Тепловой режим здания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тепловой режим здания



1. МИКРОКЛИМАТ ПОМЕЩЕНИЙ

В каждом обогреваемом здании необходимо создавать и поддерживать тепловой режим в зависимости от его функционального значения и предъявляемых санитарно-гигиенических требований.

Тепловой режим здания определяется тепловыми условиями в помещениях, которые создаются при теплообмене между поверхностям нагретых и охлажденных ограждений, материалов, приборов и оборудования, масс нагретого и холодного воздуха. В теплообмене участвуют находящиеся в помещении люди. микроклиматической условие тепло помещение

Рис.2.1. Изменение теплоотдачи человека, находящегося в помещении в спокойном состоянии, конвекцией (1), излучением (2), при испарении влаги (3)

Организм человека имеет систему терморегуляции, которая позволяет приспосабливаться к изменению тепловых условий. Однако эта способность организма ограничена небольшим интервалом температуры. При низкой или высокой температуре окружающей среды нормальное тепловое состояние человека нарушается -- организм переохлаждается или перегревается. Тепловые условия, в которых при этом находится человек, не обеспечивающие теплового комфорта, называются дискомфортными.

Комфортными микроклиматическими условиями считают сочетания параметров микроклимата, которые при длительном и систематическом воздействии на человека обеспечивают сохранение нормального функционального и теплового состояния организма без напряжения реакций терморегуляции. Такие условия вызывают ощущение теплового комфорта и создают предпосылки для высокого уровня работоспособности. Близкие к комфортным микроклиматические условия называют допустимыми.

Допустимыми являются сочетания параметров микроклимата, которые при длительном систематическом воздействии на человека могут вызывать преходящие и быстро нормализующиеся изменения функционального и теплового состояния организма и напряжение реакций терморегуляции, не выходящие за пределы физиологических приспособительных возможностей. При этом состояние здоровья не нарушается, но могут понижение работоспособности.

Комфортные и допустимые микроклиматические условия в помещениях предопределяются категориями работ, т. е. разграничением физических работ на основе общих энергозатрат организма человека. Физические работы делят на легкие, средней тяжести и тяжёлые.

Комфортные для человека микроклиматические условия определяются прежде всего температурой воздуха t_в средней температурой поверхностей, обращенных: в помещение, ф_cр, причем

(II.1)

где: и -- площадь и температура внутренней поверхности каждой из ограждающих конструкций в помещении.

При одной и той же температуре воздуха (например, 20° С) тепловые ощущения человека в зависимости от средней температуры поверхности ограждений помещения могут быть различными. Эти ощущения могут охарактеризоваться оценками «холодно» при пониженной (если, например, ниже 16° С при t_B = 20° С), «нормально» (если = 16--25° С при той же температуре воздуха) и «жарко» при повышенной (выше 25° С в приведенном примере).

Повышая температуру воздуха t_B в помещении с пониженной температурой , можно добиться нормализации теплоощущений человека. В строительных нормах это положение выражено требованием повышать на 2° С расчетную температуру воздуха в угловых помещениях (имеющих две наружные стены и более) жилых зданий или вводить 5%-ную добавку к основным теплопотерям через наружные стены, двери и окна угловых помещений общественных зданий и вспомогательных помещений и зданий предприятий. Напротив, при повышенной температуре (например, при панельно-лучистом отоплении) температура t_B должна быть понижена.

При расчетах теплообмена используют радиационную температуру помещения усредненную температуру поверхностей, обращенных в помещение, вычисленную относительно той поверхности, на которой рассчитывают лучистый теплообмен. Так как долю участия в лучистом теплообмене поверхности 1 совместно с каждой из окружающих ее поверхностей выражают угловые коэффициенты облученности , то радиационную температуру помещения для поверхности 1 определяют как средневзвешенную по коэффициентам облученности:

(II.2)

Для одной нагретой поверхности 1 в помещении (например, одной отопительной панели) сумма коэффициентов облученности

Тогда

(II.3)

Температуру помещения, исходя из понятия о радиационной температуре, определяют по уравнению

(II.4)

или приблизительно

(II.5)

где - радиационная температура, вычисленная относительно человека, находящегося в середине помещения, по формуле (II.3)

(II.3a)

Причем - коэффициенты облученности с поверхности тела человека

Первое условие температурной комфортности в помещении определяет сочетания температуры его поверхностей и температуры воздуха, при которых человек; находясь в середине помещения, не испытывает чувства перегревания или переохлаждения.

Выполнение первого условия комфортности проверяют, используя зависимость между температурами t_B и , ° С, установленную для большинства помещений жилых и общественных зданий в холодный период года:

(II.6)

Для выполнения первого условия комфортности необходимо, чтобы значение радиационной температуры , найденное по формуле (II.3а), находилось в допустимых пределах, определяемых формулой (II.6).

Пример II.1. Требуется проверить выполнение первого условия температурной комфортности в помещении шириной 5,625 м, расположенном на среднем этаже гражданского здания. Наружная стена размером 6,4X3,9 м и два окна в ней размером 2 X 2,5 м (общая площадь 10 м²) имеют коэффициенты теплопередачи соответственно 1,05 и 2,68 Вт/(м²•К) [0,90 и 2,30 ккал/(ч•м² ° С)]. Помещение обогревается потолочной отопительной панелью размером 4,2 X 5 м. Расчетная температура: наружного воздуха -- 26° С, помещения (по СНиП) + 20° С, отопительной панели + 32° С.

Температуру воздуха при лучистом отоплении принимаем на 1° С ниже нормативной температуры для помещения t_B = 20 -- 1 = 19° С.

Определим допустимые значения радиационной температуры в помещении по формуле (II.6):

т.е.

Находим по графикам коэффициенты облученности человека, стоящего по середине помещения, на поверхности отопительной панели - и наружной стены - . Тогда суммарный коэффициент облученности на поверхности внутренних ограждений будет равен:

Вычислим температуру внутренней поверхности наружных ограждений по формуле (II.21):

Наружной стены:

Окон:

Определим средневзвешенную температуру внутренней поверхности наружных ограждений при площадях наружной стены и окон

Находим радиационную температуру помещения по формуле (II.3a), принимая температуру поверхности внутренних ограждений равной температуре воздуха:

Таким образом, первое условие температурной комфортности в рассматриваемом помещении выполняется, так как полученная радиационная температура (19,6° С) находится, в пределах допустимых значений.

Второе условие температурной комфортности в помещении определяет температуру нагретой или охлажденной поверхности, допустимую для человека, находящегося непосредственно около этой

поверхности, и связано с интенсивностью лучистого теплообмена человека.

Температура поверхности потолка и стен (в зоне выше 1 м от уровня пола) должна быть ограничена во избежание недопустимого радиационного воздействия на голову человека.

Температура нагретой поверхности, ° С, принимая минимально необходимую теплоотдачу человека излучением 11,6 Дж/(см²), должна быть не выше

(II.7)

Температура охлажденной поверхности, ° С, при максимальной теплоотдаче человека излучением 70 Дж/(см²), должна быть не ниже

(II.8)

где -- коэффициент облученности с поверхности головы человека в сторону нагретой или охлажденной поверхности (расчетное расстояние до стен 1 м).

Минимально допустимая температура охлажденной поверхности окон может быть найдена, если предельно допустимую теплоотдачу человека излучением принять равной 93 Дж/(см²):

(II.9)

Области допустимых температур поверхности массивных ограждений и окон в помещениях в холодный период года, ограниченные предельными температурам» на нагретых J по формуле (11.7)1 и охлажденных [по формулам (II.8) и (II.9)] поверхностях, показаны на рис. II.3.

Пример II.2. Требуется проверить выполнение второго условия температурной комфортности в помещении по условиям примера II.1

По графику, приведенному в специальной литературе, определим коэффициент облученности с головы человека, стоящего под центром потолочной отопительной панели, на поверхность этой панели -- .

Рис.2.3. Области допустимой температуры поверхности массивных наружных ограждении (I) и окон (II) в помещениях в холодный период года 1, 2, 3 -- кривые предельно допустимой температуры соответственно нагретой и охлажденных поверхностей массивных ограждении и окон

Тогда предельно допустимая температура поверхности отопительной панели по формуле (II.7) составит

Проверка показывает, что второе условие температурной комфортности в рассматриваемом помещении также выполняется, так как заданная температура поверхности отопительной панели (32 С) ниже предельно допустимой (33,9° С).

Таким образом, необходимый микроклимат помещений в холодное время года можно обеспечить, если прежде всего поддерживать определенные температуру воздуха, температуру внутренней поверхности наружных ограждений и температуру поверхности отопительных установок.

2. НАРУЖНЫЕ КЛИМАТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ

Метеорологическими факторами, определяющими условия отопления зданий, считают температуру наружного воздуха t_H и скорость ветра . Температура наружного воздуха в течение отопительного сезона непрерывно изменяется. При этом изменяется разность внутренней t_B и наружной t_H температуры -- температурный напор, достигая наибольшего значения в самый холодный период (t_B -- t_H.Р на рис. II.4). В этот период зимы, называемый расчетным, температура внутренней поверхности наружных ограждений т_в самая низкая, а теплопотери через наружные ограждения Q_orp -- наибольшие. Тепловые. условия в помещениях можно нормализовать, если ограничить понижение температуры т_в. Для этого наружные ограждения должны быть выполнены с достаточной тепловой защитой от воздействия наружных метеорологических факторов.

Расчетная температура t_H.Р для определения мощности отопительных установок в зданиях любого назначения на несколько более высоком уровне, чем абсолютно минимальная температура, наблюдавшаяся в данной местности. Поэтому при сильных морозах неизбежны отклонения внутренних условий от расчетных. Этими отклонениями характеризуется степень обеспеченности поддержания заданных внутренних условий.

Об обеспеченности заданных внутренних условий судят по обеспеченности расчётных параметров наружных метеорологических условий, которую можно характеризовать коэффициентом обеспеченности.

Коэффициент обеспеченности выражает общее число случаев, когда в помещениях поддерживаются расчетные условия. Если, например, коэффициент обеспеченности 0,7, то это означает, что расчетные условия обеспечиваются в течение семи зим из десяти и только во время трех зим в периоды сильных морозов возможны отклонения условий в помещениях от расчетных. Под случаями при этом понимают параметры срочных метеорологических наблюдений, осредненные обычно за сутки. Поэтому коэффициент обеспеченности показывает не только число случаев, но и продолжительность возможных отклонений. При высокой степени обеспеченности расчетных условий коэффициент обеспеченности должен доходить до 0,9, при низкой степени обеспеченности -- понижаться до 0,5.

Рис.2.4. Схема изменения температурного напора и температуры внутренней поверхности наружных ограждений помещений в течении отопительного сезона.

Низкая температура наружного воздуха наблюдается сравнительно редко и короткое время. Более высокая температура повторяется чаще и держится значительно дольше.

Изменение температуры наружного воздуха в холодное время года сопровождается изменением скорости ветра. Для большинства континентальных районов снижение температуры связано обычно с уменьшением скорости ветра в приземном слое воздуха.

Расчетную скорость ветра по СНиП устанавливают по наибольшему значению из средней скорости ветра за январь по северному, северо-восточному и северо-западному направлениям. При типовом проектировании принимают скорость ветра 5 м/с (в северных климатических районах 8 м/с).

3. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА И ТЕПЛОУСТОЙЧИВОСТЬ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ

Потери теплоты через ограждения помещений, возникающие под воздействием низкой наружной температуры и ветра, являются сложным физическим процессом теплопередачи, с участием конвекции, излучения и теплопроводности.

Рис.2.7. Схема теплопередачи через однослойное (а) и многослойное ограждение (б) где: Qorp -- тепловой поток через ограждение; -- температура воздуха; -- температура материала; -- толщина слоя; -- теплопроводность; R --термическое сопротивление.

Если внутренняя и наружная температура воздуха и физические характеристики материалов ограждения остаются неизменными (стационарная теплопередача), то тепловой поток из помещения воспринимается внутренней поверхностью ограждения, проходит транзитом через его толщу и отдается наружной поверхностью в окружающую среду. Плотность такого теплового потока, т. е. количество теплоты, передаваемой через 1 м² поверхности ограждения в единицу времени, Дж/(см²), или, что то же, Вт/м² [ккал/(ч м²)], зависит от сопротивления, которое поток встречает на своем пути.

Тепловой поток последовательно преодолевает сопротивление теплообмену на внутренней поверхности ограждения R_B, термическое сопротивление материала ограждения R_т и сопротивление теплообмену на наружной поверхности R_н. Общее сопротивление теплопередаче через ограждение R_o равно сумме этих сопротивлений (рис. II.7, а)

(II.10)

Термическое сопротивление толщи ограждения, состоящей из нескольких слоев различных материалов, расположенных последовательно по направлению движения потока тепла, равно сумме термических сопротивлений отдельных слоев (рис.П.7, б)

Сопротивление теплопередаче через плоскую воздушную прослойку в ограждении (см. рис. II.7, б) R_B.П является дополнительным сопротивлением. Таким образом, сопротивление теплопередаче многослойной ограждающей конструкции с воздушной прослойкой составляет

(II.11)

Если ограждение неоднородно по поверхности, перпендикулярной направлению теплового потока, то термическое сопротивление R_T такого ограждения вычисляют отдельно. Для этого ограждение разбивают на отдельные площади Fi в пределах которых конструкция однородна в направлении теплового потока, и используют формулу

(II.12)

где Ri -- отдельные термические сопротивления толщи ограждения в пределах площадей Fi

Пример II.3. Определим термическое сопротивление неоднородной толщи наружной стены площадью 10 м², из которых 20% имеет сопротивление, пониженное до 0,9, при основном сопротивлении 1,1.

По формуле (II.12) находим

Сопротивление теплообмену на внутренней поверхности ограждения составляет

(II.13)

где - общий коэффициент теплообмена; слагается из коэффициентов лучистого в конвективного теплообмена (при допущении, что температура поверхности внутренних ограждений и внутреннего воздуха одинаков

(II.14)

Коэффициент лучистого теплообмена Вт/(м² К) [ккал/(ч м² °С)], поверхности, нагретой до температуры с поверхностью, имеющей температуру

(II.15)

где: -- приведенный коэффициент излучения теплообменивающихся поверхностей: для строительных материалов может быть принят равным 4,9 Вт/(м² К⁴)[4,2 ккал/(ч м² К⁴)]; Т_п и Т_в-- абсолютная температура соответственно нагретой поверхности и внутренней поверхности наружного ограждения, К; - коэффициент облученности поверхности, имеющей температуру (наружное ограждение), со стороны нагретой поверхности; , если в помещении имеется одна поверхность наружного ограждения, -- в остальных случаях ; - температурный коэффициент, ; приближенно определяют по формуле

(II.16)

Коэффициент конвективного теплообмена , Вт/( м² К) [ккал/(ч м² ° С)], воздуха, имеющего температуру t_B, c внутренней поверхностью наружного ограждения

(II.17)

где - коэффициент, равный в условиях помещения для вертикальных поверхностей 1,66 (1,43); для горизонтальных поверхностей при потоке тепла сверху вниз 1,16 (1,0).

Термическое сопротивление слоя ограждения м, вычисляют по формуле



(II.18)

где -- теплопроводность материала слоя, Вт/(м К) [ккал/(ч м ° C)]; зависит от плотности, влажности и температуры материала.

Сопротивление теплообмену на наружной поверхности ограждения

(II.19)

где -- общий коэффициент теплообмена на поверхности, имеющей температуру ; зависит в основном от скорости ветра, т. е. от интенсивности конвективного теплообмена.

Для расчета конвективного теплообмена на поверхности наружных стен при лобовом обдувании ветром используют формулу

(II.20)

Так, температура внутренней поверхности ограждения, имеющего сопротивление теплопередаче составит

(II.21)

температура в любом сечении на расстоянии от внутренней поверхности (см рис. II.7,б)

(II.22)

где: k = 1/Rо -- коэффициент теплопередачи ограждения; R_B определено по формуле (11.13); -- по формуле (11.18).

Формулу (11.21) используют для проверки возможности конденсации водяного пара воздуха на поверхности наружных ограждений помещений.

Теплозащитные свойства наружных ограждений определяют о учетом теплоустойчивости. Теплоустойчивостью называют свойство ограждений сопротивляться изменениям температуры и тепловых потоков. Температура наружного воздуха подвержена постоянному изменению, что приводит к нестационарным условиям теплопередачи через ограждения зданий. При недостаточной теплоустойчивости ограждений и быстром понижении температуры наружного воздуха возможно значительное понижение температуры внутренней поверхности.

Теплоустойчивость ограждений при изменении температуры наружного воздуха характеризуют безразмерным показателем тепловой массивности

D=R₁S₁ + R₂S_2i+...+R_nS_n, (II.23)

где R₁ R₂ … R_n -- сопротивления теплопроводности первого, второго и т.д. слоев толщи ограждения; вычисляют по формуле (II. 18); S1, S2, ..., S_n -- коэффициенты теплоусвоения материалов соответствующих слоев ограждения, Вт/( м² К); определяют при суточных колебаниях температуры (с периодом 24 ч) по формуле

(II.24)

где: -- теплопроводность материала, Вт/(м К);

-- удельная теплоемкость, Дж/(кг К), с учетом влажности материала, -- плотность, кг/м⁸.

При малой тепловой массивности ограждений резкое понижение температуры наружного воздуха вызывает большее понижение температуры внутренней поверхности, чем при большой тепловой массивности. Поэтому в одних и тех же климатических условиях облегченные ограждения должны иметь сопротивление теплопередаче больше, чем массивные.

4. ТЕПЛОЗАЩИТНЫЕ СВОЙСТВА ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ

Для наружных ограждающих конструкций зданий установлено тая называемое требуемое сопротивление теплопередаче, обеспечивающее определенную температуру внутренней поверхности в расчетный условиях.

Расчет сопротивления теплопередаче R_o основной части (глади стены, перекрытия или заполнения светового проема) ограждения проводят так, чтобы это сопротивление было не меньше требуемого сопротивления теплопередаче т. е.

(II.25)

Требуемое сопротивление теплопередаче для наружных стен и перекрытий определяют по формуле

(II.26)

где -- коэффициент уменьшения расчетной разности внутренней и наружной температуры (t_B -- t_H), учитывающий защищенность рассматриваемого ограждения от непосредственного воздействия наружного воздуха; ; для поверхности полов допустимы наименьшие значения (например, при повышенных санитарно-гигиенических требованиях 2° С), для поверхности теплотеряющих потолков -- несколько большие (4° С), для поверхности наружных стен -- наибольшие (6° С);. В помещениях с влажным или мокрым режимом определяют в зависимости от температуры точки росы; -- расчетная зимняя температура наружного воздуха;

В процессе расчетов по формуле (II.26) вычисляют предполагая степень тепловой инерции ограждения, и находят по формуле (II.23) показатель тепловой массивности D (для воздушных прослоек D = 0). Далее по значению D уточняют t_H и пересчитывают

В современных облегченных конструкциях многослойных панельных ограждений (стен, перекрытий) имеются связи, ребра, обрамления, создающие в толще теплоизоляционного слоя теплопроводные включения. Для таких ограждающих конструкций, неоднородных как в параллельном так и в перпендикулярном направлении по отношению к направлению теплового потока, а также имеющих выступы на поверхности, вычисляют приведенное сопротивление теплопередаче.

Приведенное сопротивление теплопередаче наружной однослойной стены из крупных элементов с учётом уменьшения сопротивления только на откосах оконного проема можно приблизительно определить по формуле

(II.27)

где R_o, F_o -- сопротивление теплопередаче и площадь глади стены; -- ширина откоса (до оси оконной коробки), м; -- длина откосов (периметр) оконного проема в стене, м.

5. ВОЗДУХОЗАЩИТНЫЕ СВОЙСТВА ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИИ

Поступление наружного воздуха в помещение называют инфильтрацией, фильтрацию внутреннего воздуха наружу -- эксфильтрацией воздуха. Причинами фильтрации воздуха через ограждения являются гравитационное давление, возникающее вследствие разности плотности холодного наружного и теплого внутреннего воздуха, и ветровое давление, создающееся в результате перехода у стен здания динамического давления ветра в статическое.

Общий процесс обмена внутреннего воздуха с наружной средой . и между помещениями называют воздушным режимом здания. Воздушный режим здания рассчитывают при проектировании системы вентиляции, определяя количество воздуха, фильтрующегося через наружные ограждения, как дебаланс количества приточного и вытяжного воздуха. При проектировании системы отопления расчет воздушного режима здания упрощают и сводят к вычислению количества холодного воздуха, инфильтрующегося в помещения через наружные ограждения. Это количество воздуха зависит от воздухопроницаемости ограждений, причем воздухопроницаемость стремятся уменьшить путем уплотнения ограждений.

Проницаемость ограждений для воздуха характеризуют коэффициентом воздухопроницания k_и и обратной величиной -- сопротивлением воздухопроницанию R_и..

Сопротивление воздухопроницанию ограждения R_и выбирают так, чтобы оно было не меньше требуемого сопротивления воздухопроницанию

(II.28)

Сопротивление воздухопроницанию многослойного ограждения R_и складывается из сопротивлений отдельных слоев. Требуемое сопротивление воздухопроницанию наружных стен, перекрытий и покрытий зданий, а также входных дверей в квартиры, дверей и ворот производственных зданий, , Па м² ч/кг [(кгс/м²) м² ч/кг], определяют по формуле

(II.29)

где -- разность давления воздуха у наружной и внутренней поверхностей наветренных ограждающих конструкций в нижней части зданий, Па (кгс/м²), вычисляемая по формуле (при расчетах в системе МКГСС из формулы исключается

(II.30)

Н--высота здания (от поверхности земли до верха карниза), м; -- плотность наружного и внутреннего воздуха, кг/м³; -- максимальная из средних скоростей ветра по румбам за январь, повторяемость которых составляет 16% и более, -- нормативная воздухопроницаемость, кг/(ч м²).

При расчетах принимают следующие значения G^H, кг/(ч м²) для наружных стен, перекрытий и покрытий жилых и общественных зданий и вспомогательных зданий промышленных предприятий ……0,5

то же, для производственных зданий ………………...1,0

для входных дверей в квартиры ………………………………..1,5

для дверей и ворот производственных зданий …………………10

Требуемое сопротивление воздухопроницанию окон и балконных дверей жилых и общественных зданий, а также вспомогательных зданий и помещений промышленных предприятий, , Па²/³ м² ч/кг [(кгс/м²)²/³ м² ч/кг)], вычисляют по формуле

(II.31)

где -- то же, что в формуле (II.34); 0,10 м² ч/кг -- нормативная проводимость воздуха при = 10 кг/(ч м²),

Следует иметь в виду, что конструкция заполнения световых проемов в зданиях повышенной этажности может определяться не теплозащитными, а воздухозащитными требованиями, т. е. необходимостью выполнить условие (II.28).



ЛИТЕРАТУРА

1. Андреевский А.К. Отопление Минск. Вышейшая школа, 1982.

2. Богословский В.И. Тепловой Режим здания М:Строй издат.,1979.

3. Отопление и вентиляция В.Н. Богословсий, В.П.Щеглов, Н.Н.Разумов. М.1980.

4. Пеклов А.А. Кондиционирование воздуха - Киев. Издат «Будивельник» 1987.

5. Сканави А.Н.Конструирование и расчет систем водяного и воздушног отопления зданий. М.Стройиздат, 1983.

6. Шекин Р.В., Березовский В.А., Потапов В.А. Расчет систем центральго отопления. Киев: Вищ. Школа. 1975.

Размещено на Allbest.ru

...