Визначення теплового навантаження споживачами

Сподинюк Н.А.

Львів 2014

Зміст

Вступ____________________________________________________________4

1. Кліматологічні дані місця будівництва______________________________5

2. Технологічно-тепловий розрахунок системи гарячого водопостачання___6

3.Визначення площі геліополя_______________________________________7

4.Розрахунок снігового навантаження опорної конструкції_______________9

5. Підбір і встановлення водонагрівача_______________________________10

6. Підбір і встановлення водогрійного котла __________________________13

7. Розрахунок діаметра труб і циркуляційного насосу___________________14

8. Підбір мембранного розширювального баку_________________________17

9. Гідравлічний розрахунок системи гарячого водопостачання____________18

Висновки _______________________________________________________21

Література_______________________________________________________22

Характеристика установки

Проектується однородинний житловий будинок 6 чол. в м.Рівне , розміром в плані 10600х8900 мм. Запроектовано геліосистему з активним використанням сонячної енергії, а також дублююче джерело тепла.

Сонячний колектор, розміщений на скатному даху з загальною площею геліополя 9,2 м² (кількість колекторів- 4 шт).

Колектори Vitosol 100 типу SH1.

Ємнісний водонагрівач Vitocell-В 100 з об’ємом 1000 л, який виконує функції теплообмінника і подає гарячу воду до споживачів, гарячу воду на систему опалення, здійснює теплообмін між теплоносієм геліоконтуру і теплоносієм контуру споживача.

Водогрійний котел серії Vitodens 300 типу DB_5829_304-1_05-2005_WB3A_GUS потужністю 12.2-66 кВт, який нагріває теплоносій до потрібної температури для здійснення опалення в будинку.

Допоміжний елемент системи – циркуляційний насос Willo-Star-ST,

який забезпечує циркуляцію системи з урахуванням загальної витрати і втрат тиску в системі.

Діаметри з’єднувальних труб 15х1 мм . Для вилучення пари з системи в робочій фазі та для передбачення підвищення надлишкового тиску в системі встановлюємо розширювальний бак, об’ємом 25 л.

Обладнання розміщується таким чином:

- водогрійний котел, а також водонагрівач і циркуляційні насоси розміщені в допоміжному приміщенні;

- розширювальний бак - в допоміжному приміщенні;

- подаючий і зворотній трубопроводи прокладаються над підлогою горища

Дана установка характеризується цілорічним використанням з дублюючим джерелом тепла , використовується для опалення будинку , забезпечує ГВ мешканцям будинку.

1.КЛІМАТОЛОГІЧНІ ДАНІ МІСТА БУДІВНИЦТВА.

Місто будівництва – Херсон. Виписуємо з [1] такі розрахункові параметри зовнішнього повітря:

- розрахункова географічна широта 48° пн.ш;

- барометричний тиск 1010 гПа;

- температура зовнішнього повітря:

абсолютно мінімальна -32 °С;

абсолютно максимальна 39°С;

середня максимальна найбільш гарячого місяця 29,4°С;

найбільш холодної доби забезпеченістю 0,92 -23°С;

найбільш холодної п'ятиденки забезпеченістю 0,92 -19 °С;

середня температура опалювального періоду 0,6 °С;

- тривалість опалювального періоду 167 діб;

- кількість градусо-діб обігрівального періоду, г-д 2906 г-д

За кількістю градусо-діб визначаємо температурну зону

- м. Херсон - III температурна зона України;

Згідно [2] виписуємо для м. Херсон прихід сонячної радіації (пряма + розсіяна) на горизонтальну поверхню по місяцях МДж/м².

Таблиця 1. Середня кількість тепла, що поступає від сонячної радіації.

Місяць

III

VII

VIII

XII

сумарна

пряма

розсіяна

Згідно [5] виписуємо снігове навантаження для м. Харків

- максимальне снігове навантаження 900 Па;

- середнє снігове навантаження 212 Па.

Таблиця 2. Максимальне снігове навантаження по місяцях.

Місяць	Максимальне снігове навантаження Sо,Па

2.ТЕХНОЛОГІЧНО-ТЕПЛОВИЙ РОЗРАХУНОК СИСТЕМИ ГВ.

Розрахунок системи гарячого водопостачання за допомогою

водяних геліоустановок проводиться в наступній послідовності:

Визначення теплового навантаження споживачами.

В загальному вигляді теплове навантаження визначається із

Залежності

; кВт

де Q - потрібна кількість тепла, кВт;

с-теплоємність води, с = 4,187 кДж/(кг х ⁰С);

m - норма споживання води на технологічні потреби, кг/год,

оскільки у нашому житловому будинку немає технологічного виробництва,

то m = 0 кг/год;

п - кількість об’єктів, шт;

mj - норма споживання води на побутові потреби одною людиною, л/добу,

приймаємо mj =80 л/добу на одну людину;

n -кількість людей, що користуються гарячою водою, приймаємо n =6 люд;

t_к , -кінцева температура води і-го (j-го) споживача, приймаємо t_к= 55°С;

t_n -початкова температура води i-го (jго) споживача, приймаємо t_n =5 °С:

Q=80*6*4,187*(55-5)/3600*24=1,163

3. ВИЗНАЧЕННЯ ПЛОЩІ ГЕЛІОПОЛЯ.

Після визначення теплового навантаження, враховуючи призначення геліоустановки, прихід сонячної радіації,коефіцієнт корисної дії установки визначаємо площу геліополя за формулою:

де F- потрібна площа геліополя, м²,

Q -потрібна кількість теплоти на гаряче водопостачання, кВт,

n-коефіцієнт корисної дії геліосистеми,

Qпод - прихід теплоти (сонячної радіації) на 1м² похилої поверхні геліополя, кВт, обчислюється за формулою:

,Вт/м2

де q_п- попадання прямої радіації на горизонтальну поверхню,

Вт/м²,

Р^п-коефіцієнт перерахунку прямої радіації на похилу поверхню (залежить від широти місцевості, де встановлюється геліосистема, кута нахилу геліополя до горизонту, годинного кута заходу сонця до горизонту). Середньомісячні значення Р вказані в таблиці 2 [1],

q_р- попадання розсіяної радіації на горизонтальну поверхню,

Вт/м²,

р^р - коефіцієнт перерахунку розсіяної радіації на похилу поверхню,

p^р=cos²a/2,

А_ж-льбедо (коефіцієнт відбивання поверхні), приймаємо рівним

0,2,

рв -коефіцієнт перерахунку відбитої радіації на похилу поверхню,

P_в = sina/2

a- кут нахилу геліополя до горизонту.

Результати обчислень заносимо у таблицю 3.

Таблиця 3. Необхідна площа колекторів по місяцях.

	місяць	qⁿ,Вт/м²	Pⁿ	q^р,Вт/м²	Рв	Р^р	Аж	Q_над, Вт	F, м²
І	січень		2,86		0,146	0,853	0,2	71,1	22,7
ІІ	лютий		1,99		0,146	0,853	0,2		17,9
ІІІ	березень		1,49		0,146	0,853	0,2		12,7
ІV	квітень		1,17		0,146	0,853	0,2	150,6	10,7
V	травень				0,146	0,853	0,2	180,9	8,9
VI	червень		0,92		0,146	0,853	0,2	197,7	8,2
VII	липень		0,95		0,146	0,853	0,2	189,2	8,5
VIII	серпень		1,08		0,146	0,853	0,2	175,4	9,2
IX	вересень		1,33		0,146	0,853	0,2	150,7	10,7
X	жовтень		1,74		0,146	0,853	0,2	106,3	15,2
XI	листопад		2,47		0,146	0,853	0,2	57,2	28,2
XII	грудень		3,27		0,146	0,853	0,2	54,8	29,5

Вибираємо площу геліополя, тобто мінімальне значення із отриманого ряду площ, оскільки проектована геліоустановка працюватиме цілорічно, з дублюючим джерелом тепла :

Приймаємо мінімальну площу геліополя F=F^VI =8,2 м²

n= 8,2 /2,3 = 3,57≈ 4шт.

Проектуємо 4 колекторів Vitosol 100 типу SH1

Ширина-2380 мм; Площа брутто -2,51 м²

Висота-1056 мм; Площа поглинання – 2,3 м²

Глибина- 90 мм.

4. РОЗРАХУНОК СНІГОВОГО НАВАНТАЖЕННЯ НА ОПОРНУ КОНСТРУКЦІЮ.

Снігове навантаження обчислюється за формулою:

H=S₀• F + M_кол*n, Н,

де So - снігове навантаження, Н/м², приймаємо згідно [5],

F = (X • У)-проектована площа, м²,

M_вант,-маса вантажу, Н, (561 кг=5610 H)

M_кол-маса колектора, Н.

n- кількість колекторів

Результати розрахунку заносимо в таблицю 4.

Таблиця 4. Снігове навантаження на конструкції

	місяць	F,м²	S_0, Н/м²	M_кол, Н	H, Н
І	січень	8,2
ІІ	лютий	8,2
ІІІ	березень	8,2
IV	квітень	8,2
XI	грудень	8,2

XII

січень

8,2

5.ПІДБІР І ВСТАНОВЛЕННЯ ВОДОНАГРІВАЧА

Визначення об’єму ємності водонагрівача:

, л

- потреба в гарячій воді , л/добу на 1-у людину;

- температура води в місці водорозбору;

- температура холодної води;

P – кількість людей;

-температура гарячої води в ємнісному водонагрівачі;

, л

До встановлення приймаємо сталевий ємнісний водонагрівач Vitocell 100 V тип CVA об’ємом 1000 л.

Основні переваги:

Місткісний водонагрівач із двома нагрівальними спіралями для бівалентного нагріву.

Сталева місткість із внутрішнім емалевим покриттям Ceraprotect для захисту від корозії. Додатковий електродний захист через магнієвий анод. Захисний анод постачають як додаткове приладдя.

Високий комфорт за допомогою швидкого нагріву води рівномірно по всьому об’єму через нагрівальні спіральні поверхні великого розміру.

Малі втрати тепла завдяки високоефективній теплоізоляції.

Технічні дані:

Для приготування гарячої води (при суміщенні з водогрійними котлами та сонячними установками)	Придатний до встановлення з: -темп. гріючого контуру до 160 С -темп. теплоносія сонячної установки до160 С -температурним налаштуванням водорозбірногго контуру ГВ до 95 С -надлишковий робочий тиск в гріючому і водорозбірному контурі ГВ до 10 бар - надлишковий робочий тиск в контурі теплоносія соняної установки до 10 бар
Об”єм водонагрівача	1000 л
Змієвик гріючого контуру
Тривала продуктивність 90 квт, л/с (при підігріві води в контурі 80 квт, л/с водорозбору ГВ з 10 до 45 С і 70 квт, л/с темп. гріючого контуру при 60 квт, л/с нижчеприведеній витраті теплоносія) 50 квт, л/с	123, 3022 99 , 2432 75 , 1843 53 , 1302 28 , 688
Тривала продуктивність 90 квт, л/с (при підігріві води в контурі 80 квт, л/с водорозбору ГВ з 10 до 60 С і 70 квт, л/с темп. гріючого контуру при нижчеприведеній витраті теплоносія)	102 , 1754 77 , 1324 53 , 912
Витрата теплоносія м3/год (для вказаної продуктивності)	5,0
Максимальна під”єднувальна поща поглинача Vitosol 100 м2	28,1
Теплоізоляція	Жорсткий пінопоуліретан
Витрата теплоти на підтримання готовності (при різниці темп. 45 К) кВт*год/24год	33,7
Розміри: Довжина з теплоізаляцією мм без теплоізоляції мм Загальна ширина з теплоізаляцією мм без теплоізоляції мм Висота з теплоізаляцією мм без теплоізоляції мм

6.ПІДБІР і ВСТАНОВЛЕННЯ ВОДОГРІЙНОГО КОТЛА

За необхідною потужністю приймаємо до встановлення наднизькотемпературний водогрійний котел Vitodens 300 для природнього газу .

Основні переваги:

Газовий конденсаційний водогрійний котел у настінному виконанні (6,6 – 66 кВт).

Використовуючи каскадний контролер Vitotronic, можна об'єднати до чотирьох Vitodens 300 в єдину теплоцентраль потужністю до 264 кВт.

Нормативний ККД: до 98%.

Поверхні нагріву Inox-Radial з нержавіючої сталі: ефективно та надійно.

Вкрай низькі показники шкідливих викидів модульованого газового пальника MatriX-compact.
Завдяки цьому вимоги стандарту "Блакитний янгол" дотримані з великим запасом.  Надзвичайно тихий у роботі, ідеальний для житлових помешкань.

· Полегшення монтажу й уведення в експлуатацію: всі пальники фірми Viessmann проходять цикл комп'ютеризованих вогневих випробувань. Своїми параметрами вони оптимально узгоджені з котлом.

· Регулятор Vitotronic автоматично налаштовує котел відповідно до зовнішніх чинників. Температура в приміщенні регулюється залежно від погоди надворі. Перехід на зимовий та літній час здійснюється автоматично.

Характеристика котла

Таблиця 5

Тип Ідентифікатор виробу Розміри котлового блоку: Довжина Ширина Висота Маса котлового блоку Загальна маса водогрійного котла з теплоізоляцією, пальником і контролером котлового контуру Об”єм котлової води Допустимий надлишковий робочий тиск Показники викидних газів темп. котлової води 40 С темп. котлової води 75 С Масовий потік у випадку легкого котельного палива чи газу Патрубок вівідних газів (dзов) Об”єм газу у водогрійному котлі Опір на стороні паливникових газів Необхідний напір

DB_5829_304-1_05-2005_WB3A_GUS 1203 мм 550 мм 916мм 195 кг 241 кг 118 л 3 мбар 145 С 165 С 56 кг/год 130 мм 78 л 0,1 мбар 0,05 мбар

7.РОЗРАХУНОК ДІАМЕТРІВ ТРУБ І ЦИРКУЛЯЦІЙНОГО НАСОСА

Гідродинамічний опір сонячної установки складається з:

■ опору колекторів;

■ опору трубопроводів;

■ опору теплообмінника у ємнісному водонагрівачі.

Повний гідродинамічний опір визначається наступним чином:

при послідовній схемі встановлення колекторів: повний гідродинамічний опір рівний сумі місцевих гідродинамічних опорів,

при паралельній схемі встановлення колекторів: повний гідродинамічний опір рівний місцевому гідродинамічному опору (припускається, що всі місцеві гідродинамічні опори рівні),

Для послідовно розташованих 4 колекторів Vitosol 100 типу SH1 із загальною площею 8,2м², підбираємо діаметри труб згідно [3]. При площі колектора 9,2 м², об’ємна витрата становить 402 л/год=6,7 л/хв. =0,402м³/год; необхідний діаметр труб 22*1 мм.

Об’ємна витрата одного колектора 2,2 л/хв. отже згідно діаграми с.26[3], гідродинамічний тиск одного колектора Vitosol 100 типу SH1,

р=400мбар, а гідродинамічний тиск 4 паралельно з’єднаних колекторів

DP₁=400*4=1600 мбар.

Згідно діаграми на с.44[3], гідродинамічний тиск подаючого і зворотного трубопроводів теплоносія сонячної установки (на 1м трубопроводу) становить

р= 12,0мбар.

Отже, загальний гідродинамічний тиск подаючого і зворотнього трубопроводів по всій довжині

DP₂= 16,2*12=194,4 мбар.

Сумарні втрати тиску в системі становлять:

DP=DP1+DP2=800+194,4=994,4 мбар =9,9 м.вод.ст.

Розрахунок циркуляційного насосу

При відомій витраті і втратам тиску всієї установки, за характеристиками насосів вибираємо тип насосу. Рекомендовано до встановлення насоси з регульованою частотою обертання, яку можна змінювати в залежності з вимогами установки.

Для монтажу вибираємо насос фірми Grundfos призначений для геліотермічних систем серія Grundfos -Solar 25-120

Технічні дані геліо насоса Grundfos -Solar 25-120:
Геліонасос типу Grundfos -Solar

Максимальний напір 11,6 м.в.ст

Максимальна витрата - 3 м³/год

Температура рідини - від -20 до +110 С

Робочий тиск - 10бар

Конструкція/Виконання - не потребує техобслуговування

- вмонтований регулятор частоти обертання

- теплоізоляційний кожух

- автоматичний режим “день/ніч”

- електронний контроль безвідмовної роботи

8. ПІДБІР МЕМБРАННОГО РОЗШИРЮВАЛЬНОГО БАКУ

Номінальний об’єм мембранного розширювального баку розраховуємо за формулою:

V_N=(V_v+V₂+z*V_k)*(Рe+1)/(Р_e-(Р_st+0,5))

де V_N -номінальний об’єм баку, л;

V_v -об’єм запобіжного водяного затвору (теплоносія), л;

V_v =V_A *0,005л

V_A - наливний об’єм всієї установки, л

V_A=1,5*4*2,48+0,3142*16,2=19,97 л

V_v =0,005*19,97=0,1 л,

V₂ -збільшення об’єму при підігріві установки,

V₂=V_А*B,

B-коефіцієнт розширення (для установки фірми Viessmann при нагріві теплоносія від -20 до 120°С) B=0,13

V₂ =19,97*0,13 = 2,6 л,

Р_e -допустимий кінцевий надлишковий тиск, бар;

Р_e = Р_si -0,1 Р_si,
p_sl –тиск спрацювання запобіжного клапану, приймаємо 6 бар,

р_е =6-0,1*6 = 5,4бар,

p_st -надлишковий тиск азоту на вході в розширювальний бак, бар,

р_st = 1,5 + 0,1 • h = 1,5 + 0,1 • 5,4 = 2,04 бар,

h -статична висота установки, м,

z-число колекторів, шт,

V_K -об’єм колектора, л ( для колектора Vitosol 100 v_K =3л),

отже,

V_N=(0,1+2,6+4*2,48)(5,4+1)/(5,4-(2,04+0,5))=28,3 л

Приймаємо розширювальний бак з такими характеристиками:

Таблиця 2

Об’єм, л	Надлишковий робочий тиск, бар	а, мм	b, мм	Підключення, R	Маса, кг
				¾	15,0

9.ГІДРАВЛІЧНИЙ РОЗРАХУНОК СИСТЕМИ ГАРЯЧОГО ВОДОПОСТАЧАННЯ

Метою гідравлічного розрахунку подавальних трубопроводів системи ГВ є визначення таких діаметрів трубопроводів , які б забезпечили подачу розрахункової витрати води до найвіддаленішої та високорозташованої точки водорозбору.

Гідравлічний розрахунок системи гарячого водопостачання виконуємо у табличній формі. Швидкість руху води в подаючих трубопроводах і стояках приймаємо не більше 1,5 м/с, а в підводках до водорозбірних приладів не більше 2,5 м/с, згідно [4].

Максимальна витрата гарячої води на ділянці визначається за формулою:

де - секундна витрата гарячої води одним приладом, л/с, приймаємо згідно дод.З

a- коефіцієнт, який приймається згідно дод.4 [6], залежно від загального числа приладів на розрахунковій ділянці і ймовірності їх дії.

Ймовірність дії водорозбірних приладів системи гарячого водопостачання будинку визначаємо за формулою:

- норма витрати гарячої води в годину найбільшого споживання, л, приймаємо згідно дод.З [6],

-секундна витрата гарячої води, л/с, приймаємо згідно дод.З

U-кількість мешканців, чол.,

N - кількість водорозбірних приладів, шт.,

Розрахункова витрата гарячої води з врахуванням циркуляційної витрати:

, л/с

q^h -витрата води на ділянці, л/с,

к_сirкоефіцієнт, який приймається: для водонагрівачів і початкових ділянок системи до першого водорозбірного стояка по дод.5 [6], для всіх інших ділянок рівним 0.

Втрати тиску на окремих ділянках трубопроводів системи гарячого водопостачання визначаємо за формулою:

R- питомі втрати тиску на тертя при розрахунковій витраті q на ділянці, Па/м, приймаємо згідно [6],

l-довжина ділянки трубопроводу, м,

к_l - коефіцієнт, що враховує співвідношення втрат тиску на ділянці в місцевих опорах і на тертя.

Втрати напору на ділянці:

r = 998.5кг/м³- густина води при t =55°c.

Результати розрахунку заносимо в таблицю 7.

№ діл.

N, шт.

, л/с

, л/с

Кст2, л/с

, л/с

dy, мм

R, Па/м

l,м

W, м/c

k_l

DP, Па

DH, м.вод.ст.

1-2

0,014

0,2

0,007

13,6

0,064

0,1

0,33

2-3

0,014

0,028

0,233

0,2

0,233

1,04

0,98

0,2

0,27

3-4

0,014

0,042

0,259

0,2

0,259

4,55

1,09

0,2

1,46

4-5

0,014

0,084

0,323

0,2

0,323

0,5

1,36

0,2

0,25

∑ΔН=2,31м

Розрахункова схема системи ГВ

ВИСНОВОК

У житловому будинку, який знаходиться у м. Херсоні , запроектовано геліосистему з активним використанням сонячної енергії. Система розрахована для круглорічного використання на гаряче водопостачання.

Мінімальна необхідна площа геліополя припадає на місяць з максимальним приходом сонячної радіації на поверхню землі. Згідно технологічно-теплового розрахунку мінімальна необхідна площа геліоколекторів становить F =9,2 м². Так як в цілях економії коштів ми підбираємо геліоколектор по мінімальній площі, в зимовий період в якості дублюючого джерела буде використовуватись газовий котел.Згідно площею колекторів і витратою ми визначили діаметри з’єднувальних труб, що становлять 22x1 мм.

Для видалення повітря із геліоконтуру і запобігання перевищення тиску розраховано один мембранний розширювальний бак, який розташований на зворотній лінії, об’ємом 40л.

Водорозбір гарячої води здійснюється 6-ма водорозбірними приладами.

Згідно відповідних розрахунків приймаємо до встановлення таке основне обладнання:

Сонячний колектор розташований на скатному даху над південним фасадом. Кількість колекторів 4, загальна площа геліополя F=9,2m². До встановлення прийнято колектори Vitosol 100 тип SH1.

Ємнісний водонагрівач Vitocell 100 V тип CVA об’ємом 1000 л. , який виконує функції теплообмінника і подає гарячу воду до споживача, здійснюючи теплообмін між теплоносієм геліоконтуру і теплоносієм контуру споживача.

Газовий конденсатний модуль у настінному виконанні серії Vitodens 300 . Також він виступає дублюючим джерелом в період коли потужності геліоустановки не буде вистачати на потреби ГВ. Допоміжним елементом системи є циркуляційний насос Grundfos -Solar 25-120, який забезпечує циркуляцію теплоносія в системі з урахуванням загальної витрати і втрат тиску в системі.

ЛІТЕРАТУРА

1.СНиП 2.01.01-82. Строительная климатология и геофизика.-М.: Стройиздат, 1983.

2. С.С.Жуковський, В.Й.Лабай. Системи енергопостачання і забезпечення мікроклімату будинків та споруд.

3. VIESMANN Vitosol. Інструкція по проектуванню,- 2000.

4. Внутренние санитарно-технические устройства. Часть2. Водопровод и канализация /Ю.Н.Саргин, Л.И.Друскин, И.Б.Покровская и др.; Под ред. И.Г.Староверова и Ю.И.Шиллера.-М.: Стройиздат, 1990.-247.

5. Р.Кінаш, О.Бурнаєв. Снігове навантаження в Україні. Видавництво науково-технічної літератури. 1997.

6. СНиП 2.04.01-85. Внутренний водопровод и канализация зданий/ Госстрой СССР.-М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986.

7. Каталог фірми VIESMANN

8. Каталог Grundfos