Классификация тепловых нагрузок
В системах централизованного теплоснабжения по тепловым сетям подается теплота различным тепловым потребителям. Тепловую нагрузку по характеру протекания по времени можно разделить на сезонную и круглогодичную.
Изменения сезонной нагрузки зависят главным образом от климатических условий – температуры наружного воздуха, его влажности, направления и скорости ветра, солнечной радиации и т.п. Основную роль играет изменение температуры наружного воздуха. Сезонная нагрузка имеет сравнительно постоянный суточный график и переменный годовой. К сезонной тепловой нагрузке относятся отопление, вентиляция (зимние нагрузки), кондиционирование воздуха (летняя нагрузка).
К круглогодичной нагрузке относятся технологическая нагрузка и горячее водоснабжение (ГВС). График технологической нагрузки зависит от профиля производственных предприятий и режима их работы, а график нагрузки ГВС - от благоустройства жилых и общественных зданий, состава населения и распорядка его рабочего дня, режима работы коммунальных предприятий. Эти нагрузки имеют переменный суточный график. Технологическая и нагрузка ГВС слабо зависят от времени года.
При проектировании и разработке режима эксплуатации систем централизованного теплоснабжения заключается в определении значений и характера тепловых нагрузок.
Сезонная нагрузка
Цель отопления – поддержание температуры внутреннего воздуха в помещении на заданном уровне. Для этого необходимо сохранение равновесия между тепловыми потерями здания и теплопритоком.
Q = QT + QИ = QО + QTВ (24)
где 
– суммарные тепловые потери здания;
- теплопотери теплопередачей через наружные ограждения;
- теплопотери инфильтрацией из-за поступления в помещение через неплотности наружных ограждений холодного воздуха;
- подвод теплоты в здание через отопительную систему;
- внутренние тепловыделения.
Тепловые потери здания определяют по формуле:
(25)
где 
– коэффициент инфильтрации, представляющий собой отношение теплопотерь инфильтрацией к теплопотерям теплопередачей через наружные ограждения.
Источником внутренних тепловыделений в жилых зданиях обычно являются люди, приборы для приготовления пищи, осветительные приборы. Источник внутренних тепловыделений в промышленных зданиях – тепловые и силовые установки и механизмы (печи, сушила, двигатели и др.) различного рода.
Теплопотери теплопередачей через наружные ограждения, Дж/с, определяются:
(26)
где 
– площадь поверхности отдельных наружных ограждений, м2;
– коэффициент теплопередачи наружных ограждений, Вт/(м2К);
- разность температур воздуха с внутренней и наружной сторон ограждающих конструкций, 0С.
Теплопотери путем теплопередачи через наружные ограждения здания:
(27)
а полные теплопотери с учетом инфильтрации:
(28)
Для жилых и общественных зданий при правильной эксплуатации максимальный коэффициент инфильтрации составляет 3 – 6 %, для промышленных зданий – 25 – 30 %.
Вентиляция. Расход теплоты на вентиляцию предприятий, а также общественных зданий и культурных учреждений составляет значительную долю суммарного теплопотребления объекта. В производственных предприятиях расход теплоты на вентиляцию превышает расход тепла на отопление.
Расход теплоты на вентиляцию определяется по формуле, Дж/с:
(29)
где 
- кратность обмена воздуха, 1/с;
– вентилируемый объем здания, м3;
- объемная теплоемкость воздуха, 1,26 кДж/(м3К);
- температура нагретого воздуха, подаваемого в помещение, 0С;
- температура наружного воздуха, 0С.
Для удобства расчета используют формулу:
(30)
где 
- удельный расход теплоты на вентиляцию;
- наружный объем вентилируемого здания;
- усредненная внутренняя температура, 0С.
Круглогодичная нагрузка
Параметры и расход теплоты для технологических нужд зависят от характера технологического процесса, типа производственного оборудования, общей организации работ и т.д.
Для экономии топливно-энергетических ресурсов необходимо совершенствовать технологические процессы, максимально использовать отработавшую теплоту для технологических целей, а при теплоснабжении от ТЭЦ максимально использовать теплоноситель более низкого потенциала.
Тепловые нагрузки промышленных предприятий задаются технологами на основе соответствующих расчетов или данных тепловых испытаний.
В связи с интенсивным жилищным строительством значительно выросла нагрузка горячего водоснабжения городов. Годовой отпуск теплоты на ГВС жилых районов часто достигает 35 – 40 % суммарного годового расхода теплоты района.
Горячее водоснабжение имеет неравномерный характер, как в течение суток, так и в течение недели. Наибольший расход горячей воды наблюдается в утренние и вечерние часы, из дней недели – в субботу.
Средненедельный расход теплоты бытового ГВС отдельных жилых, общественных и промышленных зданий определяется по СНиП 2.04.07.86 «Тепловые сети», Дж/с:
(31)
где 
- норма расхода горячей воды с температурой 
0С, кг (л) на 1 чел. в сутки;
- расход горячей воды с температурой 0С, кг (л) для общественных зданий;
– количество жителей;
– теплоемкость воды;
- температура холодной воды, при отсутствии данных о температуре ее принимают в летний период равной 15 0С, в отопительный период (зимний) – 5 0С;
- расчетная длительность подачи теплоты на горячее водоснабжение, с/сут;
- коэффициент, учитывающий выстывание горячей воды в абонентских системах горячего водоснабжения.
Рисунок 1 – Суточный график расхода горячей воды в жилом доме
Средний расход теплоты на бытовое ГВС за сутки наибольшего водопотребления:
(32)
где 
- коэффициент недельной неравномерности расхода теплоты.
Рисунок 2 – Суточный график горячего водоснабжения жилого района
Годовой расход теплоты
Для определения расхода топлива, разработки режимов использования оборудования, графика его ремонта и т.д. необходимо знать годовой расход теплоты на теплоснабжение, а также его распределение по сезонам (зима, лето) или по отдельным месяцам. Годовой расход теплоты потребителями района определяется по формуле:
(33)
где 
– годовые расходы теплоты на отопление, вентиляцию, горячее водоснабжение, технологические нужды.
Годовой расход теплоты на отопление:
(34)
где 
- средний расход теплоты за отопительный период, Дж/с;
- продолжительность отопительного периода;
- длительность работы дежурного отопления, с/год или ч/год;
- температура внутреннего воздуха при работе дежурного отопления, 0С;
Средний расход теплоты за отопительный период:
(35)
Где 
- расчетные теплопотери здания при наружной температуре 
;
Годовой расход теплоты на вентиляцию:
(36)
где 
- расчетный расход теплоты на вентиляцию, Дж/с;
- продолжительность отопительного периода с температурой наружного воздуха 
, с/год или час/год;
- длительность отопительного периода, когда вентиляция не работает, с/год или час/год;
- средняя температура наружного воздуха за период от начала отопительного периода 
до 
.
Годовой расход теплоты на горячее водоснабжение:
(37)
где 
– средненедельный расход теплоты на горячее водоснабжение, Дж/с;
- длительность работы системы горячего водоснабжения и продолжительность отопительного периода, с/год или час/год;
– коэффициент, учитывающий изменение средненедельного расхода воды на горячее водоснабжение в неотопительный период по отношению к отопительному периоду.
Годовой расход теплоты на технологические нужды определяется на основе годового графика теплового потребления. При построении годового графика теплового потребления расход теплоты на отопление и вентиляцию определяется по среднемесячным наружным температурам
Для установления экономичного режима работы теплофикационного оборудования, выбора наивыгоднейших параметров теплоносителя, а также для других плановых и технико-экономических исследований необходимо знать длительность работы системы теплоснабжения при различных режимах в течение года. Для этой цели строят графики продолжительности тепловой нагрузки (рисунок 3).
Построение ведется в четырех квадрантах. В левом верхнем квадранте построены графики зависимости от наружной температуры , тепловой нагрузки отопления, вентиляции и суммарной сезонной нагрузки. В нижнем левом квадранте приведена кривая длительности стояния n в течение отопительного периода наружных температур, равных данной температур или ниже.
В нижний правый квадрант переноса значений шкалы из нижнего левого квадранта в верхний правый квадрант.
Рисунок 3 – Построение графика продолжительности сезонной тепловой нагрузки
5 Контрольные вопросы:
1 Как определяется удельная теплопотеря теплопередачей через наружные ограждения при разности внутренней и наружной температур 1 0С? Напишите расчетную формулу и объясните значения входящих в нее величин.
2 Что такое коэффициент инфильтрации? Как он определяется? Почему коэффициент инфильтрации зависит от наружной температуры?
3 Что понимается под расчетными значениями наружной температуры для отопления и для вентиляции 
? Как эти температуры определяются?
4 Как определяется годовой расход теплоты на отопление района? Почему применение дежурного отопления на промышленных предприятиях снижает годовой расход теплоты на отопление?
5 Как определяется годовой расход теплоты на вентиляцию? Напишите расчетную формулу и объясните значения входящих в нее величин.
6 Как определяется годовой расход теплоты на горячее водоснабжение района? Напишите расчетную формулу и объясните значения входящих в нее величин.
7 Как строится годовой график продолжительности сезонной тепловой нагрузки по заданным зависимостям расходов теплоты на отопление и вентиляцию от наружной температуры?
8 Как с помощью графика продолжительности определяется длительность использования тепловой мощности разных источников теплоты, работающих в общей системе?
Список рекомендуемой литературы
1. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. М: Энергоиздат, 1982. 360с.
2. Сафронов А.П. Сборник задач по теплофикации и тепловым сетям. – М: Энергоатомиздат, 1985. – 230с.
Лекция 3 – Системы централизованного паро- и теплоснабжения промпредприятий – 8 часов
План:
1 Классификация систем теплоснабжения
2 Тепловые схемы источников теплоты
3 Схемы водяных систем теплоснабжения
4 Открытые системы теплоснабжения
5 Преимущества и недостатки открытых систем
6 Закрытые системы теплоснабжения
7 Преимущества и недостатки закрытых систем
8 Паровые системы
9 Выбор рационального теплоносителя и системы теплоснабжения
10 Контрольные вопросы
11 Список рекомендуемой литературы