- 25 дек. 2020 г.

Воздушное отопление. Методика расчета.

Воздушное отопление имеет много общего с другими видами централизованного отопления. И воздушное, и водяное отопление основаны на передаче теплоты в отапливаемые помещения от охлаждающегося теплоносителя. В центральной системе воздушного отопления, как и в системах водяного отопления, имеется теплогенератор (центральная установка для нагревания воздуха) и теплопроводы (каналы или воздуховоды для перемещения теплоносителя).

Воздух для отопления подается в помещение нагретым до такой температуры tг, чтобы в результате его смешения с внутренним воздухом и теплообмена с поверхностью ограждений поддерживалась заданная температура помещения. Следовательно, количество аккумулированной воздухом теплоты должно быть равно Qп – максимальной теплопотребности для поддержания в помещении расчетной температуры tв:

Gотс (tг - tв ) = Qп (1)

Отсюда расход нагретого воздуха Gот, кг/c, для отопления помещения:

Gот = Qп (с (tг - tв )) (2)

где с – удельная массовая теплоемкость воздуха, равная 1005 Дж/(кг·К).

Для получения расхода воздуха в кг/ч теплопотребность помещения в Вт (Дж/с) следует выразить в Дж/ч, т. е. умножить на 3600 с.

Объем подаваемого воздуха Lот, м /ч, при температуре tг нагретого воздуха:

Lот = Gот rг (3)

Воздухообмен в помещении Lп, м3/ч, несколько отличается от Lот, т. к. определяется при температуре внутреннего воздуха tв:

Lп = Gот rв (4)

где rг и rв – плотность воздуха, кг/м3г при eгo температуре соответственно tг и tв.

Температура воздуха tг должна быть возможно более высокой, как это видно из уравнения (2), для уменьшения количества подаваемого воздуха. В связи с этим, соответственно, сокращаются размеры каналов, а также снижается расход электроэнергии при механическом побуждении движения воздуха.

Однако правилами гигиены устанавливается определенный верхний предел температуры – воздух не следует нагревать выше 60 °С, чтобы он не терял своих свойств как среда, вдыхаемая людьми.

Эта температура и принимается как предельная для систем воздушного отопления помещений с постоянным или длительным (более 2 ч) пребыванием людей.

Отклонения от этого общего правила делают для воздушно-тепловых завес. Для завес у внешних ворот и технологических проемов, выходящих наружу, допускается повышение температуры подаваемого воздуха до 70 °С, а для завес у наружных входных дверей – до 50 °С.

Конкретные значения температуры воздуха при воздушном отоплении связаны со способами его подачи из воздухораспределителей и зависят от того, подается ли воздух вертикально сверху вниз, наклонно в направлении рабочей (обслуживаемой) зоны или горизонтально в верхней зоне помещения. Если люди подвергаются длительному непосредственному влиянию струи нагретого воздуха, его температуру рекомендуется понижать до 25 °С.

По формуле (2) определяют количество воздуха, подаваемого в помещение только с целью его отопления, и систему устраивают рециркуляционной. Когда же воздушная система отопления является одновременно и системой вентиляции, количество подаваемого в помещение воздуха устанавливают следующим образом:

− если Goт ≥ Gвент (количество воздуха для отопления оказывается равным количеству воздуха, необходимому для вентиляции, или превышает его), то сохраняют количество и температуру отопительного воздуха, а систему выбирают прямоточной или с частичной peциркуляцией;

− если Gвент > Gот (количество вентиляционного воздуха превышает количество воздуха, которое необходимо для отопления), то принимают количество воздуха, потребное для вентиляции, систему делают прямоточной, а температуру подаваемого воздуха вычисляют по формуле:

tг = tв +Qп (сGвент ) (4)

полученной из уравнения вида (2).

Количество воздуха для отопления помещения или его температуру уменьшают, если в помещении имеются постоянные тепловыделения.

При центральной отопительно-вентиляционной системе температура нагретого воздуха, определяемая по формуле (4), может оказаться для каждого помещения различной. Подача в отдельные помещения воздуха при различной температуре

технически осуществима.

Однако проще подавать во все помещения воздух при одинаковой температуре. В этом случае общую температуру нагретого воздуха принимают равной низшей из расчетных для отдельных помещений, а количество подаваемого воздуха пересчитывают по формуле (2).

После уточнения воздухообмена определяют теплозатраты на нагревание воздуха по формулам:

− для рециркуляционной системы воздушного отопления:

Q = Gотс (tг - tв ) (5)

− для частично вентиляционной системы:

Q = Gотс (tг - tв )+Gвентс (tв - tн ) (6)

− для прямоточной отопительно-вентиляционной системы:

Q = Gвентс (tг - tн ) (7)

где Gот и Gвент – расход воздуха, кг/c, для целей отопления и вентиляции;

tн– расчетная температура наружного воздуха для проектирования отопления.

В формуле (6) количество рециркуляционного воздуха Gрец= Gот – Gвент, т. к. Gот выражает количество смешанного воздуха, нагретого до температуры tг с целью отопления.

В системах центрального воздушного отопления в отличие от систем центральной приточной вентиляции перемещается воздух меньшей и переменной плотности по сравнению с плотностью воздуха, окружающего воздуховоды.

В связи с этим можно отметить две особенности действия систем центрального воздушного отопления:

Нагретый воздух заметно охлаждается по пути егo движения;
Количество воздуха, поступающего в помещения, изменяется в течение отопительного сезона, особенно при естественном движении.

В вентиляторных системах воздушного отопления ограниченной длины и высоты эти два фактора обычно во внимание не принимаются.

В разветвленных протяженных системах воздушного отопления крупных зданий, особенно высоких, необходимо ограничивать как охлаждение воздуха в воздуховодах, так и перераспределение воздуха, поступающего в помещения под влиянием изменяющегося естественного циркуляционного давления.

Для ограничения и учета охлаждения воздуха выполняют тепловой расчет воздуховодов, устанавливают начальную температуру воздуха и уточняют егo расчетный расход.

Тепловой поток через стенки воздуховода длиной l представим как:

Qохл = q1*l (8)

где q1 – тепловой поток через стенки воздуховода длиной 1 м, определяемый по формуле:

q1 = kA1 (tср - tв ) = (tср - tв ) R1 (9)

R1 – сопротивление теплопередаче от нагретого воздуха, имеющего среднюю температуру tcp, через площадь А1 стенок воздуховода длиной 1 м в помещение при температуре tв.

Сопротивление теплопередаче находят с учетом дополнений, которые относятся к условиям теплопередачи через 1 м воздуховода, у которого внешняя поверхность может быть значительно больше внутренней и отделяется от последней промежуточными слоями.

Тепловой поток через стенки воздуховода при установившемся состоянии соответствует степени охлаждения потока нагретого воздуха, перемещающегося по воздуховоду. Поэтому можно написать уравнение теплового баланса, выражая q1 в кДж/ч:

q1l = Gотс (tнач - tг ) (10)

где Gот – количество воздуха для отопления помещения, кг/ч; tнач и tг – температура нагретого воздуха соответственно в начале воздуховода и выпускаемого в помещение, °С; с – удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кг °С).

Уравнение теплового баланса (10) дает возможность установить начальную температуру воздуха в воздуховоде по заданной конечной или, наоборот, уточнить температуру воздуха, выпускаемого в помещение, и, при необходимости, расход воздуха.

Температура нагретого воздуха в начале воздуховода на основании формулы (5) равна:

tнач = tв + ((Qп + (1-h)Qохл ) Qп )(tг - tв ) (11)

где η – доля от Qохл, поступающая в отапливаемое помещение (Qохл в первом приближении можно определять по формулам (10) и (11), подставляя известную температуру tг вместо температуры tcp).