Расчет теплопотерь помещения при раздельном учете конвективного и лучистого теплообмена

Ю. А. Табунщиков, профессор, член-корреспондент РААСН

В проектной практике довольно часто встречается задача по определению теплопотерь помещения, в котором одна или несколько поверхностей имеют существенно различные температуры. К таким поверхностям можно отнести угловые помещения с двумя наружными стенами, помещения верхнего этажа с двумя наружными стенами и покрытием, помещения плавательного бассейна и помещения с обогреваемым полом, в которых температура поверхности воды или поверхности пола существенно отличается от температуры внутренних поверхностей наружных ограждений.

В рассматриваемом в статье случае тепловой поток на внутренней поверхности наружной ограждающей конструкции можно рассчитать по формуле:

(1)

где a_к – коэффициент конвективного теплообмена между внутренней поверхностью наружной ограждающей конструкции и воздухом помещения, Вт/м²°С;

a_л – коэффициент лучистого теплообмена между внутренней поверхностью наружной ограждающей конструкции и окружающими поверхностями, Вт/м²°С;

t_в, t_вп – соответственно, температуры внутреннего воздуха и внутренней поверхности наружной ограждающей конструкции, °С;

t_окр – температура окружающих поверхностей, °С, может быть вычислена по формуле:

(2)

где t_i, F_i – соответственно, температуры, °С, и площади, м², окружающих поверхностей.

Формулу (1) перепишем следующим образом:

(3)

Рассматривая правую часть формулы (3), можно сделать следующие выводы:

1. Если t_усл > t_в, то теплопотери помещения будут превышать значения, рассчитанные согласно СНиП 2.04.05–91* «Отопление, вентиляция и кондиционирование» без раздельного учета лучистой и конвективной составляющих теплообмена на внутренней поверхности наружных ограждений.

2. Если t_усл < t_в, то теплопотери помещения будут ниже значений, рассчитанных согласно СНиП 2.04.05–91* «Отопление, вентиляция и кондиционирование» без раздельного учета лучистой и конвективной составляющих теплообмена на внутренней поверхности наружных ограждений.

3. При расчете сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций согласно СНИП 23–02–2003 «Тепловая за-щита зданий» нормируемый температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности наружной ограждающей конструкции при раздельном учете лучистой и конвективной составляющих теплообмена следует определять по формуле:

(4)

Приведенные выше формулы достаточны для практических расчетов. При необходимости более точных расчетов, когда лучистый тепловой поток учитывается через разность четвертых степеней температур, это можно сделать по формулам, приведенным в работе [1].

В работе [2] представлены расчеты стационарного теплового режима помещения при раздельном учете лучистой и конвективной составляющих теплообмена.

Рассматривалось три типа помещений с системой воздушного отопления: рядовое – с одной наружной стеной, угловое – с двумя наружными стенами, верхнее угловое – с двумя наружными стенами и покрытием;

в каждом из помещений имелось окно (рис. 1).

Рисунок 1. Схема исследуемого помещения

В процессе расчета варьировались температура наружного воздуха t_н от –15 до –25 °С; геометрические параметры помещения: отношение ширины к высоте В/Н – от 1 до 2,5, отношение длины к высоте L/Н – от 1 до 2,5; относительная площадь остекления наружной стены f_ост = F_ок / BH – от 0,3 до 0,7 (F_ок – площадь окна); приведенный относительный коэффициент излучения между окном и светонепроницаемыми ограждениями

e^ок_пр / e^ок_пр1 = 0,84; e^ок_пр2 = 0,28.

Полученные при расчете значения перепада между температурами внутреннего воздуха и внутренней поверхности наружного ограждения и значения теплопотерь помещения были сопоставлены с нормативными перепадом и теплопотерями; кроме того, проведено сравнение теплопотерь помещения при различных значениях e^ок_пр.

При анализе полученных результатов выявлено, что соотношения геометрических размеров В/Н и L/Н практически не влияют на исследуемые параметры, поэтому при дальнейшем рассмотрении они не учитываются.

При t_в = 18 °С и ∆t_н = 6 °С температура внутренней поверхности наружного ограждения составляет t_вп =12 °С, температура внутренней поверхности покрытия при t_в = 18 °С и ∆t_н = 4 °С t_пот = 14 °С. Расчетные значения отличаются от нормативных и в большой степени зависят от типа помещения: в помещении с одним наружным ограждением t_вп = 10÷10,5 °С, с двумя – t_вп = 9,2÷9,6 °С, в помещении с двумя наружными стенами и покрытием t_вп = 8,7÷9,0 °С, t_пот = 10,4÷11,2 °С.

Естественно, что при t_усл < t_в теплопотери помещения, рассчитанные с учетом конвективной и лучистой составляющих теплообмена, оказались меньше теплопотерь, определенных по СНиП 2.04.05–91*. При увеличении перепада между t_в и t_вп возросла конвективная составляющая теплообмена, однако лучистая составляющая существенно уменьшилась. Это объясняется тем, что температуры внутренних ограждений не равны температуре воздуха (для различных типов помещения t_окр = 12,5÷15,5 °С) и, кроме того, для помещений с несколькими наружными ограждениями в расчет включались их внутренние поверхности. На рис. 2 показано распределение температуры поверхностей помещений, рассчитанное в соответствии с нормами и по формулам конвективного и лучистого теплообмена, учитывающего разности температур четвертых степеней [2], стрелками обозначено направление лучистых потоков. Как видно из рисунка, в реальных условиях происходит перераспределение этих потоков и поверхность потолка может даже отдавать лучистое тепло в помещение.

Рисунок 2. Распределение температуры поверхностей в помещении, рассчитанное: а – по СНиП 2.04.05–91*; б – по формулам [2] при В/Н = 1,0; L/Н = 1,5; fост = 0,7; eокпр = 0,84

Расчетом установлено, что при уменьшении e^ок_пр с 0,84 до 0,28 температура внутренней поверхности окна снижается на 2–3 °С из-за резкого уменьшения (на 55–60 %) лучистого теплообмена с другими поверхностями помещения, которое не компенсируется увеличением (на 20–30 %) конвективного теплообмена. Вследствие этого снижаются и теплопотери помещения. На рис. 3 представлено относительное изменение теплопотерь ∆Q в зависимости от типа помещения, f_ост t_н. Значения ∆Q определялись по формуле:

(5)

где Q_0,84 и Q_0,28 – теплопотери помещения при e^ок_пр1 = 0,84 и e^ок_пр2 = 0,28.

Рисунок 3. Теплопотери помещения при различных значениях fост и tн (В/Н = 1,5; L/Н = 2,5): а – рядовое помещение; б – угловое помещение; в – верхнее угловое помещение

Таким образом, анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы.

В помещениях с наружными ограждающими конструкциями, рассчитанными по СНиП 23–02–2003 (где коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности принят постоянным), не обеспечивается нормативный санитарно-гигиенический перепад между температурами воздуха и внутренней поверхности наружной стены. Превышение расчетного перепада над нормативным составляет для рядового помещения 25–30 %, углового – 40–45 %, верхнего углового – 50–55 %.

Расчет теплопотерь помещения по СНиП 2.04.05–91* при t_усл < t_в без раздельного учета лучистой и конвективной составляющих теплообмена дает завышение на 5–15 % по сравнению с действительными. При уменьшении приведенного относительного коэффициента излучения между окном и светонепроницаемыми ограждениями теплопотери снижаются.

За счет значительной величины лучистого теплового потока между внутренней поверхностью остекления и человеком в помещении даже при достаточно высоких значениях сопротивления теплопередачи остекления вблизи него имеет место зона пониженного комфорта. На рис. 4 приведены примерные схемы границ зон комфорта вблизи остекления в зависимости от применяемых отопительных приборов [3].

Рисунок 4. Отопительные приборы, их размещение в помещении и границы зон комфорта: а – радиатор; б – конвектор; в – перегородочная панель; г – подоконная панель; д – границы зон комфорта в помещении: I – при расположении под окнами радиаторов; II – конвекторов; III – при размещении нагревательных элементов по периметру внутренних стен; IV – в междуэтажных перекрытиях; V – в наружной стеновой панели; А – зона комфорта; Б – зона дискомфорта

В настоящее время наружные ограждающие конструкции высотных зданий выполнены практически полностью остекленными.

Необходимо помнить, что все расчеты требуемых потерь теплоты и сопротивления теплопередаче, а также зон комфорта, выполняются для расчетной температуры наружного воздуха.

Литература

1. Табунщиков Ю. А. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий. – М. : АВОК-ПРЕСС, 2002.

2. Табунщиков Ю. А., Климовицкий М. С. Расчет теплового режима помещения при раздельном учете конвективной и лучистой составляющих теплообмена. Сборник трудов НИИСФ «Тепловой режим и долговечность зданий», 1987.

3. Шаповалов И. С., Лискевич В. К. Микроклимат квартир. – М. : Знание, 1985.