Богословский - Отопление и вентиляция. Ч.1. Отопление

ОТОПЛЕНИЕ И ВЕНТИЛЯЦИЯ В двух частях Часть I ОТОПЛЕНИЕ

Издание третье, переработанное и дополненное Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция»

МОСКВА

СТРОИИЗДАТ

1975

Отопление и вентиляция. Учебник для вузов. В 2-х ч. Ч. I. Отопление Изд 3-е п»рераб. и доп. M., Стройиздат, 1975. 483 с. Авт.: П. H. Каменев, A. H Сканави, В. H. Богословский и др.

B книге описаны устройство и принцип действия различных систем отопления зданий; приводятся методы расчета теплового режима зданий, выбора, конструирования, расчета и регулирования центральных и местных систем отопления.

Учебник предназначен для студентов, специализирующихся в области отопления и вентиляции.

Табл. 69, рис 235, список лит.: 37 назв.

© Стройиздат, 1975

ПРЕДИСЛОВИЕ К ТРЕТЬЕМУ ИЗДАНИЮ

В решениях XXIV съезда КПСС предусмотрены «...централизация производства пара и горячей воды для технологических и отопительных нужд». В СССР на базе ТЭЦ развивается централизованное водяное теплоснабжение, что способствует дальнейшему развитию отопительной техники: вытеснению мелких отопительных котельных, замене паровых систем отопления водяными не только в гражданском, но и в промышленном строительстве, преобладанию насосных систем.

В условиях водяного теплоснабжения широко применяются однотрубные системы отопления, что позволяет уменьшить протяженность труб, повысить расчетную температуру теплоносителя, экономить металл, унифицировать отдельные элементы, благодаря чему повышается степень индустриализации монтажных работ и сокращаются сроки строительства.

Эти прогрессивные изменения в технике отопления нашли отражение в программе и изложении учебного курса для студентов специальности 1208 «Теплогазоснабжение и вентиляция». Учебник «Отопление», являющийся первой частью общего курса «Отопление и вентиляция», вышедшей в 1965 г., значительно переработан и дополнен с учетом введения самостоятельной учебной дисциплины «Строительная теплофизика».

Данный учебник составлен коллективом авторов кафедры отопления и вентиляции Московского инженерно-строительного института им. В. В. Куйбышева. В учебнике заново написаны главы: «Общие сведения об отоплении», «Тепловой режим здания», «Элементы систем центрального отопления», «Водяное отопление», «Воздушное отопление».

Подверглись значительной переработке и дополнению главы: «Паровое отопление», «Панельно-лучистое отопление», «Отопление сельскохозяйственных сооружений». Дополнены главы: «Гидравлический расчет систем водяного отопления», «Регулирование и надежность систем отопления».

Наличие обстоятельной справочной литературы по отоплению, а также непрерывная модернизация оборудования позволили авторам отказаться от подробного описания оборудования, приложения распространенных справочных данных, расчетных таблиц и графиков, за исключением отдельных конкретных сведений, необходимых для примеров и пояснения конструкций и физических явлений.

В конце учебника приводится список основной литературы, в конце каждой главы дается перечень дополнительной литературы для углубленного изучения отдельных вопросов курса.

В учебнике физические величины выражены в международной системе единиц СИ и в единицах, допускаемых к применению наравне с единицами СИ (температура в градусах Цельсия, время в часах, сутках и т. д., частота вращения в оборотах в минуту, работа в киловатт-часах). В скобках приведены значения в системе единиц МКГСС.

Главы I, III, IV, VII, VIII написаны канд. техн. наук, и. о. проф. A. H. Сканави, глава II—д-ром техн. наук, проф. В. H. Богословским, глава VI — канд. техн. наук, доц. В. П. Щегловым, глава XI — канд. техн. наук, доц. А. Г. Егиазаровым. Главы V, IX, X, написанные во втором издании учебника д-ром техн. наук, проф. П. H. Каменевым, пере- работаны и дополнены кандидатами техн. наук доц. H. H. Разумовым (гл. V) и ст. науч. сотр. В. E. Константиновой (гл. IX, X).

Ведущая роль в составлении учебника «Отопление» принадлежит A. H. Сканави, который, помимо разработки структуры и программы, написания основной его части, руководил переработкой и провел общее редактирование всей книги.

Авторы выражают благодарность канд. техн. наук И. С. Шаповалову за ценные советы и замечания, сделанные при рецензировании учебника.

Глава I

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОТОПЛЕНИИ

§ 1. ПРЕДМЕТ КУРСА

Отопление поддерживает в помещении на определенном уровне температуру воздуха и внутренних поверхностей ограждающих конструкций. В помещении обеспечивается тепловой комфорт — оптимальная температурная обстановка, благоприятная для жизни и деятельности людей в холодное время года.

Отопление — один из видов инженерного (технологического) оборудования здания и, кроме того, является отраслью строительной техники. Монтаж стационарной установки отопления производится в процессе возведения здания, ее элементы увязываются со строительными конструкциями и сочетаются с интерьером помещений.

Функционирование отопления характеризуется определенной периодичностью в течение года и изменчивостью использования мощности установки, зависящей прежде всего от метеорологических условий в холодное время года. При понижении температуры наружного воздуха и усилении ветра должна увеличиваться, а при повышении температуры наружного воздуха и воздействии солнечной радиации уменьшаться теплоподача от отопительных установок в помещения. Изменение интенсивности внешнего воздействия на здание может также сочетаться с неравномерным поступлением тепла от внутренних производственных и бытовых источников, что требует дополнительного регулирования действия отопления.

Очевидно, что для создания и поддержания теплового комфорта в помещениях зданий требуются технически совершенные отопительные установки. И чем суровее климат местности и выше требования к обеспечению благоприятных условий в здании, тем более мощным и надежным должно быть отопление.

Состояние воздушной среды в помещениях в холодное время года обусловливается действием не только отопления, но и вентиляции. Отопление и вентиляция совместно обеспечивают в помещениях, помимо температуры, определенные влажность, подвижность, давление, состав и чистоту воздуха. В производственных и сельскохозяйственных сооружениях, во многих гражданских зданиях отопление и вентиляция неотделимы, они взаимно создают требуемые санитарно-гигиенические условия, способствуют снижению числа заболеваний, улучшению самочувствия людей и повышению производительности их труда.

Не только люди, но и животные, птицы и растения, а также сами здания и продукты труда людей требуют для поддержания своего нормального состояния надлежащих температурных условий. Недостаточно отапливаемые здания быстрее разрушаются вследствие нарушения необходимого температурно-влажностного режима их конструкций.

Технологический процесс получения и хранения ряда продуктов, изделий и веществ (точных приборов и ламп, пряжи и тканей, кинопленки и стекла, муки и бумаги и т. д.) требует строгого поддержания заданной температуры помещений.

Итак, отопление вместе с вентиляцией создают в помещении искусственный климат в холодное время года.

Научные основы современной отопительной техники базируются на положениях физики и химии, гидравлики и аэродинамики, теплопередачи, термодинамики и строительной теплофизики. Техника отопления тесно связана также с общестроительной техникой, так как способ отопления в большой мере зависит от конструктивных и архитектурно-планировочных решений зданий.

Курс «Отопление» связан с рядом смежных технических дисциплин и в первую очередь с курсами «Вентиляция и кондиционирование воздуха», «Строительная теплофизика», «Теплоснабжение», «Насосы и вентиляторы», «Котельные установки» и «Газоснабжение». Общие элементы рассматриваются с точки зрения влияния на конструкцию и действие системы отопления.

Техника отопления в СССР развивается в единстве с практикой коммунистического строительства, задачи которого определяют развитие всей советской науки и техники. Специалисты по отоплению участвуют в процессе создания материальных ценностей, способствуя повышению эффективности производства и росту производительности общественного труда для интенсивного развития экономики.

Развитие строительной техники, создание и совершенствование конструкций сборных зданий способствуют изменению конструкций отопительных установок, обеспечивая повышение степени механизации заготовительных работ, сборность и снижение трудовых затрат при монтаже.

В связи с ростом культурного уровня советского народа предъявляются новые требования к тепловому режиму помещений, зависящему от действия отопления, выявляются оптимальные условия деятельности людей в помещениях. Например, для таких зданий массового использования, как учебные заведения, установлена зависимость усвоения слушателями излагаемого материала от температуры воздуха. При отклонении от оптимальной температуры (+220C) до +150C усвояемость снижалась на четверть, а до +30° С — наполовину.

Климат большей части территории нашей страны отличается суровой зимой, схожей лишь с зимой в северо-западных провинциях Канады и на Аляске. Сравним зимние климатические условия в СССР с условиями в других странах (табл. 1.1). Средняя температура января в зарубежных столицах характерна лишь для таких городов Советского Союза, как Бухара и Самарканд, Севастополь и Ялта, отличающихся мягкой и короткой зимой.

На рис. 1.1 приведен график изменения продолжительности стояния одинаковой среднесуточной температуры в Москве, где отопительный сезон длится около семи месяцев B05 суток). Как видно, наибольшая продолжительность стояния температуры в Москве относится к средней температуре отопительного сезона (—3,2°С), входящей в интервал температуры от 0 до —50C. Эта закономерность отмечается в большинстве районов страны.

Продолжительность отопительного сезона невелика лишь на крайнем юге (три — четыре месяца), а на большей части СССР она составляет шесть—восемь месяцев, доходя до девяти (в Архангельской, Мурманской и других областях) и даже до 12 месяцев (в Магаданской области и Якутской АССР).

Суровость или мягкость зимы полнее выражается не длительностью отопления зданий, а значением произведения числа суток действия отопления на разность внутренней и наружной температуры, средней в течение этого периода. Если это число градусо-суток для Москвы принять за 100%, то в Абхазии оно составит 30%, а в Якутии — 220%. Указанные данные свидетельствуют о разнообразии местных условий и значении отопления для нашей страны, где почти каждое здание возводится с отопительной установкой и на отопление расходуется значительная часть (до 7з) добываемого топлива.

Изучение курса «Отопление» предусматривает получение знаний по конструкциям, принципам действия и характерным свойствам различных систем отопления, используемых в современной отечественной отопительной технике, освоение основ проектирования и научных методов расчета и регулирования отопления.

§ 2. ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ОТОПЛЕНИЯ

При действии системы отопления тепло передается от теплового источника в помещение. В помещении, как пространстве с неоднородным полем температуры, возникает теплообмен между отопительными приборами, внутренними и наружными ограждениями и людьми. При этом должна быть создана тепловая обстановка, благоприятная для хорошего самочувствия и продуктивной деятельности людей.

Организм человека непрерывно выделяет некоторое количество тепла, зависящее от интенсивности работы и теплообмена с окружающей средой.

На рис. 1.2 показаны основные теплопотери тела человека ((конвекцией / при нагревании воздуха, излучением 2 и испарением влаги 3 с поверхности кожи) для случая, когда человек не выполняет физическую работу, а также при нормальной влажности и подвижности воздуха в помещении. Как видно, соотношение между величинами, составляющими основные теплопотери, изменяется в зависимости от температуры воздуха (при постоянной температуре поверхности ограждений 2O⁰C). При конвективном отоплении и t_B — 20°C доля теплообмена конвекцией равняется приблизительно 30%, излучением — 50%, испарением влаги — 20%. В зоне более низкой температуры воздуха это соотношение изменяется незначительно, при более высокой температуре значительно усиливается теплообмен испарением влаги. При лучистом отоплении заметно увеличивается теплообмен конвекцией.

Система терморегуляции человека в состоянии поддерживать равенство между тепловыделением и теплопотерей организма в пределах t_в = 14—23 ⁰C (вертикальные пунктирные линии на рис. 1.2). При более низкой или высокой температуре воздуха в теле человека может наблюдаться недостаток или накопление тепла, вызывающие переохлаждение или перегревание организма. Нормальное тепловое состояние человека при этом нарушается, а условия, в которых он находится, называются дискомфортными.

Интенсивность теплоотдачи с поверхности тела человека зависит не только от температуры воздуха t_B, но и от средней температуры τ_п поверхностей ограждений и отопительного прибора, обращенных в помещение, расположение (относительно человека) и размеры которых определяют радиационную температуру помещения t_R. Сочетание этих температур считается комфортным, если большинство людей в помещении положительно оценивает свое физиологическое состояние.

На рис. 1.3 показаны зона теплового комфорта 1, а также зоны переохлаждения 2 и перегревания 3 (кривые линии — границы зон) для человека, находящегося в покое при относительной влажности 55% и умеренной подвижности воздуха. Пунктирная линия отделяет области конвективного (слева вверху) и лучистого (справа внизу) отопления.

Как видно из рис. 1.3, при конвективном отоплении, отличительной характеристикой которого является преобладание температуры воздуха в помещении над средней температурой поверхности ограждений (t_B > τ_п), зона теплового комфорта сужается. При лучистом отоплении, когда средняя температура поверхности ограждений превышает температуру воздуха (τ_п > t_B), эта зона существенно расширяется. При одной и той же температуре воздуха (например, 20° С) ощущения человека в помещении могут характеризоваться оценками «холодно», «нормально» и «жарко» в зависимости от температуры поверхности ограждений.