Тема 28. Расчет теплового баланса помещений

⇐ ПредыдущаяСтр 27 из 30Следующая ⇒

Цель занятия. Дать студентам понятие о тепловом балансе здания, его структуре. Ознакомить с методикой расчета теплового баланса.

Практические навыки. Научить студентов решать производственные ситуации по расчету и оптимизации теплового баланса помещений для животных.

Материалы и оборудование. Методические рекомендации, справочные и расчетные данные.

Задание. 1. Рассчитать тепловой баланс в животноводческом помещении (по заданию преподавателя), использовать данные об объеме вентиляции по влажности воздуха.

2. Дать оценку теплового баланса помещения.

3. Написать заключение с гигиеническими рекомендациями по оптимизации теплового баланса помещений.

Тепловой баланс животноводческих помещений рассчитывается с целью определения возможности обеспечения в них оптимального микроклимата, особенно в холодное время года (январь).

Тепловой баланс – это соотношение прихода (теплопродукция) и расхода (теплопотери) тепла в животноводческом помещении. Его рассчитывают при проектировании и реконструкции зданий, в выборе строительных конструкций и материалов, определении типа, мощности и числа отопительных и вентиляционных установок.

На тепловой режим здания влияет много факторов: климатические условия, объемно-планировочные решения зданий, вид, живая масса, физиологическое состояние и продуктивность животных, плотность их размещения, объем здания, мощность отопительных установок, кратность воздухообмена.

Расчет теплового баланса здания позволяет оценить теплотехнические свойства ограждающих конструкций, определить пути теплопотерь, найти способы улучшения микроклимата.

В животноводческих отапливаемых помещениях теплота поступает от животных, отопительных приборов, отопительно-вентиляционных установок и солнечных лучей; в неотапливаемых – в основном от животных.

Расход теплоты складывается из потерь через ограждающие конструкции здания, на нагревание воздуха в вентиляционных установках и поступающего в результате инфильтрации через неплотности в конструкциях, а также от испарения влаги с пола, подстилки, поилок, мокрых поверхностей.

Тепловой баланс бывает: нулевой – если приход тепла равен расходу тепла (температура и влажность воздуха в помещении будет на уровне нормативной); отрицательный – если расход тепла больше прихода тепла (температура будет ниже нормативной, а влажность выше нормы); положительный – если приход тепла больше расхода тепла (температура выше нормы, влажность ниже нормы).

Температурный режим складывается в помещении под влиянием тепловыделений животных (если помещение не отапливается) и тепла, вносимого отопительными и вентиляционными системами (если они предусмотрены), а также теплопотерь на обогрев поступающего воздуха, через ограждающие конструкции здания и испарения влаги с пола, подстилки, поилок и т.д.

Поэтому тепловой баланс можно представить в виде следующей формулы:

Q жив. = Q вен. + Q исп. + Q о.зд.,

где Q жив. – количество тепла, поступающего в помещение от животных, ккал/ч; Q вен. – количество тепла, расходуемого на нагревание вентиляционного воздуха, ккал/ч; Q исп. – количество тепла, необходимого на испарение влаги с пола, кормушек, оборудования здания, ккал/ч; Q о.зд. – количество тепла, которое теряется через ограждающие конструкции здания в наружную атмосферу, ккал/ч.

Пример: Коровник на 200 голов. Поголовье животных:

1 группа – коровы лактирующие, живой массой 500 кг, удоем 15 л, их количество 102 головы;

2 группа – коровы лактирующие, живой массой 600 кг, удоем 20 л, их количество 63 головы;

3 группа – коровы сухостойные, живой массой 500 кг, количество 35 животных.

Внутренние размеры коровника (без учета тамбуров): длина – 66 м, ширина – 21 м, высота стены – 3 м, высота в коньке – 6,1 м.

Стены коровника из обыкновенного кирпича на легком растворе в 2 кирпича толщиной 0,525 м. Окна двойные размером 2,35 х 1,2 м, количество их 36. Ворота деревянные двойные размером 2,8 х 3 м, их 4 и одни размером 2,2 х 2,2 м; одни двери деревянные размером 2,2 х 1,2. Потолок совмещен с крышей. Покрытие железобетонное сборное с рулонной кровлей и утеплителем толщиной 0,16 м. Температура в помещении +10 ⁰С, относительная влажность – 70 %. Район Витебск, средняя температура наружного воздуха в январе – 7,8 ⁰С и средняя абсолютная влажность наружного воздуха в январе 2,55 г/м³ (приложение 16 «Средние показатели температуры и абсолютной влажности в различных пунктах Республики Беларусь»).

1. Расчет прихода тепла в помещении.

Расчет количества тепла, выделяемого животными (таблица 39), проводят, используя приложение 15 «Нормы выделения животными теплоты, газа и водяных паров» по графе "свободная теплота".

Таблица 39

Определение количества теплоты, выделяемой животными

Количество животных, голов	Живая масса, кг	Продуктивность, л	Свободная теплота от 1 животного, ккал/ч	Всего, ккал/ч
102	500	15	505	51510
63	600	20	601	37863
27	500	сухостойные	433	15155

Следовательно, от всех животных в помещение поступит свободной теплоты

Q жив. = 104528 ккал/ч ( 51510 ккал/ч + 37863 ккал/ч + 15155 ккал/ч).

В нашем примере дополнительного тепла, поступающего от обогревательного оборудования, нет. Приход тепла в зимнее время года от солнечной радиации и других источников (электролампочки и др.) незначителен и в расчет не принимается.

2. Расчет расхода тепла в помещении.

2.1. Расчет количества тепла, идущего на обогревание вентиляционного (наружного) воздуха.

Q_вен = 0,24 х G х _Δt

где 0,24 – это теплоемкость воздуха, т.е. количество тепла в ккал, расходуемого на нагревание 1 кг воздуха на 1 ⁰С, ккал/кг/град; G – количество воздуха в кг, удаляемого из помещения вентиляцией или поступающего в него в течение часа в январе месяце, кг/ч; _Δt – разность между температурой воздуха внутри помещения и наружного воздуха, ⁰С.

При расчете G, во-первых проводят корректировку расчета объема вентиляции на самый холодный месяц (январь)

L_янв = Q : (q₁ – q_янв) = 70933,5 г/ч : (6,42 г/м³– 2,55 г/м³) = 18329,1 м³/ч

Во-вторых, необходимо объемные единицы перевести в весовые. 1 м³ воздуха при температуре 10 ⁰С (норматив для коровников с привязным способом содержания животных) и среднем барометрическом давлении 760 мм рт.ст. весит 1,247 кг (приложение 18 «Объемная масса воздуха (м³/кг) при различной температуре и различном барометрическом давлении»).

G = 18329,1 х 1,247 = 22856,4 кг/ч

_Δt = 10 ⁰С – ( –7,8 ⁰С) = 17,8 ⁰С

Расход тепла на обогревание поступающего воздуха будет равен Q вен. = 0,24 х 22856,4 х 17,8 = 97642,54 ккал/ч

2.2. Расчет расхода тепла на испарение влаги с поверхности пола и других ограждений (Q исп.) производят путем умножения количества испаряющейся с пола и других ограждений влаги на 0,595, т.е. на количество тепла в ккал, расходуемого на испарение 1 г воды при данной температуре помещения.

Количество воды, испаряющейся с пола и ограждающих конструкций здания, определяем в виде процентной надбавки от количества влаги, выделяемой всеми животными, находящимися в данном помещении. Эта величина составляет 6448,5 г/ч (см. расчет объема вентиляции во влажности).

Q исп = 6448,5 х 0,595 = 3836,86 ккал/ч.

2.3. Расчет теплопотерь через ограждающие конструкции здания проводится по формуле:

Q о.зд_..= Σ k · F · _Δt ,

где – знак суммы всех элементов конструкций зданий; k – коэффициент общей теплопередачи выражает количество тепла в ккал, передающейся в наружный воздух за час через 1 м² данной конструкции ограждения при разнице между внутренней и наружной температурой 1 ⁰С, ккал/ч/м²/град; F – площадь ограждающей конструкции, м²; _Δt – разность между температурой внутреннего и наружного воздуха, ⁰С.

Теплопотери через ограждающие элементы здания определяют дифференцировано: стен, окон, ворот и дверей, пола, чердачного перекрытия или совмещенного покрытия, так как их площадь и коэффициенты теплопередачи разные.

Коэффициент общей теплопередачи (k) отдельных конструкций находят в приложениях 19–22. Для нашего примера k потолка составляет 0,65, стен – 1,01, окна – 2,5, ворот и дверей – 2,0.

В случае отсутствия коэффициента общей теплопередачи (k) ограждающей конструкции его можно рассчитать, так как он является величиной, обратной сопротивлению теплопередаче, т.е. k = 1 / R₀и R₀= 1 / k.

Сопротивление теплопередаче (R₀) представляет сумму отдельных термических сопротивлений:

а). сопротивления тепловосприятию (R_в) – это сопротивление при переходе тепла от внутреннего воздуха к внутренней поверхности ограждения (в среднем по зданию 0,133 м² · ч · ⁰С/ккал);

б). термического сопротивления ограждения (R) – это сопротивление при прохождении тепла через толщу ограждения. R однородной ограждающей конструкции или отдельного слоя многослойной определяют по формуле: R = σ / λ, где σ – толщина слоя, м; λ – расчетный коэффициент теплопроводности слоя, принимаемый по приложению 23;

в). сопротивления теплопередаче (R_н) – это сопротивление при переходе тепла от наружной поверхности ограждения к наружному воздуху (0,05 м² · ч · ⁰С/ккал).

Таким образом, сопротивление теплопередаче ограждения (R₀) R₀= R_в+ R + R_н, или же R₀= 0,133 + R + 0,05.

Площадь ограждающих конструкций рассчитывается следующим образом:

1. Площадь потолка (помещение с чердачным перекрытием) – путем умножения внутренних размеров длины и ширины помещения. Площадь совмещенного покрытия – путем умножения ширины покрытия на его длину и на количество сторон покрытия.

2. Площадь стен (помещение с чердачным перекрытием) – путем умножения наружного периметра помещения на высоту стен с учетом толщины потолка за минусом площади окон и ворот.

При расчете площади наружных стен помещения с совмещенным покрытием торцовые стены условно разбивают на прямоугольники и треугольники. Поэтому площадь стен определяется по промерам наружного периметра здания (по длине) и расстоянию от внутренней поверхности пола до верхней поверхности совмещенного покрытия у продольной стены с учетом площади двух треугольников торцовых стен. При этом площадь окон и ворот (дверей) не учитывается.

3. Площадь пола – по зонам:

1 зона – до 2 метров от стен; 2 зона – от 2 метров до 4 метров; 3 зона – от 4 метров до 6 метров или от 4 метров (для узкогабаритных помещений); 4 зона – от 6 метров (для широкогабаритных помещений).

При этом, площадь пола первой двухметровой зон, примыкающей к углам наружных стен, учитывается дважды, т.е. при определении площади этой зоны берут полностью длину обеих наружных стен, образующих углы (по внутреннему периметру).

Для удобства цифровой материал целесообразно свести в таблицу 40.

Таблица 40

Определение теплопотерь через ограждающие конструкции здания

Название ограждающей конструкции	k	F	k · F	_Δt	k · F · _Δt
Перекрытие	0,65	10,95 х 66 х 2 = 1445,4 м²	939,51	17,8	16723,28
Окна	2,5	2,35 х 1,2 х 36 = 101, 52м²	253,8	17,8	4517,64
Ворота и двери	2,0	2,8 х 3 х 4 = 33,6 м² 2,2 х 2,2 х 1 = 4,84 м² 2,2 х 1,2 х 1 = 2,64 м² 33,6 + 4,84 +2,64 = 41,08 м²	82,16	17,8	1462,45
Стены	1,01	21+ (0,525 х 2) = 22,05 м – наружная ширина 66 + (0,525 х 2) =67,05 м –наружная длина 67,05 х (3,0 +0,16) х 2 = 423,76 м² выс. толщ. ст. утепл. (22,05 х 3 х 2) + [11,025 х (3,1+0,16)х2] = 132,3 + 71,88 = 204,18 = 627,94 м² 627,94 – (101,52 + 41,08) = 485,34	490,19	17,8	8725,38
Пол
1 зона	0,4	(66 х 2 х 2) + (21 х2 х2) = 264 +84 = 348м²	139,2	17,8	2477,76
2 зона	0,2	[ (66-4) х 2 х2] + [(21 -8) х 2 х2 ] = 248 + 52 = 300м²	60	17,8	1068
3 зона	0,1	[ (66-8) х2 х2] + [(21-12) х 2х2] = 232 + 36 = 268м²	26,8	17,8	477,04
4 зона	0,06	(66-12) х 9 = 468м²	29,1	17,8	519,05
2020,76 35970,6

В зависимости от расположения здания к направлению господствующих ветров, по сторонам света и рельефу местности, помещение теряет дополнительно за счет обдувания еще примерно 13 % тепла от теплопотерь ограждающих конструкций (стен, окон, ворот и дверей), т.е. (8725,38 + 4517,64 + 1462,45) x 0,13 = 1911,71 ккал/ч.

Следовательно, общий расход тепла, необходимого на нагрев всех ограждающих конструкций коровника составит: 35970,6 ккал/ч + 1911,71 ккал/ч = 37882,31 ккал/ч.

Суммируем все теплопотери в помещении: на обогрев вентиляционного воздуха – 97642,54 ккал/ч, на испарение влаги с поверхности пола и ограждающих конструкций – 3836,86 ккал/ч, на обогрев ограждающих конструкций – 37882,31 ккал/ч. Расход тепла равен 139361,71 ккал/ч.

Подставляя полученные данные в формулу, определяем тепловой баланс помещения.

104528 ккал/ч = 97642,54 ккал/ч + 3836,86 ккал/ч + 37882,31 ккал/ч. Расчет показывает, что расход тепла превышает теплопоступления на 34833,71 ккал/ч (139361,71 ккал/ч – 104528 ккал/ч), что свидетельствует об отрицательном тепловом балансе помещения для коров. Допускаются отклонения ± 10% к расчетным данным.

При расчете теплового баланса в помещении очень важно определить, какая же температура воздуха будет внутри помещения при найденном балансе. Поэтому нужно определить разницу между температурой воздуха в помещении и температурой наружного воздуха, при которой приход тепла в помещении будет равен его расходу, т.е. определить _Δt нулевого баланса по следующей формуле:

_Δt

Подставляем ранее полученные данные в формулу

_Δt =

Следовательно, разность между температурой воздуха внутри помещения и температурой наружного воздуха при данных условиях будет 13,4 ⁰С, а так как температура наружного воздуха в январе в районе Витебска принята -7,8 ⁰С, то температура воздуха внутри помещения будет равна 5,6 ⁰С (13,4 ⁰С – 7,8 ⁰С), что не соответствует зоогигиеническим требованиям.

Дефицит тепла в помещении можно устранить путем организации искусственного подогрева вентиляционного воздуха, применив для этой цели отопительно-вентиляционные устройства (приложение 17 «Вентиляционно-отопительное оборудование, рекомендуемое для комплектации систем обеспечения микроклимата животноводческих помещений»).

Если использовать электрокалориферы, то известно, что 1 кВт электроэнергии дает 860 ккал тепла. Для покрытия дефицита тепла требуется 34833,71 : 860 = 40,5 кВт/ч электроэнергии. Поэтому необходимо установить два электрокалорифера типа СФОО-30/1,7 с мощностью нагревателей каждого 30 кВт (период работы каждого 20,25 минут в час).

Для перевода основных теплотехнических величин, используемых в расчете теплового баланса, применяют коэффициенты приведенные в таблице 41.

Таблица 41

Основные теплотехнические величины и переводные коэффициенты из технической системы измерений в международную систему (СИ)

Показатель	Размерности в системе		Переводной коэффициент из системы
Показатель	технической	СИ	технической в СИ	СИ в техническую
Количество тепла	ккал	кдж	4,187	0,239
Тепловой поток	ккал/ч	Вт	1,163	0,860
Коэффициент теплопроводности ( )	ккал/м ч град	Вт/м ⁰К	1,163	0,860
Коэффициент теплоотдачи и теплопередачи (К)	ккал/ м² ч град	Вт/м² ⁰К	1,163	0,860
Термическое сопротивление слоя ограждающих конструкций (R)	м² ч град/ ккал	м² ⁰К/ Вт	0,860	1,163
Сопротивление теплопередаче (R₀)	м² ч град/ ккал	м² ⁰К/ Вт	0,860	1,163

Контрольные вопросы. 1. Тепловой баланс помещений и его санитарно-гигиеническое значение. 2. Источники накопления тепла в помещении. 3. Пути потерь тепла в помещении. 4. Мероприятия по обеспечению нулевого теплового баланса помещения.

Дата добавления: 2021-04-07; просмотров: 403; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 21 22 23 24 25 262728 29 30 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!