Воздушно-отопительные агрегаты: расчёт мощности и числа

Воздушно-отопительные агрегаты применяют там, где нужен быстрый прогрев большого объёма: цеха, склады, мастерские, спортзалы, торговые залы. От радиаторной системы они отличаются тем, что греют не отдельные точки у стен, а весь объём воздуха, перемешивая его вентилятором.

Главная ошибка при подборе — считать только мощность. Число агрегатов определяется и мощностью, и расходом воздуха, и длиной струи. Агрегат на 20 кВт, поставленный в цехе длиной 60 м, оставит дальний конец холодным.

Как устроен агрегат

Конструкция простая: корпус, вентилятор, теплообменник (калорифер) и жалюзийные решётки для направления струи. Воздух забирается из верхней части помещения, проходит через калорифер и выбрасывается с нагревом.

Ключевое отличие от радиатора — принудительное движение воздуха. Радиатор отдаёт тепло конвекцией и излучением у своей поверхности, агрегат — струёй, которая несёт тепло по всему объёму. Поэтому мощность агрегата может быть в разы выше при тех же габаритах.

Теплопотери помещения

Расчёт начинается с нагрузки. Для производственного помещения удобно пользоваться удельной теплозащитной характеристикой:

Характеристика q для производственных зданий выше, чем для жилых, из-за большой доли остекления, ворот и фонарей:

Точный расчёт даёт поэлементный подсчёт по конструкциям — он разобран в статье про теплопотери дома. Для цеха с ленточным остеклением удельная характеристика часто оказывается выше, чем кажется: 60 % площади стен могут быть окнами, а сопротивление теплопередаче окна в 3–4 раза ниже, чем у стены.

Не забудьте про инфильтрацию через ворота. В цехе с воротами, которые открываются 20 раз за смену, потери на нагрев врывающегося холодного воздуха могут составить 15–25 % от общих. Удельная характеристика это учитывает укрупнённо, но при постоянных проездах нужен отдельный расчёт или воздушно-тепловая завеса.

Расход воздуха и кратность

Мощность агрегата связана с расходом воздуха через его нагрев. Воздух переносит тепло по уравнению:

Произведение c·ρ равно примерно 1206 Дж/(м³·°С). В рабочих единицах расход считается так:

L = 3600 · Q / (1206 · Δt), где L — расход воздуха, м³/ч; Δt — нагрев воздуха в агрегате, °С.

Отсюда видно развилку: одну и ту же мощность можно передать малым расходом с большим нагревом или большим расходом с малым нагревом.

Для помещений высотой до 6 м нагрев обычно принимают 20–30 °С. В высоких цехах (8–12 м) нагрев увеличивают до 35–45 °С, но при этом агрегаты ставят высоко и направляют струю вниз, чтобы тёплый воздух успел отдать тепло в рабочей зоне.

Кратность воздухообмена

Второй ориентир — сколько раз за час агрегаты прогонят через себя весь объём помещения:

K = L_общ / V, где K — кратность воздухообмена, 1/ч; L_общ — суммарный расход всех агрегатов, м³/ч; V — объём помещения, м³.

Кратность ниже 3 означает, что воздух в помещении перемешивается плохо: у агрегата тепло, в дальнем углу холодно. Кратность выше 8 даёт направленные потоки, которые в рабочей зоне ощущаются как сквозняк.

Дальнобойность струи

Это параметр, который чаще всего игнорируют, а он определяет, сколько агрегатов нужно по длине помещения.

Дальнобойность зависит от скорости истечения и угла наклона решёток. При нагреве воздуха струя всплывает — горячий воздух легче холодного, поэтому реальная дальнобойность падает на 10–20 % относительно изотермической струи. В высоких помещениях решётки наклоняют вниз на 15–30°, чтобы компенсировать всплытие.

Практическое правило: длина помещения не должна превышать дальнобойность агрегата более чем в 1,5 раза. Если помещение длиннее, ставят несколько агрегатов в ряд по длине или располагают их по периметру с направлением струй навстречу друг другу.

Калькулятор подбора агрегатов

Дальше сведём всё вместе. Калькулятор считает теплопотери по объёму и удельной характеристике, требуемое число агрегатов по мощности и по расходу воздуха, итоговую кратность, скорость воздуха в рабочей зоне и проверяет, достаточна ли дальнобойность струи для вашего помещения.

Подготовьте данные: объём и длину помещения, высоту, характеристику утепления, расчётные температуры, тип и мощность агрегата.

Числовой пример

Возьмём цех со следующими данными:

• объём V = 2 000 м³, длина 40 м, высота 6 м;
• удельная характеристика q = 0,6 Вт/(м³·°С) — ленточное остекление;
• расчётная наружная температура −25 °С;
• температура в рабочей зоне +16 °С;
• установка под потолком, струя вниз, k = 1,0;
• агрегат 20 кВт, расход 2 200 м³/ч, дальнобойность 22 м;
• нагрев воздуха в агрегате Δt = 25 °С.

Шаг 1. Перепад температур и теплопотери:

Δt = 16 − (−25) = 41 °С

Q_пот = 0,6 · 2 000 · 41 = 49 200 Вт ≈ 49,2 кВт

Шаг 2. Требуемая мощность с поправкой на установку (k = 1,0):

Q_нужн = 49,2 / 1,0 = 49,2 кВт

Шаг 3. Число агрегатов по мощности:

n = 49,2 / 20 = 2,46 → 3 агрегата

Шаг 4. Требуемый расход воздуха при Δt = 25 °С:

L = 3600 · 49 200 / (1206 · 25) = 5 873 м³/ч

Шаг 5. Число агрегатов по расходу:

n = 5 873 / 2 200 = 2,67 → 3 агрегата

Шаг 6. Итог — большее из двух: 3 агрегата по 20 кВт.

Шаг 7. Проверка кратности:

L_общ = 3 · 2 200 = 6 600 м³/ч

K = 6 600 / 2 000 = 3,3 1/ч

Шаг 8. Проверка дальнобойности. Один агрегат достаёт на 22 м, помещение длиной 40 м. Двух агрегатов по длине (40 / 22 = 1,8 → 2) хватает, значит 3 агрегата распределяются равномерно: два по длине и один в поперечном направлении либо три в шахматном порядке.

Шаг 9. Скорость воздуха в рабочей зоне. Площадь помещения 2 000 / 6 = 333 м²:

v = 6 600 / 3600 / 333 = 0,006 м/с

Это осреднённая скорость по всему объёму, а не в струе. Локально у выхода из агрегата она в 5–10 раз выше и нормируется отдельно.

Обратите внимание на шаг 4: 5 873 м³/ч — это больше, чем дают три агрегата по мощности. Если бы расчёт по расходу дал, скажем, 8 000 м³/ч, потребовалось бы четыре агрегата, хотя по мощности хватало трёх. Именно поэтому число агрегатов берут по большему из двух значений, а не по мощности.

Размещение агрегатов

От расстановки зависит равномерность температуры. Общее правило: струи не должны бить друг в друга, а воздух — гоняться по замкнутому кругу.

Варианты размещения:

• в ряд по длине — для вытянутых помещений, струи вдоль оси;
• по периметру навстречу — для широких помещений, струи к центру;
• шахматный порядок — для больших площадей, чередование направлений;
• у ворот и проёмов — для компенсации инфильтрации, струя навстречу потоку.

Расстояние от агрегата до стены при струе вдоль неё — не менее 1,5 м, иначе струя «прилипает» к стене и не перемешивает объём. Расстояние между двумя встречными струями — не менее их дальнобойности, иначе потоки гасят друг друга и в зоне встречи образуется застой.

Частые ошибки

Подбор только по мощности. Число агрегатов считают делением теплопотерь на мощность одного агрегата и на этом останавливаются. В результате расход воздуха оказывается недостаточным, кратность падает до 1,5–2, и в помещении образуются холодные зоны. Проверка по расходу обязательна.

Игнорирование дальнобойности. Два агрегата по 50 кВт в цехе длиной 80 м дают нужную мощность, но струя каждого достаёт на 34 м, и в середине помещения образуется застойная зона. Лечится это не увеличением мощности, а расстановкой.

Чрезмерный нагрев воздуха. Стремление снизить расход воздуха увеличением Δt до 50–60 °С приводит к тому, что воздух поднимается под потолок, не отдавая тепло в рабочей зоне. В помещении высотой 4 м это даёт перегрев сверху и холод внизу.

Отсутствие расчёта инфильтрации через ворота. В цехе с интенсивным движением транспорта потери на нагрев врывающегося воздуха достигают четверти от общих. Без воздушно-тепловой завесы или тамбура агрегаты не справятся, сколько бы их ни поставили.

Агрегаты направлены друг на друга. Встречные струи с одинаковой скоростью гасят друг друга, и в зоне встречи образуется застойная зона с пониженной температурой. Между встречными струями должно быть расстояние не меньше их дальнобойности.

Отсутствие автоматики. Агрегаты без терморегулирования работают на постоянной мощности независимо от температуры на улице. В межсезонье это даёт перегрев и перерасход тепла до 30 %. Простейшее решение — регулятор по температуре воздуха в помещении с управлением насосом или заслонкой.

Частые вопросы

Сколько воздушно-отопительных агрегатов нужно на цех?

Число берут как большее из двух значений: по мощности (теплопотери делят на мощность одного агрегата) и по расходу воздуха (требуемый расход делят на расход одного агрегата). Для цеха 2 000 м³ с теплопотерями 49 кВт при наружной температуре −25 °С получается 3 агрегата по 20 кВт.

Какая кратность воздухообмена допустима при воздушном отоплении?

В производственных помещениях с высотой более 4 м обычно принимают 3–8 объёмов в час. Ниже 3 кратность не обеспечивает равномерность температуры по объёму, выше 8 растёт скорость воздуха в рабочей зоне и появляется ощутимый сквозняк.

Почему агрегат не достаёт до конца помещения?

Дальнобойность струи ограничена: у агрегата 20 кВт она составляет около 22 м. Если помещение длиннее, дальний конец остаётся холодным, а у самого агрегата будет перегрев. В таком случае ставят несколько агрегатов по длине либо наклоняют струю вниз.

Можно ли греть воздух агрегатами без приточной вентиляции?

Можно, но это разные задачи. Воздушно-отопительные агрегаты работают с рециркуляцией, то есть греют воздух самого помещения, и санитарный приток не обеспечивают. Если в цехе есть выделения или требуется нормируемый приток по СП 60.13330.2020, нужна отдельная приточная установка.

Какой нагрев воздуха в агрегате принимают для расчёта?

Обычно 20–35 °С на выходе относительно входа. Больший нагрев снижает требуемый расход воздуха, но усиливает расслоение по высоте: тёплый воздух уходит под потолок, а в рабочей зоне не хватает тепла. Для помещений высотой до 6 м берут 25 °С.

Что делать с воздушно-отопительными агрегатами летом?

Агрегаты с водяным теплоносителем летом отключают, и они работают как обычные вентиляторы для перемешивания воздуха. Электрические и газовые модели просто выключают. Если нужен холод, применяют те же агрегаты с подключением к чиллеру.

Заключение

Подбор воздушно-отопительных агрегатов сводится к четырём действиям: посчитать теплопотери, разделить их на мощность агрегата, проверить число по расходу воздуха и убедиться, что струя достаёт до конца помещения. Пропуск любого из шагов даёт либо холодные зоны, либо перерасход.

Если задача — не цех, а жилой дом, логика другая: там воздушное отопление работает вместе с вентиляцией, и расчёт начинается с санитарного притока. Разбор — в статье про воздушное отопление дома. Для быстрого прогрева неотапливаемого помещения вместо стационарных агрегатов применяют тепловые пушки, а требования к приточным установкам разобраны в статье про приточную вентиляцию.