Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха

А. П. СВИНЦОВ





ОТОПЛЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА



Учебное пособие














Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 628.8
ББК 38.762
     С24




Рецензенты:
доктор технических наук, профессор Сибирского государственного индустриального университета (г. Новокузнецк) Э. Я. Живаго;
кандидат технических наук, доцент, исполнительный директор ООО «НПО ЭИТ - ЕВРАЗИЯ» В. А. Латышев






    Свинцов, А. П.
С24 Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха : учебное пособие / А. П. Свинцов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. -148 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1389-3

           Рассмотрены теоретические основы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, вопросы устройства и работы соответствующего оборудования. Приведен тепловой расчет отопительных приборов, расчет давления в системе водяного отопления.
           Для студентов, обучающихся по направлению 08.03.01 «Строительство».

                                                              УДК 628.8
                                                              ББК38.762











ISBN 978-5-9729-1389-3

     ©СвинцовА. П.,2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

                ВВЕДЕНИЕ





    Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха являются составными частями инженерного оборудования зданий и сооружений, которые предназначены для обеспечения в помещениях санитарно-гигиенических условий, необходимых для продолжительного пребывания людей и протекания технологических процессов.
    Различные способы отопления помещений трудно отнести к определенным историческим этапам. В одно и то же время встречались отопительные устройства, стоящие на самом низком и достаточно высоком техническом уровне. Очень простой и относительно древний способ отопления помещений путем сжигания топлива на угольной жаровне. Этот метод отопления помещений получил широкое распространение в Европе, Азии, включая Китай и Японию, о чем свидетельствуют найденные в этих странах угольные жаровни. Вентиляция помещений производилась, как правило, через входную дверь.
    Труды отечественных и зарубежных специалистов отражают значительный вклад ученых в создание и развитие систем отопления и искусственного климата. Развитие отопительно-вентиляционной техники и кондиционирования воздуха неразрывно связано с именами отечественных ученых, таких как Б.М. Аше, В.В. Батурин, Л.И. Боровский, М.Ф. Бромлей, В.Н. Богословский, О.Е. Власов, В.М. Гусев, Н.С. Ермолаев, П.Н. Каменев, О.Я. Кокорин, И.Ф. Ливчак, А.В. Нестеренко, А.И. Пирумов, А.Н. Сканави, Ю.А. Табунщиков и др.
    Состояние воздушной среды в помещении определяется действием систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, которые предназначены для поддержания в них необходимой температуры, относительной влажности воздуха, его подвижности, газового состава и чистоты. На ряде предприятий технологический процесс вообще не может осуществляться без кондиционирования воздуха. Во многих производственных и гражданских зданиях отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха неразделимы и работают совместно.
    Отопление - это искусственное обогревание помещений в холодный период года для компенсации теплопотерь и поддержания в них заданной температуры воздуха в соответствии с условиями теплового комфорта для людей и требованиями технологических регламентов для осуществления производственных процессов.
    Вентиляция - обеспечение требуемых параметров воздушной среды в помещениях за счет подачи свежего и удаления из них загрязненного воздуха.

3

    Кондиционирование воздуха - поддержание в автоматическом режиме состояния воздушной среды в закрытом помещении в соответствии с требованиями санитарно-гигиенических и технологических условий.
    Современное высокоразвитое промышленное производство, особенно с применением высоких технологий, немыслимо без создания микроклиматических условий в помещениях для обеспечения нормального самочувствия персонала и реализации технологических процессов. Уровень инженерного обеспечения объектов строительства постоянно повышается за счет установки более эффективных конструкций систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Многочисленные исследования позволили создать новые системы отопления, разработать прогрессивные системы вентиляции и кондиционирования воздуха, уделить приоритетное внимание повышению их качества и эксплуатационной надежности.

4

                I. ОТОПЛЕНИЕ





            1.1. Общие сведения


    Здания и сооружения являются единой энергетической системой, которая тесно связана с наружными метеорологическими условиями. Под воздействием разности температур наружного и внутреннего воздуха и солнечной радиации помещения через ограждающие конструкции в зимнее время теряют, а в летнее время получают теплоту. Под воздействием гравитационных сил, ветра создаются перепады давления, вызывающие перетекание воздуха между сообщающимися помещениями, его фильтрацию через неплотности ограждений и поры материалов. Атмосферные осадки снаружи, выделения влаги внутри помещений вызывают влагообмен через ограждающие конструкции.
    В инженерно-строительной практике различают три периода года: холодный, теплый и переходный. В соответствии с СП 60.13330.2020 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Актуализированная редакция СНиП 41-01-2003» холодный период года характеризуется среднесуточной температурой наружного воздуха, равной 10 °C и ниже, а теплый период года характеризуется среднесуточной температурой наружного воздуха выше 10 °C. В ГОСТ 30494-2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях» регламентировано, что холодный период года характеризуется среднесуточной температурой наружного воздуха, равной 8 °С и ниже, а теплый период года - среднесуточной температурой наружного воздуха выше 8 °С. Для поддержания необходимой температуры внутреннего воздуха в заданных пределах в холодный период года приходится оборудовать здания отопительными установками.
    Отопление - искусственное нагревание помещения в холодный период года для компенсации тепловых потерь и поддержания нормируемой температуры со средней необеспеченностью 50 ч/год. Отопление является отраслью строительной техники. Вместе с тем отопление - один из видов инженерного оборудования зданий.
    При проектировании системы отопления ее элементы увязываются со строительными конструкциями и сочетаются с планировкой и интерьером помещений. Монтаж стационарной отопительной системы проводится в процессе возведения здания. Отопление работает с определенной периодичностью в течение года и изменчивостью использования мощности установки, зависящей, прежде всего, от метеорологических условий в холодное время года.
    Климат большей части территории нашей страны отличается суровой зимой, схожей лишь с зимой в северо-западных провинциях Канады и на Аляске. Для сравнения в таблице 1.1.1 представлены климатические условия в январе месяце в Москве с условиями в крупных городах северного полушария Земли. Средняя температура января в зарубежных городах, приведенная в таблице 1.1.1 характерна лишь для самых южных городов России, отличающихся мягкой и короткой зимой.


5

Таблица 1.1.1

Средняя температура наружного воздуха в крупных городах северного полушария в течение наиболее холодного месяца

 Город   Географическая широта Средняя температура января, °C
 Москва         55°50'                      -7,8             
Нью-Йорк        40°40'                      +0,3             
 Берлин         52°30'                      -0,3             
 Париж          48°50'                      +2,3             
 Лондон         51°30'                      +4,0             

    При понижении температуры наружного воздуха и усилении ветра подача теплоты в помещения должна увеличиваться, а при повышении температуры наружного воздуха, воздействии солнечной радиации уменьшаться, т. е. теплопередача от отопительных установок должна постоянно регулироваться. Изменение внешних воздействий сочетается с неравномерными теплопоступлениями от внутренних производственных и бытовых источников, что также вызывает необходимость регулирования действия отопительных установок.
    Для создания и поддержания теплового комфорта в помещениях зданий требуются технически совершенные и надежные отопительные установки. И чем суровее климат местности и выше требования к обеспечению благоприятных тепловых условий в здании, тем более мощными и гибкими должны быть эти установки.
    Отопление зданий начинают при устойчивом (в течение 3 суток) понижении среднесуточной температуры наружного воздуха до 8 °C и ниже, заканчивают отопление при устойчивом повышении температуры наружного воздуха до 8 °C.
    Период отопления зданий в течение года называют отопительным сезоном. Его продолжительность устанавливают на основании многолетних наблюдений как среднее число дней в году с устойчивой среднесуточной температурой воздуха <8 °C. Продолжительность отопительного сезона невелика только на крайнем юге (3-4 месяца), в то время, как на большей части территории России она составляет 6-8 месяцев, доходя до 9 (на Ямале, в Архангельской, Мурманской и других северных областях России) и даже до 11-12 месяцев (на севере Магаданской области и в Якутии).
    Отопление должно обеспечивать в помещениях нормируемую температуру воздуха в течение отопительного периода в пределах расчетных параметров наружного воздуха. Выбор системы отопления необходимо предусматривать с учетом назначения отапливаемых помещений в жилых, общественных и административно-бытовых зданиях или категории производственных помещений.


            1.2. Характеристика систем отопления


    Системы отопления подразделяются:
    1) По расположению основных элементов.
    По расположению основных конструктивных элементов системы отопления подразделяются на местные и центральные.


6

    Местные системы отопления - это системы, все основные конструктивные элементы которых объединены в одной установке, в которой производится получение теплоты, ее перенос и передача в обогреваемое помещение (рис. 1.2.1).


Рис. 1.2.1. Схема печного отопления

    Центральными называются системы, предназначенные для отопления группы помещений из одного теплового центра. В тепловом центре находятся теплообменники или генераторы теплоты (котлы). Теплоснабжение зданий может осуществляться:
    •  По тепловым сетям централизованной системы теплоснабжения от источника теплоты теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), по тепловым сетям от источника теплоты населенного пункта, квартала, микрорайона районной тепловой станции (РТС) и квартальной тепловой станции (КТС);
    •  От автономного источника теплоты, обслуживающего одно здание или группу зданий (встроенная, пристроенная или крышная котельная, когенерационная или теплонасосная установка).
    •  От индивидуальных теплогенераторов.
    В центре теплопередачи (ЦТП) или в индивидуальном тепловом пункте (ИТП) размещаются теплопередающее оборудование, насосные установки, контрольно-измерительные приборы и автоматика. Указанные объекты представляют собой сложные системы с большим количеством элементов совместно работающего оборудования, предназначенного для подачи необходимого количества теплоты для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения здания. Теплоэнергетическая эффективность функционирования ИТП в значительной степени зависит от надежности эксплуатируемого оборудования, а ее оценка позволяет эффективно решать задачу обеспечения бесперебойной его работы.
    Оборудование индивидуальных тепловых пунктов, обеспечивающее работу систем водяного отопления, включает от 100 до 200 элементов: трубопроводы


7

систем отопления; пластинчатые теплообменники; насосные группы; фильтры; запорная, регулирующая и предохранительная арматура; блоки автоматического управления и регулирования [1]. Насосная группа системы водяного отопления выполнена с нагруженным (рис. 1.2.2, 1.2.3) или ненагруженным резервированием (рис. 1.2.4).


Рис. 1.2.2. Схема насосных групп систем отопления с ненагруженным резервом

Рис. 1.2.3. Блок отопления с насосной группой с ненагруженным резервом:
1 - теплообменник пластинчатый; 2 - насосы; 3 - электродвигатели насосов; 4 - задвижка;
5 - обратный клапан; 6 - трубопровод

     Резервирование выполнено однотипными насосами одинаковой мощности и производительности. Нагруженным резервированием предусмотрена попеременная работа двух насосов, обеспечивающих циркуляцию теплоносителя. В качестве ненагруженного резерва установлен один насос.


8

    В насосных группах с нагруженным резервом основные насосы работают попеременно по двенадцать часов. Кроме того, установлен один ненагруженный резервный насос.

Рис. 1.2.4. Схема насосных групп систем отопления с нагруженным резервом

    В процессе эксплуатации тепловых пунктов возникающие отказы могут привести к существенному снижению температуры воздуха в отапливаемых помещениях. В климатических условиях России возможное снижение подачи теплоты в здания регламентировано значениями допустимыми в период устранения аварии. При этом максимальная продолжительность устранения аварии не должна превышать 54 часа. В период устранения аварии температура воздуха в отапливаемых помещениях не должна быть ниже +12 °С. В таких жестких условиях технические службы, ответственные за эксплуатацию тепловых пунктов, вынуждены устанавливать оборудование, имеющееся в распоряжении и способное обеспечить бесперебойную подачу теплоносителя в отопительную сеть. На рис. 1.2.5 представлен фрагмент блока отопления в индивидуальном тепловом пункте после устранения отказа насосной группы.


            »■                        м»⁷ 3*^ e*!³!*



Рис. 1.2.5. Блок отопления после устранения отказа насосной группы:
1 - теплообменник пластинчатый; 2 - насосы;
3 - электродвигатели насосов; 4 - задвижка; 5 - обратный клапан; 6 - трубопровод

9

    Установка оборудования с требуемыми характеристиками по производительности, мощности и надежности позволяет обеспечить эффективное функционирование блоков отопления систем централизованного теплоснабжения в течение всего отопительного периода. Важным фактором работоспособности системы централизованного теплоснабжения является обеспечение надежности оборудования в тепловых пунктах при их экономичности. На рис. 1.2.6 представлено дерево неисправностей оборудования, наиболее часто применяемого в ИТП. Анализ «дерева неисправностей» и оценок показателей надежности индивидуального теплового пункта выполняют на основе первичной статистической информации, которую получают из журналов регистрации технического состояния оборудования. При анализе записей используют данные за многолетний период эксплуатации оборудования индивидуального теплового пункта.



Рис. 1.2.6. «Дерево неисправностей» индивидуального теплового пункта

    На рис. 1.2.7 представлена центральная система отопления зданий от ТЭЦ с индивидуальными тепловыми пунктами в них. Теплоноситель из ТЭЦ поступает по трубопроводу ti в ИТП, где через бойлеры передает тепловую энергию во внутреннюю систему отопления, в результате чего охлаждается и по трубопроводу t2 направляется обратно в ТЭЦ для подогрева.


10