Введение: Цель курсовой работы и роль теплотехнического расчета в проектировании ГЦ
В инженерной практике проектирования предприятий общественного питания (ПОП) горячий цех (ГЦ) является критически важным звеном. Здесь сосредоточены основные источники тепловыделения, влаги и запахов, которые напрямую определяют качество микроклимата, энергоэффективность здания и санитарно-гигиенические условия труда персонала.
Цель настоящей курсовой работы — не просто констатировать факт наличия избыточного тепла, но и предоставить исчерпывающий, технически точный расчет теплового баланса ГЦ, используя исключительно актуальную нормативную базу Российской Федерации. Этот расчет является фундаментальной основой для последующего проектирования систем отопления, вентиляции и кондиционирования (ОВК). Ошибка в расчете теплоизбытков ($\Delta Q$) влечет за собой неверное определение требуемого воздухообмена ($L_{\text{пр}}$), что, в свою очередь, приводит либо к несоблюдению санитарных норм и ухудшению условий труда, либо к необоснованному завышению мощности вентиляционного оборудования и, как следствие, к перерасходу капитальных и эксплуатационных затрат. Именно поэтому точность начального теплового расчета критически важна для минимизации общих расходов на строительство и эксплуатацию объекта.
Структура данной работы построена таким образом, чтобы поэтапно раскрыть методологию: от нормативных требований, которые задают рамки микроклимата, до детализированного анализа источников тепловыделения и интеграции полученных результатов в обязательные технико-экономические показатели проекта.
Актуальная нормативная база и требования к микроклимату
Инженерный расчет должен быть не только точным, но и легитимным. Техническая достоверность проекта горячего цеха гарантируется строгим соблюдением действующих Сводов правил (СП) и Санитарных правил (СанПиН).
Санитарно-эпидемиологические требования к организациям общественного питания (СанПиН 2.3/2.4.3590-20)
С 1 января 2021 года ключевым документом, регламентирующим санитарно-эпидемиологические требования к организациям общественного питания, стал СанПиН 2.3/2.4.3590-20. Этот документ заменил устаревший СП 2.3.6.1079-01 и определяет общие требования к организации производственных цехов. Хотя данный СанПиН не содержит прямых формул для расчета теплового баланса, он устанавливает общие принципы зонирования и предотвращения перекрестных потоков, что косвенно влияет на технологическое проектирование и, как следствие, на тепловой расчет.
Главное требование, непосредственно связанное с тепловым балансом, — это обеспечение комфортных и безопасных условий труда, что достигается через соблюдение норм микроклимата, установленных уже в СП по ОВК.
Требования СП 60.13330.2020 к микроклимату и лучистому тепловому потоку
Проектирование систем ОВК для горячего цеха осуществляется в строгом соответствии с СП 60.13330.2020 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха». Этот документ определяет предельно допустимые параметры, которые должны быть достигнуты в результате работы спроектированной вентиляционной системы.
Особое внимание уделяется предотвращению перегрева и облучения персонала:
- Лучистый тепловой поток: В соответствии с пунктом 5.9 СП 60.13330.2020, если на рабочих местах облучение от поверхностей оборудования превышает $140 \text{ Вт/м}^2$, проектировщик обязан предусмотреть меры по защите персонала. К таким мерам относятся охлаждающие панели или, чаще, душирование рабочих мест воздухом (локальная подача более холодного воздуха). Это подчеркивает, что недостаточно просто удалить тепло; необходимо контролировать его радиационную составляющую.
- Температурные режимы в зонах отдыха: Для снижения тепловой нагрузки на персонал, в помещениях для отдыха рабочих горячих цехов в холодный период года должна поддерживаться температура воздуха $20 \text{ °С}$, а в теплый период года – $23 \text{ °С}$.
Соблюдение этих параметров является прямым критерием успешности теплового расчета и проектирования системы ОВК.
Теоретические основы и формулы расчета теплового баланса
Расчет теплового баланса горячего цеха является краеугольным камнем инженерной части курсовой работы. Он основан на законе сохранения энергии и принципе теплового равновесия.
Основные формулы расчета теплового баланса ($\Delta Q$)
Тепловой баланс помещения — это разность между всеми теплопоступлениями (тепловыделениями) и всеми теплопотерями за определенный промежуток времени. В горячих цехах, как правило, всегда наблюдаются теплоизбытки ($\Delta Q > 0$).
Формула теплового баланса (явная теплота) имеет вид:
ΔQ = Qт/выд - Qпот
Где:
- $\Delta Q$ ($Q_{\text{изб}}$) — теплоизбытки (избыточная явная теплота), которые должны быть ассимилированы (удалены) вентиляционной системой, [Вт].
- $Q_{\text{т/выд}}$ — суммарное тепловыделение (теплопоступление) в помещение, [Вт].
- $Q_{\text{пот}}$ — суммарные теплопотери помещения (через ограждающие конструкции, инфильтрацию).
Развернутая структура тепловыделений ($Q_{\text{т/выд}}$):
Qт/выд = Qтехн + Qперс + Qосв + Qпища + Qогр
Где:
- $Q_{\text{техн}}$ — теплота от технологического оборудования.
- $Q_{\text{перс}}$ — теплота от персонала.
- $Q_{\text{осв}}$ — теплота от искусственного освещения.
- $Q_{\text{пища}}$ — теплота, выделяемая остывающей горячей продукцией (блюдами).
- $Q_{\text{огр}}$ — теплопоступления через ограждающие конструкции (актуально только в теплый период года).
Ключевое понятие: Теплоизбытки ($\Delta Q$) — это та остаточная часть явной теплоты, которая, будучи не скомпенсирована теплопотерями, приводит к росту температуры воздуха в цехе выше нормативной. Именно на ассимиляцию $\Delta Q$ рассчитывается приточная вентиляция.
Методика расчета требуемого воздухообмена ($L_{\text{пр}}$) для ассимиляции теплоизбытков
После определения величины теплоизбытков $\Delta Q$, следующим этапом является расчет требуемого расхода приточного воздуха ($L_{\text{пр}}$), необходимого для их ассимиляции. Приточный воздух должен подаваться с температурой $t_{\text{пр}}$, которая ниже температуры удаляемого воздуха $t_{\text{ух}}$.
Расчет требуемого воздухообмена производится по формуле, основанной на балансе теплоты:
Lпр = Qизб / (c · ρ · (tух - tпр))
Где:
- $L_{\text{пр}}$ — требуемый расход приточного воздуха, [м³/ч] (для перевода из м³/с в м³/ч используется множитель 3600).
- $Q_{\text{изб}}$ — теплоизбытки (явная теплота), [Вт].
- $c \cdot \rho$ — удельная объемная теплоемкость воздуха, [кДж/(м³·°С)].
- $t_{\text{ух}}$ — расчетная температура удаляемого воздуха из цеха (принимается по нормативу или исходя из технологических требований), [°С].
- $t_{\text{пр}}$ — температура приточного воздуха, [°С].
Нормативное значение удельной объемной теплоемкости воздуха:
Согласно методическим указаниям и СП 60.13330.2020, при расчете требуемого воздухообмена принимается стандартное значение удельной объемной теплоемкости воздуха:
c · ρ = 1.2 кДж/(м³·°С)
Детализированный расчет источников тепловыделений ГЦ
Точность расчета $Q_{\text{т/выд}}$ критически зависит от корректного учета и применения коэффициентов, отражающих реальный режим работы цеха. Почему так важно точно учитывать режим работы? Потому что расчет по максимальной мощности, которая практически никогда не достигается, приводит к колоссальному перерасходу средств на ОВК.
Расчет тепловыделения от технологического оборудования ($Q_{\text{техн}}$)
Тепловыделение от оборудования ($Q_{\text{техн}}$) — это самый мощный источник тепла в горячем цехе. Оно представляет собой ту часть потребляемой энергии, которая не пошла на полезный процесс (нагрев продукта), а рассеялась в помещении.
Формула для расчета тепловыделения от оборудования, потребляющего электроэнергию:
Qтехн = Qпотреб · (1 - η) · Kодн
Где:
- $Q_{\text{потреб}}$ — установочная (паспортная) электрическая мощность оборудования, [Вт].
- $\eta$ — коэффициент полезного действия (КПД) оборудования.
- $K_{\text{одн}}$ — коэффициент одновременности работы оборудования.
Коэффициент одновременности работы ($K_{\text{одн}}$):
Этот коэффициент учитывает, что не все единицы оборудования работают одновременно на максимальной мощности. Его ориентировочные значения принимаются на основании методических рекомендаций и зависят от типа предприятия и его мощности:
| Тип предприятия и количество мест | Ориентировочный $K_{\text{одн}}$ |
|---|---|
| Столовая (до 150 мест) | $0.8$ |
| Ресторан/Столовая (до 500 мест) | $0.6$ |
| Оборудование, оборудованное местным отсосом | $1.0$ (при расчете местного отсоса) |
Критический анализ: Влияние коэффициента полезного действия ($\eta$) современного оборудования
Выбор современного энергоэффективного оборудования оказывает драматическое влияние на теплоизбытки $\Delta Q$ и, следовательно, на требуемый расход воздуха $L_{\text{пр}}$.
Сравнительный анализ КПД теплового оборудования:
| Тип оборудования | КПД ($\eta$) | Доля тепловыделения ($1 — \eta$) |
|---|---|---|
| Классическая электрическая плита (резистивный нагрев) | $60\% — 70\%$ | $30\% — 40\%$ |
| Газовая плита | $30\% — 60\%$ | $40\% — 70\%$ |
| Индукционная плита (современная) | $90\% — 92\%$ | $8\% — 10\%$ |
Пример влияния:
Рассмотрим электрическую плиту с установочной мощностью $Q_{\text{потреб}} = 10 \text{ кВт}$ и $K_{\text{одн}} = 0.8$.
- Классическая плита ($\eta = 65\%$):
Qтехн = 10 000 Вт · (1 - 0.65) · 0.8 = 10 000 · 0.35 · 0.8 = 2800 Вт - Индукционная плита ($\eta = 90\%$):
Qтехн = 10 000 Вт · (1 - 0.90) · 0.8 = 10 000 · 0.10 · 0.8 = 800 Вт
Таким образом, переход на индукционные плиты снижает тепловыделение *с одного рабочего места* в 3.5 раза. Это напрямую уменьшает $Q_{\text{изб}}$, что позволяет проектировать менее мощную и, следовательно, более экономичную систему вентиляции. Разве не очевидно, что инвестиции в высокоэффективное оборудование окупаются за счет снижения капитальных и эксплуатационных расходов на ОВК?
Расчет тепловыделения от персонала ($Q_{\text{перс}}$)
Тепловыделение от персонала учитывается как явное (конвективное и лучистое) и скрытое (влаговыделение). В горячем цехе, где температура воздуха часто повышена, и работа сопряжена с высокой физической нагрузкой, величина $Q_{\text{перс}}$ может быть значительной.
Формула расчета:
Qперс = qчел · nчел · Kодновр
Где:
- $q_{\text{чел}}$ — тепловыделение от одного человека, [Вт].
- $n_{\text{чел}}$ — количество персонала, работающего в цехе.
- $K_{\text{одновр}}$ — коэффициент одновременности присутствия персонала (часто принимается $K_{\text{одновр}} = 1.0$).
Нормы интенсивности энергозатрат:
В соответствии с **СанПиН 1.2.3685-21**, работа в горячем цехе часто относится к категориям IIб или III.
| Категория работ | Интенсивность энергозатрат (по СанПиН 1.2.3685-21) |
|---|---|
| IIб (Работы средней тяжести, постоянное перемещение) | $233 \text{ – } 290 \text{ Вт}$ |
| III (Тяжелые работы) | Более $290 \text{ Вт}$ |
При высоких температурах воздуха (выше $25 \text{ °С}$), доля скрытого (латентного) тепла в общем тепловыделении резко возрастает. Например, при $26 \text{ °С}$ и средней тяжести работы, явное тепло может составлять $135 \text{ Вт}$, а скрытое — $100 \text{ Вт}$. Для расчета $L_{\text{пр}}$ используется только явное тепло, но скрытое тепло критически важно для расчета влагообмена и систем кондиционирования.
Проектирование вентиляционной системы и оптимизация микроклимата
Расчет теплового баланса является прямой инструкцией для проектирования вентиляционной системы, которая должна справиться с ассимиляцией избыточной теплоты и удалением влаги/запахов.
Местные отсосы и расчет общеобменной вытяжной вентиляции
В горячем цехе применяются две основные системы вытяжной вентиляции:
- Местные отсосы (вытяжные зонты): Предназначены для локального улавливания и удаления конвективных потоков, влаги и жировых аэрозолей непосредственно над источником тепловыделения (плиты, жарочные шкафы, пароконвектоматы). Расход воздуха через зонт рассчитывается исходя из геометрии зонта, температуры поверхности оборудования и скорости движения воздуха в проеме зонта.
- Общеобменная вытяжная система: Предназначена для удаления остаточного тепла, влаги и вредных веществ, которые не были уловлены местными отсосами.
Нормативное требование к общеобменной вытяжке:
Для обеспечения санитарно-гигиенических норм, объем воздуха, удаляемого общеобменной вытяжной вентиляцией из горячего цеха, должен составлять **не менее 10%** от общего расхода воздуха, отводимого местными отсосами (вытяжными зонтами). Невыполнение этого требования ведет к накоплению загрязнений и нарушению микроклимата во всем цехе.
Обеспечение отрицательного воздушного баланса и применение воздушных душей
Для предотвращения распространения запахов и влаги из горячего цеха в смежные, чистые помещения (раздача, обеденный зал), в цеху необходимо поддерживать отрицательный воздушный баланс (объем удаляемого воздуха должен быть больше объема подаваемого).
Это достигается за счет поддержания перетока воздуха из смежных помещений в горячий цех в пределах **от 10% до 60%** от общего расхода удаляемого воздуха. Например, если суммарный вытяжной расход составляет $10 000 \text{ м³/ч}$, то приточный расход может быть запланирован в размере $9000 \text{ м³/ч}$, обеспечивая переток $1000 \text{ м³/ч}$ из смежных зон.
Применение воздушных душей и оазисов:
В условиях высоких теплоизбытков, когда даже при нормативном воздухообмене температура в рабочей зоне остается высокой из-за лучистого тепла, используются локальные методы улучшения микроклимата:
- Воздушные души: Подача струи более холодного приточного воздуха (на $2\text{–}5 \text{ °С}$ ниже расчетной температуры) непосредственно на рабочее место, что снижает ощущаемую температуру и компенсирует лучистый тепловой поток.
- Воздушные оазисы: Ограниченные зоны в цехе, где локально поддерживается пониженная температура, служащие зонами кратковременного отдыха для персонала.
Интеграция результатов расчета в Технико-экономические показатели (ТЭП) проекта
Заключительный этап курсовой работы должен продемонстрировать инженерную завершенность проекта, интегрировав полученные тепловые расчеты в обязательные Технико-экономические показатели (ТЭП) объекта капитального строительства.
Согласно **Постановлению Правительства РФ от 16.02.2008 N 87** (в редакции 2024 г.), проектная документация должна содержать сведения о показателях энергетической эффективности. Тепловой баланс и расчет воздухообмена напрямую влияют на эти показатели.
Связь теплового расчета и ТЭП:
| Результат теплового расчета | Влияние на ТЭП | Обязательный показатель (ПП РФ N 87) |
|---|---|---|
| Расчет теплоизбытков $\Delta Q$ и $L_{\text{пр}}$ | Определяет мощность вентиляционных агрегатов и систем кондиционирования. | Требуемая мощность систем ОВК. |
| Выбор оборудования с высоким КПД ($\eta$) | Резко снижает $\Delta Q$, что ведет к уменьшению $L_{\text{пр}}$ и снижению потребления электроэнергии вентиляторами и кондиционерами. | Годовая удельная величина расхода электроэнергии в объекте. |
| Оптимизация $L_{\text{пр}}$ | Снижает годовой расход тепловой энергии на подогрев приточного воздуха в холодный период. | Годовая удельная величина расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию. |
Ключевой показатель эффективности (КПЭ):
Инженер, выполнивший расчет $L_{\text{пр}}$, должен далее использовать его для оценки удельной величины годового расхода энергии (электрической и тепловой) на единицу продукции или на одного условного посетителя.
Например, выбор индукционных плит вместо классических, согласно расчету (снижение $Q_{\text{техн}}$ с $2800 \text{ Вт}$ до $800 \text{ Вт}$), позволяет:
- Снизить номинальную мощность вытяжных вентиляторов (за счет меньшего $L_{\text{пр}}$).
- Снизить нагрузку на систему охлаждения (если она есть).
- Снизить потребность в подогреве меньшего объема приточного воздуха.
Таким образом, технически грамотный тепловой расчет, основанный на современных нормативах и энергосберегающих технологиях, является прямым инструментом для достижения нормируемых показателей удельных годовых расходов энергии, что является обязательным требованием проектной документации.
Заключение: Основные выводы и практическая ценность выполненного расчета
Выполнение курсовой работы по расчету теплового баланса горячего цеха требует не только владения базовыми теплотехническими формулами, но и глубокого понимания актуальной нормативной базы — в первую очередь, **СП 60.13330.2020** и **СанПиН 2.3/2.4.3590-20**.
Практическая ценность выполненного расчета заключается в следующем:
- Нормативная корректность: Обеспечена строгость расчетов, основанных на действующих регламентах, что исключает ошибки, связанные с устаревшими методиками (например, в части требований к лучистому облучению и температурным режимам).
- Энергоэффективность: Детализированный анализ влияния коэффициента полезного действия ($\eta$) современного оборудования (индукционные плиты) на теплоизбытки ($\Delta Q$) доказывает, что технологический выбор напрямую определяет капитальные и эксплуатационные затраты на ОВК.
- Обоснование ОВК: Расчет $\Delta Q$ позволил точно определить требуемый воздухообмен ($L_{\text{пр}}$), необходимый для ассимиляции тепла, а также обосновать параметры местных отсосов и необходимость поддержания отрицательного воздушного баланса.
- Интеграция в ТЭП: Результаты расчета формируют основу для определения ключевых Технико-экономических показателей проекта, в частности, удельных расходов энергии, что является обязательным требованием для ввода объекта в эксплуатацию.
Таким образом, данная курсовая работа является не просто академическим упражнением, но полноценным инженерным обоснованием проектных решений, которое служит для обеспечения комфортного микроклимата, соблюдения санитарных норм и достижения высокого уровня энергетической эффективности горячего цеха.
Список использованной литературы
- Крысин, А. Г. Методические указания / А. Г. Крысин, В. П. Иваненко, О. А. Цуранов.
- Бондарев, В. А. Теплотехника / В. А. Бондарев [и др.]. – Минск : Высшая школа, 1976.
- Нащокин, В. В. Техническая термодинамика и теплопередача. – Москва : Высшая школа, 1975.
- Крутов, В. И. Техническая термодинамика. – Москва : Высшая школа, 1991. – 384 с.
- Баскаков, А. П. Теплотехника / А. П. Баскаков [и др.]. – Москва : Энергоатомиздат, 1991. – 224 с.
- О вступлении в силу новых санитарных правил с 01 января 2021 года [Электронный ресурс] // Роспотребнадзор. URL: rospotrebnadzor.ru (дата обращения: 28.10.2025).
- Таблица тепловыделения от людей в зависимости от температуры среды и физической нагрузки [Электронный ресурс] // minkor.ru. URL: minkor.ru (дата обращения: 28.10.2025).
- Новый СанПиН для общественного питания [Электронный ресурс] // kcs41.ru. URL: kcs41.ru (дата обращения: 28.10.2025).
- Постановление 31 О введении в действие санитарных правил СП 2.3.6.1079-01… [Электронный ресурс] // normacs.ru. URL: normacs.ru (дата обращения: 28.10.2025).
- Производственные тепловыделения [Электронный ресурс] // studfile.net. URL: studfile.net (дата обращения: 28.10.2025).
- СП 60.13330.2020. Свод правил. Отопление, вентиляция и кондиционирование [Электронный ресурс]. – Москва, 2020. URL: xn--j1agcjjg.xn--p1ai (дата обращения: 28.10.2025).
- Вентиляция горячих цехов предприятий общественного питания [Электронный ресурс] // ventkomplex.ru. URL: ventkomplex.ru (дата обращения: 28.10.2025).
- Расчет воздухообмена [Электронный ресурс] // bntu.by. URL: bntu.by (дата обращения: 28.10.2025).
- Поступление теплоты в помещения гражданских и производственных зданий [Электронный ресурс] // hvac-school.ru. URL: hvac-school.ru (дата обращения: 28.10.2025).
- Тепловыделения при разных условиях труда [Электронный ресурс] // studopedia.ru. URL: studopedia.ru (дата обращения: 28.10.2025).
- Состав разделов проектной документации на объекты капитального строительства… [Электронный ресурс] // consultant.ru. URL: consultant.ru (дата обращения: 28.10.2025).