Коэффициент теплового расширения

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.

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.

Теплофизические свойства алюминиевых сплавов АМц, АМг, Д16, АК и др.

В таблице представлены состав и теплофизические свойства алюминиевых сплавов для нагартованного, закаленного и отожженого состояний сплава:

плотность сплавов, кг/м3;
коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град);
коэффициент линейного теплового расширения, 1/град;
удельное электрическое сопротивление, Ом·м.

Теплофизические свойства представлены для следующих сплавов алюминия: А, АМц, АМг, Амг1, АМг5, АВ, Д18, Д1, Д16, АК8, АК4, 32S, В95. Свойства сплавов даны при комнатной температуре, за исключением коэффициента теплового расширения (КТР), который указан для интервалов температуры 20-100, 20-200 и 20-300°С.

Поразмышляем

Представьте, что перед вами расположен прямоугольный металлический лист с круглым отверстием посредине. Если металл нагреть, то кусок увеличится из-за теплового расширения. Но что будет с отверстием? Хорошо, давайте возьмем точно такой же лист без отверстия. Нарисуйте на нем круг. Что вы видите? Да, он стал больше. Поэтому и отверстие также увеличится.

С ростом температурного показателя объекты расширяются во всех направлениях. На чертежах видно, что сплошные линии и расширенные границы с пунктирами отмечают исходные границы тел. (а) – Площадь возрастает, потому что растут длина и ширина. (b) – Если убрать заслонку, отверстие увеличится с повышением температуры

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 × (Т_х - Т_y) / 1000

Обозначение	Параметр
V	Объём теплового носителя в отопительной системе
Т_х	Показатели температурного режима нагретого теплоносителя (60-65оС)
Т_y	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.

Расширение в жидкостях

Теоретически коэффи ц ие нт линейного расширения можно определить из показателей объемного расширения (α V ≈ 3α L). Для жидкостей α L рассчитывается экспериментального определения α V. Жидкости, отличие от твердого тела, не имеют формы и формы емкости. Следовательно, жидкости не имеют стандартной толщины и площади.

Жидкости обычно расширяются при нагревании. Однако вода является исключением из этого общего поведения: ниже 4 ° C она сжимается при нагревании. При более высокой температуре он показывает нормальное положительное тепловое расширение. Тепловое расширение жидкостей обычно выше, чем у твердых тел из-за слабых межмолекулярных сил, присутствующих в жидкостях.

Тепловое расширение твердых тел обычно мало зависит от температуры, за низкие температуры, тогда как жидкости расширяются с разной скоростью при разных температурах.

Кажся и абсолютное расширение жидкости

Расширение жидкости обычно измеряется в контейнерах. Когда жидкость расширяется в сосуде, сосуд расширяется вместе с жидкостью. Следовательно, наблюдаемое увеличение объема жидкости. Расширение жидкости называется ее кажущимся расширением, фактическое расширение жидкости называется реальным расширением или абсолютным расширением. Отношение видимого увеличения жидкости на единицу повышения к исходному объему.

При небольшом и одинаковом повышении температуры увеличения объема жидкости (реальное расширение) жидкости равно сумме видимого увеличения (кажущегося расширения) жидкости и увеличения объема жидкости. вмещающий сосуд. Таким образом, жидкость имеет два коэффициента расширения.

Измерение расширения жидкости также должно быть расширение емкости. Например, когда колба с длинным узким стержнем, помещается в тепловую баню, высота столба жидкости в стержне сначала падает, а сразу же помещается на эту высоту. пока вся система колба, жидкость и тепловая баня не прогреется. Первоначальное падение высоты столба жидкости происходит не из-за начального сжатия жидкости, а скорее из-за расширения колбы, когда она первой соприкасается с термостатом. Вскоре после этого жидкость в колберевается самой колбой и начинает расширяться. Увеличение объема жидкости в колбе приводит к повышению уровня жидкости в колбе. Прямое измерение высоты столба жидкости – это измерение кажущегося расширения жидкости. Абсолютное расширение жидкости – это кажущееся расширение с поправкой на расширение вмещающего резервуара.

Аномалии

Наиболее известным случаем дилатометрической аномалии является аномалия воды , которая проявляет особое поведение в жидкой фазе между ° C и + 4 ° C : когда температура увеличивается в этом интервале, вода сжимается, ее массовый объем уменьшается, что соответствует отрицательному коэффициенту теплового расширения. Это явление принято называть «водным парадоксом».

Однако другие материалы имеют отрицательный коэффициент теплового расширения:

вольфрамат циркония, α-ZrW ₂ O ₈, сжимается при повышении температуры от -272,85 ° C до 777 ° C , температуры, при которой материал разлагается. Это явление также наблюдалось для других членов семейства AM ₂ O _8. (A = Zr или Hf и M = Mo или W);
германат меди и железа Cu ₂ Fe ₂ Ge ₄ O ₁₃, моноклинная и состоящая из цепочек октаэдров FeO ₆зигзагообразные по направлению b , разделенные в направлении a димерами квадратных плоскостей CuO ₄, имеет отрицательный коэффициент теплового расширения в диапазоне от -233,15 ° C до -73,15 ° C , в то время как в других направлениях коэффициент теплового расширения положительный. Считается, что это низкотемпературное тепловое сжатие происходит из-за магнитного отталкивания между ионами Cu 2+ внутри димеров;
борат стронция и меди SrCu ₂ (BO ₃ ) ₂, квадратные и состоящие из гофрированных слоев Cu ₂ (BO ₃ ) ₂в плоскости ( , б ) , разделенной вдоль с атомами стронция, имеет отрицательный коэффициент термического расширения в направлении с между 76.85 ° C и 121.85 ° C . Этот материал претерпевает структурный фазовый переход второго рода при 121,85 ° C : выше этой температуры слои Cu ₂ (BO ₃ ) ₂становятся плоскими, занимая меньше места в перпендикулярном направлении c , что объясняет отрицательный коэффициент теплового расширения;
libethenite Cu ₂ PO ₄ (ОН)уменьшается в направлении с при повышении температуры от 500 ° C , предшественник обезвоживания материала заканчивается при 580 ° C .

Таким образом, отрицательный коэффициент теплового расширения может быть вызван несколькими причинами. Одним из возможных применений материалов с отрицательным тепловым расширением в технике является разработка композиционных материалов, смесей материалов с положительными и отрицательными коэффициентами α, которые имели бы нулевое общее тепловое расширение.

Расчет тепловой нагрузки

Необходимость соблюдения всех стандартов безопасности и надежности крайне важна при проектировке объектов, однако не менее важным является и расчет тепловой нагрузки здания.

Зачем нужен расчет тепловой нагрузки при проектировании здания

Данная операция позволит узнать, сколько топлива необходимо отопительной системе для работы, грамотно определиться с источником тепла и рассчитать теплопотери по всей системе.
Сразу стоит отметить, что расчет тепловой нагрузки на отопление позволяет узнать, какую теплоту дают все отопительные приборы. Вся эта информация разрешает сэкономить большие суммы в сравнении с отопительными системами, расчет которых выполнен неграмотно.

Прежде всего, стоит определиться с тем, какие объекты отопления должны подвергаться расчету. К таким объектам относятся:

Система общего отопления;
Напольный обогрев (при его наличии);
Вентиляционные приборы;
Система нагрева воды;
Прочие объекты, требующие подключения к отопительной системе, например, бассейны.

Помимо этого, на расчет тепловой нагрузки могут повлиять и самые мелкие предметы и объекты, на которых возможна потеря тепла.

Порядок проведения расчета

Нужно отметить, что все производимые расчеты необходимо выполнять в соответствии с ГОСТом и строительными нормами. Для всех систем имеется общий список параметров, которые обязательно нужно рассчитать. Такими параметрами являются:

Потери тепла на наружных ограждениях. Данный параметр позволяет подобрать оптимальную температуру для каждого помещения;
Количество мощности, которая пойдет на систему горячего водоснабжения;
Если нужна установка дополнительной вентиляционной системы, то расчет необходимого для нагрева циркулирующего в ней воздуха тепла также обязателен;
При наличии бассейна или бани производится расчет количества тепла, требуемого для обогрева этих объектов;
В случае, если в дальнейшем планируется расширение отопительной системы, то расчет тепловой нагрузки здания также должен быть проведен.

Крайне важным также является знание того, как распределяются потоки тепла по помещению для каждого обогревательного объекта

Важность данных знаний заключается в том, что позволяет максимально точно подобрать необходимые для отопительной системы элементы

Ключевые моменты каждого из типа тепловой нагрузки

Строители разделяют несколько видов нагрузок. Каждый вид имеет свои особенности, которые необходимо разобрать.

Прежде всего, выделяют сезонную нагрузку. Ее особенностью является то, что на протяжении года температурные режимы вне помещения изменяются, а тепловые расходы рассчитываются в зависимости от климатических условий места, где расположено здание.

На втором месте стоит расчет тепловой нагрузки на отопление в течение года. Так как большинству отечественных построек свойственна именно данная нагрузка, то изменения на протяжении года не критичны, однако в летнее время нагрузка становится меньшей примерно на 30 процентов.

Существуют еще два параметра, которые также должны быть учтены при расчете – скрытое и сухое тепло. Первый параметр характеризует потери тепла при конденсации и прочих испарениях. Расчет на сухое тепло проводится с учетом количества окон, дверей, параметров вентиляционной системы и возможных потерь на щелях стен.

Преимущества обращения к профессионалам при расчете тепловых нагрузок

Безусловно, провести расчет тепловой нагрузки возможно и самостоятельно, однако это большой риск, так как велика вероятность допустить ошибку. Множество различных параметров, необходимость учета потерь на всех возможных объектах отопления и общая сложность всех расчетов способна отпугнуть неопытного человека. Именно в таких случаях необходима помощь опытного специалиста. Наша компания способна произвести максимально точный расчет и в кратчайшие сроки подобрать самое оптимальное оборудование, при этом стоимость и качество приятно порадуют.

Обращайтесь за консультацией по указанным на сайте телефонам или онлайн.

Пример перерасчета и уменьшения тепловых нагрузок

Далее мы рассмотрим пример реального уменьшения тепловых нагрузок и затрат на отопления на одном из выполненных нами объектов.

Объект №1 – помещение коммерческого назначения

Помещение коммерческого назначения на первом этаже пяти-этажного здания в Москве.

Основные данные по объекту:

Адрес объекта	г. Москва
Этажность здания	5 этажей
Этаж на котором расположены обследуемые помещения	1-й
Площадь обследуемых помещений	112,9 м2
Высота этажа	3,0 м
Система отопления	Однотрубная
Температурный график	95-70 оС
Расчетный температурный график для этажа на котором находится помещение	75-70 оС
Тип розлива	Верхний
Расчетная температура внутреннего воздуха	+ 20 оС
Отопительные радиаторы, тип, количество	Радиаторы чугунные М-140-АО – 6 шт. Радиатор биметаллический Global (Глобал) – 1 шт.
Диаметр труб системы отопления, мм	Ду25
Длина подающего трубопровода системы отопления, м	L = 28,0 м.

Горячее водоснабжение и вентиляция на данном объекте отсутствовали.

Договорные тепловые нагрузки составляли 0,02 Гкал/час или 47,67 Гкал/год.

Расчет теплопередачи установленных радиаторов отопления с учетом потерь в трубопроводах и способа установки составил 0,007454 Гкал/час.

Максимальный часовой расход на отопление в трубопроводах составил 0.001501 Гкал/час.

В итоге, максимальный часовой расход на отопление составил 0,008955 Гкал/час или 23 Гкал/год.

Годовая экономия = 47,67 – 23 = 24,67 Гкал/год.

При средней стоимости Гкал 1,7 тысяч рублей, годовая экономия на отоплении для объекта площадью 112 м. кв. составила 42 тысячи рублей.

Коэффициент термического расширения

Коэффициент теплового расширения (Y) определяется как радиус изменения, через который прошел материал из-за изменения его температуры. Этот коэффициент представлен символом α для твердых тел и β для жидкостей и соответствует Международной системе единиц.

Коэффициенты теплового расширения различаются, когда дело касается твердого тела, жидкости или газа. У каждого есть своя особенность.

Например, можно увидеть расширение твердого тела по длине. Объемный коэффициент – один из самых основных для жидкостей, и изменения заметны во всех направлениях; Этот коэффициент также используется при расчете расширения газа.

Как рассчитывается тепловая нагрузка на систему отопления здания

Введение