, что увеличение площади городского поселения
при равенстве населения города влечёт существенный рост объёма коммуникаций. Рост площади города в 2 раза увеличивает объём коммуникаций в
4 раза; рост территории в 3 раза вызовет рост коммуникаций в 9 раз. То
есть понимание неплотности, раздутости, нечистоты общей структуры городского поселения влечёт за собой засорение огромных территорий и ненужное увеличение коммуникаций, т.е. разрушительные экологические последствия и огромные траты средств на строительство поселений и их содержание.
Наглядный пример этому - постоянно выходящие из строя общегородские
коммуникации, пробки на транспортных коммуникациях, вытеснение горожанина с дневной солнечной поверхности поселения.
ХХ век явил немногих архитектоников-архитекторов (Райт, Мельников, Шарун, Аалто), глубоко родственных при неисчислимом видовом разнообразии
толкования архитектоники мира своим пониманием красоты мира как существительного, а не прилагательного. Для них архитектоническим учителем являлась архитектоника природы и необъятное богатство пространственнопластического цветения природы, которое один мудрец проименовал как целесообразное без цели.
Это понимание архитектуры было проименовано как «органичная» архитектура. Таким образом, архитектор не будучи специалистом и проектировщикомизготовителем необъятного сопутствия материалов и средств, вовлекаемых в
обустройство человеческого общежития, обладает способностью и умением
чувствовать их породность и архитектоническое вовлечение в обустройство
человеческого общежития.
167
Библиографический список
1. Свистунов, В. М. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха объектов агропромышленного комплекса и коммунального хозяйства /
В. М. Свистунов, Н. К. Пушняков - СПб: Политехника - Петербург, 2007. –
423 с.
2. Караджи, В. Г. Некоторые особенности эффективного использования ОВ
оборудования / В. Г. Караджи, Ю. Г. Московко. - М.: «ИННОВЕНТ», 2005. –
138 с.
3. СНиП 41 012003. Отопление, вентиляция и кондиционирование.
4. Сибикин, Ю. Д. Учебник для вузов. Отопление , вентиляция, кондиционирование воздуха / Ю. Д. Сибикин. - М.: Издательский центр «Академия», 2004. –
304 с.
5. Староверов И. Г. Справочник проектировщика . Вентиляция и кондиционирование / И. Г . Староверов, Ю. И. Шиллер. - М.: Стройиздат , 2010. – 344 с.
168
Приложение
Если идти от «пользы, прочности и красоты», то инженерное оборудование, безусловно, тяготеет к пользе, хотя в известной степени формирует и красоту. Это известно еще из древности. Вот, например, что пишет о римских акведуках Плиний Старший: «Если кто-либо бросит взгляд на изобилие воды, искусно доставляемой в город для общественного пользования, бань, фонтанов,
домов, пригородных садов вилл; если обратит взор на высокие акведуки, потребные для подъема и доставки воды, на горы, пробитые тоннелями для той
же цели, то заключит, что нет ничего более чудесного на всем земном шаре». А
некто Фронтин - один из префектов службы водоснабжения в Риме высказывается гораздо определеннее: «С этими многочисленными, сколь и незаменимыми
сооружениями, несущими так много воды, сравни при желании ленивые пирамиды или бесполезные, хотя и знаменитые, произведения греков».
И, действительно, эти инженерные сооружения древних римлян поражали
своим размахом и красотой. Первый римский акведук был сооружен в 312 г. до
н. э., последний – в 226 г. н. э. Общая протяженность одиннадцати римских акведуков составляла 560 км, из которых 60 км были столь высоки, что потребовали сооружения арок, изящество которых жо сих пор вызывает восхищение.
Объем воды, поступающей из акведуков, составлял около 1 млн м³ в сутки, то есть две трети водоснабжения Большого Лондона в 1954 г. Ленинград в
1983 г. потреблял 3 млн м³ воды в сутки.
1. Инженерное оборудование и охрана окружающей среды.
В системе мероприятий по охране окружающей среды и атмосферного воздуха инженерные системы играют важнейшую роль.
Загрязнение атмосферы стало составной частью всей современной жизни.
Оно формируется за счет издержек тех способов, которыми мы производим ту
или иную продукцию, вырабатываем энергию, осуществляем перевозки и т. п.
В основном течение года в атмосферу поступает 430 млн т двуокиси углерода
и 141 млн т сернистого газа. Появление сернистого газа в воздухе вызывается
169
главным образом сжиганием топлив, содержащих серу. Угли и мазут, используемые в качестве топлива, содержат от 2 до 6 % серы. При этом содержание
серы в дымовых газах составляет от 0,15 до 0,4 %. В качестве примера укажем
только, что выброс сернистого газа с дымовыми газами электростанции 600 тыс
квт составляет в среднем 150 т в сутки.
Сернистый газ ядовит. Он раздражает слизистые оболочки и дыхательные
тракты. В атмосфере он способен окисляться до трехокиси серы (SO3), которая
во влажном воздухе образует мельчайшие капельки серной кислоты. Последняя
опасна при длительном воздействии, так как приводит к поражению бронхов и
альвеол легких.
Обычно сернистый газ в атмосферном воздухе не содержится в опасных
количествах. Однако картина резко меняется при наличии так называемой инверсии температуры, характерной при определенных условиях для крупных городов. Инверсией температуры называют такое метеорологическое явление,
при котором имеет место рост температуры воздуха по высоте вместо обычного
для тропосферы убывания. Особенно часто инверсии наблюдаются в безветренную прохладную погоду. Они препятствуют вертикальным токам воздуха в
приземном слое и приводят к резкому росту концентрации вредностей, концентрации и коагуляции некоторых из них. В результате имеет место образование так называемых смогов (smoke - дым, fog - туман). Самые большие неприятности в городах во время смогов доставляет сернистый газ.
Задымление атмосферы городов во время смогов приводит к резкому увеличению заболеваемости и смертности среди населения. Так в декабре 1930 г. в
долине реки Маас (Бельгия), где сконцентрированы предприятия тяжелой промышленности, было отмечено сильное трехдневное задымление, в течении которого сотни людей заболели, а 60 человек скончались (более, чем 10 раз выше
средней нормы смертности для этой местности). В январе 1931 г. за 9 дней задымления в районе Манчестера (Англия) умерли 592 человека. В 1948 г. в Доноре (штат Пельсильвания, США), небольшом промышленном городе с хими170
ческими и сталелитейными заводами, за 4 дня смога заболели почти половина
из 14 тыс жителей. Зловещая роль задымления атмосферы особенно проявилась
во время одного из самых больших смогов в Лондоне с 5 по 8 декабря 1952 г. За
этот год число смертных случаев превысило среднюю величину на 4 тыс. О
смоговых ситуациях в Лос-Анджелесе, Нью-Йорке, Чикаго и других больших
городах США широко известно из печати.
В России в силу планомерного развития городов и продуманного промышленного строительства загрязнение атмосферы существенно ниже, чем в развитых промышленных странах Запада. Большое значение в оздоровлении атмосферы городов в нашей стране имеет концентрация сжигания топлива в крупных районных котельных и на ТЭЦ, где процессы горения осуществляются достаточно полно, что приводит к уменьшению количества вредных выбросов. В
последнее время все шире для целей отопления и теплоснабжения используется газообразное топливо. Достаточно указать, что только за годы IX пятилетки
в Ленинграде газифицировано более трех тысяч мелких и средних котельных.
В большинстве
городов атмосфера загрязнена именно автомобильным
транспортом. В частности, основным источником появления окиси углерода в
атмосфере являются автомобили. Всего в отработанных газах автомобиля можно обнаружить более двухсот различных компонентов, из которых неядовитых
только пять. Остальное (окись углерода, ароматические углеводороды, соединения свинца, окислы азота, альдегиды, смолистые вещества и др.) являются
весьма токсичными и вредными для здоровья.
Не всегда благоприятными являются условия воздушного бассейна в некоторых наших городах с развитой металлургической промышленностью – Магнитогорске, Кузнецке, Челябинске и др. В Тбилиси в силу расположения в долине реки Куры смоговая ситуация в отдельные годы доходит до шести месяцев. В Ленинграде в дневное время на 40 % менее чистое небо, чем в расположенном всего в 25 км г. Павловске.
171
Системы мероприятий, направленных на охрану атмосферы, включает в
себя:
1) законодательные акты, регламентирующие наличие в воздушной среде
тех или иных загрязнений и определяющие степень ответственности за их
нарушение;
2) выбор технологических процессов в наименьшей степени загрязняющих
воздушную среду;
3) локализацию источников вредности;
4) очистку или рассеивание в атмосфере вредных выбросов.
Методами и средствами вентиляции и аспирации (очистки от аэрозолей)
удается решать многие задачи, связанные с защитой атмосферы.
У нас в стране основными документами по охране атмосферного воздуха
являются:
- Постановление ЦК КПСС и совета Министров СССР от 29.1.71 .;
- Статья 18 Конституции СССР;
- Закон об охране атмосферного воздуха от 1.1.81 .
Различают три основных источника загрязнения воды:
1) бытовые сточные воды и сточные воды животного происхождения.
Загрязнения здесь представлены взвешенными частицами, органическими,
детергентами, фосфатами, бактериями и др;
2) производственные сточные воды, загрязненные весьма разнообразными
примесями, в том числе радиоактивными веществами и органическими
концерагенами;
3) поверхностных сток (ливневые воды), содержащие в городах целый
спектр вредностей (в том числе бензин и другие топлива), а в сельской
местности – удобрения и пестициды.
Вне зависимости от источника поступления все вредные примеси к воде
могут быть разделены :
172
- на минеральные загрязнения;
- на органические соединения;
- на бактериальные загрязнения и вирусы.
Первые включают металлы и их окислы, фтор, мышьяк и др. Сюда же относят соединения фосфора, выделяя их, так как они приводят к очень быстрому
заростанию водоемов водорослями.
Органические соединения – это фенолы, углеводороды, детергенты и пестициды.
Фенолы являются, как правило, показателем загрязнения водоемов промышленными стоками.
Углеводороды появляются в воде как продукты жизнедеятельности людей,
но главным образом вследствие сброса стоков в нефтеочистительных и газоперерабатывающих заводов.
Детергенты – это синтетические поверхностно-активные вещества, попадающие в воду с бытовыми и производственными стоками. Детергентами,
например, являются моющие средства.
Пестициды - вещества, используемые для борьбы с организмами, которые
вредны для здоровья, а также поражают материалы, животных или растительные источники пищи. Эти вещества, попадая в воду, делают ее опасной для
здоровья, но кроме того могут накапливаться в клетках животных и растений,
нанося ущерб окружающей среде.
Биологическое загрязнение воды связано с бытовыми стоками.
На практике используют разнообразные методы очистки сточных вод различного происхождения: механические, физико-химические, биологические.
173
2. Инженерные системы и их значение для населенных мест и
про-
мышленных предприятий
Большое значение имеет инженерное оборудование для обеспечения протекания технологических процессов. Так, некоторые технологические процессы немыслимы без широкого использования воды. Производство стали, например, требует расходования 120 м3 воды на 1 т продукции, 1 т резины – 1500 м³,
1 т искусственного волокна – 2000 м³ воды.
Средний расход воды на 1 гектар орошаемых земель составляет 2000 м³ в
год.
Современные отрасли техники предъявляют весьма жесткие требованиях
параметрам воздушной среды: к ее температуре, содержанию в воздушной
среде влаги и различных примесей.
Очень важную роль играют инженерные системы и оборудование в обеспечении условий для хранения ценностей, произведений искусства, предметов
культуры.
3. Этапы развития отопительно-вентиляционной техники
Древнейшему этапу соответствует примитивное сжигание топлива непосредственно в помещении. На территории России древнейшие постройки с очагами такого типа найдены во многих местах.
Второму этапу соответствует сжигание топлива в очагах: вначале «почерному», позже – в специальных отопительных печах.
В древней Руси к отапливанию жилищ печами перешли в IX – X вв. К XV
в. русская отопительная техника достигает высокого уровня развития. Так, в
XV в. в Успенском соборе Кремля была установлена печь, замечательная по
своим художественным достоинствам и успешно работавшая до 1869 г. до капитально ремонта собора. В Грановитой палате Московского кремля была сооружена подпольно-воздушная система отопления, прослужившая более столетия. Подобная отопительная система была предложена еще в Древнем Риме и
носила название «гипокауст» (согретый снизу). Она описала Витрувием. На
174
нашей территории встречается на месте бывших военных крепостей на побережье Черного моря и в Крыму. После падения Римской империи эта система
была забыта и в Европе почти не использовалась.
Для многих дворцовых сооружений Руси XV в. характерно устройство печей в подвальных помещениях с душниками для нагревания комнат.
В XVII в. появляются на Руси изразцовые печи. Интересно, что выделкой
изразцов занимались монастыри: Иверский Валдайский и Воскресенский (в
районе Москвы).
Следует заметить, что теплотехнические качества русских печей выгодно
отличались от западноевропейских. Более того, до XV в. на Западе большинство замков аристократов отапливались путем разжигания очага, как правило, в
самом большом зале и устройством отверстия в крыше над очагом. Первые камины в XVII в. появились в Скандинавии, Нидерландах и Германии, а потом
уже в Англии.
Заслуживают внимания свидетельства иностранцев о русских печах. В трудах Вольного экономического общества за 1790 г. Э. Шретер пишет, что в середине XVIII в. «Москва и Петербург становятся истинной школой для иностранцев в деле устроения дрова сберегающих отопительных печей».
Русские мастера-печники успешно работают в Германии, Франции, Англии. Целый ряд конструкций отечественных мастеров получили за границей
название «русских» печей, каминов.
В России же со времени Петра I широко стал использоваться иностранный
опыт. Появляются «голландские», «шведские» печи. Следует заметить, что зачастую эти названия имеют отношение к отделке поверхностей печей дешевым
(секрет его изготовления раскрыли пленные шведы Флегнер и Кристиан) кафелем, но не к конструкции печей, а вот чисто голландские печи, ввезенные Петром I в Россию, часто являлись предметом отделки помещений, а не отопительным прибором. Примером может служить Летний дворец Петра I, где для отоп175
ления служат кухонный очаг и русская печь, а голландская отопительных
функций практически не выполняет.
Одним из этапов развития отопительной техники может быть признано
широкое внедрение огневоздушных металлических и неметаллических калориферов. Ведущую роль играл в середине прошлого века инженер Н. Амосов, обладающий кроме высокого профессионального уровня незаурядной энергией.
Его «пневматические» печи были в 40-х г. установлены во многих крупных
зданиях Петербурга, Москвы и других городов. Были они установлены и в
Зимнем дворце, что привело впоследствии к порче картин. В конце XIX столетия под руководством Н. Н. Тетеревникова эти печи были модернизированы, а
в 1912 г. Зимний дворец оборудуется водяным отоплением.
Следующим этапом развития техники отопления надо считать широкое
внедрение систем водяного и парового отопления.
Одним из первых зданий, отапливаемых паром, на до признать контору
Дж. Уатта, которая обогревалась от парового двигателя, установленного рядом
на предприятии (1784 г.). Массовое распространение систем водяного отопления связано с именем инженера Перкенса. Во второй половине XIX в. системы
водяного отопления находят широкое распространение в России.
Первые установки водяного отопления были гравитационными. Внедрение
насосных систем сдерживалось отсутствием надежных и небольших по габаритам приводов для насосов, какими в конце концов стали электродвигатели.
Первая в России насосная установка водяного отопления была смонтирована под руководством Н. П. Мельникова в здании Михайловского театра в
1909 г. Большой вклад в теорию и практику отопительных систем внесли С. Б.
Лукашевич, Н. П. Мельников, В. М. Чаплин, А. К. Павловский, В. А. Яхимович, Б. М. Аше (последний долгое время преподавал в Академии Художеств).
Широко внедрялись системы водяного отопление в начале века в США. В
Германии предпочтение отдавали паровым и вакуум-паровым отопительным
системам.
176
Современный этап развития техники отопления централизованным районным теплоснабжением от ТЭЦ на базе комбинированной выработки тепловой и
электрической энергии. Родиной теплофикации стал Ленинград. Первая такая
системы была реализована в 1924 г. для отопления жилого дома и бани на Фонарном переулке.
Значение правильной вентиляции понимали еще древние (Витрувий). Одной из первых теоретических работ по вентиляции следует считать труд М. В.
Ломоносова «О вольном движении воздуха в рудниках примеченном» (1763 г.).
В нем изложены основы аэростатики гравитационного движения воздуха. В
1755 г. Л. Эйлер создал теорию вентиляторов и гидравлических машин. А вот
первый промышленный вентилятор был сконструирован русским инженером
генерал-майором А. А. Саблуковым в 1833 г. Он с успехом применялся для
вентиляции сахарного завода. Затем такие вентиляторы широко использовались
для проветривания шахт и рудников. Вентиляторы А. А. Саблукова были центробежными. Один из первых осевых вентиляторов с 1734 г. В течении 80 лет
обслуживал здание английского парламента.
Научные основы вентиляции разработаны в XIX в. Интересные работы по
определению воздухообменов выполнены в первой трети XIX в. во Франции
врачом-гигиенистом Мореном и известных физиком Пекле.
Выдающиеся результаты по комплексному нормированию параметров воздушной среды были получены русским гигиенистом И. И. Флавицким. Им, в
частности, введено понятие комплексной температуры. В 1884 г. Академией
наук был издан его труд «Результаты причин вредного влияния внутреннего
воздуха в зданиях в зависимости от способов отопления и искусственной вентиляции». Лишь в 1927 г. американские специалисты Яглоу и Миллер пришли к
таким же результатам, правда, на базе очень широко поставленного эксперимента.
Первыми сооружениями, оборудованными системами вентиляции с естественным побуждением, становятся больницы, госпитали, приюты, казармы. В
177
1810 г. оснащается такими системами здание больницы в Дерби (Лондон). В
средине XIX в. появляются несколько зданий в Петербурге с весьма совершенными вентиляционными системами: казармы Семеновского и Преображенского
полков, Николаевский военно-сухопутный госпиталь на Песках, несколько детских приютов и др. Ведущую роль в оснащении этих зданий вентиляцией играли архитекторы Росси, Ефимов, Руска.
В 1854 г. в России был создан Комитет по рассмотрению систем вентиляции. В его состав (под руководством генерал-майора М.Г. Евреинова) входили
7 архитекторов, 5 военных инженеров, 3 академика, 2 инженера путей сообщения, 2 доктора медицины, 2 специалиста по физике и химии. Комитет определял нормы вентиляции и предложил различные технические решения для систем вентиляции зданий различного назначения. Однако лишь в советское время вентиляция, особенно промышленная, получила должное развитие и оформилась в самостоятельную отрасль техники.
Системы кондиционирования воздуха появились значительно позднее систем вентиляции. Временем зарождения кондиционирования условно считают
начало XX в. Термин «кондиционирование воздуха» предложен в 1904 г. американцем С. Крамером.
Первой установкой, подобной кондиционеру, можно считать устройство
для здания английского парламента (1834 г.), использовавшее для получения
холода запасы льда.
В 1893 г. в жилом доме во Франкфурте-на-Майне впервые была применена установка комфортного кондиционирования с аммиачной холодильной машиной рассольными поверхностными воздухоохладителями.
В 1903 г. в Кельнском театре появилась установка с аккумулятором холода, что позволило в 4-5 раз уменьшить производительность и габариты холодильной машины. Подобный прием широко используется и в современных системах. примером могут служить системы холодоснабжения во дворе спорта
«Юбилейный».
178
В том же 1903 г. была изобретена форсуночная камера, которая до сих пор
успешно используется в качестве тепломассообменного аппарата установок
кондиционирования большой производительности.
Однако широкое распространение установок кондиционирования воздуха
сдерживалось большими габаритами тихоходных аммиачных холодильных машин и необходимостью иметь для них специальные помещения или даже здания из-за большой токсичности аммиака. Положение резко изменилось после
1931 г., когда появился безвредный холодильный агент фреон-12. Фреоновые
холодильные машины позволили решить проблему создания небольших агрегатированных автономных кондиционеров для создания комфортных условий в
отдельных помещениях.
В 30-х годах вначале в США, а затем и в других странах началось широкое
применение комнатных, бытовых и шкафных кондиционеров. В нашей стране в
30-е годы появились первые теоретические и экспериментальные работы по
кондиционированию воздуха А. А. Гоголина, П. В. Участкина и др. Еще в 1918
г. Л. К. Рамзин предложил I-d диаграмму, которая и сейчас широко используется в расчетах процессов кондиционирования.
Перед Великой Отечественной войной московский завод «Компрессор»
освоил производство фреоновых пароводяных холодильных машин, представляющих собой основу для широкого распространения систем кондиционирования воздуха. Но только в 1949 г. в Ленинградском институте охраны труда под
руководством П. В. Участкина были разработаны первые отечественные конструкции центральных кондиционеров. На их основе НИИ сантехники в
Москве предложил уже типовые конструкции. С 1955 г. на харьковском заводе
«Кондицонер» начался выпуск типовых кондиционеров. В 1958 г. их было произведено всего 270, в 1960 г. – уже 4,5 тыс, а в 1975 – 25 тыс. агрегатов. Производительность современных центральных кондиционеров, выпускаемых в
нашей стране, колеблется в пределах от 30 до 250 тыс. м³ воздуха в час.
179
Широкое строительство современных предприятий, внедрение новых технологических процессов, строительство зданий административного и общественного назначений потребовало расширения как номенклатуры, так и количества выпускаемого оборудования. К настоящему времени уже построены и
строятся заводы по выпуску оборудования для систем кондиционирования воздуха и вентиляции. Так, в 1976 г. введен в действие крупнейший в Европе и
Азии Бакинский завод бытовых кондиционеров, рассчитанных на производство 400 тыс. автономных кондиционеров в год. Построен современный завод в
г. Краматорске. В это же время строятся крупные заводы в Кустанае, Самтредиа, Вентспилсе и др.
В настоящее время в установками кондиционирования воздуха оснащаются театры, концертные залы, спортивные сооружения, рестораны, читальные
залы, предприятия электронной, химической, оптической промышленности,
точного машино- и приборостроения, а также жилые здания .
Значительный вклад в развитие теории и практики кондиционирования
воздуха внесли советские ученые и инженеры А. А. Гоголин, Б. В. Баркалов, П.
В. Участкин, Р. М. Ладыженский, Е. Е. Карпис, А. В. Нестеренко, Е. В. Стефанов, В. Н. Богословский и др.
180
Учебное издание
Устинов Борис Георгиевич
Фешин Александр Николаевич
Коркин Владимир Дмитриевич
ИНЖЕНЕРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ЗДАНИЙ
Учебное пособие
Редактор Т. Н. Козлова
Оригинал-макет подготовлен авторами.
Подписано в печать 29.01.2015г. Формат 60x84 1/16.
Усл. печ. л. 10.5. Тираж 100 экз. Заказ 16/15
Электронный адрес: www.http://publish.sutd.ru
Отпечатано в типографии ФГБОУ ВПО «СПГУТД»
191028, Санкт-Петербург, ул. Моховая, 26
181
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
170
Размер файла
6 466 Кб
Теги
2015, ingoborudzdan
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа