§ 10.9. Центральное воздушное отопление

Центральное воздушное отопление применяет в помещениях производственных, граждан-ских и агропромышленных зданий при наличии центральной системы приточной венти-ляции. Отопление осуществляют по трем описанным выше схемам: с полной рециркуля-цией (см. рис. 10.2, а) с частичной рециркуляцией (рис. 10.2, б) и прямоточной (рис. 10.2,

в).

Полную рециркуляцию воздуха применяют главным образом в нерабочее время для де-журного отопления или для нагревания помещений перед началом работы при прерыви-стом отоплении. Так поступают, если полная рециркуляция не противоречит требованиям гигиены, пожаро- и взрывобезопасности помещений. При этом используется имеющаяся центральная система приточной вентиляции, но воздух забирается не снаружи, а из отап-ливаемых помещений и нагревается до температуры, определяемой по формуле (10.4).

317

• рабочее время центральное воздушное отопление подчиняется условиям вентилирова-ния помещений. Приточный воздух нагревается до температуры более высокой, чем тем-пература помещений в зависимости от теплопотребности, выявленной при составлении теплового баланса этих помещений.

• системе центрального воздушного отопления используются все конструктивные эле-менты системы приточной вентиляции: фильтр, калориферы, электровентилятор, воздухо-воды и пр. Тепловая мощность калориферов в совмещенной системе отопления и венти-ляции повышается на величину тепловой мощности системы отопления. Другим отличием является установка резервного вентилятора, электродвигатель которого должен автомати-чески включаться при остановке основного вентилятора.

Если для крупного помещения предусмотрено несколько совмещенных систем отопления и вентиляции, то резервные вентиляторы не устанавливаются, а головные участки возду-ховодов отдельных систем соединяются перемычками - перепускными воздуховодами с нормально закрытыми клапанами. Тепловая мощность таких систем подбирается в расче-те на поддержание в помещении режима дежурного отопления при выходе одной из них из строя.

Нагретый воздух может подаваться в обогреваемые помещения одной или несколькими горизонтальными струями, т.е. уже известным способом сосредоточенной подачи. В вы-сокие помещения (высотой Н_п более 8 м) воздух выпускается через воздухораспредели-тельные устройства, размещаемые в средней зоне (0,35...0,65Н_П) на высоте от поверхности пола, определяемой но формуле (10.20). Предельное значение начальной температуры струи нагретого воздуха вычисляется по формуле (10.19).

Нагретый воздух может также подаваться вертикально сверху вниз. Начальную темпера-туру воздуха t_n °C, для обеспечения такой подачи принимают не более получаемой по формуле

где m и п - скоростной и температурный коэффициенты воздушной струи, зависящие от конструкции воздухораспределительного устройства.

• помещениях при такой подаче образуются так называемые не настилающиеся воздуш-ные струи.

• случаях, когда нагретый воздух выпускается под потолком помещений (h > 0,85Н_П), например, в относительно низких помещениях (при высоте Н_п менее 8 м), воздушные струи становятся настилающимися.

Настилающиеся воздушные струи получаются также при подаче нагретого воздуха снизу вдоль вертикальных наружных ограждений, особенно вдоль стекла световых проемов. Так поступают в холодных районах, если рабочие места людей расположены близ этих прое-мов.

Рассмотрим расчет воздушного отопления помещений в этих двух случаях: при образова-нии не настилающихся и настилающихся воздушных струй.

При расчете центрального воздушного отопления с не настилающимися струями

устанавливают начальные параметры и число воздушных струй в помещении (при расчете

318

местного отопления агрегатами исходными являются тепловая мощность, начальные тем-пература и скорость воздуха, выпускаемого из агрегатов, см. § 10.6). Определяют диаметр, число воздухораспределителей и начальную скорость v₀ воздушных струй для обеспече-ния скорости движения воздуха в рабочей зоне не более нормируемой v_норм. Определяют также начальную температуру воздуха t_r, которая не должна превышать максимально до-пустимой.

Расчет начинают с вычисления предварительного значения шага b', м, размещения возду-хораспределителей в помещении по формуле

при условии, что длина обогреваемого одной воздушной струей объема помещения 1, м, соответствует выражению (10.24).

В формуле (10.39) t_{p 3} и t_н - расчетная температура, °С, соответственно рабочей зоны и наружного воздуха; q - удельная тепловая характеристика помещения, Вт/(м³-°С); k - по-правочный коэффициент (см. формулу (10.21)).

Затем устанавливают число воздухораспределителей N, исходя из длины помещения и по-лученного значения b' (если соблюдается условие b'<ЗН_н).

Вычисляют площадь выходного отверстия А₀, м², одного воздухораспределителя по фор-муле

где v₀ - начальная скорость воздушной струи, м/с, выбираемая с учетом акустических тре-бований, предъявляемых к помещению.

В формулу (10.40) подставляют уточненный размер b в зависимости от выбранного числа воздухораспределителей.

Наконец, определяют начальную температуру подаваемого воздуха по формуле

где Q_п - теплопотребность, Вт, для поддержания в помещении расчетной температуры ра-бочей зоны t_{p 3}; сир- соответственно теплоемкость, Дж/(кг°С), и плотность, кг/м³, воздуха (при расчетах принимают ср=1200 Дж/ (м3-°С)).

Пример 10.10. Рассчитаем систему центрального воздушного отопления с сосредоточен-ной подачей воздуха через цилиндрические трубы (m=6,8; n=4,8) по условиям примера 10.6, если удельная тепловая характеристика цеха 0,54 Вт/(м³·°С) при t_н=-20 °C.

Найдем предварительное значение шага размещения воздухораспределителей по формуле (10.39) при длине зоны обслуживания струи равной ширине цеха (1=20 м), т.е. при уста-новке воздухораспределителей в один ряд вдоль продольной стены цеха

319

Принимая к установке четыре воздухораспределителя с шагом b = 50 / 4 = 12,5 м (< ЗН_п = 3-9 = 21 м), определим площадь выходного отверстия одного воздухораспределителя по формуле (10.40)

где начальная скорость воздушной струи принята равной 12 м/с.

Отсюда диаметр цилиндрической трубы каждого воздухораспределителя d=0,48≈0,5 м. Принятая дальнобойность воздушной струи (20 м) меньше предельной по формуле (10.24)

Начальная температура подаваемого в цех воздуха по формуле (10.41)

меньше предельно допустимой (36,6 °С), полученной по формуле (10.19).

Кратность воздухообмена в цехе по формуле (10.23)

приемлема для воздушного отопления.

Рассмотренный способ распределения нагретого приточного воздуха не настилающимися струями распространен в производственных и коммунальных (гаражи, прачечные) здани-ях.

В сравнительно низких помещениях общественных и административно-бытовых зданий чаще встречается подача воздуха вдоль ограждений, при которой получаются настилаю-щиеся струи. При выпуске в таких условиях нагретого воздуха из щелевидного отверстия воздухораспределителя образуется плоская неизотермическая струя, настилающаяся на поверхность наружного ограждения - стены, потолка или стекла светового проема.

Связанное с этим повышение температуры внутренней поверхности наружного огражде-ния благоприятно сказывается на самочувствии людей, хотя и вызывает увеличение наружных теплопотерь.

Геометрическая характеристика плоской воздушной струи Н, м, определяется по форму-ле

где b₀ - ширина воздуховыпускного отверстия, м. Остальные обозначения приведены к формуле (10.8).

Из формулы (10.42) можно установить, что между геометрической характеристикой плос-кой нагретой струи и числом Архимеда существует определенная связь: характеристика Н пропорциональна

320

При подаче воздуха из открытого щелевидного отверстия или из отверстия с параллель-ными направляющими лопатками коэффициенты тип в формуле (10.42) для плоской воз-душной струи равны: m=3,5 и n=2,8. Тогда геометрическая характеристика плоской воз-душной струи приобретает вид

Расчет плоской настилающейся струи заключается в проверке допустимости начальных и конечных параметров воздуха. Обычно определяется начальная скорость движения возду-ха и температура воздуха в струе на расчетном расстоянии х от места ее выпуска (напри-мер, в точке входа струи в рабочую зону). Начальная скорость движения плоской воздуш-ной струи v₀, м/с, при условии, что х ≤ 61₀ (1₀ - длина отверстия щелевого воздухораспре-делителя), находят по формуле

где v_x - скорость движения воздуха в расчетной точке помещения, м/с; k_c - поправочный коэффициент учета стеснения струи, зависящий от соотношения между расчетным рас-стоянием х и высотой помещения Н_п; k_c=l при х<Н _п; k_c<l при х>Н_п (см. рис. 10.13).

Объемное количество воздуха l₁, м³/с, подаваемого из отверстия длиной 1 м щелевого воз-духораспределителя, при известных ширине щели b₀ и начальной скорости v₀ составляет

Длина одного воздухораспределителя 1₀ и число воздухораспределителей в помещении определяются количеством подаваемого нагретого воздуха l_от и необходимостью выпол-нить условие х ≤ 61₀.

В помещении возможно ограничение скорости выпуска воздуха из приточного отверстия по акустическим условиям, тогда ширина и длина щели могут увеличиваться.

Максимальная температура воздуха t_x, °C, в плоской настилающейся струе на расчетном расстоянии х от места ее выпуска рассчитывается по формуле

В зоне прямого воздействия приточной струи допустимо отклонение температуры в струе от нормируемой для жилых, общественных и административно-бытовых помещений на 3 °С, для производственных помещений на 5 °С.

Пример 10.11. Рассчитаем подачу воздуха в объеме L_от=0,27 м³/с, нагретого до 35 °С, че-рез плоский воздухораспределитель с щелью шириной b₀=0,03 м, располагаемый под по-толком общественного помещения (рис. 10.12, а) высотой Н_п=3,5 м, для обеспечения на расстоянии х=8 м от места выпуска струи (6 м по горизонтали и 2 м по вертикали) скоро-сти движения v_x=0,5 м/с и температуры t_x = t _в + 3 = =18 + 3=21 °С.

321

Рис. 10.12. Центральное воздушное отопление помещения : а - с подачей нагретого возду-ха через подпотолочный щелевой воздухораспределитель (к примеру 10.11); б - то же че-рез напольный (к примеру 10.12); 1 - воздухораспределитель; 2 - граница настилающейся воздушной струи; 3 - граница рабочей зоны; 4 - наружное ограждение

Начальную скорость плоской настилающейся воздушной струи определяем по формуле

(10.43)

так как при х / Н_п = 8 / 3,5 = 2,3 k_c=0,77 (по специальной литературе).

Значение геометрической характеристики плоской воздушной струи по формуле (10.42, а) составит

Объемное количество воздуха, подаваемого из отверстия длиной 1 м щелевого воздухо-распределителя, находим по уравнению (10.44)

Общая длина воздуховыпускной цели составит

Для обеспечения условия х ≤ 61₀ принимаем к установке два щелевых воздухораспредели-теля длиной по 1₀=1,5 м.

Проверяем температуру в воздушной струе на расстоянии х=8 м от щели по формуле

(10.45)

В системе центрального воздушного отопления нагретая струя, выпускаемая из сравни-тельно узкой щели, характеризуется числом Аг<0,001, т.е. относится к категории слабо неизотермических струй. На основном участке такой струи интенсивно падает скорость движения воздуха и относительно медленно снижается температура.

322

Температура воздуха понижается более заметно при движении нагретой струи вдоль наружного ограждения, особенно вдоль стекла светового проема. Понижение температу-ры воздушной струи ускоряется вследствие интенсификации конвективного теплообмена на внутренней поверхности ограждения. Это дополнительное понижение температуры в изложенном выше методе расчета нагретой плоской настилающейся струи во внимание не принималось.

Однако при усилении теплообмена на внутренней поверхности повышается ее температу-ра и увеличиваются теплопотери через наружное ограждение. Для возмещения дополни-тельных теплопотерь следует соответственно повысить начальную температуру воздуш-ной струи.

В случае подачи нагретого воздуха плоской настилающейся струей снизу вверх значение коэффициента конвективного теплообмена α_к, Вт/(м²·°С), между струей и внутренней по-верхностью, среднее по высоте ограждения Н_п (при Н_п > 14,5b₀), может быть найдено при температуре окружающего воздуха около 20 °С по формуле

При известном коэффициенте α_к можно уточнить теплопотери через наружное огражде-ние и начальную температуру воздушной струи.

В этом же случае нагретая воздушная струя не только возмещает теплопотери помещения, но и защищает рабочую зону от ниспадающего потока воздуха, охлаждающегося у наружного ограждения. Струя должна лишь оставаться настилающейся по всей высоте помещения Н_п (см. рис. 10.12,6).

Для выполнения этого условия начальная скорость нагретой струи, выпускаемой из щели в полу шириной b₀, должна удовлетворять соотношению, полученному в результате ис-следований

где (t_B - τ_в) - разность температуры при t_B - 20 °C и температуре внутренней поверхности наружного ограждения τ_в, вычисленной для обычных условий естественной конвекции.

Пример 10.12. Найдем начальную скорость нагретой воздушной струи, выпускаемой из щели в полу шириной b₀=0,01 м, препятствующей образованию ниспадающего потока воздуха у двойного стеклянного витража высотой 5 м, если температура воздуха t_в = 18 °С, внутренней поверхности стекла 3,4 °С (см. рис. 10.12,6).

Начальную скорость движения воздушной струи при t_s - т_в = 18 - 3,4 = 14,6 °С определяем из уравнения (10.47):

Среднее значение коэффициента конвективного теплообмена на поверхности внутреннего стекла витража по формуле (10.46) составит

323

Для данного примера коэффициент конвективного теплообмена получился приблизитель-но в 2 раза большим, чем при естественной конвекции. При этом коэффициент теплооб-мена в на внутренней поверхности ограждения повышается в 1,5 раза, и возрастает тепло-вой поток наружу. В рассмотренном случае тепловой поток через двойной витраж увели-чивается на 13,3 %. Очевидно, что должна быть соответственно повышена и начальная температура воздушной струи.