Строительная теплофизика

(3.19)

Разность давлений ?P для окон одного фасада разных этажей будет отличаться только величиной гравитационного давления (первое слагаемое), зависящего от разности Н-h отметок верхней точки здания, принятой за ноль отсчета, и центра рассматриваемого окна. На рис. 13 показана картина распределения потоков в здании со сбалансированной вентиляцией

3.5.3 Воздухопроницаемость строительных материалов

Строительные материалы в основной своей массе являются пористыми телами. Размеры и структура пор у различных материалов неодинакова, поэтому воздухопроницаемость материалов в зависимости от разности давлений проявляется по-разному.

На рис. 14 показана качественная картина зависимости воздухопроницаемости G от разности давлений ДР для строительных материалов, приведенная К.Ф.Фокиным [2].

Рис.14: Влияние пористости материала на его воздухопроницаемость 1 - материалы с равномерной пористостью (типа пенобетона); 2 - материалы с порами различных размеров (типа засыпок); 3 - маловоздухопроницаемые материалы ( типа древесины, цементных растворов), 4 - влажные материалы.

Прямолинейный участок от 0 до точки а на кривой 1 свидетельствует о ламинарном движении воздуха по порам материала с равномерной пористостью при малых значениях разности давлений. Выше этой точки на криволинейном участке происходит турбулентное движение. В материалах с разными размерами пор движение воздуха турбулентно даже при малой разности давлений, что видно из кривизны линии 2. В маловоздухороницаемых материалах, напротив, движение воздуха по порам ламинарно и при довольно больших разностях давлений, поэтому зависимость G от ДР линейна при любой разности давлений (линия 3). Во влажных материалах (кривая 4) при малых ДР, меньших определенной минимальной разности давлений ДР_мин, воздухопроницаемость отсутствует, и лишь при превышении этой величины, когда разность давлений окажется достаточной для преодоления сил поверхностного натяжения воды, содержащейся в порах материала, возникает движение воздуха. Чем выше влажность материала, тем больше величина ДР_мин.

При ламинарном движении воздуха в порах материала справедлива зависимость

,(3.20)

где i - коэффициент воздухопроницаемости материала, кг/(м^.Па^.ч);

д - толщина слоя материала, м.

Коэффициент воздухопроницаемости материала аналогичен коэффициенту теплопроводности и показывает степень воздухопроницаемости материала, численно равную потоку воздуха в кг, проходящему сквозь 1 м² площади, перпендикулярной направлению потока, при градиенте давления, равном 1 Па/м.

Величины коэффициента воздухопроницаемости для различных строительных материалов отличаются друг от друга значительно. Например, для минеральной ваты i ? 0,044 кг/(м^.Па^.ч), для неавтоклавного пенобетона i ? 5,3^.10^-4 кг/(м^.Па^.ч), для сплошного бетона i ? 5,1^.10^-6 кг/(м^.Па^.ч),

При турбулентном движении воздуха в формуле (12) следует заменить ДР на ДРⁿ. При этом показатель степени n изменяется в пределах 0,5 - 1. Однако на практике формула (3.20) применяется и для турбулентного режима течения воздуха в порах материала.

3.5.4 Фильтрация воздуха через ограждения

Следует иметь в виду влияние на воздухопроницаемость конструкции, имеющиеся в ней какие-либо включения. Например, в кладке из кирпича или ячеистобетонных блоков необходимо оценивать воздухопроницаемость швов, а в дощатой обшивке, воздухопроницаемость щелей между отдельными досками. Кроме того экспериментально доказано

В [4] приведены значения сопротивления воздухопроницанию для слоев некоторых материалов и конструкций.

Фильтрация холодного наружного воздуха в ограждение вызывает увеличение потерь теплоты и снижение температуры в толще ограждения за счет того, что часть тепла, проходящего через ограждающую конструкцию, затрачивается на нагревание фильтрующегося воздуха.

Дифференциальное уравнение одномерного температурного поля многослойной стенки при наличии в ней фильтрации с расходом G, кг/(м^2.ч) и при отсутствии сопротивлений фильтрационному потоку на границах материальных слоев, имеет вид:

,(3.21)

где t - температура, изменяющаяся по толщине стенки, ^оС;

с - удельная теплоемкость воздуха, с=1006 Дж/(кг^.оС);

R - термическое сопротивление

3.5.5 Требуемое сопротивление воздухопроницанию окон, балконных дверей, витражей и световых фонарей

жилых, общественных и производственных зданий в соответствии с [2] должно быть не менее нормируемого сопротивления воздухопроницанию

R_инф^тр, м^2.ч/кг:

(3.22)

где

G_n - нормируемая воздухопроницаемость ограждающих конструкций, кг/(м^2.ч); ?P_o- разность давлений воздуха на наружной и внутренней поверхностях светопрозрачных ограждений, при которой определяется сопротивление воздухопроницанию, ?P_o= 10 Па;

?P- разность давлений воздуха на наружной и внутренней поверхностях светопрозрачных ограждений, которая формируется по разные стороны рассматриваемого окна.

Нормируемая воздухопроницаемость - это максимальная разрешенная воздухопроницаемость конструкции при любых погодных условиях, в которых может находиться здание, принимаемая в соответствии со СНиП [1]. Например, для жилых и общественных зданий допускается проникновение через окно не более 5 кг/(ч^.м²) при деревянных переплетах и 6 5 кг/(ч^.м²) при металлических или пластиковых.

Для определения расчетной разности давлений при нахождении требуемого сопротивления воздухопроницанию окна в [1] заложена преобразованная формула (3.19). Наибольшая разность давлений наблюдается в холодный расчетный период на окнах первого этажа, расположенных на наветренном фасаде. Для них расчетная разность давлений может быть получена подстановкой (3.17) в (3.19) при условии, что h, расчетная высота, м, от уровня земли до центра рассматриваемого окна, близа к 0. Тогда:

?P=(Н-h)^.(с_н -с_в)^.g +(с_н ^.v²/2)^.К_дин^.(с_н-с_з)- P_в?

?Н^.(с_н -с_в )^.g +( с_н ^.v²/2)^.К_дин^.(с_н-с_з)-0,5 ^. H^. (с_н -с_в)^.g - 0,5^.( с_н^.v²/2)^.К_дин^.(с_н-с_з)= 0,5 ^. H^. (с_н -с_в)^.g +0,25^.(с_в ^.v²)^.К_дин^.(с_н-с_з)

В [2], во-первых, принято, что расстояние от центра окна первого этажа до верха здания Н равно высоте здания от земли до верха здания (с запасом), во-вторых, что для большинства зданий произведение (c_н-c_з)^.K_дин приближается к 1, в-третьих, величину с_ext заменили на г_ext/g, и, в-четвертых, для некоторого запаса коэффициенты увеличили, и формула для расчета разности давлений при определении требуемого сопротивления воздухопроницанию приняла вид:

?P=0,55^.Н^.(г_н -г_в ) +0,03 г_н ^.v²_,(3.23)

где

v - расчетная скорость ветра - максимальная из средних скоростей ветра в январе по румбам v;

г_н, г_в - объемный вес наружного и внутреннего воздуха, Н/м³, г_н = с_н^.g; г_в = с_в^.g.

Объемный вес воздуха г можно определить по эмпирической формуле

г=(3463)/(273+t),(3.24)

где

t - температура, при которой рассчитывается г. Для определения г_н температура наружного воздуха принимается равной средней температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92, а при расчете г_в - равной расчетной температуре внутреннего воздуха t_в.

Требуемое сопротивление воздухопроницанию окон в своей размерности не содержит размерности потенциала переноса воздуха - давления. Такое положение возникло из-за того, что в формуле (3.22) делением фактической разности давлений ?P на нормативное значение давлений ?P_o=10 Па, требуемое сопротивление воздухопроницанию приводится к разности давлений ?P_o= 10 Па.

3.5.6 Приведенное сопротивление воздухопроницанию окон, балконных дверей, витражей и световых фонарей жилых, общественных и производственных зданий

Величина приведенного сопротивления воздухопроницанию окон жилых, общественных и производственных зданий R_инф, м^2.ч/кг при ?P= 10 Па, должна по сертификату на заполнение проема быть больше R_инф^тр .

По показателям воздухопроницаемости ГОСТ 23166-99 [18] подразделяет оконные и балконные дверные блоки в деревянных, пластиковых и металлических переплетах на 5 классов. Основным признаком классификации является объемная воздухопроницаемость при ?P=100 Па. В табл. 25 максимально допустимые воздухопроницаемости для выделенных классов по [18] пересчитаны в массовые воздухопроницаемости при ?P=10 Па по СНиП [2], а также в соответствующие им сопротивления воздухопроницанию при разности давлений ?P=10 Па.

Таблица 4 Классификация заполнений световых проемов по воздухопроницаемости

Класс	Объемная воздухопроницаемость, м3/(ч.м2), при ?P=100 Па для построения нормативных границ классов	Воздухопроницаемость, кг/(м2.ч) при ?P=10 Па	Сопротивление воздухопроницанию, м2.ч/кг при ?P=10 Па
А	3	0,77	1,299
Б	9	2,31	0,433
В	17	4,36	0,229
Г	27	6,93	0,144
Д	50	12,83	0,078

3.5.7 Потребность в теплоте на нагревание инфильтрационного воздуха

Расход наружного воздуха, поступающего в помещения в результате инфильтрации в расчетных условиях, зависит от объемно-планировочного решения здания, плотности окон, балконных дверей, витражей. Задача инженерного расчета для каждого помещения сводится к определению расхода инфильтрационного воздуха G, кг/ч, через отдельные ограждения помещения. Так как проникновение воздуха в помещения через стены и покрытия невелики, ими обычно пренебрегают и рассчитывают только инфильтрацию через заполнения световых проемов, а также через закрытые двери и ворота, которые в обычном эксплуатационном режиме не открываются. В расчетах энергопотребления за отопительный период теплозатраты на нагревание инфильтрационного воздуха выполняется через все имеющиеся в здании входные двери и ворота в закрытом состоянии. Затраты теплоты на врывание воздуха через открывающиеся двери и ворота в расчетном режиме учитываются добавками к основным теплопотерям через входные двери и ворота.

Расчет должен выявить максимально возможную в расчетных условиях инфильтрацию, поэтому считается, что каждое окно или дверь находится на наветренной стороне здания.

Расчетная разность давлений ?P, Па, для окна или двери каждого этажа рассчитывается по формуле (3.19) при расчетных температурах наружного и внутреннего воздуха (определяющих плотность наружного и внутреннего воздуха с_н и с_в) и скорости ветра.

Внутреннее давление Р_в в таких расчетах обычно приближенно принимается по (3.17). Тогда разность давлений по разные стороны воздухопроницаемого элемента здания принимает вид:

?P=(Н-h)^.(с_н -с_в)^.g +(с_н ^.v²/2)^.К_дин^.(с_н-с_з)- P_в?

=(Н-h)^.( с_н -с_в)^.g +(с_ext ^.v²/2)^.К_дин^.(с_н-с_з)-0,5 ^. H^. (с_н -с_в)^.g-0,5^.(с_н ^.v²/2)^.К_дин^.(с_н-с_з)=

=0,5H^.(с_н -с_в)^.g - h^. (с_н -с_в)^.g + 0,25(с_н^.v²/2)^.К_дин^.(с_н-с_з), (3.25)

где

Н - высота здания от земли до верха вытяжной шахты, м;

h - расстояние от земли до центра рассматриваемого воздухопроницаемого элемента в здании (окна, балконной двери, входной двери в здание, ворот, витража), м;

с_ext, с_в - плотности, кг/м³, наружного и внутреннего воздуха, определяемые по формуле (3.16);

g - ускорение свободного падения g = 9,81 м/с²;

К_дин - коэффициент, с помощью которого учитывают изменение динамических свойств ветра в застройке в зависимости от высоты h, принимается по [16].;

с_н, с_з - аэродинамические коэффициенты на наветренном и подветренном фасадах, принимаемые в соответствии с п. 3.5.2.

Из формулы (3.25) видно, что при определенных соотношениях значений слагаемых формулы на верхних этажах может сформироваться отрицательная разность давлений ?P=Р_н - P_в, что означает возможность инфильтрации.

Расход инфильтрационного воздуха G_инф, кг/(ч^.м²), при этой разности давлений составит:

- через окна

G_инф=(1/R_инф,ок^тр) ^.( ?P/?P_o)^2/3,(3.26)

- через двери и ворота

G_инф=(1/R_инф,дв^тр) ^.( ?P/?P_o)^1/2,(3.27)

где

R_инф,ок^тр - фактическое сопротивление воздухопроницанию окна, м^2.ч/кг, при ?P= 10 Па;

R_инф,дв^тр - фактическое сопротивление воздухопроницанию двери и ли ворот, м^2.ч/кг, при ?P= 10 Па.

?P_o- разность давлений, принятая для определения требуемого сопротивления воздухопроницанию, ?P_o=10 Па.

Расход теплоты на нагревание инфильтрационного воздуха Q_инф, Вт, определяется по формуле:

Q_инф=0,28^.G_инф^.c^.A^.( t_в - t_н)^.k,(3.28)

где

с - теплоемкость воздуха, с=1,006 кДж/(кг^.оС);

k - коэффициент учета влияния встречного теплового потока в воздухопроницаемых конструкциях, равный 0,7 - для окон и балконных дверей с тройными раздельными переплетами, 0,8 - для окон и балконных дверей с двойными раздельными переплетами, 0,9 - для окон и балконных дверей со спаренными переплетами, и 1 - для окон и балконных дверей с одинарными переплетами.

Расчеты показали, что через плотные окна в многоэтажных зданиях существует инфильтрация, которая доходит до 20% от трансмиссионных теплопотерь и должна быть учтена в тепловой нагрузке на отопление здания.

4. Стационарная теплопередача через сложное наружное ограждение

4.1 Основное дифференциальное уравнение и методы его решения

Процесс передачи теплоты через ограждение, все параметры которого остаются неизменными во времени, называется стационарным и является наиболее простым случаем теплопередачи. К стационарной теплопередаче обычно стремятся привести расчетные условия. Когда это удается, решение сводится к рассмотрению сравнительно простых стационарных температурных полей и режимов теплопередачи конструкций.

Тепловые и влажностные процессы, рассмотренные выше, также относятся к стационарным. Но это были одномерные температурные и влажностные поля с распространением температуры и парциального давления водяного пара в одном направлении (вдоль одной оси).

В этом разделе будут рассмотрены методы решения задач, связанных с двухмерным распределением температуры в конструкции. Двумерные и трехмерные температурные поля в ограждениях возникают по многим причинам. Во-первых, из-за примыкания ограждений друг к другу и неодномерной геометрии самого ограждения (рис.16). То есть, наличие углов, которые образуют наружные стены, примыкание перекрытий и перегородок к ним, нарушение глади стены различными проемами, заполненными окнами, витражами, дверями и т. д. приводит к искривлению температурного поля. Кроме того сами современные наружные ограждения отличаются сложностью своей конструкции. В них нередко имеются теплопроводные включения в виде регулярно уложенных связей, кронштейнов, обрамляющих контуров и других конструктивных элементов.



Рис. 16. Элементы формирования двумерных (1, 2, 3, 4) и трехмерных (5, 6, 7) температурных полей в наружных ограждениях здания

При рассмотрении конструкции с двумерным температурным полем инженера интересует два вопроса: какая наинисшая температура сформируется в какой-либо точке на внутренней поверхности наружного ограждения, и какие теплопотери двумерной зоны следует учесть в нагрузке на отопление.

Двумерное температурное поле описывается дифференциальным уравнением

(4.1)

где - заданное значение теплопроводности в каждой точке поля, Вт/(м.оС).

Решение этого уравнения для различных условий может выполняться различными методами. Аналитические методы применимы только для простейших случаев, но они бывают полезны, так как позволяют приближенно рассчитать температурное поле и определить наиболее значимые факторы, влияющие на процесс теплопередачи. Численные сеточные методы, обычно реализуемые на ЭВМ. К таким методам относятся метод конечных разностей, метод конечного элемента и др. Эти методы могут достигать практически любой требуемой точности, но весьма трудоемки, и, как правило, требуют хорошей математической подготовки. Приближенные инженерные методы, связанные во-первых, с экспертной оценкой процесса, а во-вторых, основанные на обобщении результатов подробных и трудоемких расчетов. Методы физической аналогии. Наиболее реально в настоящее время применить метод электротепловой аналогии.

4.2. Приближенные инженерные методы

4.2.1 Коэффициент теплотехнической однородности

Уже упоминавшийся в п. 2.1.7 коэффициент теплотехнической однородности r является оценкой влияния различных случаев нарушения одномерности теплового потока сквозь наружное ограждение. Это могут быть регулярные внутренние связи, притягивающие слой утеплителя и фасадный слой к внутреннему конструктивному слою; кронштейны, удерживающие навесные фасадные системы, а также примыкающие друг к другу ограждающие конструкции. Для теплотехнических расчетов r очень удобная характеристика, так как сразу показывает долю, которую составляет сопротивление теплопередаче реальной конструкции по отношению к условному сопротивлению теплопередаче конструкции без теплопроводных включений и примыканий.

Значения коэффициента теплотехнической однородности получают из подробного прямого расчета сложной трехмерной конструкции одним из численных методов, например, методом конечных разностей. Поэтому понятно, что точность применения коэффициента теплотехнической однородности зависит от того, на сколько близко выполненный расчет отражает расчетный случай.

Диапазон значений коэффициента теплотехнической однородности лежит в очень широких пределах: 1 - 0,5 и даже ниже. Разумеется архитекторы и конструкторы стремятся к проектированию ограждающих конструкций с высоким r, однако в ряде случаев это практически невозможно. Столь значительный диапазон r свидетельствует о том, что при расчете теплопотерь инженер-теплотехник должен очень ответственно подходить к оценке сопротивлений теплопередаче ограждений, так как завышение значения коэффициента теплотехнической однородности может привести к занижению фактических теплопотерь, а занижение - к лишним затратам на утепление здания.

4.2.2 Метод сложения проводимостей

Для плоских ограждающих конструкций с теплопроводными включениями толщиной больше 50% толщины ограждения теплопроводность которых не превышает теплопроводности основного материала более чем в 40 раз, эквивалентное термическое сопротивление определяется следующим образом:

1. Плоскостями, параллельными направлению теплового потока, ограждающая конструкция (или ее часть - регулярный элемент) условно разрезается на параллельные тепловому потоку участки. термическое сопротивление всей конструкции определяется по формуле:

(4.9)

где А_i,R_i - соответственно площадь, м², и термическое сопротивление, м^2.оС/Вт, i - го параллельного участка в выделенном регулярном элементе;

А - общая площадь регулярного элемента конструкции, равная сумме площадей всех параллельных участков, м²;

I - число параллельных участков, на которые разбит регулярный элемент.

При этом участки могут быть однородными (однослойными) или многослойными по ходу движения теплового потока. Для этих участков термическое сопротивление определяется по формуле (2.23), в которой термическое сопротивление каждого слоя рассчитывается по (2.4).

2. Плоскостями, перпендикулярными тепловому потоку, ограждающая конструкция в пределах регулярного элемента условно разрезается на слои. При этом слои могут быть однородными (однослойными) или многослойными по ходу движения теплового потока. Для каждого из этих однородных слоев термическое сопротивление определяется по формуле (2.4). Другие слои могут состоять из двух или более параллельных участков. Эквивалентное термическое сопротивление таких слоев находится по формуле (4.9). Термическое сопротивление конструкции рассчитывается по формуле (2.23).

3. Эквивалентное термическое сопротивление всей конструкции с учетом полученного термического сопротивления при разбивке параллельными тепловому потоку плоскостями R_II и при разбивке перпендикулярными потоку плоскостями равно:

(4.10)

Если величина R_II превышает величину более чем на 25% или ограждение не является плоским (имеет выступы на поверхности), то эквивалентное сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции следует определять подробным расчетом двумерного или трехмерного температурного поля.

теплопроводность термическое сопротивление отопление ограждение

5. Нестационарный тепловой режим ограждения и помещения

5.1 Теплоустойчивость ограждения

Часто при определении нагрузок на системы кондиционирования воздуха возникают задачи, связанные с оценкой периодически изменяющихся теплопоступлений в помещение. Брать нагрузку по максимуму - значит завышать требуемую мощность охлаждения, так как максимальная нагрузка непродолжительна. Средняя за время работы кондиционера может оказаться заниженной. Для периодических задач в СССР была разработана теория теплоустойчивости, позволяющая найти решение этих задач. У истоков теории теплоустойчивости стояли О.Е.Власов [20], Г.А.Селиверстов [21], Е.Г.Швидковский [22], С.И Муромов [23], А.М.Шкловер [24, Л.А.Семенов [25].

Теплоустойчивость ограждения - это его свойство поддерживать относительное постоянство температуры при изменении тепловых воздействий.

Теория теплоустойчивости построена не решении задач при гармонических (изменяющихся по синусоиде) тепловых воздействиях. Любая другая периодическая кривая изменения воздействия может быть разложена в ряд Фурье и задача решена относительно каждой гармоники этого ряда. После этого все решения складываются.

В теории теплоустойчивости рассматриваются два аспекта периодических тепловых воздействий:

- по отношению к внутренним тепловым воздействиям;

- по отношению к наружным тепловым воздействиям.

5.1.1 Коэффициент теплоусвоения материала

Если представить себе полуограниченный массив какого-либо однородного материала, на плоскую поверхность которого воздействует гармонический тепловой поток с амплитудой А_Q, то колебания температуры этой поверхности тоже будут гармоническими. Обозначим амплитуду этих колебаний А_ф. Чем более теплоустойчив материал, тем меньше амплитуда его колебаний. Отношение амплитуд А_Q к А_ф служит характеристикой теплоустойчивости материала и называется коэффициентом теплоусвоения материала s:

(5.7)

Таким образом, коэффициент теплоусвоения материала характеризует способность материала более или менее интенсивно воспринимать теплоту при колебаниях температуры на его поверхности. Коэффициент теплоусвоения материала имеет размерность, Вт/(м^2.оС). Величина коэффициента теплоусвоения зависит от его теплофизических свойств и периода Т, с которым происходят колебания воздействующего теплового потока:

(5.8)

Значения большого числа строительных материалов приведено в [4] для суточного периода колебаний. При суточном периоде коэффициент теплоусвоения материала равен Вт/(м^2.оС). Формула (5.8) показывает, что коэффициент теплоусвоения материала увеличивается с уменьшением периода Т . В пределе, когда Т=0,т.е. колебания теплового потока отсутствуют, s>?. В этом случае по формуле (5.7) получим, что А_ф=0, то есть колебания температуры на внутренней поверхности полуограниченного массива будут отсутствовать, что относится к стационарному режиму.

5.1.2 Слой резких колебаний. Показатель тепловой инерция слоя D

Колебания температуры на внутренней поверхности ограждения вызывают колебания температуры в толще ограждения. По мере удаления от внутренней поверхности амплитуды колебания температуры будут постепенно уменьшаться, т.е. затухать в толще ограждения. Кроме этого по мере удаления от внутренней поверхности ограждения происходит еще запаздывание этих колебаний. Т.е. максимум температуры в каждой точке сечения ограждения будет наблюдаться тем позже, чем дальше эта точка от внутренней поверхности. Расстояние между двумя точками, температура в которых колеблется одинаково, другими словами, если запаздывание колебаний в какой-то точке равно периоду Т, то расстояние между этими точками называется длиной волны l. Для условной и весьма приближенной характеристики числа волн, укладывающихся в толще ограждения, служит показатель тепловой инерции D, определяемый для однородного ограждения по формуле:

D=R^.s.(4.27)

Для многослойного ограждения c числом слоев I показатель тепловой инерции определяется как сумма показателей D для всех слоев:

(5.9)

Показатель тепловой инерции D является безразмерной величиной. С уменьшением периода колебаний теплового потока увеличивается показатель тепловой инерции ограждения, т.е. в толще ограждения укладывается большее число волн. уменьшается длина температурной волны и быстрее затухают температурные колебания. При увеличении периода колебаний происходит обратное явление.

Большое значение для понимания затухания температурных колебаний в толще ограждения имеет так называемый слой резких колебаний. Это слой, непосредственно примыкающий к внутренней поверхности ограждающей конструкции, в толще которого амплитуда колебаний температуры уменьшается в 2 раза. В слое резких колебаний располагается 1/8 длины температурной волны. Слой резких колебаний характеризуется тем, что для него показатель тепловой инерции равен 1, т.е. D_р.к.=R_р.к^.s=1, где R_р.к.- термическое сопротивление слоя резких колебаний. Толщина д слоя резких колебаний равна:

(5.10)

Считается, что на величину колебаний температуры внутренней поверхности ограждения основное влияние оказывают теплофизические характеристики слоя резких колебаний.

5.1.3 Коэффициент теплоусвоения внутренней поверхности ограждения

Отношение амплитуды колебания теплового потока А_Q, воздействующего на внутреннюю поверхность ограждения, к амплитуде колебаний температуры на этой поверхности А_ф называется коэффициентом теплоусвоения внутренней поверхности ограждения:

(5.11)

Коэффициент теплоусвоения внутренней поверхности ограждения имеет размерность Вт/(м^2.оС). Коэффициент теплоусвоения внутренней поверхности ограждения возрастает с уменьшением периода Т колебаний теплового потока, и зависит главным образом от теплофизических характеристик материалов слоев, из которых состоит ограждение. Чем больше величина коэффициента теплоусвоения внутренней поверхности ограждения Y_в.п при одной и той же величине A_Q, тем меньше будет амплитуда колебаний температуры А_ф на этой поверхности.

Приближенный расчет коэффициента теплоусвоения внутренней поверхности ограждения состоит в следующем. Если слой резких колебаний укладывается в прилегающий к внутренней поверхности слой, т. е. если

D₁?1, то Y_в.п=s₁. (5.12)

Если слой резких колебаний захватывает следующий слой и для этого слоя D₂?1, то сначала определяется Y₂ поверхности стыка первого и второго слоев, который принимается равным коэффициенту теплоусвоения материала второго от внутренней поверхности ограждения слоя Y₂=S₂, и тогда

(5.13)

Если D_i?1 имеет только слой n от наружной поверхности, то Y_n-1=s_n.

(5.14)

Затем последовательно определяются по рекуррентной формуле (5.14) все Y_i до внутренней поверхности.

Если ограждение представляет собой тонкую перегородку толщиной д, разделяющую два помещения с одинаковым колебанием температуры, то на оси этой перегородки отсутствует тепловой поток А_Q=0. Если показатель тепловой инерции половины толщины перегородки D_д/2?1, то на оси Y₂=0. Тогда по формуле (5.14)

(5.15)

Для безынерционного ограждения, например, для окна Y₂=б_н и s₁=0. По формуле (5.13)

(5.16)

где R₁ - термическое сопротивление окна, м^2.оС/Вт;

K'_ок - неполный коэффициент теплопередачи окна, Вт/( м^2.оС), равный

(5.17)

R_ок - общее приведенное сопротивление теплопередаче окна, м^2.оС/Вт.

Как было сказано в предыдущем параграфе 5.3.2. на величину коэффициента теплоусвоения наибольшее влияние оказывают прилегающие к внутренней поверхности слои. Поэтому, если необходимо в помещении стабильно поддерживать постоянную температуру, стремясь к уменьшению амплитуды колебаний температуры на внутренней поверхности ограждений, надо с внутренней стороны располагать теплоустойчивые слои. Если же требуется быстрое изменение температуры поверхности ограждения после смены режима отопления, то надо внутреннюю поверхность ограждений отделывать легкими материалами с малым коэффициентом теплоусвоения. Это относится к прерывистому отоплению, когда на ночь тепловой поток отопления снижается, температура поверхности ограждения падает, а к началу рабочего дня эту температуру следует повысить. Чем с меньшим коэффициентом теплоусвоения материал будет лежать на внутренней поверхности ограждения, тем быстрее и экономичнее будет прерывистое отопление.

5.2 Теплоустойчивость помещения

Теплоустойчивость помещения - это его свойство поддерживать относительное постоянство температуры при изменении тепловых воздействий. Теплоустойчивость помещения обеспечивается его ограждающими конструкциями, мебелью и оборудованием, объемом воздуха, воздухообменом помещения.

Теплоустойчивость помещения характеризуется двумя показателями: показателем теплоусвоения помещения Y_п и показателем теплопоглощения помещения - Р_п.

Основными характеристиками температурной обстановки в помещении при его нестационарном тепловом режиме служат амплитуды колебаний температуры внутреннего воздухаA_tв и радиационной температуры помещения A_tR. Если колебания температуры в помещения носят не гармонический характер, то амплитудой колебаний температуры считается максимальное отклонение от своей среднесуточной величины.

Наиболее распространенными видами изменения во времени тепловых воздействий являются гармонические и прерывистые колебания теплопоступлений в помещение. Показателем теплоусвоения помещения Y_п, Вт/^оС, принимается сумма произведений коэффициентов теплоусвоения внутренних поверхностей каждого из I ограждения Y_i, обращенных в помещение, и площади A_i этой поверхности:

(5.25)

Физический смысл показателя теплоусвоения помещения - отношение амплитуды колебания теплового потока, изменяющегося в помещении А_Q к амплитуде колебаний радиационной температуры помещения А_tR:

(5.26)

Основной составляющей показателя теплопоглощения помещения Р_п, Вт/^оС, является показатель теплопоглощения ограждений Р_огр, который в свою очередь является суммой произведений коэффициентов теплопоглощения внутренних поверхностей каждого из I ограждения Р_i, обращенных в помещение, и площади A_i этой поверхности:

(5.27)

Кроме того, показатель теплопоглощения должен включать в себя теплопоглощение внутреннего объема воздуха и мебели помещения. Но эти показатели по сравнению с основным незначительны и поэтому их не учитывают. Значимой составляющей Р_п является показатель теплопоглощения вентиляционного воздухообмена Р_вент, Вт/^оС:

(5.28)

где: L - расход вентиляционного воздуха в помещение, м³/ч;

с - теплоемкость воздуха, с=1,005 кДж/(кг^.оС);

с - плотность воздуха, по формуле (3.16), кг/м³.

Таким образом, принимается, что показатель теплопоглощения помещения равен:

(5.29)

Физический смысл показателя теплопоглощения помещения - отношение амплитуды колебания теплового потока, изменяющегося в помещении А_Q к амплитуде колебаний температуры воздуха помещения А_tв:

(5.30)

Амплитуда колебаний температуры воздуха в случае гармонических колебаний тепловых воздействий равна:

(5.31)

где А_Q - амплитуда возмущающего теплового потока, Вт;

- средний коэффициент теплообмена на внутренних поверхностях наружных и внутренних ограждений, принимается равным 6,25 Вт/(м^2.оС).

Коэффициент 0,9 учитывает несовпадение по фазе колебаний температуры воздуха и поверхности отдельных ограждений.

Прерывистыми теплопоступлениями считаются периодические теплопоступления (рис.22), которые постоянны и равны Q_п в течение части m, ч, периода T, ч, и отсутствуют в течение остального времени периода n, ч.

рис. 22. Прерывистые поступления теплоты

Показатель теплопоглощения помещения при прерывистых теплопоступлениях корректируется с учетом измененной формы кривой изменения во времени теплопоступлений:

(5.32)

где Щ - максимальный поправочный коэффициент на форму прерывистой кривой в зависимости от соотношения m/T=m/(m+n).

Амплитуда колебаний температуры воздуха в случае прерывистых тепловых воздействий равна:

(5.33)

5.3 Температура помещения

Для характеристики температурной обстановки в помещении наиболее общей является температура помещения :

.(6.28)

Применив температуру помещения можно сложный (лучисто-конвективный) теплообмен на поверхности в помещении описать с помощью общего коэффициента теплоотдачи на поверхности б_в:

, (6.29)

тогда коэффициент

(6.30)

Если , то

6. Комфортность тепловой обстановки в помещении

Внутренние тепловые условия в помещении (микроклимат) могут быть заданы с 3-х позиций:

· Комфортность для человека

· Оптимальность для технологического процесса

· Комфортно-технологические требования

6.1 Тепловой баланс человека

В организме человека протекают метаболические процессы в ходе которых энергия освобождается в виде теплоты и полезной работы мышц. Теплопродукция человеческого тела в основном зависит от рода деятельности. в некоторой степени связана с возрастом и полом человека. Теплоотдача человеческого тела в большой степени зависит от одежды и тепловых факторов окружающей среды. Тепловой баланс организма [26] человека можно записать следующим образом:

,

где Q_ч - теплопродукция человека, Вт;

Q_ч^изл - теплоотдача излучением, Вт;

Q_ч^кон - теплоотдача конвекцией, Вт;

Q_ч^исп - теплоотдача испарением, Вт;

Q_ч^раб- тепловой эквивалент выполняемой человеком работы, Вт;

Q_ч^физ - теплота, идущая на физиологические процессы организма человека, Вт;

- дисбаланс теплоты (определяет адаптацию система терморегуляции человека к тепловой обстановке).

Система терморегуляции человека действует в результате 2-х факторов: потоотделения и изменения температуры поверхности кожи человека. Задача определения комфортности тепловой обстановки в помещении состоит в создании условий для теплоотдачи человеком в окружающую среду излучением, конвекцией и потоотделением необходимого количества энергии:

Обслуживаемая зона помещения [13] - та часть объема помещения, где система кондиционирования микроклимата должна обеспечить расчетные условия. Расчетные тепловые внутренние условия в помещении состоят в основном:

- из температурных условий - температуры воздуха t_в, радиационной температуры t_r и температур в помещения (результирующей температуры t_п;

- аэродинамических условия - подвижности воздуха х_в;

- влажностные условия ц_в, d_в, е_в.

Сочетание параметров могут быть оптимальными, допустимыми.

Температурные условия определяются 2-мя условиями комфортности [19].

6.2 Условия комфортности температурной обстановки в помещении

I условие комфортности касается общей температурной обстановки в помещении. Оно устанавливает связь между температурой воздуха и радиационной температурой помещения, при которых человек в центре обслуживаемой зоны испытывает комфорт

Для зимы: (здесь Н - интенсивность работы).

Для лета: (- функция тяжести работы).

II условие комфортности Локальная составляющая на границе обслуживаемой зоны в непосредственной близости от нагретой и охлажденной поверхности. Баланс должен быть такой, чтобы тепловой поток с элементарной площадки на теле человека q_dF был направлен от человека. Из опытов: более жесткие условия состоят в том, чтобы 12<q_dF<70 Вт/м², менее жесткие 0< q_dF <93 Вт/м². В табл. 6 приведены уравнения для II условия комфортности.

Размещено на Allbest.ru