О противоречивости требований к теплозащите зданий в летних и зимних условиях

Ю. А. Табунщиков, доктор техн. наук, профессор, otvet@abok.ru

В последние 20 лет ведутся серьезные дискуссии о величине сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций в холодный период года, исходя из требования снижения теплопотерь и обеспечения санитарно-гигиенических условий. В то же время практически отсутствует обсуждение влияния тех же ограждающих конструкций на тепловой режим помещений зданий в летних условиях. Между тем в 50-е, 60-е и 70-е годы специалистов очень волновала проблема летнего теплового режима помещений, и в связи с этим было выполнено много интереснейших и замечательных работ [1, 2]. Однако эти работы касались главным образом теплоустойчивости ограждающих конструкций, выполненных из традиционно инерционных ограждений, и, что очень важно, не рассматривалось влияние энергетически взаимозависимой системы «ограждения – окно – вентиляция» на тепловой режим помещения. Скажем сразу, что во всех вышеупомянутых работах делался вывод о необходимости повышения теплоустойчивости наружных ограждающих конструкций с целью снижения амплитуды колебания температуры на внутренней поверхности ограждения.

Чтобы лучше анализировать и понимать влияние теплозащитных показателей наружных ограждающих конструкций в летних условиях на сопротивляемость воздействию солнечной радиации и температуры наружного воздуха, принято делить эти воздействия на их среднесуточное значение и амплитуду колебания [2]. При этом величина среднесуточных воздействий солнечной радиации и температуры наружного воздуха гасится сопротивлением теплопередачи ограждения, амплитуда колебания – теплоинерционными показателями ограждения, которые описываются довольно сложными математическими выражениями, учитывающими взаимное влияние расположения слоев этих ограждений. Традиционные конструкции, выполненные из кирпича, керамзитобетона и т. д., обладают малым сопротивлением теплопередаче и большой величиной затухания.

По мнению автора статьи, роль влияния амплитуды воздействия солнечной радиации и амплитуды колебаний температуры наружного воздуха на тепловой режим помещения сильно преувеличена, а роль среднесуточных воздействий солнечной радиации и температуры наружного воздуха – существенно недооценена. Следствием этого является переоценка теплоинерционных показателей наружных ограждающих конструкций и недооценка роли термического сопротивления.

В практике строительства в районах с жарким климатом в последние годы стали широко применяться облегченные индустриальные конструкции с высокоэффективной теплоизоляцией, позволяющей при небольшой толщине слоя теплоизоляции обеспечить конструкции требуемое сопротивление теплопередаче. Такие конструкции обладают малой теплоустойчивостью по отношению к колебаниям теплового потока, обусловленным воздействием солнечной радиации и температуры наружного воздуха. До настоящего времени накоплено мало данных о влиянии теплотехнических показателей облегченных ограждений на тепловой режим помещения и возможностях обеспечения в нем комфортного теплового режима без применения установок кондиционирования воздуха. Бытует мнение, что недостаточную теплоустойчивость облегченных наружных ограждений, обусловленную их малой объемной теплоемкостью, можно компенсировать за счет увеличения термического сопротивления. При таком положении представляется целесообразным дать оценку роли теплозащитных качеств наружных ограждающих конструкций, уровня теплозащиты светопроемов и кратности воздухообмена для теплового режима помещения. При этом, если в холодный период допустимо с определенной погрешностью оценивать влияние отдельно взятой наружной ограждающей конструкции на тепловой режим помещения, то в летних условиях это будет достаточно ошибочный подход: необходимо рассматривать помещение как единую энергетическую систему.

Отметим, что при недостаточной солнцезащите заполнения световых проемов температура воздуха в помещении значительно превышает температуру наружного воздуха и создает дискомфортные условия в помещении. Автор статьи проводил измерения температуры внутреннего воздуха в августе в помещении расположенного в Баку офисного здания с большим остеклением и солнцезащитой типа внутренних штор. Оказалось, что при максимальной температуре наружного воздуха +35 °C максимальная температура внутри помещения составила +42 °C.
Оптимизация теплового режима помещения, не оборудованного установками кондиционирования воздуха, в летний период заключается в нахождении такого соотношения между показателями тепло- и солнцезащиты ограждающих конструкций помещения и кратностью воздухообмена, при котором достигается минимизация вклада солнечной радиации в тепловой режим помещения. В работе [3] дано решение задачи минимизации вклада солнечной радиации в тепловой режим помещения при оптимальном выборе солнцезащиты световых проемов и кратности воздухообмена*. В частности, установлено, что величина сопротивления теплопередаче наружной ограждающей конструкции не оказывает влияния на тепловой режим помещения, если выполняется нижеприведенное уравнение:

где
R_0,W, F_W, ρ_w, α_out,w – соответственно сопротивление теплопередаче окна, м²•°С/Вт; площадь окна, м²; коэффициент поглощения солнечной радиации и коэффициент теплоотдачи наружной поверхности окна, Вт/(м²•°С);
ρ_wl, α_out,wl – соответственно коэффициент поглощения солнечной радиации и коэффициент теплоотдачи наружной поверхности стены, Вт/(м²•°С);
C_Vλ_VV_R – соответственно объемная теплоемкость воздуха, кДж/(м³•°C); кратность воздухообмена, ч^–1; объем помещения, м³;
β – коэффициент проникания солнечной радиации через светопроницаемое ограждение с учетом его затенения солнцезащитным устройством;
J – среднесуточное значение интенсивности суммарной солнечной радиации, Вт/м².

Уравнение (1) соответствует такому энергетическому состоянию, при котором температура внутри помещения равна условной температуре наружного воздуха. И следовательно, ограждающая конструкция разделяет две среды с одинаковыми температурными режимами.

Имеются два обстоятельства, которые следует отметить:

• уравнение (1) не учитывает влияние внутренних технологических тепловыделений, которые должны быть учтены при определении нагрузки на систему кондиционирования воздуха;
• уравнение (1) выведено в предположении, что расчетное значение температуры внутреннего воздуха равно значению среднесуточной температуры наружного воздуха. Это допущение также легко учитывается при подборе систем кондиционирования воздуха.

В уравнении (1) последний член со знаком минус характеризует теплопоступления от солнечной радиации через окна, а первые два члена – теплопотери через наружные ограждения и за счет воздухообмена. При недостаточно эффективной солнцезащите окон и незначительной величине воздухообмена сумма первых двух членов меньше последнего третьего. Это означает, что температура внутреннего воздуха выше условной температуры наружного воздуха, и увеличение сопротивления теплопередаче наружного ограждения будет приводить к повышению температуры внутреннего воздуха помещения. Если сумма первых двух членов меньше последнего третьего, то имеем обратное.

Таким образом, при проектировании зданий, расположенных в жарком климате, следует назначать величину солнцезащиты заполнения световых проемов и кратность вентиляционного воздухообмена, чтобы, по крайней мере, теплозащита ограждающих конструкций не оказывала отрицательного влияния на среднесуточный тепловой режим помещения. Если это условие достигается, то задача кондиционирования будет заключаться в снижении влияния максимального воздействия солнечной радиации и температуры наружного воздуха на тепловой режим помещения. Расчет нагрузки на систему кондиционирования воздуха при нестационарных теплопоступления может быть выполнен по программе [4].

Приведенные выше рассуждения полностью соответствуют результатам натурных исследований Б. Ф. Васильева [1]:

При педантичном соблюдении мероприятий против перегрева помещения от действия солнечной радиации и температуры наружного воздуха среднесуточное повышение температуры внутреннего воздуха по сравнению со среднесуточным значением условной температуры наружного воздуха составляет 1,5 °С.

Критической температурой, при которой простейшие мероприятия строительного, эксплуатационного и озеленительного порядка становятся недостаточными для достижения комфортных условий в помещениях, следует считать среднесуточную температуру наружного воздуха +25…+26 °C.

При применении установок кондиционирования воздуха для зданий с малоинерционными ограждающими конструкциями ценится в первую очередь их теплозащитная способность, а не теплоустойчивость наружных ограждений.

Литература

• Васильев Б. Ф. Натурные исследования температурно-влажностного режима жилых зданий в жарком климате. М. : Центр технической информации по гражданскому строительству и архитектуре, 1968.
• Шкловер А. М. Теплотехнический расчет зданий, расположенных на юге СССР. М. : Стройиздат, 1952.
• Табунщиков Ю. А., Бродач М. М. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий. М. : АВОК-ПРЕСС, 2002.
• Рекомендации Р НП «АВОК» и компьютерная программа 5.1–2012 «Расчет нагрузки на систему кондиционирования воздуха при нестационарных тепло-поступлениях».