Лекция 14

Летний режим помещения. Характеристики наружного климата. Солнечная радиация, температура и энтальпия наружного воздуха. Теплозащита ограждений. Теплопоступления через наружные ограждения. – 1 час

Воздухо- и влагозащитные свойства ограждений. Определение наибольших и расчетных теплопотерь. Тепловой баланс помещения. Расчет составляющих теплового баланса. Тепловая нагрузка на систему отопления. Обогрев помещения. – 1 час

Зимний тепловой режим помещения

В холодный период года ограждения защищают помещение от низких наружных температур и ветра, а система отопления под­держивает в нем определенную температуру.

Постоянство температурной обстановки в помещении должно быть выдержано при наличии холодных поверхностей наружных ограждений и нагретых поверхностей приборов системы отопления. Холодные и нагретые поверхности вызывают конвективные воздуш­ные потоки и являются источниками с «положительного» и «отрица­тельного» излучения, которые тем интенсивнее, чем больше разности температур. Температура наружного воздуха непрерывно изменяется. Следом за ней изменяются температуры поверхностей в помещении. Наибольшие разности температур будут наблюдаться в самые су­ровые периоды зимы, Если наружные ограждения и система отопле­ния обеспечат удовлетворительные условия в помещении в этот от­резок времени, то они смогут поддержать необходимые условия и в течение всей зимы.

Интенсивные токи холодного воздуха, потеря тепла излучением или, наоборот, чрезмерное количество, излучаемого тепла создают у людей, находящихся в помещении, ощущение неприятного пере­охлаждения или перегрева. Такая обстановка в помещении может привести к простудным и другим заболеваниям.

Решая задачу отопления помещения, необходимо рассчитать ог­раждения и обогревающие устройства так, чтобы они обеспечивали требуемые тепловые условия в обслуживаемой (рабочей) зоне в те­чение всего отопительного периода.

Защитные свойства наружных ограждений

Ограждения здания должны обладать требуемыми теплозащит­ными свойствами и быть в достаточной степени воздухо- и влаго­непроницаемыми.

Теплозащитные свойства наружных ограждений определяются двумя показателями: величиной сопротивления теплопередаче R₀ и теплоустойчивостью, которую оценивают по величине характе­ристики тепловой инерции ограждения D. Величина R₀ определяет сопротивление ограждения передаче тепла в стационарных ус­ловиях, а теплоустойчивость характеризует сопротивляемость ог­раждения передаче изменяющихся во времени периодических теп­ловых воздействий.

В зимних условиях теплозащитные свойства ограждений принято характеризовать в основном величиной R₀, а в летних — также их теплоустойчивостью. Это объясняется тем, что для зимы характерны устойчивые температуры вне здания и постоянные внутренние тем­пературы, которые обеспечивает система отопления. Летом харак­терны периодические суточные изменения наружной температуры и солнечной радиации, внутри здания температура обычно не ре­гулируется.

Наиболее важным является определение расчетного сопротивле­ния теплопередаче R₀ основной части (глади) конструкции ограж­дения, с которого обычно и начинают теплотехнический расчет ограждения. Необходимым является условие, при котором R₀ долж­но быть равно или больше минимально допустимого по санитарно-гигиеническим соображениям (требуемого) сопротивления R_{0 тр .}, теплопередаче:

R₀> R_{0 тр.} (94)

Однако этого условия недостаточно, так как при определении R₀ должны учитываться также технико-экономические показа­тели. Если оказывается, что экономически оптимальное сопротив­ление R_{0 опт} теплопередаче ограждения больше R_0тр, то расчетное сопротивление должно определяться по условию:

R_{0 опт}> R_{0 тр.} (95)

В этом случае сопротивление R₀ больше минимально допустимого и целесообразнее в экономическом отношении.

После определения R₀ глади ограждения необходимо проверить теплозащитные свойства элементов конструкции (стыки, углы, вклю­чения). Необходимым и достаточным условием этого расчета явля­ется отсутствие выпадения конденсата на внутренней поверхности конструкции.

Для расчета теплопотерь и тепловых условий в помещении часто кроме R₀ необходимо рассчитывать приведенное сопротивление R_{0 пр.} теплопередаче ограждения.

Для зданий, расположенных в южных районах, дополнительно проверяют теплоустойчивость ограждений в расчетных летних усло­виях. Недостаточную теплоустойчивость ограждения для зимнего периода учитывают увеличением его сопротивления теплопередаче при расчете R_{0 тр}.

Для заполнения оконных и дверных проемов теплозащитные свой­ства регламентируются только сопротивлением теплопередаче конструкции, которое должно быть не ниже установленного СНиПом. Допустимая воздухопроницаемость окон, дверей, стыков конструк­ций, стен и перекрытий здания определяется нормируемым сопротив­лением R_н.тр. воздухопроницанию, расходом воздуха, дополнитель­ными затратами тепла, понижением температуры поверхности конст­рукции при инфильтрации.

Влагозащитные свойства ограждения должны исключать пере­увлажнение материалов атмосферной влагой и за счет диффузии во­дяных паров из помещения. Процессы передачи тепла, фильтрации и переноса влаги взаимосвязаны, и одно явление оказывает влияние на другое, поэтому определение сопротивлений тепло -, воздухо - и влагопередаче должно проводиться, как общий расчет защитных свойств наружных ограждений здания.

Оптимальное сопротивление теплопередаче ограждения

В настоящее время в строительстве широко распространены де­шевые и эффективные теплоизоляционные материалы. Применяя их, часто оказывается выгоднее делать ограждение более утепленным, чем это необходимо по санитарно-гигиеническим требованиям. Эко­номически оптимальное сопротивление теплопередаче ограждения оказывается больше требуемого R_{0 тр .}, и конструкцию сле­дует выбирать по условию (95). Определение R_{0 опт} является сложной технико-экономической задачей, которая, однако, может быть решена аналитически с учетом некоторых упрощающих предпосылок.

Экономической характеристикой, определяющей рациональность конструктивного решения, является величина приведенных затрат А, руб./м²:

А = К+ЭТ, (96)

где К — капитальные затраты на ограждение и сопряженные с ним системы отопления и охлаждения помещения, зависящие от сопро­тивления теплопередаче ограждения, руб./м²; Э — эксплуатационные расходы, которые складываются в основном из стоимости теряемого через ограждение тепла (холода) и затрат на восстановление и ка­питальный ремонт ограждения и сопряженных систем, руб./м² в год; Т — нормативный срок окупаемости дополнительных капитальных вложений, равный 8,33 годам.

Наиболее целесообразной в экономическом отношении будет та­кая теплозащита, ограждения, для которой приведенные затраты будут минимальными.

Оптимальное сопротивление должно быть определено с учетом затрат на систему отопления и отчислений на амортизацию и текущий ремонт. В расчете должны быть учтены затраты на системы кондиционирования, а также стоимость холода, который расходуется летом на ассимиляцию тепла, поступающего через ограждение. С учетом некоторых упрощающих предпосылок формула оптимального сопротивления при круглогодичном обеспечении системами заданного микроклимата в помещениях жилых и общественных зданий может быть записана в виде:

(97)

где характеристики с индексом «с. к.» относятся к системе летнего кондиционирования; t_усл. ₀ — расчетная наружная температура для летнего периода (средняя условная температура расчетных суток),

t _{в. л} — температура в помещении летом; t_усл. _охл и n_охл — средняя условная температура и продолжительность охла­дительного периода (период работы системы охлаждения помещения); S_x — стоимость холода руб./Дж (руб./ккал), S_{с.о .}- изменение затрат на систему отопления при изменении ее мощности на 1 Вт; С_{С. о.}, С_{огр .} – ежегодные отчисления на амортизацию и текущий ремонт от капитальных затрат на систему отопления и ограждение, 1/год; S_т – стоимость теряемого через ограждение тепла руб.../Дж; t_{о.п .} и n _{о.п .} – температура и продолжительность отопительного периода, ч/год; S_{из .}- стоимость изоляции в конструкции ограждения, руб./м³

Определение наибольших потерь тепла помещением

Наибольшие потери тепла помещением определяют установочную мощность системы отопления. В общем виде потребность в дополни­тельном тепле от системы отопления Q_от возникает при положи­тельном значении величины теплового баланса:

Q_от = Q_огр + Q_и – Q_тех – Q_с.р (98)

где Q_огр — теплопотери помещением за счет теплопередачи через наружные ограждения; Q_и — расход тепла на нагрев инфильтрующегося наружного воздуха; Q_тех — внутренние (технологические и бытовые) тепловыделения, Q_с.р — теплопоступления за счет солнечной радиации.

Потери тепла через отдельные ограждения определяют по формуле:

(99)

где R_0пр — приведенное сопротивление теплопередаче ограждения, n — коэффициент, уменьшающий расчетную разность температур (t_в–t_н); F — пло­щадь ограждения; η — коэффициент, учитывающий дополнительные теплопотери через ограждение.

Величина расчетных теплопотерь через отдельные ограждения будет соответствовать коэффициенту обеспеченности К_об, с учетом которого выбрано значение t_н в формуле (99). Наружные ограждения в помещении имеют различную тепло­устойчивость. Через ограждение с малой теплоустойчивостью (окна, легкие конструкции) теп­лопотери при похолодании будут резко возрастать, практически следуя во вре­мени за изменением темпе­ратуры наружного возду­ха. Через теплоустойчивые ограждения потери тепла при похолодании возрас­тут немного, и во времени эти изменения будут зна­чительно отставать от на­ружной температуры. Мак­симальные потери тепла помещением в расчетных условиях не будут равны сумме потерь через отдель­ные ограждения. Сложение необходимо провести с уче­том сдвига во времени теп­лопотерь через отдельные ограждения.

В период резкого похолодания, как показывают расчеты и наб­людения, теплопотери через окна составляют до 80% от об­щих потерь. Основываясь на этих данных, можно также считать, что наибольшие потери тепла помещением Q_пом совпадают во времени с наибольшими теплопотерями через окна. Окна практи­чески не обладают тепловой инерцией, поэтому момент времени и величина наибольших теплопотерь через них практически совпа­дают во времени и по величине с минимальной наружной темпера­турой. Величину Q_пом в связи с этим удобно определить в виде:

Q_пом = Q_ок + Q_i (100)

где Q_ок — наибольшие теплопотери через окна (безынерционные ограждения), определяемые по формуле (99) при t_н = t_но— а_tн; Q_i — сумма теплопотерь через прочие теплопередающие ограж­дения помещения в момент наибольших теплопотерь через окна. Величина Q_i для теплоустойчивого ограждения равна:

Q_i = Q_iо + ∆Q_i (101)

Где Q_iо — теплопотери в начале периода резкого похолодания при t_н = t_но по формуле (99 ); ∆Q — дополнительные теплопотери, соответствующие наружной температуре в момент наибольших теплопотерь через окна.

При определении установочной тепловой мощности системы отоп­ления по СНиПу теплопотери через отдельные ограждения расчиты­вают при t_н = t₅. Из предыдущего рассмотрения теплового режима ограждения в период резкого похолодания видно, что определенная по рекомендациям норм потеря тепла за счет теплопередачи может заметно отличаться от максимальных (для принятого К_об) значений.

Необходимое количество тепла на нагрев инфильтрующегося в помещение наружного воздуха определяется по формуле:

Q_и = L_и c ρ_н (t_в–t_н)A (102)

где L_и — часовой объем инфильтрующегося наружного воздуха; с — массовая теплоемкость воздуха; ρ_н — плотность наружного воз­духа; А — коэффициент, учитывающий влияние встречного тепло­вого потока (экономайзерный эффект).

В случае отсутствия компенсации вытяжного воздуха подогретым приточным воздухом часовой расход инфильтрующегося наружного воздуха определяется нормируемым по санитарно-гигиеническим ус­ловиям воздухообменом.

Для наиболее точного расчета величины Q_и количество инфильтрующегося воздуха L_и необходимо рассчитывать с учетом фактиче­ского воздухообмена в здании.

Внутренние теплопоступления складываются из поступлений тепла от электропотребляющих источников, приборов для приготовления пищи, системы горячего водоснабжения, людей. Существующими нор­мами (применительно к жилым зданиям) теплопоступления оцени­ваются величиной порядка 20,9 В (18 ккал/ч) на 1 м² площади по­мещения. Однако, в расчете отопительной нагрузки следует учитывать, что часть этого тепла расходуется на некоторый догрев воздуха по­мещения от допустимой (расчетной для системы отопления) темпе­ратуры до оптимальной, а также на неизбежный перегрев уходящего вентиляционного воздуха.

В настоящее время при определении расчетной отопительной на­грузки нормы не учитывают теплопоступления за счет солнечной ра­диации. Однако, на тепловой баланс помещений, а, следовательно, и на режим работы отопления они оказывают существенное влияние, что особенно важно при определении текущей отопительной нагрузки, выборе схем и режима регулирования системы отопления.

Точный учет возможных теплопоступлений в помещения является дополнительным резервом для уменьшения тепловой нагрузки сис­темы отопления и экономии тепла. Способы определения расчетных теплопотерь и соответствующие расчетные приемы подробно рассмат­риваются в курсе «Отопление».

Обогрев помещения

Отопительный прибор передает тепло от теплоносителя сис­темы отопления обогреваемому помещению. Его конструкция, способ установки и присоединения к системе отопления должны всесторонне оцениваться по теплотехническим, экономическим, техническим и эстетическим показателям. Для этого определяют количество затра­чиваемого на обогрев помещения тепла, оптимальные формы прибора, доли отдаваемого им конвективного и лучистого тепла и оценивают степень оптимальности микроклимата, создаваемого нагревательным прибором.

Использование прибора той или иной конструкции и его установ­ка в различных местах помещения не должны приводить к заметному перерасходу тепла. Показателем, оценивающим эти свойства, является отопительный эффект прибора. Он показывает отношение количества отдаваемого прибором тепла для создания в помещении заданных тепловых условий к расчетным потерям тепла.

Считается, что наилучшим отопительным эффектом обладают панельно-лучистые приборы, установленные в верхней зоне помещения или встроенные в конструкцию потолка. У таких приборов отопительный эффект равен 0,9—0,95, т. е. теплоотдача потолочных панелей-излучателей может быть даже несколько ниже расчетных теплопотерь помещения, без ухудшения комфортности внутренних условий. У нагретой поверхности пола отопительный эффект равен ~ 1,0.

Наиболее распространенные приборы-радиаторы обычно устанав­ливают в нишах или около поверхности наружной стены. Поверхность за радиатором перегревается, и тепло бесполезно теряется через эту часть наружной стены Отопительный эффект радиаторов оценивают величиной 1,04—1,06. Лучше радиатора оказываются конвек­торы, располагаемые вдоль наружной стены Отопительный эффект, например, плинтусного конвектора равен 1,03. Подоконная панель, встроенная в конструкцию наружной стены, имеет заметные бес­полезные потери тепла и ее отопительный эффект равен 1,1.

Комфортность тепловой обстановки в помещении зависит не толь­ко от количества поступающего тепла, но и от места установки на­гревательного прибора в помещении, а также его геометрии. Нагре­вательные приборы, компенсируя теплопотери, должны также вы­полнять роль локализаторов источников холода в помещении. Поэтому, нагретая поверхность прибора и струя теплого воздуха над ним должны предупредить радиационное переохлаждение и попадание холодных токов воздуха в обслуживаемую зону помещения.

Идеальным в этом отношении является решение, когда все наруж­ные ограждения равномерно обогреваются и в помещении отсутству­ют охлажденные поверхности.

Хорошие тепловые условия в помещении создают приборы, рас­положенные под окнами вдоль наружной стены. В этом случае об­служиваемая зона и особенно область у пола помещения, которая особенно подвержена переохлаждению ниспадающими токами воз­духа, защищается в тепловом отношении наиболее эффективно

В детских яслях и садах желательно устраивать обогреваемый пол или применять плинтусные приборы, равномерно обогревающие по периметру всю нижнюю зону помещения. Специальные теплые дорожки делаются в помещении бассейнов Обогрев пола желателен в вестибюлях и переходах. В промышленных цехах необходим спе­циальный подогрев холодных перекрытий и фонарей, который должен предупредить образование «падающих» в рабочую зону токов холодного воздуха. В верхней зоне помещения располагают приборы-излучатели, которые подвешивают в виде лент на некотором расстоя­нии от потолка. Излучением тепла они равномерно обогревают рабочую зону. Конвективная составляющая их теплоотдачи нагревает воздух и компенсирует теплопотери перекрытия, предупреждая образование холодных токов воздуха.

В помещениях небольшой глуби­ны, когда расстояние от наружных стен до противоположной внутренней стены невелико, приборы можно рас­полагать у внутренних стен. Система отопления в этом случае оказывается компактной.

Оценка эффективности обогрева помещения при различных нагревательных приборах может быть приближенно дана по распределению температуры по высоте помещения. Образование тепловой подушки у потолка и перегрев верх­ней зоны помещения увеличивают по­тери тепла. Наилучшим является обо­грев при равномерном распределении температуры по высоте.

Лекция 13

­ Расчетные летние внутренние условия и их обеспеченность

­ Выбор расчетных внутренних условий для летнего периода года имеет специфичность. Он должен проводиться с учетом следующих факторов:

1) назначения здания и помещения;

2) климата географического района строительства;

3) нестационарности летних условий;

4) градаций уровней требований и способа обеспечения заданных условий;

5) выполняемой человеком работы и степени ее физической тяжести; 6) наличия больших нaгpeтыx или охлажденных поверхностей;

7) длительности пребывания людей;

8) требования обеспеченности расчетных условий.

За основу определения внутренних условий удобно принять условия для наиболее распространенного случая основных помещений жилых и общественных зданий, расположенных в умеренном климате, с учетом нестационарности условий, для двух уровней требований при их обеспечении средствами вентиляции и кондиционирования воздуха.

Длительность пребывания (Δz_преб) людей в помещении необходимо учитывать при t_н > 30°С. Температура помещения t­_п в этом случае должна быть приблизительно равной:

(103)

где с ­ численный коэффициент, равный 0,3 при Δz_преб до 1 ч и 0,1 при Δz_преб до 3 ч.

Летом, так же как и зимой, необходимо определять требуемую обеспеченность поддержания заданных внутренних условий. Для летних условий особенно необходимо задавать коэффициент обеспеченности и по числу n случаев (К_об,п) и по продолжительности (Δz) отклонений (К_об,ΔΖ) Коэффициент обеспеченности по числу случаев равен:

К_об,п=(N-n)/N (104)

а по продолжительности отклонений:

К_об,ΔΖ=(Z-Δz)/Z (105)

где N и Z ­ соответственно общее число случаев и общая продолжительность во времени для принятого сезонного периода года; n и Δz ­ соответственно число случаев и продолжительность отклонения усло­вий от расчетных.

Обеспеченность поддержания условий в помещении зависит от теплозащиты ограждающих конструкций, тепловой и холодильной мощности систем обеспечения микроклимата, которые выбираются по расчетным наружным условиям. Поэтому требование обеспеченности расчетных внутренних условий должно учитываться при выборе расчетных характеристик наружного климата.

В действующих нормах приняты три градации климата (А, Б и В)

Для расчета систем обеспечения микроклимата. Их приближенно можно определить коэффициентами обеспеченности.

­ Характеристики наружного климата

Важными характеристиками климата летнего периода являются солнечная радиация и температура наружного воздуха, При расчете кондиционирования воздуха необходимо иметь также данные о тепло­ влажностном состоянии наружного воздуха.

Для оценки теплозащитных качеств ограждений и определения поступлений тепла в помещения, а также для выбора производительности вентиляции и холодильной мощности системы кондициониро­вания микроклимата необходимо иметь характеристики климата для расчетного, наиболее жаркого периода лета. Расчетные летние условия должны быть определены наиболее невыгодным сочетанием параметров климата, выбранным с различной обеспеченностью для расчетного периода.

Методика выбора сочетаний характеристик климата с заданным коэффициентом обеспечен­ности была подробно рассмотрена на примере холодного периода года. Следуя приня­той методике, за расчетный случай принимаем наиболее жаркие сутки, так как для условий устойчивого жаркого летнeгo периода характерными являются периодические суточные изменения. Для получения расчетных параметров климата при разных К_об принимаем за ряд случаев все сутки, календарных (июнь, июль, aвгycт) летних месяцев предшествующего периода наблюдений.

Прежде всего, должны быть определены расчетные изменения температуры и интенсивности падающей на ограждение радиации.

Для получения расчетных значений интенсивности падающей на ограждение солнечной радиации необходимо использовать данные актинометрических наблюдений о суммарной q (прямой и рассеянной) солнечной радиации. Как известно, интенсивность солнечной радиации зависит от облачности, прозрачности атмосферы, времени года и суток, широты местности и пр.

Корреляционная связь между срочными значениями температуры и интенсивностью солнечной радиации незначительная, поэтому t_н и q можно считать независимыми событиями. При заданном коэффициенте обеспеченности сочетания q и t_н определяются как:

(106)

Для получения К_об(t_н,q) можно принять К_об(q)=1, тогда:

(107)

Рассматривая обеспеченность совместного действия t_н и q, в качестве расчетных берем максимальные значения интенсивности суммарной солнечной радиации, соответствующие К_об(q)=1

Для того чтобы К_об(q) соответствовало примерно единице, в районах с сухим летним периодом обычно принимают в качестве расчетных максимальную солнечную радиацию в июле при безоблачном небе. Для районов с влажным летним периодом рассеянная радиация занимает значительную часть в суммарной радиации, падающей на поверхности здания, особенно на вертикальные поверхности. Вследствие этого в условиях жаркого и влажного летнего периода в качестве расчетных принимают максимальные значения интенсивности суммарной солнечной радиации, падающей на поверхности зданий при облачности средних баллов.

Расчет прямой солнечной радиации, поступающей на вертикальные поверхности, проводится по формуле:

S_в=S cosθ (108)

где S - интенсивность прямой солнечной радиации, падающей на перпендикулярную солнечным лучам поверхность (она обычно измеряется на метеостанциях); θ - ­ угол падения солнечных лучей на поверхность.

Суммарную радиацию, так же как и изменения t_н часто можно определить тремя характеристиками:

· среднесуточной интенсивностью суммарной радиации q₀;

· амплитудой ее изменения A_q;

· временем максимума радиации Z_q^max.

Величину A_q можно определить в виде:

(109)

Где Q_max - максимальная интенсивность суммарной радиации.

За расчетную летнюю скорость ветра v и принимают наименьшую среднесуточную скорость ветра в июле, которая будет соответствовать обеспеченности К_об(v_н) около единицы.

Проверка теплозащитных свойств ограждения для теплого периода года

В районах со среднемесячной температурой июля 21°С и выше амплитуда колебаний температуры внутренней поверхности ограждающих конструкций зданий жилых, больничных учреждений (больниц, клиник, стационаров и госпиталей), диспансеров, амбулаторно-поликлинических учреждений, родильных домов, домов ребенка, домов-интернатов для престарелых и инвалидов, детских садов, яслей, яслей-садов (комбинатов) и детских домов, а также производственных зданий, в которых должны соблюдаться оптимальные нормы температуры и относительной влажности воздуха в рабочей зоне или по условиям технологии должны поддерживаться постоянными температура и относительная влажность воздуха, не должна быть более требуемой амплитуды, А_τв^тр, °С, определяемой по формуле:

(109)

где t_н -среднемесячная температура наружного воздуха за июль, °С, принимаемая согласно СНиП.

Данная формула применима для населенных пунктов со средней температурой наружного воздуха за июль месяц больше 21˚С. Для всех остальных пунктов А_τв^тр=2,5°С.

Дата добавления: 2014-12-16