Wprowadzenie do ogrzewnictwa.pdf

(677 KB) Pobierz
dr inż. Michał Strzeszewski
Instytut Ogrzewnictwa i Wentylacji
Politechnika Warszawska
Wprowadzenie do ogrzewnictwa
Materiały do wykładów v. 1.0 – 2004 r.
Spis treści:
1 Cel materiału
Celem niniejszego materiału jest ogólne przedstawienie tematyki ogrzewnictwa i stosowane-
go systemu pojęć. Czytelnik powinien wyrobić sobie obraz całości dziedziny, co ułatwi mu
później zrozumienie treści, omawianych na kolejnych zajęciach.
2 Wprowadzenie
Zadaniem instalacji ogrzewczych jest stworzenie warunków, możliwie dobrze odpowiadają-
cych potrzebom cieplnym ludzi lub procesów technologicznych. Wymagane warunki (przede
wszystkim temperatura) zależą od przeznaczenia danego pomieszczenia. Inne są w pomiesz-
czeniach mieszkalnych, inne na klatkach schodowych, a inne np. w magazynach. Generalnie
system grzewczy wytwarza w pomieszczeniu warunki cieplne, odmienne od panujących na
zewnątrz. Cel ten jest realizowany poprzez dostarczenie odpowiedniej ilości ciepła, równo-
ważącego straty ciepła przez przenikanie oraz dodatkowo umożliwiającego ogrzanie powie-
trza wentylacyjnego.
1
Michał Strzeszewski: Wprowadzenie do ogrzewnictwa
Na instalację centralnego ogrzewania składają się najczęściej następujące elementy:
– źródło ciepła,
– sieć przewodów,
– armatura (uzbrojenie przewodów),
– grzejniki,
– pompa (w instalacjach pompowych),
– urządzenia zabezpieczające.
3 Rys historyczny
Rozprzestrzenianie się cywilizacji uwarunkowane było historycznie rozwojem technik grzew-
czych. Wykazano bowiem, że izoterma średnioroczna +21ºC przechodzi w pobliżu terenów,
na których rozwinęły się wszystkie dawne cywilizacje: Egiptu, Palestyny, Asyrii, Persji, jak
również w pobliżu Mohenjodary – kolebki kultury hinduskiej. Także w Meksyku i w Andach
starożytne cywilizacje rozwijały się w okolicach izotermy +21ºC. Warunki tam panujące były
korzystne dla ludzi. Dopiero rozwój technik ogrzewczych umożliwił rozprzestrzenienie się
cywilizacji na północ do Aten (średnioroczna temperatura +17ºC) i Rzymu (+15,6ºC). Obec-
nie nowoczesne techniki ogrzewcze umożliwiają zapewnienie w pomieszczeniach warunków
komfortu cieplnego nawet w klimacie arktycznym, przy temperaturze powietrza zewnętrzne-
go schodzącej nawet poniżej –45ºC.
Podstawową umiejętnością, istotną z punktu widzenia zamieszkiwania w chłodniejszych wa-
runkach, było rozpalanie ogniska. Udoskonaleniem ogniska było obłożenie go kamieniami. W
czasie, gdy ognisko się paliło, kamienie się nagrzewały, a następnie oddawały ciepło nawet
po wygaśnięciu ognia. Paleniska, umieszczone centralnie w domu, były powszechne zarówno
w starożytnej Grecji, jak i w Rzymie. Palono zazwyczaj węglem drzewnym, dodając do niego
czasami zioła, w celu zamaskowania nieprzyjemnego zapachu.
Następnym wynalazkiem było hypokaustum , opracowane przez Rzymianina Sergiusza Oratę
około roku 80 przed naszą erą. Greckie słowo ηψποχαυστον ( hypocauston ) pochodzi od
„hypo” czyli „pod” oraz „kaiein” czyli „palić” [2], a więc razem oznacza „ogrzewanie od do-
łu”.
Istniały trzy typy hypokaustum : ogrzewanie podłogowe, ogrzewanie podłogowo-ścienne (w
obu tych systemach gorące powietrze przepływało kanałami, ale nie dostawało się do ogrze-
wanych pomieszczeń) oraz system, w którym powietrze przedostawało się do pomieszczeń
przez specjalne otwory. Hypokaustum było pierwszym systemem centralnego ogrzewania,
który umożliwiał ogrzewanie kilku pomieszczeń.
Po upadku Rzymu hypokaustum stosowano sporadycznie, np. występuje w zamku w Malbor-
ku. Natomiast powszechnie do celów grzewczych wykorzystywano paleniska. Początkowo
paleniska były umieszczane w środku domu. Jednocześnie nie przewidywano żadnych wylo-
tów dla dymu i musiał się on wydostawać na zewnątrz poprzez drzwi i okna. Dopiero w póź-
niejszym okresie zaczęto wykonywać specjalne otwory w dachu.
Palenisko przesunięte do ściany i wyposażone później w komin dało początek piecom i ko-
minkom. Rozpowszechniły się one w XII i XIII wieku. Następnie na przestrzeni wieków
wprowadzano w piecach szereg udoskonaleń. Przełomowym wydarzeniem było wynalezienie
rusztu przez Louisa Savota w roku 1624. Wynalazek ten umożliwiał znacznie lepszy dopływ
powietrza do ognia.
2
1050467322.051.png
 
Michał Strzeszewski: Wprowadzenie do ogrzewnictwa
W XVIII wieku w Anglii i Francji zaczęto stosować ogrzewania parowe, najpierw
wysokoprężne o ciśnieniu 0,1 do 0,2 MPa, a następnie instalacje niskoprężne o ciśnieniu
poniżej 0,07 MPa.
Pierwszy duży system ciepłowniczy wybudowano w Dreźnie w latach 1885-1901 według
projektu Rietschela i Henneberga. Sieć ciepłownicza wykorzystywała parę wodną jako nośnik
ciepła. Natomiast instalacje wewnętrzne były typu wodnego.
W drugiej połowie XIX wieku zwłaszcza w Niemczech rozwinęło się ogrzewanie wodne.
Skonstruowano m.in. pierwsze grzejniki żeliwne i kotły członowe. Kolumnowe grzejniki że-
liwne były stosowane powszechnie, aż do wprowadzenia stalowych grzejników płytowych
w latach pięćdziesiątych ubiegłego stulecia. W Polsce, z uwagi na niską jakość stali, stosowa-
no bardziej odporne na korozję grzejniki żeliwne aż do upadku komunizmu. W XX wieku
w wodnych instalacjach centralnego ogrzewania zaczęto stosować pompy.
Za ojca obliczania zapotrzebowania na ciepło uważa się Thomasa Tredgolda (1788-1829).
Wcześniej zakładano, że powierzchnia grzejnika powinna być proporcjonalna do kubatury
ogrzewanego pomieszczenia. Natomiast Tredgold w roku 1824 wykazał, że nie ma uniwer-
salnej proporcji pomiędzy zapotrzebowaniem na ciepło (czy wymaganą powierzchnią grzej-
ników) a kubaturą pomieszczenia. Tredgold opracował metodę określania zapotrzebowania na
ciepło z uwzględnieniem powierzchni i konstrukcji przegród budowlanych, powierzchni
okien i intensywności wentylacji.
Ostatnie lata przyniosły rozwój technik automatycznej regulacji, racjonalizację zużycia ciepła
oraz tendencję do stosowania ogrzewań niskotemperaturowych.
4 Zarys podstaw higienicznych ogrzewania
Człowiek cały czas wydziela pewną ilość ciepła. Np. przy niskiej aktywności fizycznej czło-
wiek, przebywający w pomieszczeniu mieszkalnym lub biurowym, wydziela
100÷125 W ciepła. W ogólnym przypadku ilość ta zależy od szeregu czynników takich jak:
płeć, wiek, stan zdrowia, ubranie czy też predyspozycje indywidualne. Jednocześnie pewna
ilość ciepła jest odbierana przez otoczenie. Jeśli otoczenie odbiera nadmierną ilość ciepła, to
odczuwamy chłód. Z kolei jeśli ilość ciepła odbieranego przez otoczenie jest za mała, to od-
czuwamy, że jest nam „za ciepło”.
Człowiek wymienia ciepło z otoczeniem poprzez następujące procesy:
– konwekcyjna wymiana ciepła z otaczającym powietrzem,
– wymiana ciepła przez przewodzenie (przede wszystkim z podłogą),
– wymiana ciepła na drodze promieniowania pomiędzy powierzchnią ciała lub ubrania
i otaczającymi powierzchniami,
– odparowanie wody (potu) z powierzchni skóry,
– oddychanie,
– wraz z wydzielinami,
– przyjmowanie pokarmów.
Dwa ostatnie czynniki stanowią niewielki procent całkowitej ilości oddawanego ciepła i są
niezależne od warunków panujących w otoczeniu. Dlatego można je pominąć w bilansie cie-
pła człowieka.
3
1050467322.071.png
 
Michał Strzeszewski: Wprowadzenie do ogrzewnictwa
Bardzo istotne jest, żeby pamiętać, że aby wymieniać ciepło z przegrodami budowlanymi, nie
jest potrzebny bezpośredni kontakt z nimi. Człowiek odczuwa wpływ zimnej ściany i gorące-
go grzejnika mimo, że ich nie dotyka. Wymienia z nimi ciepło na drodze promieniowania.
Oddawanie ciepła na drodze przewodzenia, konwekcji i promieniowania jest możliwe tylko
jeśli temperatura otoczenia jest niższa od temperatury powierzchni ciała (patrz rys. 1). Nato-
miast w miarę, jak temperatura otoczenia rośnie i zbliża się do temperatury ciała, oddawanie
ciepła w ten sposób jest coraz mniejsze, rośnie natomiast rola odparowywania potu.
160
140
120
odparowywanie
100
80
konwekcja
60
przewodzenie
40
promieniowanie i in.
20
0
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
Temperatura powietrza, ºC
Rys 1. Przeciętne oddawanie ciepła przez normalnie ubranego człowieka,
nie wykonującego aktywnych czynności ruchowych. Na podstawie [17]
Intensywność konwekcyjnej wymiany ciepła zależy od różnicy temperatury między po-
wierzchnią ciała a otaczającym powietrzem oraz od prędkości przepływu powietrza. Dlatego
w pewnym zakresie rosnącą temperaturę powietrza można kompensować wzmożonym ru-
chem powietrza – stąd właśnie działanie wentylatorów sprawia wrażenie chłodu. Powietrze,
które omywa ciało człowieka z większą prędkością, może odebrać podobną ilość ciepła nawet
przy mniejszej różnicy temperatury.
Jeśli jednak temperatura powietrza osiągnie temperaturę powierzchni ciała, to działanie wen-
tylatorów nie przynosi już skutków cieplnych. W tej sytuacji wentylator „ani grzeje ani chło-
dzi”. Zaś samemu widokowi pracującego wentylatora przypisuje się oddziaływanie psycholo-
giczne na człowieka na zasadzie „jest chłodno, bo wentylator chodzi”.
Natomiast przy temperaturze powietrza przekraczającej temperaturę powierzchni ciała, dzia-
łanie wentylatora zwiększa konwekcyjne przekazywanie ciepła od powietrza do ludzkiego
ciała. A więc wentylator już nie chłodzi, lecz grzeje – tak jak opiekacz.
Orientacyjną strukturę bilansu ciepła, oddawanego przez człowieka w stanie spoczynku,
przedstawiono w tablicy 1.
Tablica 1. Struktura bilansu ciepła oddawanego przez człowieka do otoczenia
(odzież normalna, stan spoczynku, temperatura powietrza +20ºC,
wilgotność względna ok. 50%). Na podstawie [16]
Sposób oddawania ciepła
Strumień cieplny
W
Udział
Konwekcja i przewodzenie
45
38%
Promieniowanie
45
38%
Parowanie
17
14%
Oddychanie
6
5%
Inne
6
5%
Razem
119
100%
4
1050467322.001.png 1050467322.002.png 1050467322.003.png 1050467322.004.png 1050467322.005.png 1050467322.006.png 1050467322.007.png 1050467322.008.png 1050467322.009.png 1050467322.010.png 1050467322.011.png 1050467322.012.png 1050467322.013.png 1050467322.014.png 1050467322.015.png 1050467322.016.png 1050467322.017.png 1050467322.018.png 1050467322.019.png 1050467322.020.png 1050467322.021.png 1050467322.022.png 1050467322.023.png 1050467322.024.png 1050467322.025.png 1050467322.026.png 1050467322.027.png 1050467322.028.png 1050467322.029.png 1050467322.030.png 1050467322.031.png 1050467322.032.png 1050467322.033.png 1050467322.034.png 1050467322.035.png 1050467322.036.png 1050467322.037.png 1050467322.038.png 1050467322.039.png 1050467322.040.png 1050467322.041.png 1050467322.042.png 1050467322.043.png 1050467322.044.png 1050467322.045.png 1050467322.046.png 1050467322.047.png 1050467322.048.png 1050467322.049.png 1050467322.050.png 1050467322.052.png 1050467322.053.png 1050467322.054.png
 
Michał Strzeszewski: Wprowadzenie do ogrzewnictwa
Strumień ciepła, przekazywany z zewnętrznej powierzchni ciała ludzkiego, w rozbiciu na
podstawowe części ciała, przedstawiono w tablicy 2.
Tablica 2. Przykładowe strumienie ciepła przekazywane przez podstawowe części ciała człowieka
(warunki jak w tablicy 1). Na podstawie [16]
Natężenie
strumienia
ciepła,
W/m 2
Wielkość
powierzchni
wymiany
ciepła, m 2
Strumień
oddany do
otoczenia,
W
Część ciała
człowieka
Uwagi
Korpus
49
1,84
90
Ręce
z przedramionami
73
0,16
12
Głowa
121
0,055
7
Nogi (stopy)
143
0,034
10
Przewodzenie
ciepła od stóp
do podłogi
Razem
2,09
119
Jak już wspomniano, ilość ciepła wydzielanego przez człowieka silnie zależy od aktywności
fizycznej. W tablicy 3 przytoczono ilość wydzielanego ciepła w zależności od aktywności
fizycznej.
Tablica 3. Przeciętna ilość ciepła wydzielanego przez ciało człowieka
przy różnych poziomach aktywności fizycznej. Na podstawie [12]
Aktywność fizyczna
Moc cieplna
W
Pozycja leżąca
83
Pozycja siedząca zrelaksowana
104
Pozycja stojąca zrelaksowana
126
Praca siedząca (np. w biurze, w domu, w szkole)
146
Lekki wysiłek w pozycji stojącej (np. zakupy, lekka praca)
167
Średni wysiłek (np. sprzedawca, prace domowe, praca
przy maszynie)
209
Ciężki wysiłek
313
5 Parametry kształtujące komfort cieplny i temperatura
odczuwalna
Istnieje określony zestaw parametrów, zdefiniowany jako zakres komfortu cieplnego,
w którym człowiek nie odczuwa ani ciepła, ani chłodu. Jednak jednoznaczne określenie tych
parametrów nie jest możliwe, ponieważ każdy człowiek ma nieco inne wymagania cieplne.
Ogólnie można powiedzieć, że na odczuwanie komfortu cieplnego przez człowieka mogą
mieć wpływ takie czynniki jak: ubranie, płeć, wiek, stan zdrowia czy też – co ma duże zna-
czenie – nabyte przyzwyczajenia.
W tablicy 4 przedstawiono przykładowe wartości oporu cieplnego typowych zestawów ubra-
nia. Clo jest jednostką oporu cieplnego ubrania (ang. cloth ).
5
1050467322.055.png 1050467322.056.png 1050467322.057.png 1050467322.058.png 1050467322.059.png 1050467322.060.png 1050467322.061.png 1050467322.062.png 1050467322.063.png 1050467322.064.png 1050467322.065.png 1050467322.066.png 1050467322.067.png 1050467322.068.png 1050467322.069.png 1050467322.070.png 1050467322.072.png 1050467322.073.png 1050467322.074.png 1050467322.075.png 1050467322.076.png 1050467322.077.png 1050467322.078.png 1050467322.079.png 1050467322.080.png 1050467322.081.png
 

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin