الباب السادس حساب حمل التسخين HEATING LOAD CALCULATIONS
مقدمة
6-4
العوامل المؤثرة على حمل التسخين
6-2
الحرارة المفقودة
6-3
الحرارة المنتقلة خلل المبنى
6-4
حرارة التهوية
6-5
الحرارة الناتجة عن تسرب الهواء
6-6
الحرارة المفقودة خلل المسالك الهوائية
6-7
منوال حساب حمل التبريد
6-8
منوال العمل
6-9
مسائل
6-10
(Introduction) (factors influencing heating load) (Heat loss) (Heat transmission through the building) (Heat of ventilation) (Heat due to infiltration) (Heat loss through air ducts) (Heating load calculation procedure) (Worksheet) (Problems)
82
الباب السادس حساب حمل التسخين HEATING LOAD CALCULATIONS
6-1مقدمة )(introduction الحسابات الدقيقة لحمل التسخين ضرورية جداً لدقة تصصصميم ،اختيصصار وأداء أنظمصصة تكييصصف الهواء الشتوية .يجب التفرقة بين الحرارة المفقودة وحمل التسخين: أ ص الحرارة المفقودة )(Heat loss وهي عبارة عن معدل فقد الحرارة خلل الاطار الخارجي للمبنى. ب ص حمل التسخين )(Heating load وهو عبارة عن معدل إضافة الحرارة الماطلوبة للمحافظة على درجة حرارة الهواء داخل غرف المبنى. حمل التسخين ل يساوي الحرارة المفقودة بل يكون دائما ً أقل منه وذلك لن الحرارة المكتسبة من أشعة الشمس ،الناس ،الضاءة والمعدات داخل الغرف تعمل على تعويض جزء من الحرارة المفقودة خلل الاطار الخارجي للمبنى. 6-2العوامل المؤثرة على حمل التسخين )(Factors influencing heating load يؤثر على حمل التسخين العوامل التالية: أ ـ المنابع الحرارية )(Heat sources تعمل المصادر الحرارية الداخلية وأشعة الشمس علصصى خفصصض حمصصل التسصصخين بينمصصا تشصصكل المنابع الخارجية التالية حمل التسخين: 1ص انتقال الحرارة خلل الحوائاط الخارجية ،السقف والرضيات للمبنى. 2ص الحرارة للزمة لتسخين كل من هواء التهوية والهواء المتسرب خلل الشبابيك إلى غرف المبنى. ب ـ شروط التصميم الخارجية )(Outside design conditions ينتج عن تصميم أنظمة التكييف الشتوية لسوأ الظروف الخارجية توافر سعة تسخين زائدة معظم الوقت .درجة التصميم الخارجية ،اطبقا ً لمواصفات الهيئة المريكية للتبريد والتكييف والتسخين ،ASHRAEهي عبارة عن درجة حرارة الهواء المناظرة والزائدة والتي تشكل %97.5من عدد ساعات أشهر الشتاء )ديسمبر ،يناير وفبراير(. يمكن أخذ درجة حرارة الهواء أكبر من أقل درجة حرارة الهواء المسجلة بحوالي ْ5م كدرجة التصميم الخارجية وهي للسكندرية ْ10م وللقاهرة ْ4.4م. ج ـ شروط التصميم الداخلية )(Inside design conditions درجة حرارة الهواء داخل الغرف تتغير في التجاه الرأسي وتعين بالمعادلة: (tH = t + 0.06 (H – 0.5 حيث: tHص عبارة عن درجة حرارة الهواء على ارتفاع ) (Hمن الرضية.
83
Tص عبارة عن درجة حرارة الهواء عند مستوى التنفس ،أي على ارتفاع 1.5م من الرضية وعلى بعد متر واحد من الحوائاط. تعرف درجة حرارة الهواء ) (tبدرجة التصميم الداخلية وهي تتوقف على اطبيعة المكان المراد تكييفه ،كما يتضح ذلك من جدول )(1-6 ظروف التصميم الداخلية المفضلة للاطقس القارس) (Tropical climatesهي ْ22م جافة مع %45راطوبة نسبية أو ْ21م جافة مع %30راطوبة نسبية. جدول )(1-6 درجة الحرارة الجافة
الراطوبة النسبية )(%
مع التراطيب
بدون التراطيب
منازل ص فنادق ص مكاتب
35
23
24
مدارس ص مستشفيات
30
24
محلت ص بنوك
35
22
23
سوبر ماركت
30
23
24
مدرجات ص ماطاعم
40
22
23
ماطابخ
35
23
24
مصانع أماكن تجمع
35
20
21
30
22
23
الستخصصصصصصدام
يفضل أن تكون الراطوبة النسبية داخل الماكن المكيفة شتاءاً منخفضة وذلك لمنع تكثف بخار الماء على النوافذ ،خاصة للماكن الباردة. د ـ تركيبة المبنى واتجاه حوائطه )(Building construction and wall orientation تؤثر التركيبة النشائية للمبنى على معدلت فقد الحرارة خلل الحوائاط والسقف كما تؤثر أماكن النوافذ على كميات الحرارة المكتسبة من أشعة الشمس.
هـ ـ العوامل المساعدة )(Assisting factors الحرارة الناتجة عن أشعة الشمس ،الضاءة ،الناس ،الموتورات والمعدات بالضافة إلى الحرارة المحزونة ) (Storedفي حوائاط المبنى ومحتوياته تعمل على خفض الحمل الحراري. إذا أخذنا في العتبار عدم استمرارية الحمال الحرارية الناتجة عن الشمس ،الضاءة وشاغلي المكان وأن توقيت التصميم عادة يكون ليلً فإن العوامل المساعدة يجب أخذها في العتبار بعناية خاصة. 6-3الحرارة المفقودة )(Heat loss يمكن تصنيف الحرارة التي يفقدها المبنى إلى:
84
أ ـ حرارة محسوسة )(Sensible heat وهي الحرارة التي تعمل على خفض درجة حرارة الهواء داخل الماكن المكيفة ومصادرها هي: 1ص الحرارة المنتقلة خلل الحوائاط ،النوافذ ،السقف والرضيات نتيجة فرق درجات الحرارة. 2ص الحرارة الناتجة عن المعالجة الحرارية لهواء التهوية. 3ص خفض الحرارة الناتجة عن تسرب الهواء خلل شقوق النوافذ والبواب. ب ـ حرارة كامنة )(Latent heat وهي عبارة عن الحرارة التي تعمل علصصى زيصصادة راطوبصصة الهصصواء المتسصصرب والهصصواء اللزم للتهوية. 6-4الحرارة المنتقلة خلل المبنى )(Heat transmission through the building تعين الحرارة المنتقلة خلل الحوائاط ،السقف والرضيات بالمعادلة: (QT = ∑ UA (tI – to حيث: toو tIعبارة عن درجة تصميم الهواء الجافة خارج المبنى وداخله على التوالي. Uعبارة عن معامل انتقال الحرارة الكلي لمقااطع المبنى المختلفة ويحسب بنفس الاطريقة المتبعة في حسابات حمل التبريد. لخفض معدلت فقد الحرارة خلل المبنى يجب عزل الحوائاط ،السقف والرضيات. 6-5حرارة التهوية )(Heat of ventilation حيث أن حالة هواء التهوية عادة تختلف عن حالة الهواء داخل المصصاكن المكيفصصة فصصإنه يلصصزم معالجة هواء التهوية لرفع درجة حرارته الجافة وزيادة راطوبته. تعين حرارة التهوية بنفس المعادلت المستخدمة في حسابات حمل التبريد وهي: للحرارة المحسوسة: ])Qv,s = mv[Cp (tI – to
وللحرارة الكامنة: ]Qv,L = mv[(HI – Ho)L
يعاطي جدول ) (2-6معدلت حرارة التهوية للماكن المختلفة ،علوة على درجة حرارة الهواء الداخلية المفضلة. جدول )(2-6 نوعية المبنى متاحف ص بنوك ص مكاتب مستشفيات ص معامل
درجة الحرارة الداخلية )ْ(C 20
85
معدل حرارة التهوية )(W/m2 . °C 0.33
محاكم محلت تجارية كبيرة صالت عرض أو اجتماعات سوبر ماركت
18
بارات ص ماطاعم ص مدارس جامعات ص كافيتريا محلت تجارية صغيرة
18
0.33
مساكن
21
0.33
مكتبات
20
0.25
ملعب مقفلة
16
0.25
0.17
6-6الحرارة الناتجة عن تسرب الهواء )(Heat due to infiltration يحدث تسرب الهواء نتيجة مرور الهصصواء خلل الحصصوائاط المسصصامية والشصصقوق فصصي الحصصوائاط وحول فتحات النوافذ والبواب. تعين حرارة الهواء بنفس المعادلت المستخدمة في حسابات حمل التبريد وهي: للحرارة المحسوسة: ])Qs,I = mI[Cp (tI – to
للحرارة الكامنة: ]QL,I = mI[(HI – Ho)L
يلحظ أن معدلت تسرب الهواء في الشتاء أكبر من نظيرتها في الصيف وذلك لن شدة الرياح أكبر .كما يلحظ أن معدلت تسرب الهواء خلل البواب المفتوحة تعادل سبع أضعاف نظيرتها للبواب المغلقة .تغاطية إاطارات النوافذ باطبقة مانعة للتسرب يمكن أن تخفض معدلت تسرب الهواء بحوالي %50 يتوقف معدل تسرب الهواء على نوعية النوافذ والبواب وعلى فرق الضغاط للهواء خلل شقوقها .كما هو موضح في جدول ) .(3-6فرق الضغاط خلل شقوق النوافذ عبارة عن الفرق بين الضغاط الناشئ عن سرعة الرياح وضغاط الهواء الناشئ عن توزيع هواء التهوية. جدول ) (3-6معدل ت تسرب الهواء )(L/S per m فرق الضغاط )(Pa
النوعيصصصصصصصصصصصصصصة
25
50
75
100
نافذة خشبية مقفلة ذات مفصلين مع: 2
ص أحكام ضعيف )عادي(
86
3.1
3.9
5
0.7
ص أحكام متوساطة
1.1
1.5
1.8
نافذة خشبية مقفلة ذات مفصلين ومجهزة بخوصة مقاومة للتسرب مع: ص أحكام ضعيف )عادي(
0.7
1.1
1.5
1.5
ص أحكام متوساطة
0.4
0.6
0.8
0.9
شباك أو حائاط حول إاطاره ص إاطار خشبي
0.3
0.6
0.8
0.9
ص مباني محلفاطة
0.1
0.1
0.2
0.2
ص مباني غير محلفاطة
0.4
0.7
0.9
1.1
من الجدول السابق يتضح أن معدلت تسرب الهواء تقل مع زيادة إحكام غلق النوافذ. يمكن حساب معدلت تسرب الهواء بنفس الاطرق المتبعة مع حسابات حمل والتبريد وهي: أ ـ طريقة تغير الهواء )(Air change method يعاطى جدول ) (4-6معدلت تغيير الهواء في الساعة تبعا ً لعدد جصصوانب المبنصصى المعرضصصة للوساط الخارجي ،بينما يعاطى جدول ) (5-6معدلت تسرب الهواء في الساعة تبعا ً للستخدام.
87
جدول )(4-6 ξ
نوعية الغرفة غرف بدون نوافذ أو أبواب خارجية
1 2
غرف ،نوافذ وأبواب على جانب واحد
1
غرف ،نوافذ وأبواب على جانبين
12
1
غرف ،نوافذ وأبواب على ثلث جوانب
2
صالت الدخول
2 جدول )(5-6 ξ
الستخدام صالت عرض أو اجتماع ص ملعب مقفلة
0.5
مكتبصصصصصصصصصات
0.75
متاحف ص بنوك ص مساكن ص مكاتب مستشفيات ص فنادق معامل ص محاكم ص ماطاعم ص كافيتريا ص مدارس ص جامعات ص محلت تجارية ب ـ طريقة الشقوق )(Crack method يتناسب معدل تسرب الهواء على اطول الشقوق ،عرضها والجزر التربيعي لفصصرق الضصصغاط خلل الشقوق. يعاطي جدول ) (3-6معدلت التسرب للنوافذ بينما يعاطي جدول ) (6-6معدلت حرارة التسرب لبعض البواب والنوافذ. جدول )(6-6 حرارة التسرب )(W
النوعية شباك مقفل 150×90سم
770
باب مقفل 210×90سم
925
باب مفتوح 210×90سم
6000
6-7الحرارة المفقودة خلل المسالك الهوائية )(Heat loss through air ducts
88
مسالك الهواء الحاملة للهواء المكيف والمادة خلل الماكن الغير مكيفة سوف تفقصصد حصصرارة يمكن تعينها بالمعادلة: Q=UAΔt
حيث: Aعبارة عن مساحة الساطح الخارجي لمسالك الهواء. Δ tعبارة عن فرق درجات الحرارة خلل مقاطع المسالك الهوائي. Uعبارة عن معامل انتقال الحرارة الكلي لمقاطع المسالك الهوائي. 6-8منوال حساب حمل التسخين )(Heating load calculation procedure 1ص اختار شرواط التصميم الخارجية. 2ص اختار شرواط التصميم الداخلية. 3ص حدد الخواص الحرارية لمواد البناء. 4ص حدد أبعاد المبنى واتجاهات حوائاطه. 5ص حدد فترة حدوث أقصى حمل تسخين. 6ص عين معامل انتقال الحرارة للمقااطع المختلفة. 7ص احسب الحرارة المنتقلة خلل الحوائاط ،الرضيات ،السقف ،النوافذ ،البواب. 8ص احسب حمل التسخين نتيجة تسرب الهواء. 9ص احسب حمل التسخين نتيجة التهوية. 10ص اجمع البندين 7و 8أو 7و 9للحصول على حمل التسخين. 6-9منوال العمل )(Word sheet لحساب حمل التسخين اقترح منوال العمل التالي: منوال حساب حمل التسخين اسم المكان: ْم راطبة ْم جافة شرواط التصميم الخارجية: ْ م راطبة ْ م جافة شرواط التصميم الداخلية: زمن حمل الذروة: رقم الغرفة: التجاه
E
W
S
N
أبعاد الحوائاط
×
×
×
×
أبعاد النوافذ
×
×
×
×
أبعاد البواب
×
×
×
×
1
انتقال الحرارة حوائاط بدون نوافذ بدون
U
A
Δt
Qs
QL -
E W S
89
QT
N
-
نوافذ
E W S N
-
أبواب
E W S N
-
الرضية السقف مسالك هوائية المجموع 2
حمل التسرب
ξ
Δi
VR
I/vo
Qs
QL
QT
المجموع 3
حمل التهوية
L/s
I/vo
Qs
QL
QT
Per person
المجموع 4
الحمل المحسوس ) 12+1و (3
5
حمل التراطيب ) 2أو (3
6
حمل التسخين )(5+4
6-10مسائل )(Problems 1ص عين أي من الحوائاط التالية ،ذات المساحة الكلية 1.5متر مربع يكون لها فقد الحرارة أكصصبر ما يمكن. أ ص حائاط يشتمل على %25زجاج مفرد والباقي اطوب قشرة )(U = 1.35 ب ص حائاط يشتمل على %50زجاج مزدوج والباقي اطوب قشرة )(U = 1.35
90
ج ص حائاط يشتمل على %10زجاج مفرد والباقي عبارة عن 15سم خرسانة مصبوبة. 2ص منزل ذو ساطح مائل مساحته 160متر مربع ومعامل انتقال الحرارة الكلي له 1.6 وات/متر مربع .درجة السقف أسفل الساطح المائل مساحته 140متر مربع ومعامل انتقال الحرارة الكلي له 0.42وات/متر مربع .درجة .الحيز بين الساطح والسقف هواءه ساكن .لدرجات الحرارة الخارجية ْ4م والداخلية ْ22م. 3ص غرفة جانبية في مبنى بالقاهرة تشتمل على شباكان 120×90سم ،على أحد الجوانب ،لهما معدل تسرب الهواء 1لتر /ثانية كل لمتر اطولي .على الجانب الخر للغرفة يوجد باب واحد 210×90سم له معدل التسرب 1.7لتر /ثانية لكل متر اطولي .إذا كانت درجة الحرارة داخل الغرفة ْ20م والراطوبة النسبية %30 عين الحرارة المفقودة نتيجة تسرب الهواء للغرفة. 4ص عين الحرارة المفقودة خلل الحائاط الخارجي والشبابيك لغرفة درجة حرارتها 22ءم ومواصفاتها. الحائاط 20 :سم خرسانة و 2سم مونة أسمنتية اطول الحائاط 9متر وارتفاعه 4.5متر. الشبابيك :خمسة 120 × 120 ،سم ،لها معدل التسرب 0.75لتر /ثانية لكل متر اطولي. الموقع :مدينة السكندرية. 5ص غرفة كمبيوتر تقع في الدور الثاني في مبنى مكتبي ذو خمسة أدوار .أبعاد الغرفة 7×10 متر وارتفاعها 3.5متر .الحائاط الخارجي اطوله 10متر وله معامل انتقال الحرارة الكلي 0.5وات/متر مربع .درجة .أجهزة الكمبيوتر والضاءة تعمل 24ساعة يوميا ً ويعاطيا حرارة معدلها 2كيلو وات .درجة حرارة الهواء داخل الغرفة ْ20م. عين حمل التسخين لظروف التصميم الشتوية لمدينة السكندرية. 6ص عين الحرارة المفقودة للغرفة ،الموضحة في شكل ) (1-6والتي تقع في دور متوساط في مبنى مكتبي بالقاهرة. الحائاط 10 :سم اطوب عادي 20 ،سم بلوكات خرسانية و 20مم مونة أسمنتية. الشبابيك 150×120 :سم ذات مفصلين وإاطار معدني ارتفاع السقف 2.75متر ودرجة الحرارة داخل الغرفة ْ20م. شكل )(1-6 7ص احسب حمل التسخين للمبنى الموضح في شكل ) (2-6المبنى ارضي ومقام على فرشة خرسانية. الموقع :القاهرة الحوائاط10 :سم اطوب عادي10 ،سم بلوكات خرسانية 5 ،سم فراغ هوائي و 2سم مونة جبسية .ارتفاع الحوائاط 3.65متر. الشبابيك 180 × 240 :سم ثنائية الزجاج ومحكمة. البواب 240×240 :سم ،بسمك 25مم خشب صلب. السقف10 :سم خرسانة خفيفة الوزن و 2سم مونة جبسية. شكل )(2-6
91
8ص هواء خارجي حالته ْ4م جافة و %60راطوبة نسبية يدخل مبنى صغير عن اطريق التسرب بمعدل 15لتر /ثانية. ما معدل الراطوبة التي يجب تبخيرها كل ساعة للحفاظ على الراطوبة النسبية الداخلية %40عند ْ18م جافة. ما كمية الحرارة اللزمة للتبخير. 9ص عين حمل التسخين للمبنى التجاري الموضح في شكل ) (3-6والذي يقع في مدينة السكندرية. الحائاط25 :مم ستيكو غامق على 30سم خرسانة عادية )(U = 1.83 السقف 20 :سم خرسانة خفيفة الوزن )(U = 0.62 الرضية :فرشة خرسانية بسمك 10سم. الباب 210 ×180 :سم ،خشب ناشف سمكه 5سم )(U = 2.26 الشبابيك 240 × 240 :سم ،ألواح زجاجية عادية سمكها 3مم. الشغال 35 :شخص يؤدوا نشااط مكتبي متوساط. الضاءة 5600 :وات فلورسنت. التسرب :معدل تغير الهواء
1 2
كل ساعة.
ارتفاع السقف 3متر والظروف الداخلية ْ20م و %35راطوبة نسبية. شكل )(3-6 10ص مبنى يستخدم كصالة اجتماعات عرضه 15متر ،اطوله 27متر وارتفاعه 3متر .الحوائاط تتكون من 10سم بلوكات خرسانية خفيفة الوزن ومغاطاة باطوب واجهة سمكه 5سم. الرضية عبارة عن 10سم فرشة خرسانية على 10سم خلاط .السقف عبارة عن تسقيفة خشبية إسفلتية خفيفة 20 ،مم ألواح خشبية و 5سم صوف زجاجي .على جانبي مع 6مم فراغ وإاطار معدني ،على كل جانب .الشبابيك 90×120سم وذات مفصلت أفقية .على الواجهة المامية توجد ثلثة أبواب وعلى الواجهة الخلفية باب واحد .البواب خشبية سمكها 5سم وأبعادها 92×210سم ذا كان المبنى في مدينة السكندرية. عين سعة فرن التسخين اللزم للتدفأة. 11ص للسوبر ماركت الموضح في شكل ) (4-5إذا كانت درجة التصميم الخارجية ْ4.4م والداخلية ْ22م ،الضاءة تعمل بصفة دائمة وسعة الشغال ل تقل عن 10أشخاص. عين أقل سعة لملفات التسخين تلزم للمحافظة على شرواط التصميم الداخلية. 12ص لكفتيريا الماطاعم المعاطاة في شكل ) (5-5إذا كانت درجة التصميم الداخلية ْ20م والخارجية ْ10م شدة الضاءة 20وات/متر مربع من مساحة الرضية بصفة دائمة ونسبة أشغال الكفتيريا %100لنفس معدلت تسرب الهواء خلل البواب والشبابيك. عين سعة ملفات التسخين للمحافظة على درجة حرارة التصميم الداخلية.
92