2.1.1 Расход
тепла на отопление
Одной из основных задач системы теплоснабжения является отопление зданий различного назначения с целью поддержания температуры внутри помещения на заданном уровне. Для этого необходимо компенсировать тепловые потери здания в окружающую среду, которые тем больше, чем ниже температура окружающего (атмосферного) воздуха.
Часовой расход тепла на отопление отдельного здания определяется их уравнения теплового баланса здания:
, (2.1)
где 
- суммарные тепловые
потери (теплопотери) здания;
- теплопотери
теплопередачей через ограждающие поверхности (с точки зрения теплотехники
здание является теплообменным аппаратом);
- теплопотери с
инфильтрирующим воздухом через неплотности наружных ограждений;
- тепло, подводимое
в здание системой отопления;
- тепловыделение
внутри здания.
Источниками внутреннего тепловыделения в жилых зданиях являются люди, приборы для приготовления пищи, осветительные приборы и электронная техника. В производственных помещениях источниками тепловыделения, которое может достигать больших величин, являются различные технологические аппараты и процессы, работающие на принципах использования тепловой и электрической энергии.
Тепловые потери через ограждающие поверхности являются основными, поэтому уравнение 2.1 можно записать в другой форме:
, (2.2)
где μ - коэффициент инфильтрации, равный
0,2÷0,35 (20÷30%).
Теплопотери через ограждающие поверхности определяются по уравнению теплопередачи:
, Вт или ккал/час, (2.3)
где 
- площадь наружного
ограждения;
- разность температур
воздуха с внутренней и наружной сторон ограждающих поверхностей.
Для практических целей величина теплопотерь здания может определяться по формуле:
, (2.4)
- удельные
теплопотери здания, Вт/м³ К или ккал/м³ час °С;
- объем здания по
наружному обмеру, м³;
- усредненная
температура внутреннего воздуха;
- температура
наружного воздуха.
Удельная
отопительная характеристика здания 
представляет собой
потери тепла 1 м³ здания в единицу времени при разности температур
внутреннего и наружного воздуха в 1°С. Отопительная характеристика зависит от
множества факторов: типа зданий, его остекленности, этажности, материала
стенного заполнения, ориентации здания по сторонам света, направления воздуха и
т.д. Так, например, при ориентации здания на север теплопотери возрастают
примерно на 10 %.
Отопительные
характеристики жилых зданий выбираются по табличным данным или рассчитываются
по эмпирическим формулам. Так для зданий, расположенных в климатической зоне с
расчетной температурой наружного воздуха 
:
, (2.5)
где а - постоянный
коэффициент, равный для кирпичной стены – 1,0, а для железобетонных изделий –
2,3 ÷ 2,6.
Для зданий, расположенных
в других климатических условиях:
(2.6)
Расчетная температура воздуха внутри помещения 
(внутренняя
температура) в зимний период для производственных зданий принимается в
соответствие со СНИП:
· с незначительным тепловыделением – 12 ÷ 16°С;
· со значительным тепловыделением – 5 ÷ 10°С;
· со значительным влаговыделением – 12 ÷ 18°С.
В нерабочее время во всех отапливаемых
производственных помещениях поддерживается температура 
с помощью дежурного
отопления.
Для жилых помещений внутренняя температура должна быть равна 18°С.
Для определения максимальной величины тепловой нагрузки используется формула расчетной отопительной нагрузки:
, (2.7)
где 
-расчетная
температура наружного воздуха, равная средней температуре наиболее холодных
5-дневок из 8 самых холодных зим за последние 50 лет.
При расчете теплового режима помещений необходимо учитывать ряд дополнительных факторов.
1. Тепловые потери с инфильтрирующим воздухом:
, (2.8)
где w - скорость прохождения инфильтрирующего воздуха через неплотности ограждений, м/сек;
F - площадь суммарного сечения неплотностей ограждения, м²;
- теплоемкость
воздуха, кДж/м³ К.
Скорость инфильтрации воздуха может быть рассчитана по формуле:
, (2.9)
где 
- перепад
давлений, равный сумме гравитационного перепада давлений 
(связанного с высотой
здания) и ветрового перепада 
;
- плотность воздуха при наружной и внутренней температуре
воздуха;
Н - высота зданий, м;
- скорость ветра, м/сек.
Так как отношение 
представляет собой
коэффициент инфильтрации, то расчетные тепловые потери равны:
(2.10)
2. Поступление тепла извне от солнечной радиации через окна и кровлю. Количество тепла, поступающего через окна, определяется по величине солнечной радиации, равной 70÷210 Вт/м². Через кровлю в помещение поступает тепло за счет солнечной радиации от 6 до 18 Вт/м².
3. Внутреннее тепловыделение в производственных помещениях:
а) от производственных агрегатов:
, (2.11)
где 
- коэффициент
теплоотдачи от внешней поверхности агрегата, равный 14-18 Вт/м².
б) тепло, поступающее в помещение с продуктами горения топлива или с технологическими газами:
, (2.12)
где 
- количество газов,
поступающих в помещение, м³/сек;
- температура газов
поступающих и уходящих из помещения.
в) тепло, поступающее при охлаждении продукции в помещении:
, (2.13)
где 
- количество
остывающего материала, кг/сек;
- интенсивность
тепловыделения;
- начальная и
конечная температура материала;
- температура
плавления материала;
- скрытая теплота
плавления;
- теплоемкость
расплавленного и твердого материала.
г) тепло, выделяемое при работе электрооборудования:
, (2.14)
где a, b - опытные коэффициенты , равные, соответственно, 0,15÷0,7 и 0,6÷1;
- установленная
мощность агрегатов и освещения.
д) тепловыделение людей:
, (2.15)
q - тепловыделение от одного человека;
n - количество людей в помещении.
Тепловой баланс производственного помещения в этом случае будет выглядеть следующим образом:
, (2.16)
где 
- тепло, которое
необходимо подвести в помещение с помощью отопительной системы;
- расход тепла на
нагрев материала в помещении (до загрузки его в технологический агрегат).
При расчетной температуре наружного воздуха в первом приближении можно принять:
(2.17)
Для конкретного здания (жилого,
производственного) расход тепла на отопление меняется только в зависимости от
температуры наружного воздуха:
(2.18)
Уравнение 2.18 представляет собой
уравнение прямой линии (рисунок 2.3).
Рисунок 2.3 – Зависимость отопительной нагрузки
от температуры наружного воздуха
Отопительная
нагрузка отключается при 
°С. При этой же температуре происходит и включение
отопительной нагрузки. Это обусловлено тем, что при температуре 
тепловыделение внутри
помещения примерно равно тепловым потерям здания (имеет место компенсация
тепловых потерь) и необходимость работы отопительной системы отсутствует (в
интервале температур наружного воздуха от 
до 
°С).
Температура наружного воздуха меняется в течение года и, следовательно, меняется отопительная тепловая нагрузка (рисунок 2.1).
С учетом продолжительности
стояния наружной температуры в период снижения (осень-зима) и повышения
(зима-весна) температуры, которая определяется по справочной литературе, можно
определить годовую отопительную нагрузку (рисунок 2.4).
Рисунок 2.4 – График годовой отопительной нагрузки
Площадь
под правой кривой представляет собой годовую тепловую нагрузку источника тепла
за отопительный период 
, в то время как 
характеризует тепловую мощность источника. Правая кривая
строится по точкам пересечения тепловой нагрузки, соответствующей текущей
температуре наружного воздуха 
, и продолжительности стояния этой температуры (и ниже ее) 
в течение года.