Расчетные параметры наружного воздуха

В зависимости от выбранных расчетных параметров наружного воздуха устанавливается мощность систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Эта мощность в свою очередь определяет возможность поддерживать требуемые параметры воздуха в здании.

Параметры наружного воздуха: температура t_ext, ⁰С, удельная энтальпия i_ext, кДж/кг, скорость ветра υ, м/с, приводятся для различных городов России в теплый и холодный период года в [5] (параметры А и Б).

Расчетными параметрами наружного воздуха для холодного периода для всех населенных пунктов приняты:

- параметры А – средняя температура наиболее холодного периода и энтальпия (теплосодержание) воздуха, соответствующая этой температуре и средней относительной влажности воздуха самого холодного месяца в 13 часов;

- параметры Б – средняя температура наиболее холодной пятидневки и энтальпия (теплосодержание) воздуха, соответствующая этой температуре и средней относительной влажности воздуха самого холодного месяца в 13 часов.

Расчетными параметрами наружного воздуха для теплого периода года для всех населенных пунктов приняты:

- параметры А – температура и энтальпия (теплосодержание) воздуха, соответствующая средней температуре самого жаркого месяца в 13 часов во всех населенных пунктах, кроме ряда пунктов в северных районах страны, где расчетная температура на 1,5 – 2,5 ⁰С выше средней температуры самого жаркого месяца;

- параметры Б – средняя температура воздуха и энтальпия (теплосодержание) воздуха, соответствующая максимальной летней температуре.

Для жилых, общественных, административно-бытовых и производственных помещений следует принимать:

- параметры А – для систем вентиляции, и воздушного душирования для теплого периода года;

- параметры Б – для систем отопления, вентиляции и воздушного душирования для холодного периода года, а также для систем кондиционирования для теплого и холодного периода года.

Параметры наружного воздуха для переходных условий следует принимать 10 ⁰С и удельную энтальпию 26,5 кДж/кг.

Параметры наружного воздуха для зданий сельскохозяйственного назначения, если они не установлены специальными строительными или технологическими нормами, следует принимать:

- параметры А – для систем вентиляции и кондиционирования для теплого и холодного периодов года.

- параметры Б – для систем отопления для холодного периода года.

 

ПРИМЕРЫ:

ЗАДАЧА 2.1 Определить расчетные параметры наружного воздуха, если задан проектируемый объект, район строительства, проектируемая система (табл. 2.1).

 

Таблица 2.1–Исходные данные к задаче 2.1

 

№ вар.	Проектируемый объект	Район строительства	Проектируемая система
	Кинотеатр	Москва	СКВ
	Больница	Санкт-Петербург	Отопление
	Административно-бытовой корпус	Воронеж	Вентиляция
	Деревообрабатывающий цех	Ростов н/Д	Вентиляция
	Клуб	Волгоград	СКВ
	Поликлиника	Уфа	Отопление
	Школа	Ставрополь	Вентиляция
	Табачная фабрика	Краснодар	Вентиляция
	Хлебозавод	Брянск	Отопление
	Развлекательный центр	Астрахань	СКВ
	Термический цех	Белгород	Воздушное душирование
	Детский сад	Владимир	Отопление
	Кинотеатр	Вологда	Вентиляция
	Клуб	Иваново	Вентиляция
	Столовая	Иркутск	Вентиляция
	Боулинг-центр	Калуга	СКВ
	Машиностроительный завод	Кострома	Вентиляция
	Школа	Сочи	Отопление
	Спортклуб	Курск	Вентиляция
	Сварочный цех	Нижний Новгород	Вентиляция
	Банк	Омск	СКВ
	Жилой коттедж	Оренбург	СКВ
	Поликлиника	Орел	Вентиляция
	Литейный цех	Пенза	Воздушное душирование
	Ресторан	Псков	Вентиляция

 

 

Пример. Проектируемый объект – кинотеатр. Район строительства г.Ярославль. Проектируется вентиляция.

Решение. Расчетными параметрами наружного воздуха для теплого периода является параметры А, для холодного – Б. Из [5] выписываем численные значения параметров:

- для холодного периода t_ext = -31⁰С; i_ext = -30,6 кДж/кг; υ = 4 м/с;

- для теплого периода t_ext = 21,6⁰С; i_ext = 49,8 кДж/кг; υ = 3,9 м/с.

 

Влажный воздух

 

В атмосферном воздухе содержится то или иное количество влаги в виде водяного пара. Такую смесь сухого воздуха с водяным паром называют влажным воздухом.

Сухая часть воздуха содержит по объему около 78% азота, примерно 21% кислорода, около 0,03% углекислоты и незначительное количество инертных газов.

Каждый газ в смеси, в том числе и пар, занимает тот же объем, что и вся смесь. Он имеет температуру смеси и находится под своим парциальным давлением.

Так как обычно расчеты, связанные с влажным воздухом, выполняются при давлениях, близких к атмосферному, и парциальное давление водяного пара в нем невелико, то с достаточной точностью можно применять к влажному воздуху все формулы, полученные для идеальных газов. Поэтому принимается, что влажный воздух подчиняется уравнению состояния идеальных газов, а также закону Дальтона.

Уравнение состояния идеального газа может быть представлено следующими уравнениями:

- для 1 кг газа; (3.1)

- для М кг газа; (3.2)

- для 1 киломоля газа (3.3),

где р – давление газа, Н/м²;

υ – удельный объем, м³/кг;

R – удельная газовая постоянная, Дж/(кг·град);

V – объем газа, м³;

М – масса газа, кг;

V_μ – объем 1 кмоля газа, м³/кмоль;

μR – универсальная газовая постоянная 1 кмоля газа, Дж/(кмоль·град)

μR = 8314 Дж/(кмоль·град)

Т – температура газа, К

Газовая постоянная для 1 кг газа определяется из условия

, (3.4)

где μ – масса 1 кмоля газа в кг, численно равная молекулярной массе газа.

 

Объем 1 кмоля всех идеальных газов при нормальных условиях (температура 0 С, барометрическое давление 760 мм рт. ст.) равен 22,4 м /кмоль (закон Авогадро).

Пользуясь характеристическим уравнением для двух различных состояний газа, можно получить выражение для определения любого параметра при переходе из одного состояния в другое, если значения других параметров известны:

; (3.5)

(3.6)

Закон Дальтона – сумма парциальных давлений газовых компонентов смеси Σpi равна полному давлению смеси P:

P=Σp_i (3.7)

Влажный воздух можно в первом приближении рассматривать как бинарную смесь, т. е. смесь, состоящую из двух компонентов:

- водяного пара (газа с молярной массой );

- сухого воздуха (условно однородного газа с молярной массой );

Тогда барометрическое давление влажного воздуха В, Па будет равно сумме парциальных давлений сухого воздуха и водяного пара ; т. е.

(3.8)

 

Водяной пар может находиться в воздухе как в перегретом, так и в насыщенном состоянии. Смесь, состоящую из сухого воздуха и перегретого водяного пара называют ненасыщенным влажным воздухом, а смесь, состоящую из сухого воздуха и насыщенного водяного пара, - насыщенным влажным воздухом.

Температура воздуха – величина, пропорциональная средней кинетической энергии движения его молекул.

Имеет место зависимость

T=t+273, (3.9)

где T - абсолютная температура, К;

t – температура по шкале Цельсия, С.

 

Удельный объем м /кг, воздуха представляет собой объем единицы его массы. Если V - объем, м , занимаемый воздухом массой , кг, то удельный объем

. (3.10)

 

 

Величина, обратная удельному объему, представляет собой массу единицы объема и называется плотностью , кг/м , т. е.

. (3.11)

 

Плотность сухого воздуха для нормальных условий (t=0 С, В=101325 Па)

 

. (3.12)

Плотность пара

. (3.13)

 

Зная значение плотности сухого воздуха для определенных условий (например, при t=20 С и В=101325 Па) и используя зависимость (3.5), можно определить плотность сухого воздуха при другом давлении и другой температуре Т. Уравнение (3.5) может быть записано следующим образом

отсюда . (3.14)

Подставив в (3.14) значения для стандартных условий (t=20 C; В=101325 Па), получаем значение плотности сухого воздуха для заданных давления и температуры

, (3.15)

т. е. плотность воздуха прямо пропорциональна давлению и обратно пропорциональна температуре.

Плотность влажного воздуха может быть определена, как плотность сухого воздуха и водяного пара, находящихся под своими парциальными давлениями

. (3.16)

Из уравнения можно сделать вывод: так как парциальное давление водяного пара величина всегда положительная, то плотность влажного воздуха меньше плотности сухого воздуха.

При обычных условиях в помещении доля второго члена уравнения (3.16),учитывающего разницу плотности влажного и сухого воздуха, при прочих равных условиях составит всего 0,75% величины .Поэтому в инженерных расчетах в тех случаях, когда качественное различие плотности сухого и влажного воздуха не имеет значения, обычно считают, что

Абсолютная влажность воздуха – это масса водяного пара, содержащегося в 1 м влажного воздуха, или (что то же) плотность пара при его парциальном давлении и температуре воздуха.

Относительная влажность - отношение абсолютной влажности воздуха при данной температуре к максимально возможной абсолютной влажности (т. е. при полном насыщении) и данной температуре.

. (3.17)

Если температура влажного воздуха t меньше или равна температуре насыщения водяного пара t при давлении смеси, то будет равна плотности насыщенного пара при данной температуре, т. е. и значение ее определяется по таблицам насыщенного пара. Если же t_в >t_нас, при давлении смеси, то будет равна плотности перегретого водяного пара при температуре и давлении смеси. Значения в этом случае определяют из таблиц для перегретого водяного пара.

Относительная влажность может быть также представлена, как отношение парциального давления водяного пара в ненасыщенном влажном воздухе р_n к парциальному давлению водяного пара при той же температуре и полном насыщении , то есть

. (3.18)

Если p_n<p_н, то пар в воздухе перегрет, а следовательно, воздух при этом не насыщен.

Давление насыщенного водяного пара является функцией только температуры и может быть найдено по таблице, которая составлена экспериментальным путем или по формуле (для области положительных температур)

. (3.19)

При обработке воздуха и изменении его свойств в вентиляционном процессе количество сухого воздуха остается неизменным, поэтому при рассмотрении тепловлажностного состояния воздуха все показатели относят к 1 кг сухой части влажного воздуха.

Влагосодержание воздуха – количество влаги (водяных паров) в г или кг, приходящейся на 1 кг сухого воздуха. Влагосодержание d, г/кг, может быть определено по формуле

, (3.20)

т. е. влагосодержание воздуха пропорционально барометрическому давлению и является функцией только парциального давления пара.

Из уравнения (3.20) следует

, (3.21)

т. е. парциальное давление пара при данном давлении является функцией только влагосодержания.

Т. к. , то , тогда

. (3.22)

Удельная теплоемкость воздуха – это количество теплоты, которое необходимо сообщить единице массы (удельная массовая теплоемкость) или единице объема (удельная объемная теплоемкость), или молю (удельная мольная теплоемкость), чтобы повысить температуру на градус.

Соответственно или , или .

Удельные теплоемкости сухого воздуха и водяного пара в обычном для вентиляционного процесса диапазоне температур можно считать постоянными: .

Энтальпия влажного воздуха – это количество теплоты, содержащейся в нем и отнесенной к 1 кг заключенного в нем сухого воздуха, , кДж/кг.

Удельную энтальпию сухого воздуха при температуре t=0 C принимают равной нулю. При произвольном значении температуры

 

. (3.23)

 

Теплота парообразования для воды при t= 0 С равна 2500 кДж/кг, поэтому энтальпия пара во влажном воздухе при этой температуре равна . При произвольной температуре

. (3.24)

 

Энтальпия влажного воздуха складывается из энтальпии сухой его части и энтальпии водяных паров.

= (3.25)

Если ввести характеристику теплоемкости влажного воздуха

тогда . (3.26)

В результате конвективного теплообмена воздуху передается явная теплота, температура воздуха повышается и соответственно изменяется его энтальпия.

При поступлении водяного пара (при подаче пара из внешних источников) в воздух передается теплота парообразования, и энтальпия воздуха возрастает. В данном случае это происходит вследствие изменения энтальпии водяного пара, масса которого увеличивается. Температура же воздуха остается неизменной.

При температуре влажного воздуха ниже 0⁰ его энтальпия имеет отрицательное значение.

 

ПРИМЕРЫ:

 

ЗАДАЧА 3.1. Определить объем, который занимает масса воздуха G, кг, при температуре t, С и барометрическом давлении В, мм рт. ст.(табл. 3.1)

 

 

Таблица 3.1–Исходные данные к задаче 3.1

 

Вариант

М, кг

t С

В,мм рт. ст.

Вариант
М, кг
t, С		-2	-5	-7	-10	-15	-17	-18	-20	-22	-24	-25	-27
В,мм рт. ст.

Пример. Задано М=750, t=30 С; В=772 мм рт. ст.

Решение. По формуле (3.2)

;

ЗАДАЧА 3.2 Известна масса 1 м воздуха при определенных условиях (табл.3.2).

Определить плотность и удельный объем при этих условиях.

 

Таблица 3.2–Исходные данные к задаче 3.2

 

Вариант
Масса 1м воздуха, кг	1,396	1,374	1,363	1,353	1,348	1,342	1,332	1,322	1,303	1,284	1,275	1,265

 

Вариант
Масса воздуха 1м , кг	1,256	1,248	1,239	1,230	1,222	1,213	1,205	1,192	1,189	1,181	1,173	1,165	1,161

 

Пример. Масса 1м воздуха составляет 1,226 кг.

Решение. При этих условиях плотность воздуха составляет 1,226 кг/м . Удельный объем по формуле (3.10) .

ЗАДАЧА 3.3 Определить плотность сухого воздуха при нормальном давлении и заданной температуре . (табл. 3.3)

 

Таблица 3.3–Исходные данные к задаче 3.3

 

Вариант
,	-20	-18	-16	-14	-12	-10	-8	-6	-4	-2

 

Вариант

 

 

Пример. Задана температура воздуха .

Решение. Плотность сухого воздуха по формуле (3.12) составит:

 

ЗАДАЧА 3.4 Определить плотность сухого воздуха при заданных температуре и давлении , отличающихся от стандартных (табл. 3.4).

 

Таблица 3.4–Исходные данные к таблице 3.4

Вари-ант
	-20	-18	-16	-14	-12	-10	-8	-6	-4	-2
, мм, рт.ст.

 

Вариант

, мм рт. ст.

 

Пример. Задана температура воздуха , давление мм рт. ст.

Решение. По формуле (3.15) плотность сухого воздуха будет равна:

 

ЗАДАЧА 3.5 Определить плотность влажного воздуха при температуре , если парциальное давление водяных паров равно , мм рт. ст. (табл. 3.5). Определить, на сколько процентов плотность влажного воздуха отличается от плотности сухого воздуха.

 

Таблица 3.5–Исходные данные к задаче 3.5

 

Вари-ант
	-20	-18	-16	-14	-12	-10	-8	-6	-4	-2
рn мм рт. ст.	0,56	0,67	0,78	0,93	1,1	1,3	1,5	1,7	2,0	2,4	2,7	3,2

 

 

Вариант
рn мм рт. ст.	3,7	4,2	4,8	5,5	6,3	7,2	8,2	9,3	10,6	11,9	13,4	15,1	17,1

 

Пример. При заданных условиях: и мм рт. ст. плотность влажного воздуха, определенная по формуле (3.16), составит

Плотность сухого воздуха при этих же условиях

Расхождение

ЗАДАЧА 3.6 Определить газовую постоянную и плотность водяного пара при температуре (табл. 3.6), барометрическом давлении В=760 мм рт. ст.

 

Таблица 3.6–Исходные данные к задаче 3.6

 

Вариант

 

Вариант

 

Пример. В=760 мм рт. ст.;

Решение. Газовая постоянная пара в соответствии с (3.4)

Плотность пара определенная по формуле (3.13) составит

 

 

ЗАДАЧА 3.7 Определить влагосодержание воздуха при температуре , относительной влажности и барометрическом давлении В=760 мм рт. ст. (табл. 3.7)

 

Таблица 3.7–Исходные данные к задаче 3.7

 

Вари-ант

 

Вариант
		-3	-4	-5	-6	-8	-10	-12	-14	-15	-16	-18	-20

Пример. Заданы

Решение. По таблице, характеризующей свойства влажного воздуха (прил. 6), для находят величину парциального давления насыщенного пара

По формуле (3.22) влагосодержание составит

 

 

ЗАДАЧА 3.8 Определить парциальное давление водяного пара во влажном насыщенном воздухе и влагосодержание при различных температурах воздуха: и (табл. 3.8) . Сделать вывод об изменении этих параметров при изменении температуры воздуха

 

Таблица 3.8–Исходные данные к задаче 3.8

Вариант

 

Вариант

 

Пример.

Решение. Парциальное давление водяного пара в насыщенном влажном воздухе можно определить по прил. 6 или по формуле (3.19)

При , тогда влагосодержание, определенное по формуле (3.20), составит

При

Вывод: влагосодержание насыщенного воздуха зависит от температуры: повышается с ее увеличением.

 

 

ЗАДАЧА 3.9 Определить состояние воздуха при заданной температуре и парциальном давлении в нем (табл. 3.9) В=760 мм рт. ст.

Таблица 3.9–Исходные данные к задаче 3.9

 

Вариант
	-20	-18	-16	-14	-12	-10	-8	-6	-4	-2
рn, мм.рт.ст.	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9

 

Вариант

рn, мм. рт. ст.

 

Пример.

Решение. По приложению 6 определяем . Для

т.к. p_n<p_н, то пар в воздухе перегрет, а следовательно воздух при этом не насыщен.

 

ЗАДАЧА 3.10 Состояние влажного воздуха характеризуется температурой , относительной влажностью Барометрическое давление В. Найти парциальное давление пара в воздухе р_n и влагосодержание

 

Таблица 3.10–Исходные данные к задаче 3.10

 

Вариант

В мм. рт. ст.

Вариант

В мм. рт. ст.

 

Пример.

Решение. По (прил. 6) для

Из формулы (3.18)

По формуле (3.20)

 

 

ЗАДАЧА 3.11 Задано состояние влажного воздуха:

- температура ;

- парциальное давление водяного пара

- барометрическое давление В, мм. рт. ст. (табл. 3.11)

Определить:

- относительную влажность

- влагосодержание

- плотность

 

Таблица 3.11–Исходные данные к задаче 3.11

 

Вариант
рn, мм. рт. ст.	17,2	16,9	14,9	13,2	11,7	10,5	9,2	8,1	7,1	6,2	5,4	4,7
В, мм. рт. ст.

 

Вариант
				-2	-5	-7	-8	-10	-13	-15	-17	-19	-20
рn, мм. рт. ст.	4,1	3,6	3,1	2,2	1,6	1,5	1,4	1,3	1,1	0,92	0,77	0,66	0,55
В, мм.рт.ст.

 

Пример. Задано:

Решение. По таблице (прил. 6) при парциальное давление насыщенных водяных паров мм. рт. ст. . Относительная влажность воздуха составит

Влагосодержание по формуле (3.20) составит

Плотность воздуха определенная по формуле (3.15), составит