10374

или изменять свой знак.

В соответствии с характером изменения составляющих, величина теплоизбытков изменяется и в течение суток.

Таким образом, поступления и потери тепла изменяются во времени, тем не менее, обычно применяется методика расчета стационарного теплового режима для наиболее важных и характерных состояний. Как правило, за расчетные теплоизбытки принимается их максимальное значение в течение рабочего периода (сутки или часть суток).

Тепловой баланс обычно составляется для расчетных условий теплого и холодного периодов года. Положительное значение избытков полного или явного тепла служит исходной величиной для расчета воздухообмена, который должны обеспечивать системы вентиляции или кондиционирования воздуха. Отрицательное значение Q (теплонедостатки), является исходной величиной для расчета системы отопления (в том числе воздушного или совмещенного с вентиляцией).

Поскольку системы вентиляции и отопления совместно обеспечивают микроклимат, при расчете поступления тепла в холодный период года приходится учитывать теплопритоки от системы отопления.

В некоторых случаях тепловой баланс составляется и для переходных условий. Например, если воздухообмен определяется по избыткам тепла в теплый период года и

обеспечивается механической и естественной вентиляцией (аэрацией), расход воздуха механической приточной вентиляции следует рассчитывать по избыткам тепла, определенным по балансу для переходных условий, при которых аэрационный приток может быть недопустим.

Удельные теплоизбытки, отнесенные к единице объема помещения называются теплонапряженностью q, Вт/м3, – эта величина характеризует тепловую обстановку в помещении. Большая теплонапряженность характерна для горячих производств (литейных, термических цехов и др.), и может использоваться для приближенной оценки теплоизбытков в таких цехах.

Тепловой баланс обычно составляется для помещения, но в некоторых случаях и для отдельных зон помещения (рабочей зоны, верхней зоны, зоны вблизи кого-то оборудования). Так высокое помещение, по причине неравномерности распределения параметров внутренней среды, может разделяться на зоны по высоте, для каждой из которых составляется тепловой баланс.

Влаговыделения

Источниками выделения влаги в жилых и общественных зданиях являются люди, оборудование для приготовления пищи, горячая пища, открытые поверхности ванн и бассейнов для купания, плавания и др.

В производственных помещениях - это различные технологические установки с открытой

70

водной поверхностью (гальванические и травильные, промывочные ванны и др.), мокрые поверхности пола в моечных отделениях различных производств, неплотности оборудования, через которые пар поступает в помещение.

Ввоздушную среду помещения влага поступает в виде пара. Водяной пар транспортируется конвективными потоками в верхнюю зону, кроме того, влажный воздух, имеет меньшую плотность, чем сухой. Поэтому, более влажный воздух размещается в верхней зоне помещения.

Обычно задачей вентиляции является удаление излишней влаги, но в некоторых случаях, особенно в холодный период года для поддержания требуемых условий воздушной среды может применяться дополнительное увлажнении воздуха.

Вобычных помещениях, как правило, отсутствуют заметные поглотители влаги (сорбенты) и нормальный режим эксплуатации не предусматривает конденсации водяных паров

впомещении, поэтому потери влаги как таковые отсутствуют, и термин влагонедостатки не находит применения.

Выделения вредных веществ

Вредные вещества могут поступать в воздушную среду помещения в виде газов, паров, пыли. В жилые и общественные помещения, как правило, в относительно небольшом количестве поступает углекислый газ (СО2) от дыхания людей. Поэтому качество вентиляции характеризуется в первую очередь способностью поддерживать его ограниченное присутствие.

В производственных помещениях в технологические процессы вовлечены весьма разнообразные вещества, которые различными способами могут поступать в воздушную среду помещения (через неплотности оборудовании, работающего под избыточным давлением, испаряясь с открытых поверхностей и др.).

Теплоизбытки, влаговыделения и выделения вредных веществ являются составляющими соответствующих балансовых уравнений, на основе которых рассчитывают воздухообмен.

Расчет теплопоступлений Теплопоступления от людей. От человека в помещение поступает конвективное и

лучистое тепло – явные теплопоступления, методика определения которых приведена в справочнике проектировщика по отоплению [20].

Кроме того, с выдыхаемой и испаряющейся с поверхности кожи влагой в воздух поступает скрытое тепло. Суммарные поступления явного и скрытого тепла составляют полные теплопоступления от человека. Интенсивность поступления тепла и влаги от человека в основном зависит от температуры воздуха в помещении и тяжести выполняемой работы (таблица 1.6).

В расчетах обычно принимают, что женщины в среднем выделяют 85 %, а дети 75 % теплоты и влаги, выделяемых взрослыми мужчинами.

Теплопоступления от искусственного освещения. Мощность устанавливаемых светильников зависит от требований к освещенности помещения. Вся затрачиваемая на освещение энергия, Nосв, кВт, в итоге переходит в тепло, Qосв, кВт, и поступает в помещение (за исключением небольшой доли тепла, затрачиваемой на нагрев ограждений и частично уходящей за пределы помещения). Поэтому в расчетах часто принимают количество теплоты от источников искусственного освещения равным:

Qосв = Nосв. (1.30)

В случае, когда светильники установлены не в самом помещении, а на техническом этаже, за остекленным ограждением и т. п., в помещение поступает только доля тепловыделений – видимая радиация (таблица 1.7).

По экспериментальным данным от люминесцентных ламп, установленных в чердачном перекрытии здания без светоаэрационного фонаря, около 40 % тепловыделений поступает в помещение, а 60 % – в пространство чердака.

71

Теплопоступления от солнечной радиации. Тепло солнечной радиации поступает в помещение через заполнение световых проемов и через массивные ограждения, и эти два пути поступления тепла принципиально отличаются. Интенсивность теплового потока, проникающего через остекление, изменяется по времени почти синхронно с изменением интенсивности потока солнечной энергии, падающей на остекление.

Поступление тепла через непрозрачные массивные ограждение происходит со значительным запаздыванием, зависящим от тепловой инерции ограждения, то есть от его массивности.

Оба вида поступления солнечного тепла существенно не стационарны, что в первую очередь связано с изменением интенсивности солнечной энергии в течение суток и в годовом цикле. Обычно расчет поступления тепла солнечной радиации ведется для безоблачного неба. Принципиально он может выполняться для любого времени года, но, прежде всего, такой расчет выполняется для расчетных параметров теплого периода года (июль).

Поступление тепла солнечной радиации через остекление. Количество тепла, Вт,

поступающего в помещение в расчетный час через остекление, площадью, Foc, м2, равно:

Qос = (qрад + qтеп)·Fос (1.31)

где: qрад, qтеп – интенсивности потоков солнечной энергии, передающейся через остекление за счет радиации и за счет теплопередачи, Вт/м2.

72

Для вертикального заполнения светового проема интенсивность радиационного теплового потока, поступающего в помещение:

где qп, qр – соответственно, интенсивности прямой и рассеянной солнечной радиации, проникающей через одинарное остекление, величины зависящие от географической широты местности, ориентации остекления по сторонам света и расчетного часа, Вт/м2;

Kинс, Kобл – коэффициенты инсоляции и облучения, учитывают затенение остекления откосами окон, выступающими архитектурными элементами здания при различных углах падения солнечного луча относительно поверхности остекления;

Kотн – коэффициент, который учитывает долю проникающей в помещение солнечной радиации в зависимости от конструкции остекления, толщины стекла, наличия и видов солнцезащитных устройств, так Kотн = 1 для одинарного остекления без солнцезащитных устройств при толщине стекла 2,5…3,5 мм;

τ2 – коэффициент, учитывающий затенение светового проема переплетами, зависит от вида остекления, типа и материала переплетов, назначения здания.

Аналогичные по смыслу зависимости имеются для наклонного и горизонтального заполнения световых проемов.

Обусловленная теплопередачей интенсивность поступления тепла через остекление:

где: tв – расчетная температура внутреннего воздуха, °С;

Roc – сопротивление теплопередаче заполнения светового проема, (м2 °С)/Вт; tн усл – условная наружная температура, °С.

Прямая и рассеянная солнечная радиация частично поглощается поверхностью остекления и нагревает ее. Под условной наружной температурой понимается температура наружного воздуха с учетом нагрева за счет поглощенной солнечной радиации

на твердую поверхность, величины зависящие от географической широты местности, ориентации остекления по сторонам света и расчетного часа, Вт/м2;

Изменение температуры наружного воздуха в течение суток приближенно можно описать как гармоническое колебание около средней суточной температуры tн ср, °С, с амплитудой Аt, °С, величины которых можно определить по климатологическим данным:

где: Z и Zmax – соответственно, расчетный час, и время максимума температуры наружного

потоков qп, q р , S , D, коэффициенты Kинс и Kобл, температура наружного воздуха tн существенно меняются в течение суток, поэтому расчет поступления тепла через остекление ведется по часам в пределах рабочего времени.

Теплопоступления от остывающего материала. Если материал при остывании твердеет,

то есть переходит из жидкого состояния в твердое, то количество теплоты, Вт, поступающей в

где: сж, см – теплоемкость соответственно материала в жидком и твердом состоянии, кДж/(кг∙°С); t1, t2 – соответственно начальная и конечная температуры остывающего материала, °С;

73

tпл – температура фазового перехода, °С;

rпл – теплота фазового перехода (скрытая теплота плавления или твердения), кДж/кг; Gм – расход остывающего материала, кг/ч.

Зависимость (1.38) справедлива при остывании материала более 1 часа. Если время остывания материала менее 1 часа, то количество теплоты, поступающей в помещение,

где: В – коэффициент, характеризующий изменение интенсивности теплообмена в течение первого часа остывания материала. Значение коэффициента В зависит от теплофизических свойств, формы, размеров и продолжительности остывания материала.

Если материал при остывании остается в одном агрегатном состоянии, то количество

При остывании материала в помещении более одного часа коэффициент В=1.

Теплопоступления от дежурного отопления. Дежурным называется отопление,

предназначенное для поддержания температурных условий в помещениях ниже нормируемых, но не ниже минимально допустимых в период, когда здания не используются (жилые и общественные здания) и в нерабочее время (производственные здания).

В нормативных документах рекомендуются следующие значения минимальных температур воздуха:

где Qогр – суммарные теплопотери через ограждающие конструкции, Вт;

Qi – суммарные теплопотери на нагрев инфильтрующегося наружного воздуха, Вт;

tдеж.от, tн – температуры воздуха помещения в режиме дежурного отопления и наружного воздуха соответственно, °С.

Расчет теплопотерь

Значительную долю теплопотерь в общем тепловом балансе зданий составляют теплопотери через наружные ограждения и теплопотери на нагрев инфильтрующегося наружного воздуха, методика расчета которых подробно рассмотрена в разделе 3 «Проектирование, монтаж и эксплуатация систем отопления».

Теплопотери на испарение жидкости с открытой поверхности холодных ванн. Данный вид теплопотерь актуален для производственных помещений, в которых имеются ванны с «холодными» растворами. Ванна считается холодной, если температура жидкости равна температуре воздуха внутри помещения или близка к ней.

В процессе испарения жидкости с поверхности зеркала раствора в ваннах, не имеющих бортовых отсосов, явная теплота трансформируется в скрытую для фазового перехода, поэтому температура поверхности жидкости меньше температуры окружающего воздуха.

Количество теплоты, необходимой для испарения жидкости с поверхности растворов

термометра tпов = tм.т.

Теплопотери на нагрев транспорта. Количество теплоты, затрачиваемое в помещении на

74

где: qтр – удельные теплопотери на нагрев единицы транспортных средств, кДж/ч; принимаются из справочной литературы в зависимости от вида транспортного средства, кДж/(ч·ед.);

N – количество единиц транспортного средства одного вида; В – то же, что и в формуле (1.39).

Теплопотери на нагрев материалов. В холодный период года поступающие в помещение

Влаговыделения

Наиболее распространены следующие виды влаговыделений:

-от людей (рассмотрено ранее);

-испарение с открытой поверхности воды;

-испарение влаги со смоченной поверхности;

-испарение воды с открытой поверхности при кипении.

Испарение с открытой поверхности воды. Если нагретая вода с температурой tw

находится в емкости в спокойном состоянии, то в результате испарения и теплоотдачи поверхностный слой воды приобретает пониженную температуру tпов. Так при температуре воздуха в помещении, tв 20 °С и влажности φв 70 % соотношение температур будет соответствовать представленному в таблице 1.8.

b – фактор, учитывающий влияние вынужденной конвекции и зависящий от скорости движения воздуха над поверхностью испарения vв, м/с:

b = 0,131 vв, (1.47)

Рпов – парциальное давление насыщенного водяного пара при температуре поверхности tпов, кПа; Рв – парциальное давление водяного пара в воздухе помещения, кПа;

F – площадь поверхности испарения, м2; Рб – барометрическое давление, кПа.

Испарение влаги со смоченной поверхности. Испарение воды со смоченной поверхности сопровождается снижением температуры пленки воды до равновесной величины,

75

приблизительно равной температуре мокрого термометра tпов tм. В этом случае можно считать, что процесс испарения представляет собой изоэнтальпическое увлажнение воздуха в помещении.

Количество испаряющейся влаги, г/ч:

W = (6…6,5)·(tв – tм)·F, (1.48)

где: tв – температура воздуха в помещении, °С;

tм – температура воздуха в помещении по мокрому термометру, °С; F – площадь смоченной поверхности, м2.

Испарение воды с открытой поверхности при кипении. Количество пара, кг/ч,

выделяющегося с открытой поверхности кипящей воды можно рассчитать, исходя из затрачиваемой энергии Q , кВт, полагая, что большая ее доля расходуется на превращение воды в пар:

где: r – скрытая теплота парообразования, r = 2500, кДж/кг.

В расчетах ориентировочно принимают, что с 1 м2 открытой поверхности кипения выделяется 40 кг/ч пара.

Значительное количество водяного пара поступает в воздушную среду производственных помещений от металлорежущих станков с эмульсионным охлаждением (в среднем расход водяного пара составляет 0,15 кг/ч на 1 кВт установочной мощности станков).

Выделения вредных веществ

В воздушную среду помещений большинства жилых, общественных и производственных зданий в значительном количестве может поступать углекислый газ от дыхания людей. В помещения производственных зданий могут попадать вредные пары, газы и твердые примеси технологических процессов.

Наиболее распространенными являются следующие источники вредных выделений:

-газообразные вещества, проникающие через неплотности технологических устройств, внутри которых поддерживается избыточное давление;

-испарение веществ с открытых поверхностей;

-испарение растворителей при высыхании красок и лаков;

-источники пыли.

Выделение углекислого газа людьми. Выделение углекислого газа людьми происходит в результате дыхания. Интенсивность выделения в основном зависит от степени тяжести выполняемой работы.

Вредные выделения через неплотности аппаратов, внутри которых поддерживается повышенное давление. Массовый расход газообразных продуктов, М, кг/ч, проникающих через неплотности технологического оборудования и трубопроводов, работающих под давлением, для

где: k – коэффициент запаса, характеризующий состояние оборудования ( k = 1...2); для нового оборудования k = 1, для изношенного – k = 2;

76

сдавл – коэффициент, зависящий от давления среды в аппарате, определяется по таблице 1.10; V – внутренний объем аппарата, находящегося под давлением, м3;

– молекулярная масса газов, находящихся в аппарате, кг/кмоль;

Т– абсолютная температура внутренней среды аппарата, К.

Утечка газов из аппарата зависит от их молекулярной массы и при удовлетворительной эксплуатации составляет приблизительно 0,07…0,12 внутреннего объема аппарата в час.

Таблица 1.10

Значение коэффициента сдавл

Испарение веществ с открытых поверхностей. Количество вещества, г/ч, испаряющегося с открытой поверхности может быть определено по эмпирической формуле:

где vв – скорость движения воздуха над поверхностью испарения, м/с;

Pпов – парциальное давление паров испаряющейся жидкости над поверхностью испарения при температуре жидкости, кПа;

– молекулярная масса испаряющегося вещества, кг/кмоль; F – площадь поверхности испарения, м2.

Данные по наиболее распространенным технологическим жидкостям приведены в таблице 1.11.

Таблица 1.11 Молекулярная масса и парциальное давление насыщенного пара некоторых жидкостей

Pпов при температуре 20 оС

В производстве широко используются растворы солей кислот, щелочей. Из таких водных растворов обычно испаряется вода. Иногда, например, в гальванических процессах, в воздушную среду попадают и компоненты раствора. Происходит это вследствие того, что реакция в гальванической ванне сопровождается выделением водорода, пузырьки которого всплывают и лопаются на поверхности жидкости.

Испарение растворителя при высыхании красок и лаков. Количество растворителя, г/ч,

выделяющегося в непрерывном процессе окрашивания и высыхания красок и лаков можно определить по формуле:

где А – расход лакокрасочных материалов на 1 м2 окрашиваемой поверхности, г/м2; данные приводятся в соответствующей справочной литературе;

т – доля растворителя в красящем составе;

77

f – скорость окрашивания поверхности, м2/ч.

Выделение пыли. Выделение пыли сопровождает многие технологические процессы. Состав и расход выделяющейся пыли зависит от вида технологического процесса.

Например, сварка металлов сопровождается выделением пыли, содержащей соединения фтора, марганца (таблицы 1.12, 1.13). Наиболее вредными являются марганцевые руднокислые электроды.

Таблица 1.12

Характеристика вредных выделений при сварке фтористокальциевыми электродами

Таблица 1.13 Характеристика вредных выделений при сварке марганцевыми руднокислыми электродами

1.3.6.Определение требуемой производительности вентиляционных систем

Внастоящее время в инженерной практике наиболее широкое распространение получили следующие способы определения воздухообмена в помещении (в зависимости от нормативных требований, исходных данных, требований, предъявляемых к системам обеспечения микроклимата и т.д.).

По преобладающим в помещении видам вредных выделений:

- по явной теплоте ±ΔQ, Вт:

где: L – количество воздуха, необходимое для ассимиляции вредных выделений, м3/ч; Q – теплоизбытки (+) или теплонедостатки (–) в помещении, Вт;

78

с – удельная массовая теплоемкость воздуха, кДж/(кг·оС); ρ – плотность воздуха, кг/м3;

t – разность температур подаваемого и удаляемого из помещения воздуха, оС;

d – разность влагосодержаний в подаваемом и удаляемом из помещения воздухе, г/кг сух.в.; сПДК – предельно допустимая концентрация вредного компонента в воздухе, мг/м3.

Если выделяющиеся в помещение загрязняющие вещества не обладают «эффектом суммации» (эффектом однонаправленного воздействия на человека), то расчетное значение воздухообмена принимают по большему из приведенных значений. В противном случае расчетный воздухообмен определяется как сумма необходимых значений по каждому из вредных компонентов.

По допустимой скорости в характерном сечении канала:

L 3600 vдопF , м3/ч, (1.55)

где: vдоп – допустимая скорость в характерном сечении канала (воздуховода), принимается по справочной литературе [21], м/с;

F – площадь поперечного сечения канала (воздуховода), м2.

По кратности воздухообмена:

где: Lуд – удельный расход воздуха на человека, м3/(ч·чел); на 1 м2 площади пола помещения м3/(ч·м2); на единицу оборудования, м3/(ч·об.) соответственно;

Fп – площадь пола помещения, м2;

nчел, nоб. – количество человек или единиц оборудования в помещении.

Графоаналитический метод расчета по I-d–диаграмме. Расчет заключается в определении необходимого воздухообмена графическим способом по I-d –диаграмме влажного

воздуха по определенным аналитически значениям полной теплоты Qп , коэффициента углового масштаба ε и допустимого перепада температуры tдоп .

Вентиляционные системы здания и их производительность выбирают по результатам расчета воздухообмена в помещениях. Решение этой задачи зависит от вида систем, а также от схемы подачи приточного воздуха и удаления загрязненного воздуха из помещения. Производительность систем местной вентиляции определяется технологическими и санитарногигиеническими требованиями к микроклимату помещения, а общеобменной вентиляции - решением уравнений балансов.

При расчете общеобменной вентиляции должны быть известны количество воздуха, подаваемого в помещение и удаляемого из него местной вентиляцией, а также воздухообмен помещения со смежными помещениями и через неплотности в наружных ограждениях. Если перетекание воздуха между помещениями здания не регламентировано нормами, то расход его через проемы оценивают ориентировочно при анализе воздушного режима здания.

Рассчитываемый воздухообмен принято называть по виду вредных выделений, для борьбы с которыми он предназначен. Например, воздухообмен по избыткам явного тепла, по избыткам полного тепла, по влаговыделениям, по вредным веществам и т. д.

Для определения требуемой производительности систем общеобменной вентиляции по заданному виду вредных выделений необходимо решить соответствующую систему из двух уравнений - уравнения баланса вредных выделений и уравнения баланса воздуха в помещении.

Уравнение воздушно-теплового баланса можно представить следующим образом:

79