Проектирование системы отопления и вентиляции жилого здания

 

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное государственное бюджетное  образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Дальневосточный государственный

Университет путей сообщения»

 

 

 

 

Кафедра «Гидравлика и водоснабжение»

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ  ОТОПЛЕНИЯ 
И ВЕНТИЛЯЦИИ  ЖИЛОГО ЗДАНИЯ

 

Пояснительная записка

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: Ершова Дарья Борисовна (431)

Проверил: Путько Александр Витальевич

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Хабаровск, 2013 

Исходные  данные

 

Вариант № 38

 

Район строительства	Советская Гавань
Конструкция наружных стен, конструкция чердачного перекрытия, конструкция перекрытия над подвалом, план первого этажа	Рисунки 1.1 – 1.4
Источник теплоснабжения	Тепловые сети с t воды 150 / 70 °С.
Подключение системы отопления здания к источнику теплоснабжения	Через теплообменник
Система побуждения	Насосная циркуляция
Ориентация фасада А-А	«З»

 

 

Рисунок 1.1 – Конструкция наружной стены

 

 

 
1 – мраморные плиты 20мм; 
2 – воздушный зазор 60мм; 
3 – плиты минераловатные повышенной жёсткости на органофосфатном связующем 150мм;  
4 – бетон на зольном гравии 400мм.

 

Рисунок 1.2 – Конструкция чердачного перекрытия

 

 

1 –  пенополистирол фирмы БАСФ      Стиропор PS20 300 мм;  
2 – плита железобетонная 220мм.

 

 

Рисунок 1.3 – Конструкция перекрытия над подвалом

 

 

 

 

1 –  половая рейка 30мм;  
2 – перлитопластобетон 250мм;  
3 – воздушная прослойка150мм;  
4 – плита железобетонная 220мм.

Рисунок 1.4 – План первого этажа 

Определение термических сопротивлений ограждающих  конструкций и теплопотерь помещений жилого дома по строительным чертежам, приведенным на рис. 1.4 с ограждениями, приведенными на рис. 1.1 – 1.3.

 

Внутренняя  температура помещений t_вн = 18°С.

Расчётная температура наружного воздуха  t_н^Б = –27°С.

 

Конструкция наружной стены

 

 

 

 

 

1 – мраморные плиты  20мм; 
2 – воздушный зазор 60мм; 
3 – плиты минераловатные повышенной жёсткости на органофосфатном связующем 150мм;  
4 – бетон на зольном гравии 400ммСопротивление теплопередаче (термическое сопротивление) стены:

R₀ = 1/8,7 + (0,02/2,3 + 0,15/0,07 + 0,4/0,47)+ 1/23+0,172 = 3,333 (м²·С/Вт);

 

Конструкция чердачного перекрытия

 

 

1 –  пенополистирол фирмы БАСФ      Стиропор PS20 300мм;  
2 – плита железобетонная 220мм.

 

 

Сопротивление теплопередаче чердачного перекрытия:

R₀ = 1/8,7 + (0,3/2,3 + 0,22/2,04)+ 1/12 = 0,437(м²·С/Вт);

 

Конструкция перекрытия над подвалом

 

 

 

 

1 –  половая рейка 30мм;  
2 – перлитопластобетон 250мм;  
3 – воздушная прослойка 150мм;  
4 – плита железобетонная 220мм.

 

Сопротивление теплопередаче подвала:

R₀ = 1/8,7 + (0,03/0,18 + 0,25/0,06 + 0,22/2,04)+ 1/6 + 0,19 = 4,9127 (м²·С/Вт);

 

Сопротивление теплопередаче окна:

R₀ = 0,39 (м²·С/Вт).

 

1.2. Определение теплопотерь помещений

Теплопотери помещений в жилых и гражданских  зданиях складываются из теплопотерь  через ограждающие конструкции (стены, окна, полы, перекрытия) и расходов теплоты  на нагрев воздуха, инфильтрующегося в помещения через неплотности в ограждающих конструкциях. В промышленных зданиях учитывают и другие расходы теплоты (работа систем вентиляции с механическим побуждением, открывание ворот и др.). Теплопотери определяют через все ограждающие конструкции и для всех отапливаемых помещений. Допускается не учитывать теплопотери через внутренние ограждения, если разность температур в помещениях,которые они разделяют, не превышает 3 °С.

Расчетные площади  ограждений определяются по строительным чертежам в соответствии с правилами  обмера, приведенными на рис. 1.5.

 

Рисунок 1.5 – Схема обмера помещений в разрезе и на плане

 

Температура внутреннего воздуха назначена 20⁰С, как для углового помещения.

Потери теплоты через отдельные ограждающие конструкции определяются по формуле (1.2).

Q_огр=F(t_вн-t_н^Б)(1+∑β)n/R₀                                (1.2)

 

где F – расчетная  площадь ограждающей конструкции, м2; tвн – расчетная температура воздуха в помещении, °С; t_н^Б – расчетная температура наружного воздуха, °С; β– добавочные теплопотери, в долях от основных потерь; n – коэффициент учета положения наружной поверхности ограж- дения по отношению к наружному воздуху; R0 – сопротивление теплопередаче, м2·°С/ Вт, определяемое по формуле (1.1).

 Расчеты теплопотерь помещений по формуле (1.2) приведены в таблицах 1.2-1.4.

 

Расход теплоты на нагрев инфильтрующегося наружного воздуха в жилых и общественных зданиях для каждого помещения определяются расчетом по двум методикам.

По первой методике определяется расход теплоты Qинф1 на подогрев наружного воздуха, поступающего в помещение через неплотности огра-ждений вследствие работы естественной вытяжной вентиляции с расхо-дом, необходимым по санитарным нормам.

Расход теплоты Qинф1, Вт, определяется по формуле 1.3

Q_инф¹=0,28*L*p_вн*с(t_вн-t_н^б),                                    (1.3)

 

где L – расход удаляемого воздуха, м3/ч, принимаемый для жилых зданий из расчета 3 м³/ч на 1 м2 площади жилых помещений; pвн – плотность внутреннего воздуха, кг/м3; с – удельная теплоемкость воздуха, равная 1 кДж /(кг· С).

Удельный вес y, Н/м3, и плотность воздуха p, кг/м3, могут быть определены по формулам:

y=3463/(273+t),                                    (1.4)

 

где t – температура воздуха, С;

p=y/g,                                           (1.5)

 

где g = 9,81 м/с2.

 

Расчетные теплопотери помещения, Вт, определяются по формуле

Q расч = ∑Q огр + Q инф - Q быт,                        (1.6)

 

где Qогр – суммарные теплопотери через ограждения помещения; Qинф – наибольший расход теплоты на подогрев инфильтрующегося воздуха; Qбыт – бытовые тепловыделения от электрических приборов, освещения и других источников тепла, принимаемые для жилых помещений и кухонь не менее 10 Вт на 1 м2 площади пола.

В курсовой работе выполнен подробный расчет теплопотерь 3 помещений: угловой комнаты на первом этаже, другой угловой комнаты на последнем этаже и рядовой комнаты на втором этаже.

 

 

Таблица 1.3 - Теплопотери всего здания

 

2-й этаж
201	203	205	207	209    1654
1900	1200	1000	1200
202	204	ЛК	206	208
1900	1200	1000	1200	1700
1-й этаж
101 1966	103	105 713	107	109
	1200		1200	1800
102	104	ЛК	106	108
1900	1200	1000	1200	1800
		Qзд =	26930	Вт

 

1.3. Выбор и обоснование конструкции системы отопления

• Источник теплоснабжения - тепловые сети с t_воды 150/70^о С;
• Верхняя разводка;
• Насосная циркуляция;
• Подключение - через теплообменник

 

В здании принята  однотрубная система водяного отопления  с верхней разводкой. Тепловой узел размещатся в подвале на отметке -2,8, магистрали прокладываются в подвале на отметке -2,8.

Принятая  система отопления (план подвала, 1 и 2 этажей, чердака, аксонометрический вид, схематический разрез здания) отражена на рис. 1.6-1.11.

 

 

1.4. гидравлический  расчет большого и малого колец системы отопления

 

Расчет заключается  в подборе диаметров трубопроводов  системы отопления таким образом, чтобы при расчетных расходах теплоносителя потери давления во всех циркуляционных кольцах были не более расчетного циркуляционного давления Рр. В качестве расчетной схемы системы используют аксонометрическую схему трубопроводов.

 

Расчетные потоки теплоты для участков системы определяются по формуле 2.1:

 

,                               (2.1)

 

где ΣQ1 – сумма тепловых нагрузок нагревательных приборов, к которым подводится или от которых отводится теплоноситель по данному участку; Q2 и Q3 – потери теплоты от остывания воды в магистралях и поток теплоты в помещения от расположенных в них труб; β1 и β2 – коэффициенты условий работы прибора.

 

Как уже было сказано выше, в данной работе возможно принять Q2 = 0 и Q3 = 0, формула (2.1) тогда приобретает вид

 

.,                                         (2.2)

Выбраны стальные панельные однорядные радиаторы типа РСВ1:

β1 = 1,04;

β2 = 1,01.

Значения Q_уч сведены в таблицу 2.1

 

Назначаются параметры теплоносителя:

t_гор  = 105 ^oС.

t_хол = 70 ^oС.

 

Определяется  расчетное циркуляционное давление для каждого рассчитываемого кольца ∆Рр, Па.

 

В системах с  насосной циркуляцией расчетное циркуляционное давление для каждого рассчитываемого кольца ∆Рр, Па, определяют по формуле 2.3:

 

,                                   (2.3)

 

где ∆Р_нас – циркуляционное давление, создаваемое насосом, Па; Е – доля естественного давления, которую целесообразно учитывать в расчетах; ∆Р_е – естественное давление, вызванное охлаждением воды в системе и определяемое по формуле (2.4). Обычно принимают ∆Р_нас = 10…12 кПа, Е = 0,4…0,5 для двухтрубных или Е = 1 для однотрубных систем отопления.

∆Р_p = 10000 + 1 * 1183,8759 = 11183,8759 (Па).

 

,                                (2.4).

где ∆Р_{е, пр} – давление, возникающее за счет остывания воды в приборах и находится по формуле 2.5; ∆Р_{е. тр} – давление, возникающее за счет остывания воды в трубах, ∆Р_е.тр

учитывается только в системах с верхней разводкой  и определяется

по справочным данным [4, прил. 4]. В курсовой работе ∆Р_{е. тр} принимается

150 Па.

 

∆Р_e =  1033,8759+ 150 = 1183,8759 (Па);

 

∆P_е.пр = gh_пр * ( p₀ - р_г ) + gh₁ * ( p₁ - р_г )             (2.6)

 

 

∆P_е.пр = (9,81 * 3 * ( 977,81 - 954,68 )) + (9,81 * 3 * ( 966,68 - 954,68 )) =

= 1033,8759 (Па).

 

Плотности воды определены в зависимости от температуры по справочным данным [12, прил. 3]. Температура воды на участках стояка однотрубной системы водяного отопления ti определяется по формуле 2.7.

 

,                                         (2.7)

 

где t_г – температура горячей воды, подаваемой в систему отопления, °С; Q_i – суммарная тепловая нагрузка приборов на стояке, расположенных выше (ранее) рассматриваемого участка по течению воды, Вт; ∆t_ст – перепад температур теплоносителя на стояке, равный разности (t_г – t_о), °С ; Q_ст – тепловая нагрузка стояка, Вт.

 

t_гор   = 105 ^oС;.     p_гор =954,68 кг/м³;

t₁      = 88 ^оC;        p₁ = 966,68 кг/м³;

t_охл  = 70 ^oС;       p_охл = 977,81 кг/м³.

 

Определяются расходы воды на участках расчетного циркуляционного кольца Gуч, кг/ч,

Gуч = Qуч / (1,16 * ( t_г – t₀)),                         (2.8)

 

где Qуч – расчетные потоки теплоты на участках, определенные по форму- ле (2.2), Вт.

 

Назначаются предварительные диаметры трубопроводов  участков большого циркуляционного  кольца. При этом рекомендуется принимать  такие диаметры, для которых при  расчетных расходах G_уч удельные потери давления на трение R примерно соответствуют среднему значению удельных потерь давления в расчетном циркуляционном кольце R_ср

 

,                                       (2.8)

где 0,65 – ориентировочная доля потерь давления по длине от общих потерь; P_р – расчетное циркуляционное давление для рассчитываемого кольца, определенное по рекомендациям пункта 3, Па; L – суммарная длина участков кольца, м.

 

R_cp = 0,65 * 11183,8759 / 51,5 = 141,155 (Па).

 

Расчет ведется  с помощью таблиц или номограммы для гидравлического расчета трубопроводов систем водяного отопления. Отсюда по определенным ранее значениям G_уч и R_ср находят диаметры участков, скорости и расчетные удельные потери давления R.

Аналогичным образом назначаются диаметры для всех участков кольца и определяются параметры их работы. Задачей расчета является подбор таких диаметров трубопроводов, при которых суммарные потери давления всех участков в расчетном кольце (Rl+Z) будут меньше расчетного циркуляционного давления Рр с запасом 10–15 %, т. е. должно соблюдаться условие 2.9:

∑ ( Rl + Z ) < ∆Pp,                                                (2.9)

 

где l – длины участков, м; Rl – потери давления по длине участков; Z – потери давления в местных сопротивлениях на участках, Па; Rl + Z – суммарные потери давления на участках.

 

,                                              (2.10)

 

где – ∑E сумма коэффициентов местных сопротивлений на участке; p – плотность воды, принимаемая в этом расчете для всех участков равной 980 кг/м3; V – скорость движения воды на участке, м/с.

Комплекс  pV ²/2 = Pv называется динамическим давлением. Формула (2.10) приводится к виду

.                                              (2.11)

 

При сравнении  потерь давления условие имеет вид Σ(Rl + Z) необщих участков большого кольца ≈ Σ(Rl + Z) необщих участков малого кольца .                        (2.12) 

Таблица 2.1 - Описание местных сопротивлений в системе отопления

 

№ участка	Диаметр d, мм	Местное сопротивление	Обозначение на схеме	Коэффициент местного сопротивления E	∑E
1-2	25	Задвижка		0,5	1,5
		4 отвода 90°		4*0,5
		Тройник на ответвлении		1,5
		Тройник на  проходе		1
2-3	32	Тройник   на ответвлении		1,5	1,5
3-4	20	Тройник на  проходе		1	1
4-5	15	Отвод 90°		0,5	0,5
5-5’	15	2 проходных крана	-	4	2
		2 тройника  на  проходе		2*1
		2 радиаторных узла с движением воды сверху вниз	-	2*2,0
5’-4’	15	Отвод 90°		0,5	0,5
4’-3’	20	Тройник на  проходе		1	1
3’-2’	32	Тройник на ответвлении		1,5	1,5
2’-1’	25	Тройник на ответвлении		1,5	1,75
		Отвод 90°		0,5
		Задвижка		0,5
		Тройник на  проходе		1

 

 

Таблица 2.2 - Таблица гидравлического расчета системы отопления

 

 

№ учас-тка	Q1, Вт		Qуч, Вт	G, кг/ч		L, м	d, мм	V, м/с	R, Па/м	RL, Па		∑E		PV, Па		Z, Па	RL + Z, Па
Расчет участков большого кольца
1-2	26930		28287,27		696,73	10,5	25	0,42	130	1365	1,5			90		129,7	1494,7
2-3	13830		14527,03		357,81	6,5	32	0,35	125	813	1,5			61		90,04	902,54
3-4	7564		7945,23		195,7	1,5	20	0,26	110	165	1			43		33,12	198,12
4-5	3450		3623,88		89,26	6	15	0,13	100	600	0,5			10		4,141	604,14
5-5’	3450		3623,88		89,26	8,5	15	0,13	100	850	2			10		16,56	866,56
5’-4’	3450		3623,88		89,26	9,5	15	0,13	100	950	0,5			10		4,141	954,14
4’-3’	7564		7945,23		195,7	1,5	20	0,26	110	165	1			34		33,12	198,12
3’-2’	13830		14527,03		357,81	6,5	32	0,35	125	813	1,5			61		90	902,54
2’-1’	26930		28287,27		696,73	1	25	0,42	130	130	1,75			90		151,3	281,26
Итого	106998		112391		2768,24	51,5	-	-	-	-	-			-		552,122	6402,12
Расчет необщих участков малого кольца
6-6'		1000	1050,4		25,87	9	15	0,5	130	65	2		30		60		125

 

3. РАСЧЕТ  ОТОПИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ И ОБОРУДОВАНИЯ 

3.1. Выбор типа и  расчет отопительных приборов 

 

Выбор типа отопительных приборов производится одновременно с  выбором системы отопления в  соответствии с требованиями норм [2, прил. 11] и рекомендациями справочной литературы [13, гл. 8]. Чем выше требования к микроклимату помещений, тем более высокие требования предъявляются к выбору отопительных приборов. Схемы, характеристики и области применения различных приборов приведены в [7–13]. В жилых зданиях допускается применение радиаторов, панелей и конвекторов, а также отопительных элементов, встроенных в стены, перекрытия и полы. Отопительные приборы отдают тепловую энергию помещению конвекцией и тепловым излучением (радиацией). В помещениях с повышенными требованиями к микроклимату следует предусматривать при-боры, в которых преобладает теплоотдача излучением – имеется одна или несколько плоских поверхностей, обращенных к помещению. Такими свойствами обладают встроенные в стены и полы греющие панели, стальные радиаторы, современные алюминиевые радиаторы. В помещениях с пониженными требованиями к комфортности воздушной среды (коридоры, лестничные клетки и т. п.) могут использоваться приборы, отдающие тепло преимущественно конвекцией – конвекторы с ребристой поверхно-стью, ребристые трубы, чугунные радиаторы.

 

Рисунок. 3.1 - Чугунный радиатор МС-140-108

 

Чугунные радиаторы (рис. 3.1) собираются из отдельных секций с помощью ниппелей из ковкого чугуна, имеющих с одной стороны наружную правую и с другой стороны – левую резьбу. При вращении ниппеля он ввертывается одновременно в обе соединяемые секции, сближая их. Для уплотнения стыков используются прокладки из проолифленного картона.

Стальные  радиаторы (рис. 3.2) состоят из двух штампованных стальных листов, соединенных между собой по контуру контактной сваркой и образующих ряд параллельных каналов или один змеевидный канал для прохода теплоносителя. Такие отопительные приборы по сравнению с чугунными радиаторами имеют примерно вдвое меньшую массу, дешевле, требуют меньше затрат при монтаже. Однако вследствие коррозийной способности стали требуется специальная обработка воды, используемой в качестве теплоносителя, что существенно ограничивает область применения стальных радиаторов.

В последние  годы расширяется применение алюминиевых литых радиаторов (рис. 3.3), имеющих меньшие габариты (глубина 70–80 мм против 140 мм у чугунных радиаторов) и более привлекательный дизайн. Эти радиаторы имеют относительно большую плоскую поверхность, обращенную к помещению, что увеличивает теплоотдачу излучением. Кроме того, в секциях устраиваются узкие вертикальные каналы, в которых возникает естественная тяга нагревающегося воздуха, увеличивается скорость воздуха и теплоотдача конвекцией.

 

Расчет нагревательных приборов заключается в определении  площади поверхности Fр и числа элементов отопительных приборов. В реальных проектах рассчитываются все отопительные приборы системы, в курсовой работе следует рассчитать приборы на стояке, входящем в рассчитанное большое кольцо.

В процессе расчета  традиционных чугунных радиаторов в первую очередь определяется расчетная плотность теплового потока отопительного прибора qпр , Вт/м2:

 

                      (3.1)

где q_ном – номинальная плотность теплового потока выбранного отопительного прибора при стандартных условиях его работы, Вт/м², принимается по прил. 9; t_ср – разница средней температуры теплоносителя в приборе и температуры воздуха в помещении, °С; n, p, с_пр – коэффициенты, зависящие от типа прибора, приведены в прил. 9; G_пр – расход воды, проходящей через прибор, кг/ч.

Определение параметров в выражении (3.1) производится по формулам:

 

                                             (3.2)

где Qпр – тепловая нагрузка прибора, Вт; c, a – коэффициент затекания воды в прибор, зависящий от соотношения диаметров в узле прибора и определяемый по прил. 8; Gст – расход воды по стояку по данным гидравлического расчета, кг/ч;

∆t_ср = 0,5 ( t_вх + t_вых - t_вн),                          (3.3)

 

где t_вx, t_вых, t_вн – соответственно температуры теплоносителя на входе и выходе из отопительного прибора, температура воздуха в помещении, °С:

для однотрубных  t_вx определяют как t_i для участка подачи воды в прибор из выражения (2.8), а t_вых – из формулы

                                         (3.4)

 

Расчетная площадь F_р, м2, отопительного прибора определяется

.                                             (3.6)

При применении чугунных радиаторов определяют расчетное количество секций

,                                                (3.7)

где β4 – коэффициент, учитывающий способ установки радиатора в помещении; β 3 – коэффициент, учитывающий число секций в одном радиаторе; f – площадь поверхности нагрева одной секции, м2.

 

При расчете стальных радиаторов или конвекторов по расчетной площади Fр находят число отопительных приборов, размещаемых в помещении,

                                                      (3.8)

При использовании  импортных алюминиевых радиаторов вследствие отсутствия определяемых опытным путем коэффициентов для расчета по принятой в России методике допустимо пользоваться методикой производителя.

 

Расчетное количество секций в этом случае определяется по формуле

                                                    (3.9)

 

 

 

Расчёт нагревательного  прибора на втором этаже в угловом помещении 208, установленных на стояке 5-5’. (В данной работе выбраны стальные панельные однорядные радиаторы типа РСВ1.)

 

Теплоотдача прибора 

Q_пр = 1650 (Вт).

 

Тепловая нагрузка стояка 5-5 '

Q_ст = 1800 + 1650 = 3450 (Вт).

 

Тепловая нагрузка приборов на стояке, расположенных выше участка

Q₁ = 0 (Вт).

 

Перепад температур теплоносителя на стояке

∆t_{ст =} (t_г – t_о) = 105 – 70 = 35 (°С)

 

Расход воды по стояку по данным гидравлического расчета

G_ст = 89,26 (кг/ч).

 

Расход воды, проходящей через прибор

G_пр = 89,26 * 0,52 = 46,41(кг/ч).

 

Температура

воды на входе

t_вх = t_г – (∆t_ст ∑Q_i / Q_ст) =  105 (^oC);

воды на выходе

t_вых = t_вх – (Q_пр / (1,16 * G_пр) =

= 105 – (1650 / (1,16 * 46,41)) = 74 (^oC);

воздуха в помещении

 t_вн = 20 (^oC).

 

Разница средней температуры теплоносителя  в приборе и температуры воздуха в помещении

∆t_ср = 0,5 (t_вх + t_вых - t_вн) = 0,5 (105 + 74 - 20) = 80 (^oC).

 

Номинальная плотность теплового потока

q_ном = 710 (Вт/м²)

Показатели  степени и коэффициенты в формуле (3.1) n = 0,25; p =  0,12;

с_пр = 1,113.

 

Расчетная плотность теплового потока отопительного прибора

q_пр = q_ном * (∆t_ср  / 70)¹⁺ⁿ * (G_пр / 360)^p * с_пр = 710 * (80 / 70)^1+0,25 * (46,41 / 360)^{0,12 * 1,113} = 638,15 (Вт/м²)

 

Расчетная площадь

F_p = Q_пр * B₁ * В₂ / q_пр = 
= 1650 * 1,01 * 1,04 / 638,15 = 2,7 (м²)

 

Площадь поверхности нагрева 

f = 0,71 (м2).

 

Число отопительных приборов

N = F_p / f = 2,71 / 0, 71 = 4            

 

Таблица 3.1 - Расчёт нагревательного прибора в угловом помещении 208

 

Помещение	Qпр, Вт	Gст, кг/ч	α	Gпр, кг/ч	tвх, oС	tвых, oС	∆tср, oС	qпр, Вт/м2	Fp, м2	N
208	1800	89,26	0,52	46,41	105	74	80	638,15	2,7	4