Система отопления, как уже указывалось, предназначена для создания в помещениях здания температурной обстановки, соответствующей комфортной и отвечающей требованиям технологического процесса.

Выделяемое человеческим организмом тепло должно быть отдано окружающей среде так, чтобы человек не испытывал при этом ощущений холода или перегрева. Наряду с затратами на испарение с поверхности кожи и легких тепло отдается с поверхности тела конвекцией и излучением. Интенсивность отдачи тепла конвекцией в основном определяется температурой окружающего воздуха, а при отдаче лучеиспусканием— температурой поверхностей ограждений, обращенных в помещение.

Температура помещения зависит от тепловой мощности системы отопления, а также от расположения обогревающих устройств, теплозащитных свойств наружных ограждений, интенсивности других источников поступления и потерь тепла. В холодное время года помещение теряет тепло через наружные ограждения. Кроме того, тепло расходуется на нагревание наружного воздуха, который проникает в помещение через неплотности ограждений, а также на нагревание материалов, транспортных средств, изделий, одежды, которые охлажденными поступают с улицы в помещение. Системой вентиляции в помещение может подаваться воздух с более низкой температурой по сравнению с воздухом помещения, технологические процессы могут быть связаны с испарением жидкостей и другими процессами, сопровождающимися затратами тепла. При установившемся режиме потери равны поступлениям тепла. Тепло поступает в помещение от технологического оборудования, источников искусственного освещения, нагретых материалов и изделий, в результате прямого попадания через оконные проемы солнечных лучей, от людей. В помещении могут быть технологические процессы, связанные с выделением тепла (конденсация влаги, химические реакции и пр.).

Учет всех перечисленных источников поступления и потерь тепла необходим при составлении теплового баланса помещений здания.

Баланс составляется для условий, когда возникает наибольший при заданном коэффициенте обеспеченности дефицит тепла. Для гражданских зданий обычно принимают, что в помещении отсутствуют люди, нет освещения и других бытовых тепловыделений, поэтому определяющими расход тепла являются теплопотери через ограждения. В промышленных зданиях принимают в расчет интервал технологического цикла с наименьшими тепловыделениями.

Баланс тепла составляют для стационарных условий. Нестационарность процесса, теплоустойчивость помещений, периодичность работы системы отопления учитывают специальными расчетами на основе теории теплоустойчивости.

Величина наибольших теплопотерь будет соответствовать коэффициенту обеспеченности внутренних условий в помещении Коб, с учетом которого выбрано значение tn.

Наружные ограждения обычно имеют различную теплоустойчивость. Через ограждение с малой теплоустойчивостью (окна, легкие конструкции) теплопотери при похолодании будут резко возрастать, практиче-" ски следуя во времени за изменениями температуры наружного воздуха. Через теплоустойчивые ограждения (стены, перекрытия) потери тепла в период резкого похолодания возрастут немного, и во времени эти изменения теплопотерь будут значительно отставать от понижения наружной температуры. Потери тепла через массивные ограждения пе­редадутся в помещение позднее, чем через легкие. Поэтому максимальные потери тепла всем помещением в расчетных условиях периода резкого похолодания не будут равны сумме наибольших потерь через отдельные ограждения. Необходимо провести сложение теплопотерь через отдельные ограждения с учетом их сдвига во времени.

Для упрощения решения этой задачи (рис. II.9) можно ориентироваться на одно ограждение, доля потерь тепла через которое наибольшая. Обычно таким ограждением является окно. В период резкого похолодания, как показывают натурные наблюдения, теплопотери через окна составляют до 80% и более от общих потерь. Основываясь на наблюдениях, также можно считать, что максимальные потери тепла помещением Qorp совпадают во времени с наибольшими теплопотерями через окна. Окна практически не обладают тепловой инерцией, поэтому наибольшие теплопотери через них практически соответствуют минимальному понижению наружной температуры на расчетной кривой. Величина Qorp может быть определена по формуле

Все ограждения в помещении, кроме окон, обычно имеют близкую между собой тепловую массивность, поэтому значение коэффициентов теплоинерционности по рис. П.8 для них может быть принято общим. При расчете теплопотерь через конструкцию пола по грунту, учитывая большую тепловую массивность грунта, величиной &Qnjl можно пренебречь.

По действующим СНиП теплопотери помещений, по которым определяется тепловая мощность системы отопления, принимаются равными сумме теплопотерь через отдельные ограждения при tn—tns. Из предыдущего анализа теплового режима помещения в период резкого похолодания ясно, что нормативные теплопотери являются условными и их величина может заметно отличаться от фактических наибольших теплопотерь помещения.

Теплопотери помещения, которые принимаются по СНиП за расчетные при выборе тепловой мощности системы отопления, определяют как сумму расчетных потерь тепла через все его наружные ограждения. Кроме того, учитываются потери или поступления тепла через внутренние ограждения, если температура воздуха в соседних помещениях ниже или выше температуры в данном помещении на 5° С и более.

Рассмотрим, как принимаются для различных ограждений показатели, входящие в формулу (11.83), при определении расчетных теплопотерь.

Коэффициенты теплопередачи для наружных стен и перекрытий принимают по теплотехническому расчету. Подбирают конструкцию окон и для нее по табл. II.9 определяют коэффициент теплопередачи. Для наружных дверей значение k берется в зависимости от конструкции по табл. П.9.

Расчет потери тепла через пол. Передача тепла из помещения нижнего этажа через конструкцию пола является сложным процессом. Учитывая сравнительно небольшой удельный вес теплопотерь через пол в общих теплопотерях помещения, применяют упрощенную методику расчета. Теплопотери через пол, расположенный на грунте, рассчитываются по зонам. Для этого поверхность пола делят на полосы шириной 2 м, параллельные наружным стенам. Полосу, ближайшую к наружной стене, обозначают первой зоной, следующие две полосы — второй и третьей зоной, а остальную поверхность пола — четвертой зоной.

Теплопотери каждой зоны рассчитывают по формуле (11.83), принимая n$i—. За величину /?0.пр принимают условное сопротивление теплопередаче, которое для каждой зоны неутепленного пола равно: для I зоны /^.0=2,15(2,5); для II зоны /?н.п. = 4,3(5); для III зоны RH.n~ = 8,6(10); для IV зоны /?H.n=14,2 К-м2/Вт (16,5 °С-м2.ч/ккал).

Добавочные теплопотери через ограждения. Основные теплопотери через ограждения, подсчитанные по формуле (II 83), при рг=1 часто оказываются меньше действительных теплопотерь, так как при этом не учитывается влияние на процесс некоторых факторов Потери тепла могут заметно изменяться под влиянием инфильтрации и эксфильтрации воздуха через толщу ограждений и щели в них, а также под действием облучения солнцем и противоизлучения внешней поверхности ограждений Теплопотери в целом могут заметно возрасти за счет изменения температуры по высоте помещения, вследствие поступления холодного воздуха через открываемые проемы и пр

Эти дополнительные потери тепла обычно учитывают добавками к основным теплопотерям Величина добавок и условное их деление по определяющим факторам следующие

1. Добавка на ориентацию по сторонам света принимается на все наружные вертикальные и наклонные ограждения (проекции на вертикаль) Величины добавок определяют по рис II 10

2. Добавка на обдуваемость ограждений ветром В районах, где расчетная зимняя скорость ветра не превышает 5 м/с, добавка принимается в размере 5% для ограждений, защищенных от ветра, и 10% Для


ограждений, не защищенных от ветра. Ограждение считают защищенным от ветра, если прикрывающее его строение выше верха ограждения больше чем на 2/з расстояния между ними. В местностях со скоростью ветра более 5 и более 10 м/с приведенные величины добавок должны быть увеличены соответственно в 2 и 3 раза.

3. Добавка на продуваемость угловых помещений и помещений, имеющих две и более наружных стен, принимается равной 5% Для всех непосредственно обдуваемых ветром ограждений. Для жилых и тому подобных зданий эта добавка не вводится (учитывается повышением внутренней температуры на 2°).

4. Добавка на поступление холодного воздуха через наружные двери при их кратковременном открывании при N этажах в здании принимается равной 100 iV% — при двойных дверях без тамбура, 80 N — то же, с тамбуром, 65 jV% — при одинарных дверях.

В промышленных помещениях добавка на поступление воздуха через ворота, которые не имеют тамбура и шлюза, если они открыты менее 15 мин в течение 1 ч, принимается равной 300%. В общественных зданиях частое открывание дверей также учитывается введением дополнительной добавки, равной 400—500%.

5. Добавка на высоту для помещений высотой более 4 м принимается в размере 2% на каждый метр высоты,стен более 4 м, но не более 15%. Эта добавка учитывает увеличение теплопотерь в верхней части помещения в результате повышения температуры воздуха с высотой. Для промышленных помещений делают специальный расчет распределения температуры по высоте, в соответствии с которым определяют тепло-потери через стены и перекрытия. Для лестничных клеток добавка на высоту не принимается.

6. Добавка на этажность для многоэтажных зданий высотой в 3—8 этажей, учитывающая дополнительные затраты тепла на нагревание холодного воздуха, который при инфильтрации через ограждения проникает в помещение, принимается по СНиП.

Добавки к основным теплопотерям на поступление воздуха через наружные двери и ворота и на этажность здания крайне приближенно учитывают затраты тепла на нагревание инфильтрующегося воздуха. Учет только этих добавок для промышленных и многоэтажных зданий оказывается недостаточным.

В производственных помещениях расход тепла на нагревание холодного воздуха, поступающего через притворы окон, фонарей, дверей, ворот, достигает 40% и более от основных теплопотерь. Учитывая столь большую величину, при определении теплопотерь производственных помещений производят специальные расчеты затрат тепла на нагревание поступающего в помещение холодного воздуха.

Количество наружного воздуха, поступающего в помещение в результате инфильтрации, зависит от конструктивно-планировочного решения здания, направления и скорости ветра, температуры воздуха, герметичности конструкций и особенно от длины и вида притворов открывающихся окон, фонарей, дверей и ворот. Общий процесс обмена воздуха в здании между помещениями и с внешней средой под действием естественных сил и искусственных побудителей движения воздуха называют воздушным режимом здания. Воздухообмен происходит через все воздухопроницаемые элементы (притворы, стыки, вентиляционные каналы и т. д.) под действием разности давлений, поэтому расчет воздушного режима сводится к рассмотрению гидравлической системы с определенным образом заданными краевыми условиями. Решение этой задачи рассмотрено во второй части учебника «Вентиляция».

При определении затрат тепла на нагревание наружного воздуха при инфильтрации расчет воздушного режима здания может быть упрощен.

Для промышленных зданий типичным является одноэтажное помещение. В многоэтажных промышленных зданиях этажи чаще всего достаточно изолированы друг от друга (при большой поверхности остекления сообщение через одну-две лестничные клетки не оказывает заметного влияния), и их воздушный режим можно рассматривать независимо.

Простейшим является случай, когда помещение не имеет перегородок, отсутствует ветер и инфильтрация происходит под влиянием только гравитационной силы.

Не менее сложной и необходимой задачей оказывается определение расходов воздуха при инфильтрации в многоэтажных жилых и общественных зданиях. Если в здании более восьми этажей, требуется производить расчет воздушного режима здания, гидравлическая схема которого оказывается особенно сложной.

Применительно к жилым зданиям повышенной этажности составлены указания по расчету. В указаниях описана общая методика расчета воздушного режима зданий, а также даны графики и таблицы, по которым для зданий различной этажности, принятых в настоящее время типичных планировок и конструктивных решений, при различных температурах воздуха и скорости ветра можно определить количестве фильтрующегося воздуха, отнесенное к 1 м2 окна.

В условиях множества вариантов исходных данных можно наметить определенные закономерности, которые позволяют обобщить полученные результаты. Принимаются здания N (5—16) этажей с типичным? конструктивно-планировочными решениями. Учитывая изолированность и в основном пофасадную ориентацию помещений, при расчете инфиль трации необходимо принять для всех помещений расходы воздуха с наветренной стороны при расчетных для зимнего режима температуре наружного воздуха tH и скорости ветра vH. Анализ ограниченного, таким образом, круга данных показывает, что изменение расходов воздуха по высоте здания при данных tB и vH таково, что практически можне принять линейную зависимость, поэтому достаточно определить расходы для нижнего и верхнего этажей.

Воздух, проходя через конструкцию, как правило, нагревается и попадает в помещение с температурой более высокой, чем его начальная температура /в- Поэтому Кроме теплопотерь через ограждения и затрат тепла при инфильтрации, в помещениях могут быть и другие источники поступления и затрат тепла.

В промышленных зданиях это тепловыделения от технологического оборудования, нагретых материалов и изделий, освещения, солнечной радиации, людей; затраты тепла на испарение воды в мокрых цехах, на нагревание материалов, транспортных средств и пр.» которые охлажденными поступают в помещение с улицы. Все перечисленные составляющие теплового баланса промышленного цеха рассматриваются во второй части учебника «Вентиляция», так как в промышленных зданиях задачу ассимиляции избыточного тепла и компенсации недостатка в тепле выполняет вентиляция, часто совмещенная с воздушным отоплением.

В жилых, общественных и административных зданиях зимой возможны тепловыделения от людей, освещения и работающего электрооборудования, а также затраты тепла на нагревание материалов, одежды и пр., поступающих в помещение. Эти составляющие учитывают в тепловом балансе при определении дефицита тепла в помещении, который должен компенсироваться системой отопления (если отопление не дежурное и в помещении нет других систем).

Этот коэффициент может изменяться в широких пределах — от 0,15 до 0,95 во времени и в зависимости от технологического процесса. При составлении теплового баланса для отопления нужно учитывать его наименьшие значения.

Поступление тепла в помещение от нагретых материалов и изделий или, наоборот, затраты тепла на нагревание материалов и изделий, которые охлажденными поступают с улицы, определяют по формуле

Отопительный прибор должен компенсировать дефицит тепла в помещении. Использование приборов той или иной конструкции и установка их в различных местах помещения не должны вызывать заметный перерасход тепла. Показателем, оценивающим эти свойства, является отопительный эффект прибора—отношение теплопотерь помещения к количеству тепла, затрачиваемого прибором для создания в помещении заданных тепловых условий

Наилучшим отопительным эффектом обладают пакельно-лучистые приборы, установленные в верхней зоне помещения или встроенные в конструкцию потолка. По данным отдельных авторов, у таких приборов отопительный эффект равен 1,1 —1,05, т. е. теплоотдача потолочных панелей-излучателей может быть даже несколько ниже расчетных теплопотерь помещения без ухудшения комфортности внутренних условий. У панели, расположенной в конструкции пола, отопительный эффект около 1.

Наиболее распространенные приборы — радиаторы обычно устанавливают в нишах или около поверхности наружной стены. Зарадиаторная поверхность сильно перегревается, и через эту часть наружной стены бесполезно теряется некоторое количество тепла. В результате отопительный эффект радиаторов равен 0,96—0,94. Низкие дриборы, располагаемые вдоль наружной стены, целесообразнее радиаторов. Отопительный эффект, например, низкого конвектора ~0,97.

Отопительный прибор, встроенный в конструкцию наружной стены, имеет заметные бесполезные потери тепла, и его отопительный эффект ~0,9.

Кроме потерь, связанных с размещением отопительных приборов, в системе отопления наблюдаются бесполезные потери тепла трубопроводами, проходящими по неотапливаемым помещениям или прислоненными и встроенными в конструкции наружных ограждений, а также в тепловом узле и других элементах системы. Величины всех дополнительных потерь в системе не должна превышать 15% расчетных потерь тепла.

Для теплотехнической оценки конструктивно-планировочных решений и для ориентировочного расчета теплопотерь зданий пользуются показателем— удельная тепловая характеристика здания.

График отражает влияние теплозащиты наружных ограждений на общие теплопотери здания. По зависимости qo от р (/?о — Р^о.тр) можно сделать вывод, что при увеличении теплоизоляции стен тепловая характеристика уменьшается незначительно, тогда как при ее снижении <7о начинает быстро возрастать. При дополнительной теплозащите оконных проемов (шкала koi{) заметно уменьшается qo, что подтверждает целесообразность увеличения сопротивления теплопередаче окон.

Потребность в тепле на отопление здания, как указывалось ранее, может заметно отличаться от величины теплопотерь, поэтому некоторые авторы предлагают вместо q пользоваться удельной тепловой характеристикой отопления здания <7от, при вычислении которой по формуле (11.112)в числитель подставляют не теплопотери, а установочную тепловую мощность системы отопления ц/от.уст [формула (П.III)].

Расчет тепловых нагрузок на системы отопления по укрупненным измерителям используют для ориентировочных подсчетов при определении потребности в тепле района, города, при проектировании центрального теплоснабжения и пр.