Как рассчитывается тепловая нагрузка на систему отопления здания

Введение

Требования по определению тепловых нагрузок потребителей при разработке схем теплоснабжения отражены в следующих нормативных и законодательных актах: — Федеральный Закон РФ от 27.07.2010 г. № 190-ФЗ ;

— приказ Министерства регионального развития РФ от 28.02.2009 г. № 610 ;

Договорные нагрузки, как правило, рассчитываются на основании проектных данных. Проектные нагрузки на отопление, в основном, зависят от расчётных параметров микроклимата помещений, расчётной температуры наружного воздуха в отопительный период (принимаемой равной температуре наиболее холодной пятидневки с обеспеченностью 0,92 по 8. СП 131.13330.2012 ) и теплоизоляционных характеристик ограждающих конструкций. Проектные нагрузки на ГВС зависят от объёмов потребления горячей воды и её расчётной температуры.

За последние 20-30 лет многие из перечисленных выше параметров и характеристик неоднократно менялись. Менялись методики расчёта тепловых нагрузок, требования по тепловой защите ограждающих конструкций. В частности, в класс энергетической эффективности многоквартирных домов (МКД) определяется, исходя из сравнения (определение величины отклонения) фактических или расчётных (для вновь построенных, реконструированных и прошедших капитальный ремонт МКД) значений показателя удельного годового расхода энергетических ресурсов, отражающего удельный расход энергетических ресурсов на отопление, вентиляцию, ГВС и базовых значений показателя удельного расхода энергетических ресурсов в МКД. При этом фактические (расчётные) значения должны быть приведены к расчётным условиям для сопоставимости с базовыми значениями. Фактические значения показателя удельного годового расхода энергетических ресурсов определяются на основании показаний общедомовых приборов учёта.

Менялся и сам климат, в результате чего, например, для Санкт-Петербурга нормативная расчётная температура наружного воздуха за тридцать, с небольшим, лет повышена с –26 °С до –24 °С, расчётная длительность отопительного периода уменьшилась на 6 дней, а средняя температура отопительного периода увеличилась на 0,5 °С (с –1,8 до –1,3 °С).

Кроме указанных выше факторов, сами потребители тепловой энергии вносят вклад в энергосберегающие мероприятия, например, путём замены в квартирах деревянных окон на более герметичные – пластиковые.

Все эти изменения, в совокупности, способствуют тому, что фактическое теплопотребление и договорные тепловые нагрузки потребителей тепловой энергии отличаются.

Примеры разработанных Схем теплоснабжения ряда крупных населённых пунктов (например, Нижнего Новгорода) показали, что, если в качестве фактической нагрузки принимается договорная нагрузка (нагрузка, установленная в договорах теплоснабжения), это создаёт избыточный запас мощности теплоснабжающих организаций. Значительная доля нагрузки в этом случае оказывается невостребованной, но при этом сохраняются постоянные эксплуатационные расходы, что негативно отражается и на эффективности теплоснабжающих организаций (ТСО) и на потребителе тепловой энергии.

В Стратегии отмечено, что применяемая в настоящее время технология планирования систем теплоснабжения приводит к излишним инвестициям, созданию избыточной тепловой мощности во всех элементах энергосистем и сохранению низкого уровня эффективности всей российской энергетики.

Актуальность поднимаемой в статье темы обусловлена отсутствием в действующих нормативных и законодательных актах методов определения фактических тепловых нагрузок в расчётных элементах территориального деления при расчётных температурах наружного воздуха, проблемами согласования фактических тепловых нагрузок, применяемых для инвестиционного планирования в Схемах теплоснабжения с ТСО, а также последствиями неверного анализа тепловых нагрузок потребителей, установленных в договорах теплоснабжения.

Расширение жидкости, прибор для наблюдения

Следовательно, при одинаковом нагревании до одной и той же температуры, некоторые жидкости расширяются больше, другие меньше. Различные жидкости имеют разные коэффициенты объемного расширения. Нужно отыскать железную трубу диаметром в 5—6 см, высотой в 20—25 см и в боковой поверхности ее сделать два круглых отверстия, одно около верхнего края, а второе — возможно ближе к основанию трубы. Отверстия закрываются пробками, и сквозь них пропускаются термометры. Пробки должны закрывать отверстия очень плотно, чтобы вода не просачивалась из трубы. Вынув пробки, нужно насадить на трубу железную банку, например из-под консервов, и припаять ее к середине трубы, а в дне банки выбить гвоздем или просверлить отверстия, чтобы получилось нечто вроде грубого решета. Закрыв боковые отверстия пробками, следует наполнить трубу водой комнатной температуры, а в консервную банку положить кусочки льда. В первый момент термометры покажут одинаковую темпе- ратуру. Затем нижний термометр начнет показывать более низкую температуру, чем верхний. Но так будет продолжаться только до тех пор, пока температура воды не достигнет + 4°С. Начиная с этого момента верхний термометр будет показывать температуру ниже + 4°С, а показания нижнего останутся на » 4°С. Это говорит о том, что вода при температуре + 4°С имеет самую большую плотность.

Что это такое

Термин, в сущности, интуитивно-понятный. Под тепловой нагрузкой подразумевается то количество тепловой энергии, которое необходимо для поддержания в здании, квартире или отдельном помещении комфортной температуры.

Максимальная часовая нагрузка на отопление, таким образом – это, то количество тепла, которое может потребоваться для поддержания нормированных параметров в течение часа в наиболее неблагоприятных условиях.

Какие условия считать неблагоприятными? Вопрос неразрывно связан с тем, от чего, собственно, зависит тепловая нагрузка.

Факторы

Итак, что влияет на потребность здания в тепле?

• Материал и толщина стен. Понятно, что стена в 1 кирпич (25 сантиметров) и стена из газобетона под 15-сантиметровой пенопластовой шубой пропустят ОЧЕНЬ разное количество тепловой энергии.
• Материал и структура кровли. Плоская крыша из железобетонных плит и утепленный чердак тоже будут весьма заметно различаться по теплопотерям.
• Вентиляция — еще один важный фактор. Ее производительность, наличие или отсутствие системы рекуперации тепла влияют на то, сколько тепла теряется с отработанным воздухом.
• Площадь остекления. Через окна и стеклянные фасады теряется заметно больше тепла, чем через сплошные стены.

Стены дома на фото зачернены именно для того, чтобы поглощать как можно больше солнечного тепла.

• Дельта температур между помещением и улицей определяет тепловой поток через ограждающие конструкции при постоянном сопротивлении теплопередаче. При +5 и -30 на улице дом будет терять разное количество тепла. Уменьшит, разумеется, потребность в тепловой энергии и снижение температуры внутри здания.
• Наконец, в проект часто приходится закладывать перспективы дальнейшего строительства. Скажем, если текущая тепловая нагрузка равна 15 киловаттам, но в ближайшем будущем планируется пристроить к дому утепленную веранду — логично приобрести бытовой отопительный котел с запасом по тепловой мощности.

Распределение

В случае водяного отопления пиковая тепловая мощность источника тепла должна быть равна сумме тепловой мощности всех отопительных приборов в доме. Разумеется, разводка тоже не должна становиться узким местом.

Распределение отопительных приборов по помещениям определяется несколькими факторами:

1. Площадью комнаты и высотой ее потолка;
2. Расположением внутри здания. Угловые и торцевые помещения теряют больше тепла, чем те, которые расположены в середине дома.
3. Удаленностью от источника тепла. В индивидуальном строительстве этот параметр означает удаленность от котла, в системе центрального отопления многоквартирного дома — тем, подключена батарея к стояку подачи или обратки и тем, на каком этаже вы живете.

Как распределятся температуры в случае верхнего розлива — догадаться тоже нетрудно.

1. Желаемой температурой в помещении. Помимо фильтрации тепла через внешние стены, внутри здания при неравномерном распределении температур тоже будет заметна миграция тепловой энергии через перегородки.

Рекомендованные СНиП значения таковы:

1. Для жилых комнат в середине здания — 20 градусов;
2. Для жилых комнат в углу или торце дома — 22 градуса. Более высокая температура, среди прочего, препятствует промерзанию стен.
3. Для кухни — 18 градусов. В ней, как правило, есть большое количество собственных источников тепла — от холодильника до электроплиты.
4. Для ванной комнаты и совмещенного санузла нормой являются 25С.

В случае воздушного отопления тепловой поток, поступающий в отдельную комнату, определяется пропускной способностью воздушного рукава. Как правило, простейший метод регулировки — ручная подстройка положений регулируемых вентиляционных решеток с контролем температур по термометру.

Наконец, в случае, если речь идет о системе обогрева с распределенными источниками тепла (электрические или газовые конвектора, электрические теплые полы, масляные радиаторы отопления, инфракрасные обогреватели и кондиционеры) необходимый температурный режим просто задается на термостате. Все, что требуется от вас — обеспечить пиковую тепловую мощность приборов на уровне пика теплопотерь помещения.

Электрические радиаторы и конвектора снабжаются термостатами. Средняя тепловая мощность автоматически подгоняется по потребность помещения в тепле.

Зависимость от температурного режима системы отопления

Мощность радиаторов указывается для системы с высокотемпературным тепловым режимом. Если система отопления вашего дома работает в среднетемпературном или низкотемпературном тепловом режиме, для подбора батарей с нужным количеством секций придется произвести дополнительные расчеты. Для начала определим тепловой напор системы, который представляет собой разницу между средней температурой воздуха и батарей. За температуру приборов отопления берется среднее арифметическое от значений температуры подачи и отвода теплоносителя.

1. Высокотемпературный режим: 90/70/20 (температура подачи — 90 °C, обратки —70 °C, за среднюю температуру в помещении принимается значение 20 °C). Тепловой напор рассчитаем так: (90 + 70) / 2 – 20 = 60 °С;
2. Среднетемпературный: 75/65/20, тепловой напор – 50 °С.
3. Низкотемпературный: 55/45/20, тепловой напор – 30 °С.

Чтобы узнать, сколько секций батареи вам понадобится для систем с тепловым напором 50 и 30, нужно умножить общую мощность на паспортный напор радиатора, а затем разделить на имеющийся тепловой напор. Для комнаты 15 кв.м. потребуется 15 секций алюминиевых радиаторов, 17 – биметаллических и 19 – чугунных батарей.

Для отопительной системы с низкотемпературным режимом вам потребуется в 2 раза больше секций.

Отопительные приборы

Секционные радиаторы

В общем случае информацию о тепловом потоке на одну секцию всегда можно найти на сайте производителя.

Если он неизвестен, можно ориентироваться на следующие приблизительные значения:

• Чугунная секция – 160 Вт.
• Биметаллическая секция – 180 Вт.
• Алюминиевая секция – 200 Вт.

Алюминиевый радиатор лидирует благодаря высокой теплопроводности и развитому оребрению.

Как всегда, есть ряд тонкостей. При боковом подключении радиатора с 10 и более секциями разброс температур между ближними к подводке и концевыми секциями будет весьма значительным.

Кроме того, обычно производители отопительных приборов указывают мощность для вполне конкретной дельты температур между радиатором и воздухом, равной 70 градусам. Зависимость теплового потока от Dt линейна: если батарея на 35 градусов горячее воздуха, тепловая мощность батареи будет ровно вдвое меньше заявленной.

Скажем, при температуре воздуха в комнате, равной +20С, и температуре теплоносителя в +55С мощность алюминиевой секции стандартного размера будет равна 200/(70/35)=100 ваттам. Для того, чтобы обеспечить мощность в 2 КВт, понадобится 2000/100=20 секций.

Регистры

Особняком в списке отопительных приборов стоят самодельные регистры.

На фото – отопительный регистр.

Производители по понятным причинам не могут указать их тепловую мощность; однако ее несложно вычислить своими руками.

• Для первой секции регистра (горизонтальной трубы известных размеров) мощность равна произведению ее наружного диаметра и длины в метрах, дельты температур между теплоносителем и воздухом в градусах и постоянного коэффициента 36,5356.
• Для последующих секций, находящихся в восходящем потоке теплого воздуха, используется дополнительный коэффициент 0,9.

Давайте разберем очередной пример – вычислим значение теплового потока для четырехрядного регистра с диаметром секции 159 мм, длиной 4 метра и температурой в 60 градусов в комнате с внутренней температурой +20С.

1. Дельта температур в нашем случае равна 60-20=40С.
2. Переводим диаметр трубы в метры. 159 мм = 0,159 м.
3. Вычисляем тепловую мощность первой секции. Q = 0,159*4*40*36,5356 = 929,46 ватт.
4. Для каждой последующей секции мощность будет равна 929,46*0,9=836,5 Вт.
5. Суммарная мощность составит 929,46 + (836,5*3)=3500 (с округлением) ватт.

Формулы расчёта

Исходя из общих потребностей здания в тепловой энергии и технических характеристик постройки, с целью определения оптимального количества теплоты за единицу времени могут использоваться разные стандартные формулы.

При отсутствии приборов учёта: Q = V × (Тх - Тy) / 1000

Обозначение	Параметр
V	Объём теплового носителя в отопительной системе
Тх	Показатели температурного режима нагретого теплоносителя (60-65оС)
Тy	Исходная температура не нагретого теплового носителя
1000	Стандартный поправочный числовой множитель

Схема отопления с замкнутым типом контура:

Qот = α × qо × V × (Тв - Тн.р) × (1 + Kн.р) × 0,000001

Обозначение	Параметр
α	Корректирующий погодные характеристики числовой множитель при уличном температурном режиме, отличном от минус 30оС
V	Показатели объёма строения в соответствии с наружными замерами
qо	Отопительный удельный показатель при температурном режиме -30оС
tв	Расчётные показатели внутреннего температурного режима в строении
tн.р	Расчётный режим наружного температурного режима для проектирования отопительной системы
Kн.р	Поправочный числовой множитель в виде соотношения теплопотерь с инфильтрацией и тепловой передачей посредством внешних конструктивных элементов

Применение поправочного числового множителя

При выполнении расчётов тепловой нагрузки обязательно учитывается поправочный числовой множитель, при помощи которого определяется отличие расчётного температурного режима наружного воздуха для проектов отопительных систем. В таблице представлены поправочные числовые множители для различных климатических зон, расположенных на территории Российской Федерации.

-35оС	-36оС	-37оС	-38оС	-39оС	-40оС
0,95	0,94	0,93	0,92	0,91	0,90

В других регионах России, где расчётный температурный режим наружных воздушных масс при проектировании отопительной системы находится на уровне минус 31°С или ниже, значения расчётных температур внутри обогреваемых помещений принимаются в соответствии с данными, приведёнными в действующей редакции СНиП 2.08.01-85.

На что обратить внимание при расчётах

В соответствии с действующим СНиП, на каждые 10 м2 обогреваемой площади должно приходится не менее 1 кВт тепловой мощности, но при этом в обязательном порядке учитывается так называемый региональный поправочный числовой множитель:

• зона с умеренными климатическими условиями – 1.2-1.3;
• территория южных регионов – 0.7-0.9;
• районы крайнего севера – 1.5-2.0.

Кроме прочего, немаловажное значение имеет высота потолочных конструкций и индивидуальные тепловые потери, которые напрямую зависят от типовых характеристик эксплуатируемого строения. Как правило, на каждый кубометр полезной площади затрачивается 40 ватт тепловой энергии, но при выполнении расчётов потребуется также учитывать следующие поправки:

• наличие окна – плюс 100 ватт;
• наличие двери – плюс 200 ватт;
• угловое помещение – поправочный числовой множитель 1.2-1.3;
• торцевая часть здания – поправочный числовой множитель 1.2-1.3;
• частное домовладение – поправочный числовой множитель 1.5.

Практическое значение имеют показатели потолочного и стенового сопротивления, потери тепла через конструкции ограждающего типа и функционирующую вентиляционную систему.

Вид материала	Уровень термического сопротивления
Кирпичная кладка в три кирпича	0,592 м2 × с/Вт
Кирпичная кладка в два с половиной кирпича	0,502 м2 × с/Вт
Кирпичная кладка в два кирпича	0,405 м2 × с/Вт
Кирпичная кладка в один кирпич	0,187 м2 × с/Вт
Газосиликатные блоки толщиной 200 мм	0,476 м2 × с/Вт
Газосиликатные блоки толщиной 300 мм	0,709 м2 × с/Вт
Бревенчатые стены толщиной 250 мм	0,550 м2 × с/Вт
Бревенчатые стены толщиной 200 мм	0,440 м2 × с/Вт
Бревенчатые стены толщиной 100 мм	0,353 м2 × с/Вт
Деревянный неутеплённый пол	1,85 м2 × с/Вт
Двойная деревянная дверь	0,21 м2 × с/Вт
Штукатурка толщиной 30 мм	0,035 м2 × с/Вт
Каркасные стены толщиной 20 см с утеплением	0,703 м2 × с/Вт

В результате функционирования вентиляционной системы потери тепловой энергии в зданиях составляют порядка 30-40%, через кровельные перекрытия уходит примерно 10-25%, а сквозь стены – около 20-30%, что должно учитываться при проектировании и расчёте тепловой нагрузки.

§ 9.2. Тепловое линейное расширение

Глава 9. Тепловое расширение твердых и жидких тел

Применительно к твердым телам, форма которых при изменении температуры (при равномерном нагревании или охлаждении) не меняется, различают изменение линейных размеров (длины, диаметра и т. п.) — линейное расширение и изменение объема — объемное расширение, У жидкостей при нагревании форма может меняться (например, в термометре ртуть входит в капилляр). Поэтому в случае жидкостей имеет смысл говорить только об объемном расширении.

Опыт показывает, что при небольших изменениях температуры изменение линейных размеров твердого тела прямо пропорционально изменению температуры (рис. 9.3). Так как удлинение при нагревании (или укорочение при охлаждении) зависит также от первоначальной длины тела, удобнее рассматривать не само удлинение тела, а относительное удлинение: отношение увеличения длины ωl = l — l0 к первоначальной длине l0. Относительное удлинение пропорционально изменению температуры ωt = t — t0:

Коэффициент пропорциональности α1 называют температурным коэффициентом линейного расширения. Он показывает, на какую долю своего первоначального значения изменяются линейные размеры тела при нагревании его на 1 К. Коэффициент линейного расширения зависит от природы вещества, а также от температуры. Однако, если рассматривать изменения температуры в не слишком широких пределах, зависимостью α1 от температуры можно пренебречь и считать температурный коэффициент линейного расширения величиной постоянной для данного вещества. Для большинства веществ этот коэффициент мал, его значения составляют 10-5—10-6К-1.

Особенно мал коэффициент линейного расширения в диапазоне температур от -30 до +100 °С у инвара (сплав железа и никеля). Поэтому инвар применяют для изготовления точных инструментов, используемых при определении размеров тел. Линейные размеры самого инструмента из инвара мало зависят от колебаний температуры.

Линейные размеры тела, как вытекает из формулы (9.2.1), зависят от изменения температуры следующим образом:

l = l0(1 + α1Δt). (9.2.2)

В формулах (9.2.1) и (9.2.2) обычно начальное значение температуры полагают равным нулю (t0 = 0 °С) и соответственно t0 считают длиной тела при этой температуре. На практике же начальная температура тела далеко не всегда бывает равна 0 °С. Тогда расчет длины тела при любой температуре можно выполнить так. Пусть при температуре t1 длина тела равна l1, а при температуре t2 она равна l2. Тогда, считая начальную температуру t0 = 0 °С, имеем

l1 = l0(1 + α1t1), l2 = l0(1 + α1t2).

Отсюда

Однако, учитывая, что значение α1 очень мало, формулу (9.2.3) можно упростить. Умножив числитель и знаменатель на 1 — α1t1, получим

Ввиду малости коэффициента α1 члены, содержащие малы по сравнению с членом, в который входит α1 в первой степени (точнее, ). Поэтому их можно отбросить. В результате формула для вычисления длины l2 оказывается более простой и достаточно точной для инженерной практики:

Решая задачи с учетом теплового линейного расширения тел, необходимо иметь в виду, что при изменении температуры меняется не только длина, но и все другие линейные размеры тела. Так, у круглого стержня при нагревании увеличивается диаметр, и притом во столько раз, во сколько увеличивается длина стержня. У пластинки в одно и то же число раз увеличиваются длина, ширина и толщина. Если начертить на пластинке какую-нибудь линию, то длина этой линии при нагревании увеличится в такое же число раз. У окружности увеличатся ее длина и диаметр.

При нагревании пластинки, имеющей круглое отверстие, диаметр отверстия тоже увеличится. Дело в том, что при равномерном нагревании в теле не возникают силы упругости. Поэтому расширение происходит так, как если бы пластинка была сплошной. Точно так же увеличивается при нагревании диаметр гайки, размеры раковины в толще металлической отливки и т. д.

В справедливости сказанного можно убедиться на опыте с металлическим шаром, о котором уже шла речь в § 9.1. Шар застревает в кольце, если его нагреть, и проходит с большим зазором, если нагреть кольцо. Наоборот, при охлаждении кольца шар застревает, а охлаждение шара увеличивает зазор между ним и кольцом.

Линейные размеры твердых тел увеличиваются прямо пропорционально росту температуры.

Точные расчеты тепловой нагрузки

Значение теплопроводности и сопротивление теплопередачи для строительных материалов

Но все же этот расчет оптимальной тепловой нагрузки на отопление не дает требуемую точность вычисления. Он не учитывает важнейший параметр – характеристики здания. Главной из них является сопротивление теплопередачи материал изготовления отдельных элементов дома – стен, окон, потолка и пола. Именно они определяют степень сохранения тепловой энергии, полученной от теплоносителя системы отопления.

Что же такое сопротивление теплопередачи (R)? Это величина, обратная теплопроводности (λ) – возможности структуры материала передавать тепловую энергию. Т.е. чем больше значение теплопроводности – тем выше тепловые потери. Для расчета годовой нагрузки на отопление воспользоваться этой величиной нельзя, так как она не учитывает толщину материала (d). Поэтому специалисты используют параметр сопротивление теплопередачи, который вычисляется по следующей формуле:

R=d/λ

Расчет по стенам и окнам

Сопротивление теплопередачи стен жилых зданий

Существуют нормированные значения сопротивления теплопередачи стен, которые напрямую зависят от региона, где расположен дом.

В отличие от укрупненного расчета нагрузки на отопление сначала нужно вычислить сопротивление теплопередачи для наружных стен, окон, пола первого этажа и чердака. Возьмем за основу следующие характеристики дома:

• Площадь стен – 280 м². В нее включены окна – 40 м²;
• Материал изготовления стен – полнотелый кирпич (λ=0.56). Толщина наружных стен – 0,36 м. Исходя из этого рассчитываем сопротивление телепередачи — R=0.36/0.56= 0,64 м²*С/Вт;
• Для улучшения теплоизоляционных свойств был установлен наружный утеплитель – пенополистирол толщиной 100 мм. Для него λ=0,036. Соответственно R=0,1/0,036= 2,72 м²*С/Вт;
• Общее значение R для наружных стен равно 0,64+2,72= 3,36 что является очень хорошим показателем теплоизоляции дома;
• Сопротивление теплопередачи окон — 0,75 м²*С/Вт (двойной стеклопакет с заполнением аргоном).

Фактически тепловые потери через стены составят:

(1/3,36)*240+(1/0.75)*40= 124 Вт при разнице температуры в 1°С

Температурные показатели возьмем такие же, как и для укрупненного вычисления нагрузки на отопление +22°С в помещении и -15°С на улице. Дальнейший расчет необходимо делать по следующей формуле:

124*(22+15)= 4,96 кВт/час

Расчет по вентиляции

Затем необходимо вычислить потери через вентиляцию. Общий объем воздуха в здании составляет 480 м³. При этом его плотность примерно равна 1,24 кг/м³. Т.е. его масса равна 595 кг. В среднем за сутки (24 часа) происходит пятикратное обновление воздуха. В таком случае для вычисления максимальной часовой нагрузки для отопления нужно рассчитать тепловые потери на вентиляцию:

(480*40*5)/24= 4000 кДж или 1,11 кВт/час

Суммируя все полученные показатели можно найти общие тепловые потери дом:

4,96+1,11=6,07 кВт/час

Таким образом определяется точная максимальная тепловая нагрузка на отопление. Полученная величина напрямую зависит от температуры на улице. Поэтому для расчета годовой нагрузки на отопительную систему нужно учитывать изменение погодных условий. Если средняя температура в течение отопительного сезона составляет -7°С, то итоговая нагрузка на отопление будет равна:

(124*(22+7)+((480*(22+7)*5)/24))/3600)*24*150(дней отопительного сезона)=15843 кВт

Меняя температурные значения можно сделать точный расчет тепловой нагрузки для любой системы отопления.

Полученная величина указывает на фактические затраты энергоносителя при работе системы. Существует несколько способов регулирования тепловой нагрузки отопления. Наиболее действенный из них – уменьшение температуры в комнатах, где нет постоянного присутствия жильцов. Это можно осуществить с помощью терморегуляторов и установленных датчиков температуры. Но при этом в здании должна быть установлена двухтрубная система отопления.

Для вычисления точного значения тепловых потерь можно воспользоваться специализированной программой Valtec. В видеоматериале показа пример работы с ней.

Тепловое расширение трубопроводов

Под действием изменения температур изменяется размер промышленных и коммунальных изделий. Это касается труб, конструкций, оборудования и сооружений. Далее будет рассмотрен вопрос компенсации сжатия и теплового расширения.

При проектировании трубопровода должны учитываться любые перемещения, которые могут возникнуть из-за внешнего воздействия на него, в т.ч. его расширения из-за температурных перепадов. Трубы могут представлять реальную опасность для деталей трубопровода и другого оборудования, т.к. испытывают напряжение при изменениях температуры рабочей среды.

Существует 3 основных метода компенсации перемещений трубопровода:

1. Применяется эффект самокомпенсации
2. Устанавливается компенсатор
3. Устанавливаются металлорукава

Тот или иной способ компенсации выбирается в зависимости от наличия или отсутствия других коммуникаций, ландшафтных особенностей местности, типа системы трубопроводов и т.д.

Рассмотрим способ компенсации расширения прямолинейных участков трубопровода посредством осевых сильфонных компенсаторов.

Расчеты

На первом этапе решения вопроса компенсации температурного перемещения трубопровода вычисляют точное изменение длины системы трубопровода. Расчеты ведутся в соответствии с условиями безопасности, которые предъявляются к трубопроводу.

При расчете теплового расширения трубопровода применяется следующая формула:

∆L = а х L x ∆t

В качестве коэффициента температурного расширения используется значение а, которое выражается в мм/(моС).

За длину трубопровода принимается значение L, выражаемое в м. Обычно измеряется длина между неподвижными опорами.

Показатель ∆t обозначает разницу значений между максимальным значением температуры рабочей среды и минимальным, выражается в оС.

Расчет доступен каждому и даже не профессионал может легко сделать его.

Для того чтобы узнать коэффициент температурного расширения необходимо обратиться к таблице линейного расширения труб. Коэффициенты различаются в зависимости от используемого для производства труб материала.

Материал трубопровода	Коэффициент линейного расширения, мм/м °С
Чугун	0,0104
Сталь нержавеющая	0,011
Сталь черная и оцинкованная	0,0115
Медь	0,017
Латунь	0,017
Алюминий	0,023
Металлопластик	0,026
Поливинилхлорид (PVC)	0,08
Полибутилен (PB)	0,13
Полипропилен (PP-R 80 PN10 и PN20)	0,15
Полипропилен (PP-R 80 PN25 алюминий)	0,03
Полипропилен (PP-R 80 PN20 стекловолокно)	0,035
Сшитый полиэтилен (PEX)	0,024

Способы компенсации зависят от стойкости того или иного материала температурному расширению. Например, трубопровод из полимерных материалов более подвержен температурному расширению, чем выполненный из стали. Поэтому способ компенсации полимерных труб будет отличаться от способа компенсации стальных.

Коэффициенты линейного расширения, приведенные в таблице, являются усредненными и поэтому их нельзя использовать при расчете для трубопроводов, изготовленных из других материалов. Допускается различие коэффициентов на 5%, т.к. результат зависит от метода расчета и условий, при которых проводились исследования.

Рассмотрим пример:

Исходные данные: диаметр прямолинейного участка трубопровода 219 мм. Он произведен из черной углеродистой стали, ее длина 100м. tmin = -20оС и tmax = 140оС.

Расчет выглядит следующим образом: ∆t = 140 — (-20) = 160оС. Далее вычисляем изменение длины трубопровода, расчет следующий: ∆L = 0,0115 х 160 х 100 = 184мм.

Результат показывает, что длина трубопровода может меняться при данных значениях на 184мм. Чтобы обеспечить бесперебойную работу трубопровода, необходим осевой сильфонный компенсатор, условный диаметр которого равен 200мм, а компенсирующая способность — 200 мм (КСО 200-16-200).

1.5. Температурные перемещения

Вернемся к бруску материала, показанного на рисунке 1 . Предполагаем, что материал бруска является гомогенным и изотропным, то есть механические свойства материала бруска являются одинаковыми во всем его объеме. Кроме того, предполагаем, что изменение температуры ΔT

является однородным, то есть одинаковым, по всему бруску. При таких условиях мы можем вычислить увеличение любого размера бруска путем умножения первоначального размера на температурную деформацию. Например, если один из размеров бруска составляет L, то этот размер увеличиться на величину

δТ = εT·L=α·ΔT·L (4) Уравнение (4) можно применять для вычисления изменений длин элементов конструкций после однородного нагрева, например, удлинение призматического стержня на рисунке 2.2. Поперечные размеры стержня также изменятся, но эти изменения не показаны на рисунке 2.2, так как обычно они не оказывают влияния на осевые силы, которые передаются этим стержнем.

Рисунок 2.2 – Увеличение длины призматического стрежня в результате однородного увеличения температуры (уравнение (4))

Пример.

Оценим удлинение незакрепленных алюминиевого и стального стержней длиной 3 м при увеличении их температуры на 50 ºС.

Для алюминиевого стержня:

δТ =α·ΔT·L = 23·10-6·50·3000 = 3,5 мм Для стержня из малоуглеродистой стали:

δТ =α·ΔT·L = 12·10-6·50·3000 = 1,8 мм При рассмотрении выше температурных деформаций предполагалось, что конструкция не имеет ограничений для своих перемещений, что позволяло ей расширяться или сокращаться совершенно свободно. Такие условия возникают, например, когда объект лежит на гладкой поверхности, на которой не возникает трения . В таких случаях при однородном нагреве всего объекта в целом не возникает напряжений, хотя неоднородные изменения температуры могут вызывать внутренние температурные напряжения. Однако многие конструкции имеют опоры, которые препятствуют свободному расширению и сокращению их размеров. Поэтому в них развиваются температурные напряжения даже, если изменение температуры является однородным по всей конструкции.

Теплопроводность алюминиевых сплавов

Представлена сводная таблица теплопроводности алюминиевых сплавов. В ней приведены значения теплопроводности распространенных алюминиевых сплавов (сплавы алюминия с кремнием, медью, магнием и цинком, литейные сплавы, дюралюминий) при различной температуре в диапазоне от 4 до 700К.

По данным таблицы видно, что теплопроводность алюминиевых сплавов в основном увеличивается с ростом температуры. Наибольшей теплопроводностью при комнатной температуре обладает такой сплав, как АД1 — его теплопроводность при этой температуре равна 210 Вт/(м·град). Более низкая теплопроводность свойственна в основном литейным алюминиевым сплавам, например АК4, АЛ1, АЛ8 и другим.

Температура в таблице в градусах Кельвина ! Таблица теплопроводности сплавов алюминия

Алюминиевый сплав	Температура, K	Теплопроводность алюминиевого сплава, Вт/(м·град)
АВ	298…373…473…573	176…180…184…189
АД1 нагартованный	4…10…20…40…80…150…300	50…130…260…400…250…220…210
АД31 закаленный, состаренный	4…10…20…40…80…200…300…600	35…87…170…270…230…200…190…190
АД33	300…373…473…573	140…151…163…172
АД35	298…373…473…573	170…174…178…182
АК4	300…500…600…700	145…160…170…170
АК6 закаленный, состаренный	20…77…223…293…373…473…573…673	35…90…192…176…180…184…184…189
АК8 закаленный, состаренный	20…40…80…150…300…573…673	50…72…100…125…160…180…180
АЛ1	300…400…600	130…140…150
АЛ2	20…77…293	10…18…160
АЛ4	300…473…673	150…160…155
АЛ5	300…473…573	160…170…180
АЛ8	300…473…673	92…100…110
АМг1	298…373…473…573…673	184…188…192…188…188
АМг2	4…10…20…40…80…150…300…373…473…573…673	4,6…12…25…49…77…100…155…159…163…164…167
АМг3	20…77…90…203…293	41…86…89…123…132
АМг5 отожженный	10…20…40…80…150…300…473…673	10…20…40…66…92…130…130…150
АМг6	20…77…173…293	13…43…75…92
АМц нагартованный	4…10…20…40…80…150…300…473…573…673	11…28…58…110…140…150…180…180…184…188
В93	300…473…673	160…170…160
В95	300…473…673	155…160…160
ВАД1	20…80…300	30…61…160
ВАЛ1	300…473…673	130…150…160
ВАЛ5	300…573…673	150…160…160
ВД17	300…673	130…170
Д1	298…373…473…573…673	117…130…150…172…176
Д16 закаленный, состаренный	10…20…40…80…150…300…373…473…573	9…19…37…61…90…120…130…146…163
Д20 закаленный, состаренный	20…40…80…150…300…373…473…573…673	27…38…61…85…140…142…147…155…160
Д21	298…373…473…573	130…138…151…168