Расчет отопления, вентиляции, горячего водоснабжения, бассейнов и тепловых накопителей
Тепловая система комплекса должна обеспечивать отопление зданий, нагрев приточного воздуха, приготовление горячей воды, работу бассейнов и возможные медицинские или термальные процедуры. Эти нагрузки различаются по времени и температуре, поэтому их нельзя объединять одним укрупненным коэффициентом без отдельных расчетов.
Максимальная тепловая мощность определяет размеры котельной, теплообменников, насосов и трубопроводов. Годовое теплопотребление используется для расчета топлива и эксплуатационных расходов. Тепловой накопитель рассчитывается по продолжительности пиков, а не по максимальной мощности котельной или годовому расходу тепла.
Для предварительного расчета отопления полного комплекса принимается площадь 36 000 квадратных метров и два сценария удельной нагрузки: 55 и 70 ватт на квадратный метр.
Нижняя граница отопительной мощности определяется следующим образом:
Qот.min = 36 000 × 55 ÷ 1 000 = 1 980 кВт.
Верхняя граница составляет:
Qот.max = 36 000 × 70 ÷ 1 000 = 2 520 кВт.
Таким образом, предварительная максимальная нагрузка отопления равна 1,98–2,52 мегаватта.
Это укрупненный диапазон. Окончательная нагрузка рассчитывается по площади и сопротивлению теплопередаче стен, кровли, пола, окон и дверей, площади остекления, инфильтрации, ориентации зданий и температуре каждого помещения. Проектный расчет тепловой защиты выполняется по действующей редакции СП 50.13330 «Тепловая защита зданий (https://docs.cntd.ru/document/1306326592)».
Для проверки годового расхода принимается температура внутри здания плюс 22 градуса, расчетная наружная температура минус 36 градусов, средняя температура отопительного периода минус 8 градусов и продолжительность отопительного периода 228 суток.
Расчетный перепад температур наиболее холодного периода равен:
Δtрасч = 22 − (−36) = 58 °C.
Средний перепад температур отопительного периода составляет:
Δtср = 22 − (−8) = 30 °C.
Продолжительность отопительного периода в часах:
τот = 228 × 24 = 5 472 часа.
Годовая потребность в тепле на отопление определяется по формуле:
Eот = Qот × 30 ÷ 58 × 5 472.
Для нижней границы:
Eот.min = 1 980 × 30 ÷ 58 × 5 472 ≈ 5 604 083 кВт·ч.
После перевода получается 5,60 гигаватт-часа в год.
Для верхней границы:
Eот.max = 2 520 × 30 ÷ 58 × 5 472 ≈ 7 132 469 кВт·ч.
После округления получаем 7,13 гигаватт-часа в год. Следовательно, контрольная годовая потребность полного комплекса в тепле на отопление составляет 5,60–7,13 гигаватт-часа.
Вентиляция рассчитывается отдельно, поскольку наружный воздух необходимо нагревать от зимней температуры до температуры подачи в помещения. Для номерного фонда предварительно принимается 90 кубических метров наружного воздуха в час на один номер.
Расход воздуха для 600 номеров составляет:
Lном = 600 × 90 = 54 000 м³/ч.
При предварительно принятой эффективности рекуперации 50 процентов тепловая нагрузка вентиляции номерного фонда составляет около 524,6 киловатта. Для ресторана и кухни добавляется еще 120–140 киловатт.
Дневная вентиляционная нагрузка полного комплекса равна:
Qвент.день = 524,6 + (120–140) = 644,6–664,6 кВт.
В ночном режиме расход воздуха номерной части предварительно уменьшается до 50 процентов:
Qвент.ночь = 524,6 × 0,5 = 262,3 кВт.
При дневном режиме продолжительностью 14 часов, ночном режиме 10 часов и отопительном периоде 228 суток контрольное годовое теплопотребление вентиляции определяется выражением:
Eвент = [(644,6–664,6) × 14 + 262,3 × 10] × 228 × 30 ÷ 58.
Расчетный результат составляет 1,374–1,407 миллиона киловатт-часов, или 1,37–1,41 гигаватт-часа в год.
Эта модель должна быть заменена полноценным расчетом после определения количества людей в общественных помещениях, характеристик кухни, медицинских функций, бассейнов, влажностного режима и эффективности конкретных рекуператоров. Проектирование отопления и вентиляции выполняется по актуальной редакции СП 60.13330 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха (https://docs.cntd.ru/document/573697256)».
Горячее водоснабжение рассчитывается по количеству воды и разнице температур. Для номерного фонда принимаются максимальная вместимость 1 200 гостей, общий расход воды 230 литров на человека в сутки, расход горячей воды 120 литров и максимальный часовой расход горячей воды 10,2 литра на одного гостя.
Максимальный суточный расход воды номерного фонда равен:
Vвод.сут = 1 200 × 230 ÷ 1 000 = 276 м³/сутки.
Максимальный суточный расход горячей воды составляет:
VГВС.сут = 1 200 × 120 ÷ 1 000 = 144 м³/сутки.
Максимальный часовой расход горячей воды определяется следующим образом:
VГВС.ч = 1 200 × 10,2 ÷ 1 000 = 12,24 м³/ч.
Для нагрева принимаются температура холодной воды 5 градусов, температура приготовленной горячей воды 65 градусов и перепад 60 градусов. Плотность воды принимается равной 1 000 килограммов на кубический метр, удельная теплоемкость — 4,187 килоджоуля на килограмм и градус.
Тепловая мощность приготовления горячей воды рассчитывается по формуле:
QГВС = VГВС.ч × 1 000 × 4,187 × 60 ÷ 3 600.
Для номерного фонда:
QГВС.ном = 12,24 × 1 000 × 4,187 × 60 ÷ 3 600 ≈ 854,1 кВт.
Следовательно, максимальная тепловая нагрузка горячего водоснабжения номерного фонда составляет около 0,854 мегаватта.
При среднегодовой загрузке 75 процентов расчетное количество проживающих составляет 900 человек. Среднесуточный расход горячей воды равен:
VГВС.сут.ср = 900 × 120 ÷ 1 000 = 108 м³/сутки.
Годовой расход горячей воды составляет:
VГВС.год = 108 × 365 = 39 420 м³.
Полезная энергия для ее нагрева:
EГВС.ном = 39 420 × 1 000 × 4,187 × 60 ÷ 3 600 = 2 750 859 кВт·ч.
После округления годовое полезное теплопотребление горячего водоснабжения номерного фонда составляет 2,75 гигаватт-часа.
Ресторан создает самостоятельную нагрузку. Для одного условного блюда принимаются 12 литров всей воды, из которых 3,4 литра — горячая вода. Нижний сценарий соответствует ресторану на 250 мест с восьмичасовой работой, верхний — ресторану на 400 мест с шестнадцатичасовой работой.
Количество условных блюд в час рассчитывается как произведение 2,2 блюда, количества мест и 1,5 посадки. Суточный показатель дополнительно умножается на продолжительность работы и коэффициент неравномерности 0,55.
Для нижнего сценария количество условных блюд в час составляет:
Uч.min = 2,2 × 250 × 1,5 = 825 блюд/ч.
Максимальный часовой расход горячей воды равен:
VГВС.рест.min = 825 × 3,4 ÷ 1 000 = 2,805 м³/ч.
Требуемая тепловая мощность составляет:
QГВС.рест.min = 2,805 × 1 000 × 4,187 × 60 ÷ 3 600 ≈ 195,7 кВт.
Для верхнего сценария:
Uч.max = 2,2 × 400 × 1,5 = 1 320 блюд/ч.
VГВС.рест.max = 1 320 × 3,4 ÷ 1 000 = 4,488 м³/ч.
QГВС.рест.max = 4,488 × 1 000 × 4,187 × 60 ÷ 3 600 ≈ 313,2 кВт.
Максимальный суточный расход горячей воды ресторана составляет 12,34–39,49 кубического метра. При среднегодовой загрузке 75 процентов годовой расход оценивается в 3 379–10 812 кубических метров. Полезное годовое теплопотребление ресторана составляет 0,236–0,754 гигаватт-часа.
Суммарный максимальный часовой расход горячей воды номерного фонда и ресторана равен:
VГВС.ч.общ = 12,24 + (2,805–4,488) = 15,045–16,728 м³/ч.
Совокупная максимальная тепловая мощность приготовления горячей воды составляет:
QГВС.общ ≈ 0,854 + (0,196–0,313) ≈ 1,050–1,167 МВт.
Годовое полезное теплопотребление горячего водоснабжения равно:
EГВС.общ ≈ 2,751 + (0,236–0,754) ≈ 2,987–3,505 ГВт·ч.
Расчет внутренних систем водоснабжения и горячей воды должен быть уточнен по действующей редакции СП 30.13330 «Внутренний водопровод и канализация зданий (https://docs.cntd.ru/document/573741260)».
Сводная максимальная тепловая нагрузка полного комплекса определяется суммированием отопления, вентиляции и горячего водоснабжения:
Qтепл = Qот + Qвент + QГВС.ном + QГВС.рест.
Нижняя граница составляет:
Qтепл.min = 1,980 + 0,6446 + 0,854148 + 0,19574225 ≈ 3,674490 МВт.
После округления получаем 3,67 мегаватта.
Верхняя граница:
Qтепл.max = 2,520 + 0,6646 + 0,854148 + 0,3131876 ≈ 4,351936 МВт.
После округления получаем 4,35 мегаватта.
Годовое полезное теплопотребление определяется следующим образом:
Eтепл = Eот + Eвент + EГВС.ном + EГВС.рест.
Нижняя граница: 5 604 082,7586 + 1 373 589,9310 + 2 750 859 + 235 771,5401 ≈ 9 964 303 кВт·ч. Верхняя граница: 7 132 468,9655 + 1 406 610,6207 + 2 750 859 + 754 468,9284 ≈ 12 044 408 кВт·ч. В дальнейшем расчёте используются неокруглённые результаты, а итоговый диапазон приводится как 9,96–12,04 ГВт·ч.
Таким образом, максимальная полезная тепловая нагрузка полного комплекса составляет 3,67–4,35 мегаватта, а годовое полезное теплопотребление — 9,96–12,04 гигаватт-часа.
Контрольная мощность котельной рассчитывается по верхней границе с запасом 15 процентов:
Qкот = Qтепл.max × 1,15 ≈ 4,351936 × 1,15 ≈ 5,0047 МВт.
При округлении вверх предварительный ориентир установленной мощности котельной полного комплекса составляет 5,01 мегаватта для рассчитанных базовых нагрузок. Дополнительно необходимо проверить сохранение требуемой мощности при остановке крупнейшего котельного модуля.
Для первой очереди принимается отапливаемая площадь 18 000 квадратных метров. Отопительная нагрузка составляет 0,99–1,26 мегаватта. Вентиляционная нагрузка оценивается в 0,322–0,332 мегаватта. Горячее водоснабжение номерного фонда требует около 0,427 мегаватта, а ресторан — 0,098–0,157 мегаватта.
Максимальная тепловая нагрузка первой очереди составляет:
Qтепл.1 ≈ (0,99–1,26) + (0,322–0,332) + 0,427 + (0,098–0,157) ≈ 1,84–2,18 МВт.
Контрольная мощность котельной первой очереди:
Qкот.1 = 2,18 × 1,15 = 2,507 МВт.
После округления требуется не менее 2,51 мегаватта с дополнительной проверкой резервирования крупнейшего модуля.
При строго пропорциональном делении нагрузок контрольное годовое теплопотребление первой очереди составляло бы около 4,98–6,02 гигаватт-часа. Однако эту цифру нельзя использовать для окончательного выбора оборудования. Если на первой очереди строятся кухня, медицинское ядро, водоподготовка и другие общие объекты для будущего комплекса, фактическая нагрузка окажется выше половины полного значения.
Бассейны в базовый расчет пока не включены, поскольку не определены размеры чаш, площадь водной поверхности, температура воды, температура и влажность воздуха, режим эксплуатации и объем ежедневной подпитки. Без этих данных назвать тепловую мощность бассейна невозможно.
Энергия первоначального нагрева чаши определяется по формуле:
Eбасс.зап = Vбасс × 1,163 × (tбасс − tхол), кВт·ч.
Например, для условной чаши объемом 100 кубических метров при нагреве воды с 5 до 30 градусов потребуется:
Eбасс.зап = 100 × 1,163 × 25 = 2 907,5 кВт·ч.
Изменение температуры 100 кубических метров воды всего на один градус соответствует приблизительно 116,3 киловатт-часа тепла. Поэтому бассейн обладает значительной тепловой инерцией, но не может рассматриваться как свободно управляемый накопитель: температура воды ограничивается требованиями комфорта и эксплуатации.
Постоянная нагрузка бассейна определяется не первоначальным нагревом, а испарением с водной поверхности, нагревом подпиточной воды, теплопередачей через конструкции чаши и расходами вентиляции. Особенно значимы площадь открытой воды, разница температур, влажность воздуха и активность купающихся.
Покрытие водной поверхности в нерабочее время уменьшает испарение и помогает сохранять тепло. Это одновременно снижает расход энергии, воды и нагрузку на вентиляцию. Такой эффект подтверждает программа WaterSense Агентства по охране окружающей среды США. Энергетическая и водная эффективность бассейнов (https://www.epa.gov/watersense/pool-water-efficiency).
Для окончательного расчета каждого бассейна необходимо определить объем и площадь поверхности чаши, температуру воды и воздуха, относительную влажность, продолжительность работы, число посетителей, объем подпитки, наличие покрытия и характеристики вентиляционной установки. Нагрузка бассейнов после этого добавляется к базовым 3,67–4,35 мегаватта и 9,96–12,04 гигаватт-часа.
Тепловой накопитель позволяет отделить момент производства энергии от момента ее использования. Количество тепла, запасаемого в воде, определяется по формуле:
Eнак = 1,163 × Vнак × Δtнак.
Здесь Eнак — полезная емкость в киловатт-часах, Vнак — объем воды в кубических метрах, Δtнак — используемая разница температур между заряженным и разряженным состоянием накопителя.
Один кубический метр воды при рабочем перепаде 20 градусов сохраняет:
E1м³ = 1,163 × 20 = 23,26 кВт·ч.
При перепаде 30 градусов один кубический метр сохраняет:
E1м³ = 1,163 × 30 = 34,89 кВт·ч.
Средняя круглогодичная мощность горячего водоснабжения полного комплекса определяется делением годовой потребности 2,987–3,505 миллиона киловатт-часов на 8 760 часов. Получается приблизительно 341–400 киловатт.
Максимальная мощность горячего водоснабжения составляет 1 050–1 167 киловатт. Разница между пиком и средним уровнем равна приблизительно 709–767 киловаттам.
Если накопитель должен в течение двух часов покрывать эту разницу, его полезная энергетическая емкость должна составлять:
Eнак.2ч ≈ (709–767) × 2 = 1 418–1 534 кВт·ч.
При рабочем перепаде 20 градусов предварительный объем равен:
Vнак.20 = (1 418–1 534) ÷ 23,26 ≈ 61–66 м³.
При перепаде 30 градусов:
Vнак.30 = (1 418–1 534) ÷ 34,89 ≈ 41–44 м³.
Это контрольный сценарий, при котором котельная или другой источник продолжает покрывать среднюю нагрузку, а накопитель компенсирует только превышение над ней.
Если необходимо в течение двух часов полностью обеспечивать максимальный расход горячей воды без поступления тепла от котельной, полезная емкость возрастает до 2,10–2,33 мегаватт-часа. Тогда потребуется около 90–100 кубических метров при перепаде 20 градусов или 60–67 кубических метров при перепаде 30 градусов.
Для первой очереди пропорциональная максимальная мощность горячего водоснабжения составляет 0,525–0,584 мегаватта, а средняя — примерно 0,171–0,200 мегаватта. Для покрытия двухчасовой разницы потребуется около 0,71–0,77 мегаватт-часа полезной емкости. Это соответствует 30–33 кубическим метрам при перепаде 20 градусов либо 20–22 кубическим метрам при перепаде 30 градусов.
Полученные объемы не являются окончательным выбором баков. Накопители рассчитываются по реальному утреннему и вечернему водоразбору, мощности теплообменников, времени восстановления запаса, допустимой температуре и режиму рециркуляции.
Для солнечного поля с расчетной годовой выработкой 1,68 гигаватт-часа среднесуточное производство условно составляет около 4 603 киловатт-часов. Для накопления такого количества энергии потребовалось бы около 198 кубических метров воды при перепаде 20 градусов или 132 кубических метра при перепаде 30 градусов.
Использовать эти объемы как закупочную спецификацию нельзя.
Реальная солнечная выработка в ясный летний день отличается от среднегодовой, а часть тепла сразу потребляется горячим водоснабжением и бассейнами. Накопитель солнечной системы должен рассчитываться по часовому графику конкретного коллекторного поля.
В комплексе могут применяться разные виды накопления. Баки горячего водоснабжения обеспечивают запас воды для санитарных потребителей. Буферные емкости отопления принимают тепло солнечных коллекторов, котлов и газопоршневых установок. Гидравлическое разделение через теплообменники позволяет не хранить весь расчетный запас непосредственно в питьевой воде.
Расчет подтверждает, что тепловая нагрузка комплекса определяется не только зимним отоплением. Горячее водоснабжение и бассейны создают значительную круглогодичную потребность, благодаря которой солнечные коллекторы и когенерация могут использоваться большую часть года. Окончательная конфигурация источников и накопителей определяется после утверждения архитектуры, бассейнов, ресторанной технологии и почасового графика потребления.