Для полного и точного расчета тепловых нагрузок, режима регули­рования систем кондиционирования, обеспеченности заданных парамет­ров микроклимата для жилых и общественных зданий с повышенным уровнем требований к комфортности внутренних условий и для промыш­ленных зданий с современными технологическими процессами, предъяв­ляющими высокие требования к постоянству метеорологических пара­метров, необходим анализ нестационарного теплового режима помеще­ния с учетом его теплоустойчивости. Для этого рассматривают все вли­яющие факторы и процессы теплообмена в помещении.

Формирование теплового режима может быть представлено в виде взаимодействия возмущающие и регулирующих факторов. Возмущаю­щие факторы — это теплопоступления через наружные ограждения, а также технологические и бытовые теплопоступления. Противодействую­щие им регулируюш(ие факторы — это тепловое воздействие систем с-топления, вентиляции и кондиционирования воздуха. И те и другие фак­торы могут быть постоянными или переменными во времени.

В результате расчетов установлено, что если переменные тепло­поступления составляют менее 25% общих возмущающих тепловых воз­действий, то можно ограничить расчет рассмотрением стационарного теплового баланса помещения [формула - fV. l)]. Такие соотношения ти­пичны для закрытых помещений с постоянными технологическими тепло - поступлениями.

В зданиях С легкими конструкциями И большими остекленными ІІО - верхностями переменные теплопоступления через ограждения, как пра­вило, превышают 25%. Если переменная составляющая находится в пре­делах 25—60% общих теплопоступлений и допускается коэффициент обеспеченности внутренних условий меньше 0,9, то можно ограничиться приближенным расчетом нестационарного теплового режима (приве­дением всех изменяющихся теплопоступлений к гармоническим без раз­деления их на конвективные и лучистые). Если эта составляющая пре­вышает 60% или коэффициент обеспеченности должен быть не менее 0,9, необходим точный расчет с учетом гармонических и прерывистых теплопоступлений и с разделением их на лучистый и конвективный теп­лообмен. Приведенные градации позволяют выполнить расчет произ­водительности систем кондиционирования микроклимата с ошибкой не более 15%. Методы приближенного и точного расчета теплоустойчиво­сти вентилируемого помещения рассматриваются в курсе «Строительная теплофизика».

Анализ теплового режима помещения и обслуживающих его венти­ляционных систем необходим для решения трех основных задач.

1. Расчет естественного (пассивного) теплового режима помещения, в результате которого необходимо установить возможность использова­ния для борьбы с перегревом и обеспечения допустимых внутренних условий простых и сравнительно дешевых конструктивно-планировочных решений и общеобменной вентиляции. Искомыми в этом расчете являют­ся различные меры защиты от перегрева с их количественной оценкой и производительность общеобменной вентиляции.

2. Выявление необходимости перехода к устройству более дорогой регулируемой системы кондиционирования. Решение этой задачи явля­ется следствием рассмотрения первой задачи, когда требуемые внутрен­ние условия не могут быть обеспечены простыми и дешевыми средствами.

3. Расчет регулируемого (активного) теплового режима помещения с применением системы искусственного охлаждения, обеспечивающей поддержание оптимальных внутренних условий. Искомыми являются производительность, холодильная мощность и режим регулирования си­стемы кондиционирования.

Последовательность расчета теплового режима помещения и обслу­живающих его систем может быть следующей: 1) выбор расчетных внут­ренних условий и их обеспеченности; 2) определение расчетных характе­ристик наружного климата с учетом коэффициента обеспеченности; 3) определение возмущающих воздействий: теплопоступлений через наружные ограждения, от технологического оборудования и др.; 4) рас­чет теплоустойчивости помещения; 5) определение регулирующих воз­действий: производительности, тепловой и холодильной мощности, режи­ма регулирования систем вентиляции или кондиционирования.

Пример V. I. Определить теплопоступления от кузнечной печи с боковыми стен­ками размером 2,128X2 и 1,728X2 м, а также интенсивность облучения человека, на­ходящегося на расстоянии 1 или 2 м от открытой дверцы размером 0,48X0,7 м напро­тив ее центра.

Исходные данные:

А) характеристика стенок, пода и свода — шамотный кирпич толщиной бш = = 0,232 м и теплопроводностью 0,838+0,000582 і Вт/(м-К) [0,72+0,0005 t

Ккал/(ч-м-°С)], трепельний кирпич толщиной бт = 0,232 м и теплопроводностью — = 0,198 Вт/(м-К) [0,17 ккал/(ч-м-°С)];

Б) характеристика дверцы — шамотный кирпич толщиной бщ = 0,115 м, чугунная обойма толщиной 6Ч=9,01 м и теплопроводностью ^ч=39,6 Вт/(м-К);

В) температура в печи *печ= 1200° С;

Г) температура воздуха в помещении ^В = 20°С;

Д) дверца открывается в течение 1 ч на 15 мин;

Е) степень черноты абсолютно черного тела Со = 5,78 Вт/(ч2-К4) [4,96 ккал/(чХ Хм2-К4)].

Решение (дано только в системе СИ) А Определение теплопоступлений от стенок печа

1. Принимаем температуру на внутренней поверхности печи на 5° С ниже темпе­ратуры в печи:

FB. n = гпеч - 5 = 1200 — 5 = 1195° С.

2. Задаемся температурой на внешней поверхности печи /Пов=150°С.

3 По рис V.1 коэффициент теплообмена на внешней поверхности печи апов~ = 17,5 Вт/(м2-К).

4. Определяем температуру t на стыке между шамотным и-трепельшым кирпичом:

"Т vb п — h) — ~ё Ui ^пов)«

Ош от

Принимаем ориентировочно Яш=1,5 Вт/(м-К), тогда

1,5 (1195 — tj) = 0,198 — 150),

Откуда

1,5-1195+ 0,198-150 __

U - ----------------------------------------- -——'——--------- = 1070° С.

1 1,5 + 0,198

5. Определяем среднюю температуру шамотного кирпича:

, + Ь 1195+ 1070

Гер — - — 2 — 1WU

6 Определяем теплопроводность шамотного кирпича:

Яш = 0,838 + 0,000582/ = 0,838 + 0,000582-1130 = 1,49 Вт/(м-К). Эта величина достаточно близка к принятой.

7. Определяем коэффициент теплопередачи от внутренней поверхности печи к на­ружной:

~ 0,232 0,232 ~ *0,152 + 1,172 = °'755 Яш + Ят 1,5~ + 0,198

8. Определяем количество тепла, проходящего через 1 м2 стенки при заданных температурах п и іпов:

QCT = Кст (tB п - *пов) = 0,755 (1195 - 150) = 789 Вт/м2.

9. Определяем количество тепла, отдаваемого 1 м2 поверхности стенки печи в помещение:

<7п = «лов (*пов - = 17,5 (150 - 20) = 2275 Вт/м3.

10. Задаемся новым значением температуры на внешней поверхности печи, так как qcT=Јqn /пов = 70°С.

11. По рис. V.1 находим коэффициент теплообмена на внешней поверхности печи- а„ов=И,1 Вт/(м2-К).

12. Определяем температуру h на стыке между шамотным и трепельним кир­пичом.

1,5-1195 + 0,198-70

T = —----------------------------------------- , г '---------------- = 1060° С.

1 1,5 + 0,198

Температура на стыке изменилась незначительно, поэтому оставляем прежнее =1,5 Вт/(м-К). Тогда коэффициент теплопередачи от внутренней поверхности к на­ружной остается Прежним Кот — 0,755 Вт/(м2-К)

13. Определяем количество тепла, проходящего через 1 м2 стенки при ^пов == 70° С.

<7ст = /Сет (*в. п ~ *пов) - 0,755 (1195 - 70) - 849 Вт/ма.

14. Определяем количество тепла, отдаваемого 1 м2 поверхности стенки печи в по­мещение:

Яп = «пов (tn0B - tB) = 11,1 (70 - 20) = 555 Вт/м2.

15. Проводим графическую интерполяцию (рис. V.5): <7ст=800 Вт/м2; £Пов = 84'°С.

16. Определяем поверхность боковых стенок (за вычетом площади отверстия);

FCT= (2,128-2+ 1,728-2)2—0,48-0,7= 15,09 м2.

2000 1500 WOO

Рис. V.5. Графическое ин - %:555 терполирование (к при - 500 меру расчета)

17. Определяем теплопоступления от стенок печи:

Qct = <7стFCJ = 800-15,09 = 12 070 Вт. Б. Определение теплопоступлений от свода печи

1. Задаемся температурой на внешней поверхности свода: [2]Пов=70°С.

2. Определяем коэффициент теплообмена аПов по рис. V.1 для нагретых горизон­тальных поверхностей, обращенных вверх: аПов=12,3 Вт/(м2-К).

3. Определяем коэффициент теплопередачи свода от внутренней поверхности к на­ружной среде по формуле (V.9):

1

0,711 Вт/(м2-К).

0,152 + 1,172

12,3

12,3

1

Ксв =

0,232 0,232 1,5 +0,198 4. Определяем /пов:

Кс

1

0,152+ 1,172 +

14,4

= 0,718 Вт/(м2-К).

7. Определяем площадь свода:

Fee ==2,128-1,728 = 3,67 м2.

8. Определяем теплоотдачу свода по формуле (V.8):

Qcb — 0,718 (1195 — 20) 3,67 = 3100 Вт. В. Определение теплопоступлений от пода печи

1. Принимаем долю тепла, поступающего от пода в помещение, т = 0,6.

2. Фактор формы для прямоугольного пода / = 3,9.

3. Площадь пода

FnoA= 2,128-1,728 = 3,67 м2.

= 2,16 м.

4. Диаметр круга, равновеликого по площади поду:

„_ i/iL = 1/l±SZ = 2>

п V 3,14

5 Определяем эквивалентную теплопроводность кладки пода: 26 0,232 + 0,232 - - 0,152 - f - 1,172 = °'353 ВГ/(М■К>■

6. Определяем теплоотдачу пода печи по формуле (V.10):

3,67

<Зпод = 0,6-3,9-—~- 0,353(1195 — 20) = 1640 Вт. 2,16

Г. Определение теплопоступлений от закрытой дверцы печи

I. Задаемся ґПОв = 230°С. По рис. V.1 аПОв = 24 Вт/(м2-К). 2 Определяем /Сдв по формуле (V.9):

________________ 1________ _____________ 1__________

" 0,0752 +0,000252+ 0,0424 ^ М8

1,5 39,6 • 24 3. Определяем t пов-

Tno3 = 20 + (1195 - 20) == 442° С. >

4 По рис. V.1 аПОв = 39,8 Вт/(м2-К).

5. Определяем /Сдв по формуле (V.9):

/Сдв =------------------------------------------------------- — =9,94 Вт/(м2-К).

0,0752 + 0,000252 + ——

ОУ, о

6. Определяем ^пов:

9 94

TnoB = 20 + (1195 - 20) - 313° С.

7. По рис. V.1 аПов = 28,6 Вт/(м2-К).

8. Определяем /Сдв по формуле (V.9):

/Сдв =------------------------------------------------------ :----- =9,06 Вт/(м2-К).

0,0752 + 0,000252+---------------------------------------------

28,6

9. Определяем t пов-

/пов = 20 + (1195 - 20) = 392е С.

10 По рис. V.1 апов = 34,9 Вт/(м2-К).

II. Определяем /Сдв по формуле (V.9):

/Сдв —------------------------------------------------------ :—~ 9,61 Вт/(м2-К).

0,0752 + 0,000252 + —;— 34,9

Это значение и принимаем за окончательное. 12 Определяем площадь дверцы:

/?дв = 0,48-0,7 = 0,336 м2.

13. Определяем теплопоступления от закрытой дверцы печи при условии, что она бывает закрыта 45 мин в течение 1 ч:

45 45

Здв = /Сдв Рв п - tB) ^ДВ — = 9,61 (1195- 20) 0,336 — - 2840 Вт.

Л Определение теплопоступлений из открытого отверстия печи <

1. Определяем интенсивность теплового излучения из отверстия по формуле (V-ll):

/ 273+ 1200 4 Яотв = 5,78 f----------------------------- ) = 272 000 Вт/м2.

2. Определяем фотв, пользуясь рис. V.2:

H 464 h 464

— =----------------------------------------- = 0,976; —= -—— = 0,67;

D 480 d 700

Фотв = °>66'> Фотв = 0'73;

Фотв + Фотв 0,66 +0,73 Л _ фотв ~~---------------- =---------- -- --------- = О»7-

3. Определяем интенсивность теплового излучения из отверстия в помещение:

^отв = ^отв ^отв = 0,7-272000 = 191 000 Вт/м2.

4. Определяем теплопоступление от отверстия печи, открываемого на 15 мин в те­чение каждого часа:

Qotb = <7отв F = 191 000-0,336 = 16 000 Вт. оО ьи

Е. Определение общих теплопоступлений от печи в окружающую среду

Теплопоступления от стенок............................................................................ QCT=12 070 Вт

» » свода................................................................................................ Qcb= 3100 »

1» » пода....................................................... <Зпод— 1 640 »

» » закрытой дверцы............................................................................... Фдв— 2840 »

» » открытого отверстия.............................. Qotb=16 000 »

SQnocT = 35 650 Вт.

Ж. Определение интенсивности облучения рабочего, находящегося на расстоянии 1 или 2 м от открытой дверцы

1. Пользуясь рис. V.3, определяем коэффициент облученности фр. м (площадь от­верстия F—0,336 м2): _

Для расстояния дс=1 м, когда х/V~F = 1/1^0,336 = 1,72, фр. мі = 0,07;

Для расстояния х=2 м, когда jc/V^F=2/1^0,336=3,45, фр. М2=0,021.

2. Определяем наибольшую интенсивность теплового облучения рабочего, находя­щегося на расстоянии 1 м, по формуле (V.14):

<7р. м = 0,07-191 000-0,336 = 4490 Вт/м2.

3. Определяем наибольшую интенсивность облучения рабочего, находящегося на расстоянии 2 м, по формуле (V.14):

9рм = 0,021-191 000-0,336 = 1350 Вт/м2.

Пример V.2. Определить полные теплопоступления от 5000 кг стали, поступаю­щей в цех в жидком состоянии с начальной температурой /Нач=1500°С и удаляемой из цеха в виде слитков с конечной температурой /Кон = 500°С. Температура плавления стали /пл = 1400°С.

Решение

1. По табл. V.3 определяем теплоту плавления стали: /Пл=96 кДж/кг, удельную теплоемкость стали в жидком состоянии: сж = 1,17 кДж/(кг-К) и в твердом состоянии: ст = 0,73 кДж/(кг-К).

2. Определяем полные тепловыделения по формуле (V.16):

Qoct = [1,17 (1500— 1400) +96 + 0,73(1400—500)] 5000 = 4 350 000 кДж.

Пример V.3. Определить теплопоступления от остывающей бетонной плиты раз­мером 6X3X0,12 м за первый час остывания. Начальная температура бетонной плиты /нач=110°С. Плотность бетона р==2400 кг/м3. Температура помещения /В=20°С. Удельная теплоемкость бетона с=0,84-103 Дж/(кг-К). Теплопроводность бетона = 1,46 Вт/(м-К).

Решение

1. Определяем массу бетонной плиты объемом F=6-3-0,12 = 2,16 м3:

G = Fp = 2,16-2400 = 5190 кг. 7

2. Определяем по рис. V.1 коэффициент теплообмена на поверхности при темпера­туре tna.4= 110° С: аПов= 15 Вт/(м2«К).

3. Определяем сопротивление теплопередаче по формуле (V.20):

R = —---------------- ^---------- —• + „ J „ = 0,00102 + 0,00175 = 0,00277 К/Вт,

2400-1,46-38,162 15-38,16 » т •

Вде площадь внешней поверхности плиты

F=6-3-2 +3-0,12-2 + 6-0,12-2 = 36 + 0,72 + 1,44 =38,16 м2.

4. Определяем критерий Фурье по формуле (V.19) (где Дг=3600 с):

3600

Fo =--------------------------------------------------------------------- = 0,3.

0,84*К)3-5190-0,00277

5. Определяем значение В по рис. V.4: В = 0,71.

6. Определяем количество тепла, поступившего в помещение от бетонной плиты за первый час, по формуле (V.18):

Q' == 0,84-103-5190 (110 —20)0,71 = 278-106 Дж = 278000 кДж.