Теплопоступления и теплопотери

Уважаемые читатели!

Редакция журнала продолжает публикацию отдельных глав книги "Системы вентиляции и кондиционирования. Теория и практика", подготовленной специалистами компании "Евроклимат".

Системы вентиляции и кондиционирования. Теория и практикаТеплопоступления и теплопотери в результате разности температур.Расчет поступления тепла через внешние ограждающие конструкции в летний период года затрудняется существенными колебаниями температуры наружного воздуха в течение суток и еще большими колебаниями теплового потока на наружных поверхностях ограждений за счет солнечного излучения. Значительное влияние на теплообмен оказывает и массивность ограждений, благодаря чему колебания температуры на их внутренней поверхности уменьшаются.

Потери тепла через ограждающие конструкции в зимний периодгода рассчитывают в предположении стационарного режима, так как зимой значительных колебаний температуры наружного воздуха и особенно колебаний температуры на наружной стороне ограждений не наблюдается. Все теплопоступления в помещения, как правило, переменны во времени. Часть из них зависит от изменения температуры наружного воздуха и притока тепла от солнечного излучения, а остальные являются функцией изменения условий внутри обслуживаемого помещения.

Расчет теплопередачи через ограждения помещений выполняется по известным зависимостям, согласно строительной теплотехнике СНиП 11-3-79*. Расчетные наружные температуры (t,Нрасч) приведены в главе II, а внутренние (tВрасч) выбираются с учетом комфортных условий или технологических требований, предъявляемых к производственным процессам. Количество тепла Qогр, передаваемое через каждое ограждение площадью F, м2, имеющее коэффициент теплопередачи k (Вт/м2·°С), определяется по формуле:

Qогр=F·k·(tНрасч-tВрасч)·Y

где Y — поправочный коэффициент, принимаемый согласно указаниям норм СНиП 2.04.05-91* или ведомственных рекомендаций.

Представленная формула не учитывает ряда факторов, влияющих на величину теплопотерь или теплопоступлений. В частности, необходимо вводить поправочные коэффициенты на ориентацию ограждения на сторону света, на обдувание ветром и его этажность, на проникновение в помещение наружного воздуха через открытые окна, двери и различного рода неплотности. Кроме этого, следует вводить поправку на солнечную радиацию. Все эти коэффициенты являются составными коэффициента Y.

Поглощение солнечного излучения стеной зависит от теплоты самой стены, которая постоянно отражает какую-то часть приходящего тепла. Выбор цвета наружных стен является важным фактором ограничения или усиления теплопритоков. В расчетах учитывается определенный коэффициент поглощения тепла, который может достигать 0,9 для стены темного цвета, 0,7 для цвета серого и 0,5 для стены светлого цвета.

Солнечное излучение, направленное на стену или на крышу (потолок), проявляется в виде избыточного тепла, поступающего в помещение в течение некоторого времени, количество этого тепла зависит от характеристик самой стены. Солнечное излучение повышает температуру наружной поверхности, но так как температуры внутренней поверхности ниже, возникает интенсивный тепловой поток. Обычно чем больше массивность стены (вес стены на квадратный метр площади), тем больше время передачи тепла в помещение. В то же время очень легкая стена передает почти сразу полученное от солнечного излучения тепло в помещение. Такое явление очень важно при определении тепловых нагрузок в помещении. Действительно, очень толстая стена способна задерживать тепловую нагрузку на определенный период, уменьшая таким образом пиковую нагрузку. На рис. 1 это явление показано на примере двух кривых: верхняя кривая отражает значение моментальной тепловой нагрузки, нижняя кривая показывает, как это полученное тепло может быть задержано по времени толстой стеной (более длительная передача).

Верхняя кривая показывает моментальную нагрузку, нижняя кривая отражает эффективную тепловую нагрузку аккумулирования тепла стеной средней толщины.

 

Рис. 1. Тепловая нагрузка от солнечного излучения на участок стены
Рис. 1. Тепловая нагрузка от солнечного излучения на участок стены

Для противодействия моментальной тепловой нагрузке было бы необходимым подбирать кондиционер на пиковую моментальную нагрузку. Для нейтрализации уменьшенной тепловой нагрузки достаточно кондиционера намного меньшей мощности, которая может действовать более длительное время. На рис. 2 для сравнения представлены эффекты сглаживания тепловой нагрузки стенами различной толщины; можно наблюдать, как снижается величина тепловой нагрузки по мере утолщения стены здания.

 

Рис. 2. Развитие эффективной тепловой нагрузки излучения на стены различной толщины
Рис. 2. Развитие эффективной тепловой нагрузки излучения на стены различной толщины

Из вышесказанного можно сделать вывод, что: в зданиях из легких конструкций эффективные тепловые нагрузки являются повышенными и быстро изменяющимися; в зданиях с тяжелыми стенами тепловые нагрузки ниже по величине и изменяются на протяжении длительного времени. Установка кондиционирования в последнем случае менее дорогостоящая.

Теплопоступления от солнечного излучения через остекление

Избыточная теплота солнечного излучения немедленно поглощается средой помещения и, если речь идет о магазинах с большими застекленными витринами, зрелищных помещениях и пр., значительно увеличивает тепловую нагрузку. Действительно, в зависимости от типа стекла почти до 90% тепла солнечного излучения передается в помещение, а остальная часть отражается. В большинстве случаев тепловая нагрузка от солнечного излучения в общественных и административных зданиях может составлять до 50% в общем балансе теплопоступления. Обычно максимальная тепловая нагрузка достигается при максимальном уровне излучения. Солнечное излучение состоит из двух компонентов: прямой составляющей и рассеянной. Интенсивность солнечного излучения зависит от широты местности и варьируется в зависимости от времени года и времени суток.

Поступление тепла от солнечной радиации зависит от рода и структуры материала наружных ограждений, состояния и цвета их поверхности, угла, под которым солнечные лучи падают на поверхность, ориентации поверхности по странам света и др.

Наибольшее поступление тепла от солнечной радиации происходит через остекленные наружные поверхности: окна, фонари.

Расчетные количества тепла, поступающего от солнечной радиации (Вт/м2·ч) через остекленные поверхности, приведены в табл. 1.

 

Характеристика остекленной поверхности Стороны света и широты, град.
юг юго-востоки юго-запад востоки запад северо-востоки северо-запад
35 50 65 35 50 65 35 50 65 35 50 65
Окна с двойным остеклением (две рамы) с деревянными переплетами 128 145 169 99 140 167 145 157 169 76 76 70
То же, с металлическими переплетами 163 186 209 128 175 209 186 198 209 93 93 93
Фонарь с двойным остеклением с металлическими переплетами (прямоугольный и типа шеда) 151 186 198 128 175 198 186 198 209 99 99 93
То же, с деревянными переплетами 140 167 175 106 157 175 167 180 186 87 87 81

Таб. 1. Примечания: 1. Теплопоступления от радиации через остекленные поверхности, ориентированные на север, не учитываются.

2. Для А-образных фонарей расчетная поверхность принимается по горизонтальной проекции, т.е. в плане.

 

Поступления тепла от солнечной радиации через остекленные поверхности, отличные от приведенных в табл. 1, необходимо умножать на соответствующие коэффициенты, приведенные в табл. 2.

 

Тип остекления Поправочный коэффициент
Для окон с двойным остеклением в одной раме 1.15
Для окон с одинарным остеклением 1.45
Для фонарей с одинарным остеклением 1.25
Для обычно загрязненного стекла 0.80
Для сильно загрязненных остекленных поверхностей в литейных, кузницах и т.п. 0.70
Для забеленных остекленных поверхностей 0.60
Для поверхностей, остекленных обычным матовым стеклом 0.40
Для окон с устройством козырьков 0.25

 

Поступление тепла от солнечной радиации учитывается для летнего и переходного периодов, начиная от наружных температур +10°С и выше.

За расчетное количество тепла, поступающего от солнечной радиации, для данного помещения принимается большее из двух следующих значений:

а) количество тепла, поступающего через остекленную поверхность одной из стен, расположенной наиболее выгодно в отношении поступлении тепла от радиации или имеющей наибольшую световую поверхность, включая и тепло, поступающее через облучаемые поверхности фонарей и покрытия;

б) 70% количества тепла, поступающего через остекленные поверхности двух взаимно перпендикулярных стен помещения, включая и тепло, поступающее через облучаемые поверхности фонарей и покрытия.

 

Значения коэффициента a
Фрамуги окон и дверей: с одинарными деревянными переплетами 1.0
С двойными 0.5
С одинарными металлическими переплетами 0.65
С двойными 0.33
Двери и ворота 2.0

 

Для уменьшения теплопоступлений от солнечной радиации рекомендуется по возможности ориентировать помещения световыми проемами на север, устраивать минимальное количество световых проемов, избегать устройства фонарей, применять защитные противоинсоляционные приспособления: двойное остекление, забелку остекления, устройство штор, маркиз, козырьков, жалюзи. В результате применения указанных защитных приспособлений теплопоступления от солнечной радиации могут быть уменьшены до 60%, а мощность холодильной установки — на 10–15%.

Снижения теплопоступления от солнечной радиации при применении защитных противоинсоляционных приспособлений принимаются:

  • при шторах между оконными переплетами — 50%;
  • то же, при внутренних шторах на окнах — 40%;
  • при устройстве жалюзи — 50%.

Теплопоступления от инфильтрации

Инфильтрация, или проникновение наружного воздуха под действием ветра и разности температур через неплотности наружных ограждающих конструкций, является фактором, которым нельзя пренебрегать. Особенно ее надо учитывать для окон и дверей, расположенных с подветренной стороны.

 

Тип двери Скорость ветра, м/с
2 4 6 9 11
Стеклянные двери:щели до 3 мм,щели до 5 мм 1826.5 35.555.5 54.578.0 72.578.0 89.0134.0
Металлические двери:с уплотнением,без уплотнения 2.55.0 3.36.7 5.310.0 7.214.5 9.518.4

Табл. 3. Инфильтрация воздуха через двери и окна в м3/ч на линейный метр периметра

 

Инфильтрация воздуха для незащищенных фонарей учитывается только с одной стороны фонаря. Массовое количество воздуха, инфильтрующегося через щели, определяется по формуле:

M=S·(a·m·l),

где а — коэффициент, зависящий от характера щелей, принимается по приведенным ниже данным;

m — удельное количество воздуха, проникающего через 1 пог. м. длины в зависимости от скорости ветра кг/(гґпог.м), определяется по СНиП (см. табл.3.)

l — длина щели.

Расход тепла на подогрев воздуха, поступающего за счет инфильтрации.

Qинф=M·cB·(tB-tH)

Приведенные данные следует использовать для учета инфильтрации в зимнее время в кондиционируемых помещениях, имеющих оконные и другие притворы, к которым могут быть применены приведенные значения a и m·1. В других случаях можно использовать с достаточной степенью точности введение добавок на теплопотери, оценивая их в размере от 10 до 20% в зависимости от характера и ориентировки наружных ограждений. Необходимо учитывать, что проникающий за счет инфильтрации зимний воздух несет отрицательную тепловую нагрузку. В этих случаях воздух будет охлаждать помещение. В летний период помещения с наружными окнами могут быть более подвержены действию инфильтрации, если на лето оставить одинарные рамы. Наружный воздух в летний период, имеющий большее теплосодержание, чем в помещении, является дополнительной нагрузкой на охлаждающее оборудование. Кроме того, с воздухом в помещение будет поступать и дополнительная влага. При тех же плотностях ограждений летом влияние инфильтрации меньше, чем зимой, так как летом обычно меньшие, чем зимой, скорости воздуха и меньшие разности температур.

 

Температура внешней среды, °С Положение сидя либо состояние отдыха Положения стоя либо легкое движение Тяжелая работа либо спокойный танец
явное скрытое общее явное скрытое общее явное скрытое общее
10 115 15 130 135 21 156 206 84 290
14 103 15 118 117 21 138 179 84 263
18 89 15 104 100 33 133 157 93 250
20 82 21 103 92 42 133 140 110 250
22 76 26 102 84 48 132 117 132 249
24 67 35 102 72 60 132 95 154 249
26 61 41 102 63 69 132 81 168 249
28 51 51 102 53 79 132 64 185 249
30 40 60 100 41 89 130 48 198 246
32 20 78 98 22 106 128 31 213 244

 

В табл. 3 указаны данные, позволяющие определять приток наружного воздуха в результате естественной инфильтрации. Для двойных створчатых окон к указанным значениям вводится коэффициент 0,5, а для дверей — 2,0. В расчетах принимаются только окна, двери и фонари, выходящие на наветренные стороны помещения.

Для помещений, которые оборудуются системой кондиционирования воздуха, необходимо все ограждения выполнять с максимальной герметичностью. Если притворы окон и фонарей имеют специальные уплотнения (плотная замазка, резиновые прокладки и т.п.), то инфильтрация воздуха не учитывается.

Теплопоступления от людей

Поступление тепла от людей зависит от интенсивности выполняемой работы и параметров окружающего воздуха.

Тепло, выделяемое людьми, складывается из ощутимого (явного), т.е. передаваемого в воздух помещения путем конвекции и лучеиспускания, и скрытого тепла, затрачиваемого на испарение влаги с поверхности кожи и из легких. Соотношения между количеством ощутимого и скрытого тепла зависит от интенсивности мускульной работы, производимой человеком, и от параметров окружающего воздуха. С повышением интенсивности работы и температуры окружающего воздуха увеличивается доля тепла, передаваемого в виде скрытого тепла испарения. При температуре воздуха 36°С все тепло, выработанное организмом, отдается путем испарения.

Показатели тепловыделений человека во внешнюю среду показаны в табл. 4.

В этой связи можно сделать несколько замечаний:

  • вне зависимости от вида деятельности общее количество выделяемой телом тепловой энергии при низких температурах окружающей среды выше, чем при высоких;
  • при низких температурах окружающей среды значение явного (ощутимого) тепла значительно выше показателей скрытого тепла, и наоборот, при высоких температурах преобладает выделение скрытого тепла;
  • при температурах, соответствующих комфортному состоянию (24–26°С), при сидячем роде занятий, общее количество выделяемого тепла распределяется в пропорции 60–65% явного тепла и 40–35% скрытого тепла. С повышением физических нагрузок начинает преобладать выделение скрытого тепла.

При расчете поступления тепла телом от людей нужно принимать во внимание тот факт, что не всегда количество людей, заявленное в исходных данных будет соответствовать одновременному их присутствию в данном помещении. Этот факт обосновывает применение коэффициента одновременности присутствия. Чтобы сделать расчет более соответствующим реальности при проектировании СКВ, в учреждениях этот коэффициент принимается равным 0,95, т.е. количество людей на 5% меньше заявленного количества. В случае других потребителей (объектов), например, гостиница, ресторан и пр., такой коэффициент должен быть установлен на основании опыта или на основании предположений заказчика.

Продолжение следует…

Приобрести книгу "Системы вентиляции и кондиционирования. "Теория и практика" можно в офисе компании "Евроклимат" по адресу:

г. Москва, Рубцовская набережная, дом. 3, тел.: 267-40-38, факс: 265-13-17

и в офисе АПИК по адресу:

г. Москва, ул. Б. Спасская, дом 4, офис 5-002, тел.: 929-61-70, факс: 280-79-65

наши проекты
  • АПИК
  • Университет климата
  • Выставка «Мир климата»
  • АПИК-тест