Как рассчитывается тепловой баланс помещения - УКЦ

Раздел объясняет, что такое тепловой баланс помещения, описывает основные источники поступления и потерь тепла. Приведен принцип расчета теплового баланса. Дается формула упрощенного расчета теплового баланса для бытового кондиционера и пример расчета поступления тепла в офисном помещении.

Для чего нужен расчет теплового баланса?

При проектировании систем кондиционирования, вентиляции и отопления необходимо с достаточной точностью рассчитать их мощность. В теплый период года поступление тепла в помещение избыточно, и излишнее тепло должно удаляться системой кондиционирования. В холодный период потери тепла превышают его поступление, и недостаток тепла должны компенсировать обогревательные приборы.

Пример: если температура на улице ниже комнатной, например -40°С, а внутри помещения комфортные +20 °С, то теплота начинает уходить, образуя тепловой поток, обращенный наружу. Предположим, из помещения уходит 500 Вт. Чтобы температура внутреннего воздуха осталась на уровне +20°С, необходимо подать в помещение эти 500 Вт. Если в помещение подавать 400 Вт, то тепловое равновесие между теплопоступлениями и теплопотерями установится на более низком уровне, +18°С. Если подавать 600 Вт, то на более высоком: +22°С.

На здание одновременно действуют несколько факторов поступления тепла: солнечное излучение, параметры наружного воздуха, а также внутренние теплопоступления. Поддержание заданных условий усложняется тем, что теплопоступления не постоянны, а меняются в течение суток. Для правильного подбора климатической системы важно учесть все факторы, влияющие на баланс тепла и влаги в помещении.

Источники теплопоступления и теплопотерь

  1. Наружные нагрузки — возникают вне помещения, делятся на несколько групп:

    2. (1) Теплопередача через стены, потолки, полы. Она зависит от разности внутренней и внешней температуры и степени теплоизоляции здания. Летом температура в здании ниже, чем на улице, и теплопоступление положительно. Зимой же разность температур снаружи здания и внутри него отрицательна, и поток тепла направлен из помещения вовне.

    (2) Поступление тепла от излучения Солнца через застекленные проемы. Теплопоступление от излучения всегда положительно (или равно нулю, если застекленных проемов нет). Летом эту тепловую нагрузку надо компенсировать. Количество теплоты солнечной радиации зависит от формы и размеров световых проемов, типа заполнения проемов, ориентации проема по отношению к сторонам света и др. параметров.

    (3) Теплопоступления от внешнего воздуха, проникающего в помещение. Воздух попадает в помещение при вентиляции, а также может проникать через неплотности проемов (обычно при проектировании системы кондиционирования в помещении предусматривается избыточное давление, чтобы воздух не инфильтровался). Параметры наружного воздуха (температура и влажность) сильно меняются в течение года, но практически никогда не совпадают с требуемыми в помещении параметрами. Поступление тепла от внешнего воздуха может быть как положительным, так и отрицательным, в зависимости от времени года.

  2. Внутренние тепловые нагрузки — возникают в помещении, зависят от назначения помещения и делятся на несколько типов:

    3. (1) Тепло, выделяемое людьми. Оно зависит от количества людей и рода их занятий, а также условий в помещении.

    (2) Тепло, выделяемое осветительными приборами: люминесцентными лампами и лампами накаливания. Эта величина зависит от мощности освещения, типа ламп и способа их расположения.

    (3) В производственных помещениях тепло могут выделять горячие материалы (или поглощать — холодные), а также тепловыделение может происходить при сгорании и химических реакциях.

    (4) Тепло, выделяемое электроприборами: * в жилых помещениях — бытовыми приборами: холодильниками, плитами и т.п.

    * в офисных помещениях — компьютерами, принтерами, копирами и т.п.

    * в производственных помещениях — оборудованием, электродвигателями и т.п.

    Подробный расчет теплового баланса приведен в главе "Расчет систем кондиционирования и вентиляции" книги "Системы вентиляции и кондиционирования. Теория и практика" (см. основную литературу).

Упрощенный расчет теплового баланса для бытового кондиционера

Для небольших помещений и несложных систем вентиляции и кондиционирования на основе простого оборудования (например, сплит-система) применяют упрощенный тепловой баланс. В таком случае нет необходимости в долгих и сложных расчетах теплопотерь и теплопоступлений. Для подбора модели кондиционера подходящей мощности надо приблизительно подсчитать избыточное тепло, поступающее в помещение.

Основные источники тепла:

  1. Теплопоступления за счет разницы внешней и внутренней температуры, а также тепло солнечного излучения:

    Q1 = h*S*q.

    Здесь h — высота потолка в помещении, S — площадь помещения, q — удельная теплота (выбирается в зависимости от естественной освещенности помещения. Если помещение затенено, то q = 30 Вт/кв.м., если средняя освещенность, то q = 35 Вт/кв.м., а для помещений с большим остеклением с солнечной стороны q = 40 Вт/кв.м.)

  2. Теплопоступления от техники Q2.

    Для офисных помещений — 300 Вт на каждый компьютер (или 30% от мощности другого оборудования. Конечно, если включено нагревательное оборудование, нужно учитывать его реальную мощность обогрева). Замечание: Если в помещении используется дополнительное оборудование, которое выделяет тепло (электроплиты и т.д.), в расчете нужно учесть его мощность

  3. Теплопоступления от людей Q3.

    Обычно считают, что при сидячей работе (в офисе) человек выделяет 100 Вт тепла, а при физических нагрузках 200-300 Вт.

К сумме теплопоступлений, рассчитанных в пунктах 1 — 3, нужно прибавить примерно 20% на неучтенные притоки тепла.

Итак, Q = 1.2*(Q1 + Q2 + Q3)

Пример: комната 15 кв.м, высота потолков 3 м, средняя освещенность, 3 человека работают за компьютерами. Теплопоступление: Q = 1.2*(15*3*35 + 3*300 + 3*100) Вт = 3,3 кВт. Это поступление тепла и должен компенсировать кондиционер.

Основная литература

  1. Ананьев В.А., Балуева Л.Н., Гальперин А.Д., Городов А.К., Еремин М.Ю., Звягинцева С.М., Мурашко В.П., Седых И.В. "Системы вентиляции и кондиционирования. Теория и практика" — 2003 г. Стр. 273-292 , "Расчет систем кондиционирования и вентиляции" (anan_273-292.pdf (4,18 Mb))
  2. inrost.ru "Подробный расчет теплопоступлений и теплопотерь" (heat-balance-details.html, 12 Kb)
  3. "Мир Климата" №8, "Теплопоступления и теплопотери" (mk_08_13.html 31 Kb)
  4. "Мир Климата" №9, "Теплопоступления и теплопотери — часть 2" (mk_09_11.html 16,8 Kb)

Дополнительная литература

  1. Спецвыпуск "Мир Климата — Проектировщику", Антонов П.П "Методика расчета и проектирования систем обеспечения микроклимата в помещениях плавательных бассейнов"
  2. "Мир Климата" №25, "Новый метод расчета тепловой нагрузки" Стивен Ф. Брунинг, ASHRAE

Контрольные вопросы:

  1. Что происходит, если поступление тепла в помещение превышает его удаление из помещения?
  2. Перечислите основные внешние источники тепла.
  3. Какие из внешних источников тепла могут быть отрицательными (приводить к потере тепла из помещения)? В каких случаях они отрицательны?
  4. От чего зависит количество тепла, выделяемое в помещение человеком? При каких условиях оно максимально?
  5. Приближенно рассчитайте поступление тепла летом в спортвном зале площадью 50 кв.м., высота потолков 4 м, 8 человек занимаются на тренажерах, электроприборов нет.