Тепловой режим гражданских зданий

В. Н. Богословский

Перечисленные вопросы в настоящее время разработаны с различной глубиной, часто основываются на разных предпосылках и рассматриваются без взаимосвязи. Принятые в СНиП указания не содержат данных для полного и правильного расчета теплового режима помещения. Нормативные указания для такого расчета содержатся в разных главах СНиП и технических условиях, которые составлялись в разное время и без должной взаимной увязки.

Основные замечания по действующим в настоящее время указаниям можно свести к следующим.

1. При выборе внутренних расчетных условий не учитываются гигиенические требования комфортности температурной обстановки в помещении. Нормируется только температура воздуха, независимо от температуры внутренних поверхностей в помещении. Допустимые температуры на нагретых и охлажденных поверхностях задаются также без правильного учета требований комфортности. Расчет теплообмена в помещении системы отопления–охлаждения ведется упрощенно с помощью полного коэффициента теплоотдачи, отнесенного к температуре воздуха помещения.
2. Расчетные наружные условия для зимы и лета приняты без учета коэффициента обеспеченности. Нет рекомендаций по выбору невыгодных (расчетных) сочетаний наружных температур и скоростей ветра.
3. В качестве расчетного сопротивления теплопередаче принимается минимально допустимое сопротивление. При этом нет простой методики расчета, учитывающей экономические соображения для ограждений различного вида.
4. Между нормативными методами теплотехнического расчета ограждений и расчета теплопотерь помещениями существуют противоречия. Отсутствуют нормативные методы расчета максимальных теплопотерь и теплопоступлений.
5. В нормах отсутствуют указания по расчету воздушного режима здания.
6. Рекомендации по влажностному режиму ограждений недостаточны для учета влажностного состояния конструкции при проведении расчетов теплового режима зданий.В последние годы на кафедре отопления и вентиляции МИСИ были выполнены и продолжаются исследования, которые позволяют наметить в первом приближении последовательность методики полного расчета теплового режима помещений.

 

Расчетные внутренние температурные условия

Температурные условия внутри помещения, которые должны быть обеспечены системой обогрева–охлаждения и теплозащитой ограждений, предлагается устанавливать по двум условиям комфортности температурной обстановки.

Первое условие комфортности общей температурной обстановки в помещении. Это условие определяется областью сочетаний температуры воздуха t_в и среднерадиационной температурой помещения t_R, при которых общая теплоотдача тела человека излучением и конвекцией Q_ч^{л + к} соответствует заданной. Применительно к этому расчету среднерадиационную температуру помещения следует определять как средневзвешенную по коэффициентам облученности, т. е. в виде:

t_R = ∑ t_i φ_{ч – i}

Величина Q_ч^{л + к} зависит от температурных условий в помещении t_в.п = (t_в + t_R) / 2 и интенсивности выполняемой работы.

По данным гигиенических наблюдений в камере и теоретического анализа первое условие комфортности для зимы определяется уравнением

 ,

которое для помещений, где человек выполняет спокойную работу, принимает вид (рис. 1)

t_R = 29 – 0,57 t_в ± 1,5 °С.

Для летнего периода по данным теоретического анализа первое условие комфортности определяется уравнением

 , которое при спокойной работе человека приобретает вид (рис. 1):

t_R = 35 – 0,5 t_в ± 1,5 °С.

Рис. 1. Первое условие комфортности: 1 – для зимы; 2 – для лета

Второе условие комфортности относительно холодных и нагревательных поверхностей в помещении. Это условие определяет предельно допустимые температуры на обращенных в помещение поверхностях системы обогрева–охлаждения и наружных ограждений. Определяющей считается допустимая интенсивность лучистого потока q_ч^л, которым обменивается элемент поверхности наиболее чувствительной к положительному или отрицательному излучению части тела человека с этими поверхностями.

Как зимой, так и летом второе условие будет определяться двумя уравнениями: одно для нагревающей, второе для охлаждающей поверхности.

На основе анализа имеющихся данных допустимые значения q_ч^л могут быть приняты: для определения температуры нагретой поверхности – 10 ккал/м ² ч, для определения температуры охлаждающей поверхности – 60 ккал/м ² ч. Результирующий лучистый поток должен быть всегда направлен от поверхности тела человека в сторону помещения.

Уравнение для определения допустимой температуры τ_п^доп на нагретых поверхностях имеет вид:

,

при q_ч^л = 10, τ_п^доп = 19,2 + (8,7 / φ).

Для охлаждающих поверхностей допустимая температура равна

,

при q_ч^л = 60, τ_п^доп = 23 – (5 / φ).

 

Второе условие комфортности представлено в виде графика на рис. 2.

Эти уравнения не относятся к допустимой температуре поверхности пола.

Рис. 2. Второе условие комфортности: 1 – нагретая поверхность; 2 – охлажденная поверхность

 

При рассмотрении комфортности температурных условий принимаются в неизменном виде существующие данные о допустимых значениях подвижности и влажности воздуха в помещении.

Теплообмен системы обогрева–охлаждения в помещении

Теплообмен в помещении можно определить одним уравнением обмена теплом между поверхностью обогрева–охлаждения и поверхностью наружного ограждения:

Q_п = [СФ·b (τ_п – τ_н.о) + α_к (τ_п – t_в)]·F_п.

По этой формуле для определенного помещения и выбранной системы можно получить τ_п или F_п, если задаться или иметь остальные данные.

Коэффициент полной облученности в этой формуле равен

.

Расчет параметров системы обогрева–охлаждения предлагается проводить совместным рассмотрением уравнения теплообмена системы в помещении и уравнений двух условий комфортности. Часто целесообразно этот расчет вести по «предельному» состоянию, добиваясь такого оптимального инженерного решения, при котором на компактной, возможно меньшей площади поверхности панели будет выбираться температура, равная предельно допустимой при данной геометрии помещения и системы обогрева–охлаждения.

Расчетные наружные условия

Определение расчетного сопротивления теплопередаче ограждений и расчет теплопотерь и теплопоступлений помещения должны основываться на единой методике выбора расчетных наружных условий.

Расчетные наружные условия необходимо определять в зависимости от показателя обеспеченности заданных расчетных внутренних условий. Этот показатель определяет в процентах число случаев, когда недопустимо отклонение в сторону ухудшения условий в помещении от заданных расчетных. Исходя из определения этого показателя ясно, что для помещений зданий различного назначения он должен быть разным. В табл. 1 приведены некоторые предлагаемые дифференцированные значения коэффициентов обеспеченности для зданий различного назначения.

На рис. 3 приведен результат обработки температурных метеоданных для наиболее сурового периода зимы для Москвы. Все кривые имеют приблизительно одинаковый характер, а каждая из них, построенная для определенного показателя обеспеченности, может быть определена (рис. 4) тремя характеристиками: температурой начала периода резкого похолодания – t_н⁰, минимальной температурой этого периода – t_мин или амплитудой изменения температуры в этот период  = t_н⁰ – t_мин и продолжительностью периода похолодания Z. В табл. 2 приведены значения этих характеристик для Москвы при разных показателях обеспеченности.

Характерным для этих данных является относительное постоянство амплитуды  и продолжительности периода похолодания Z.

Рис. З. Результаты обработки зимних температурных данных периода резкого охлаждения для г. Москвы при разных коэффициентах обеспеченности К
Рис. 4. Расчетные зимние температурные кривые для г. Москвы при разных коэффициентах обеспеченности К

Для теплотехнического расчета отдельного ограждения расчетная температура t_н (см. рис. 5) будет равна:

t_н = t_н⁰ – φA_tн,

где φ – коэффициент, учитывающий тепловую массивность ограждений (D), который приблизительно может быть принят равным (в диапазоне от 1 до 0,5)

φ = 1,08 – 0,083D.

Для расчета ограждений по зимнему периоду кроме t_н нужно знать расчетную скорость ветра v_н, выбор которой должен быть увязан с заданным показателем обеспеченности.

По терминологии теории вероятности можно принять t_н за независимое событие, тогда v_н будет зависящим от t_н событием.

Полная обеспеченность действия двух событий К(t_н, v_н), когда условная обеспеченность одного из них К(v_н / t_н) = 1, равна обеспеченности другого события К(t_н), т. е. К(t_н v_н) = К(t_н).

Рис. 5. Зависимость расчетных зимних температур от коэффициента обеспеченности К и показателя массивности D
Рис. 6. Зависимость скоростей ветра от температуры наружного воздуха

На рис. 6 приведена зависимость скорости ветра от температуры воздуха для наиболее суровых и ветреных зимних периодов в Москве, построенная по данным А. Н. Сканави.

Прямая, окаймляющая наиболее невыгодные сочетания v_н и t_н на этом графике, может быть принята за зависимость v_н от t_н при К(v_н / t_н) = 1. С учетом изменения скорости с высотой h в пределах застройки эта зависимость может быть определена формулой

v_н = 8 + 0,143t_н + 0,03h.

В табл. 2 приведены значения, определенные по этой формуле для разных коэффициентов обеспеченности.

Для теплотехнического расчета на летний период нужно знать расчетные сочетания температур воздуха и интенсивности радиации для расчетных суток при разной ориентации ограждений и при различных значениях показателя обеспеченности. Полученные данные для расчета приведены в табл. 3. Здесь также суточное изменение температуры наружного воздуха принято за независимое событие, которое характеризуется t_н и . Показатели солнечной радиации в жаркие сутки (q₀ и А_q) приняты неизменными (с условным показателем обеспеченности К(q) = 1 при всех показателях полной обеспеченности).

 

Расчетное сопротивление теплопередаче ограждения

Расчетное сопротивление теплопередаче ограждения от его внутренней поверхности – R′₀ – для зимы должно быть равно большему из двух значений: R₀^тр′ и R₀^опт′ Первое, R₀^тр′, – требуемое или минимально допустимое из санитарно-гигиенических соображений сопротивление теплопередаче. Оно должно определяться из двух условий: допустимой температуры на холодной поверхности ограждения τ_в^доп и определенной величины вероятного потока тепла, передаваемого с панели на внутреннюю поверхность наружной стены.

Значение R₀^тр′ должно быть равно:

,

где i – коэффициент, учитывающий влияние воздухопроницаемости массива; прочие обозначения – принятые в СНиП.

Оптимальное по технико-экономическим соображениям сопротивление теплопередаче ограждения R₀^опт′ в общем случае при типовом проектировании должно определяться с учетом сопряженных капитальных вложений. Для отдельных решений R₀^опт′ может быть определено по упрощенной формуле, без учета сопряженных капитальных вложений в виде

,

где s_т – стоимость тепла в руб/ккал;

s_т.и – стоимость теплоизоляции в руб/м^З;

s_с.о – изменение стоимости системы отопления при изменении ее тепловой мощности в руб/ккал ч. Расчетное сопротивление R₀’, для летнего периода должно рассчитываться (контролироваться) с учетом наличия или отсутствия в помещении кондиционирования воздуха.

Для кондиционируемых помещений ограждение должно выбираться по расчетному сопротивлению R′₀, которое определяется, как и для зимнего периода, из сопоставления R₀^тр′ и R₀^опт′.

Значение R₀^тр′ должно определяться из условий τ_в^доп и q′_верт, R₀^опт′ – специальным технико-экономическим расчетом с учетом стоимости холода в системе кондиционирования.

В некондиционируемых помещениях ограждение должно быть рассчитано или проверено только на теплоустойчивость. Ограждение должно обладать теплоустойчивостью, при которой суточные изменения расчетных наружных условий вызовут колебания температуры на внутренней поверхности с амплитудой не выше допустимой .

Величина ν сквозного затухания может быть в этом случае приближенно подсчитана по формуле:

.

Для центральных районов Европейской части СССР определяющим будет расчет по зимнему режиму. Расчет теплового режима ограждения в летний период в этом случае должен быть контрольным.

Расчетные теплопоступления и теплопотери помещения

Расчетные теплопотери и теплопоступления, по которым должны определяться тепловые мощности системы обогрева и охлаждения помещения, равны максимальным при расчетных наружных условиях, определенных при коэффициенте обеспеченности для данного здания или помещения.

Максимальные теплопотери через отдельные наружные ограждения Q_огр^мак равны

Q_огр^мак = Q_огр⁰ + A_Qогр,

где Q_огр – теплопотери в стационарных условиях при наружной температуре, равной t_н⁰, в ккал/ч;

A_Qогр– изменение теплопотерь, соответствующее периоду резкого похолодания, определяемое по формуле стационарного режима при разности температур ψА_tн.

Отдельные ограждения в помещении имеют разную степень массивности, поэтому максимальные теплопотери всего помещения Q_пом^мак будут равны

Q_пом^мак = ∑Q_i⁰ + ∑A_Qiφ,

где φ – коэффициент, учитывающий сдвиг во времени максимальных теплопотерь через отдельные ограждения.

Дополнительные теплопотери через отдельные ограждения за счет инфильтрации наружного воздуха ΔQ_н,i должны быть определены отдельно по формуле

ΔQ_н,i = A_i L_i (cγ)_в (t_в – t_н),

где A_i – коэффициент, учитывающий некоторый нагрев воздуха при фильтрации через ограждение, изменяющийся для разных видов ограждений от 0,6 до 0,8.

Расчетные теплопоступления для летнего режима должны быть определены как максимальные для суток с расчетными наружными условиями, определенными для заданного коэффициента обеспеченности

Суммарные теплопоступления в помещение можно определить по формуле, аналогичной принятой для расчета теплопотерь.

Расчет отдельных элементов системы обогрева–охлаждения помещения

В общем случае система в помещении может состоять из отопительно-охладительной панели и приточного факела кондиционированного воздуха. Расчеты этих элементов наиболее полно могут быть выполнены по материалам последних работ НИИСТ.

Эксплуатационное регулирование тепло- и холодопередачи в системе обогрева–охлаждения помещения

Наружные расчетные температуры, с учетом которых кажется возможным осуществлять центральное качественное регулирование тепло- и холодоносителя, для различных зданий, а также для различных помещений в одном здании будут заметно отличаться. Это отличие будет определяться разными коэффициентами обеспеченности, степенью массивности и остекления ограждений, расположением помещений в здании и другими причинами.

Рациональной может быть схема, ориентированная на наиболее массового потребителя, с местным автоматическим качественно-количественным дорегулированием у остальных потребителей.

Необходимо проведение расчетов по определению продолжительности отопительного и охладительного периодов для разных районов страны.

Воздушный режим отдельных помещений и здания в целом

При выборе теплозащитных качеств ограждений и при определении расчетных теплопотерь через них необходимо учитывать воздушный режим здания, который может быть определен из решения системы уравнений воздушных балансов всех помещений здания.

Наиболее просто решение этой системы может быть получено графоаналитическим методом Н. Н. Разумова, расчетом на гидроинтеграторе по методике В. К. Константиновой, расчетом на ЭВМ и др. методами.

Влажностный режим ограждений

В настоящее время разрабатывается методика расчета влажностного режима ограждений на основе потенциала влажности. Построение методики на основе этого показателя позволяет более точно, чем это делается сейчас, проводить оценку влажностного режима многослойных конструкций с учетом возможного перемещения влаги в многослойном ограждении как в парообразном так и в жидком состоянии, в широком диапазоне влажности и в неизотермических условиях. Нормативная методика анализа влажностного режима конструкций должна быть больше, чем это имеет место сейчас, ориентирована на задачи теплового режима зданий.

Изложенные в докладе положения подтверждают необходимость разработки единого нормативного документа, содержащего рекомендации по тепловому режиму зданий, логически объединяющего данные, разрозненные по разным главам СНиП и техническим указаниям.