МИКРОКЛИМАТ ЖИЛЫХ И ОБЩЕСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ

ПУТИ СНИЖЕНИЯ ЛЕТНИХ ТЕПЛОВЫХ НАГРУЗОК

Тепловые нагрузки можно снижать следующими средствами: планировочными, архитектурными, теплотехническими, эксплуа­тационными и применением солнцезащитных устройств.

Планировочные средства обеспечиваются удачным рас­положением зданий и зеленых насаждений. В застроенной части города интенсивность солнечной радиации слабее на 15—20%, чем в незастроенной [16]. Здания и разрывы между ними долж­ны размещаться по отношению к господствующим ветрам так, чтобы улучшить микроклимат участка, создавая лучшие усло­вия для проветривания и. тем самым, снизить теплопоступле­ния в помещении (увеличивается значение ан). см. формулу

(25).

Одним из традиционных методов улучшения микроклимата в условиях летнего перегрева является озеленение территории застройки. Озеленение способствует смягчению теплового и ра­диационного режима и ослаблению горячих ветров, зеленые на­саждения участка снижают температуру воздуха на 1.5—2,50С; интенсивность солнечной радиации — до 40—50%, скорость вет­ра— до 50—60% и увеличивают относительную влажность воз­духа на 7—12% по сравнению с скрытой территорией [16]. Озе­ленение зданий и прилегающих участков в целях защиты от сол­нечного перегрева можно осуществлять деревьями с развитой кроной и вьющимися растениями.

Защита здания от перегрева при помощи вьющихся расте­ний или озеленения участка уменьшает температуру поверхности стен (при наличии суммарной радиации — прямой, отраженной и рассеянной на 9—10° и при наличии отраженной и рассеянной радиации до 1°) и приводит к снижению температуры вентиля­ционного воздуха [24]. Существенное значение для снижения летних тепловых нагрузок имеет обводнение участка застройки: строительство искусственных прудов, фонтанов и т. п. Плеска - тельные бассейны, фонтаны и др. снижают температуру воздуха на участке на 1—1,5°С.

Архитектурные средства обеспечивают соответствую­щую ориентацию здания.

Достаточно указать, что для районов 35—45° северной ши­роты, если принять полное солнечное облучение вертикальных поверхностей, ориентированных на север, за 100%, то для остальных ориентаций оно составит в среднем: Ю—140%, С-В, С-3—148%; Ю-В, Ю-3 —179%; В, 3—190%.

Для современных здании со значительной поверхностью остекления большое значение имеет отношение площади остекле­ния F0CT к поверхности наружных вертикальных ограждений Аогр, так называемый коэффициент остекления

F

огр

Обычно под экономической задачей понимают общий минимум единовременных и эксплуатационных затрат:

С = Сх + Т • С, = сх ■ Aorp - f Г • с, • Аогр, (52)

где С—общие затраты на наружное ограждение;

Сі—сумма единовременных затрат на наружное огражде­ние;

Со—общие эксплуатационные расходы за год;

с і—стоимость 1 м2 ограждения;

С2—годовые эксплуатационные расходы, приходящиеся иа 1 м2 ограждения:

Т—нормативный срок окупаемости наружных ограждений.

Если наружные вертикальные ограждения площадью Еогр состоят из Еост м2 остекления со стоимостью I м2 гост и FCT м2 стен со стоимостью 1 м2 сст, то расходы на устройство наруж­ных вертикальных ограждений можно выразить в виде зависи­мостей:

С| сх * Fgrp== FqLT - П0ст ц - /т • пст р о.,

С, = ? • Сост - Ь (1 — ?) Пст рубім2. (53)

Принимая согласно существующим ценам стоимость 1 м2 ок­на с двойным остеклением пост =18,0 руб. и 1 м2 стены в сред­нем сст =14.0 руб., получим зависимость с, от (р (рис. 7, а). Из этого графика видно, что увеличение коэффициента остекления на 20% ведет к увеличению единовременных затрат на 7%.

Эксплуатационные расходы, учитывающие потери тепла че­рез наружные ограждения за отопительный период, определя­ются из выражений:

СГ = пГ-Еогр руб.; гГ = [ Т0 • 24 • Л/ (f„ -<„.Ср) -f 0.054D {tB-tu) } X

X [/Сст (!—<?) + Л'ост • ?! Рубім2. (54)

Эксплуатационные расходы за период охлаждения (при ра­боте неавтономных кондиционеров), пренебрегая небольшой кон­вективной теплопередачей через окна, могут быть укрупненно определены из выражения:

-годовые эксплуатационные затраты на восполнение теплопотерь через 1 м2 ограждения, руб.; -эксплуатационные затраты за период охлаждения на 1 м2 ограждения, руб.;

Рис. 7. Г рафик стоимости наружных ограждений и эксплуатационных расхо­дов, связанных с теплопереходом, в зависимости от коэффициента остекления:

о.—стоимость I вертикального ограждения; б—эксплуатационные расходы за отопитель­ный период системой кондиционирования на [ .и2 вертикального ограждения; б—годовые эксплуатационные расходы на отопление 1 лі2 вертикального ограждения; а—летние эксплу­атационные расходы системой кондиционирования воздуха на I лг2 вертикального огражде­ния; д~годовые эксплуатационные расходы системой кондиционирования воздуха на I м2 вертикального ограждения.

Т0 и Тх—стоимость выработки І кдж тепла ТЭЦ и холода, руб.;

24—число часов, сутки;

N—продолжительность отопительного периода, сутки;

N'—продолжительность периода охлаждения, ч; tH. ср —средняя температура отопительного периода;

£н—расчетная температура наружного воздуха; tB—температура внутреннего воздуха;

0,054Д и 0,06Д—амортизационные отчисления на капитальный и текущий ремонты и обслуживание в размере 5,4% от установочной стоимости системы отопления и 6С,'о системы кондиционирования;

/<%. и/бост—коэффициенты теплопередачи стены и остекления. вт/м2 • град С;

At—температурный перепад хладоносителя, град С;

—давление, создаваемое циркуляционным насосом; г]—к. п. д. насоса;

Рэ—стоимость электроэнергии;

Г и /с'т—среднечасовые теплопоступления за время облучения через вертикальное двойное остекление (среднее по всем ориентациям) и через стены.

На основании приведенных выражении для условий 45—50“ северной широты составлены графики, учитывающие эксплуата­ционные затраты на по-ерп тепла через наружные ограждения за отопительный период (рис. 7,6 и 7, в), на летнее (рис. 7, г) п на круглогодичное (рис. 7.0 кондиционирование (при примене­нии системы с неавтономными кондиционерами при централизо­ванном хладоснабжснпп), как функция от ср.

Из рпс. 7, в и 7,0 видно, что увеличение остекления на 20% приводит к увеличению годовых эксплуатационных затрат на 0,2 руб. на I. и2 ограждения для системы отопления и для систе­мы кондиционирования 0.89 руб. (зимой 0,22 руб. и летом 0,67 руб.). Известно также отрицательное влияние зимой боль­ших остекленных поверхностей на человека, находящегося иа небольшом расстоянии иг них.

Для того, чтобы добиться полноценной теплоизоляции зда­ний, необходимо производить теплотехнический расчет общей поверхности наружных стен с счетом оконных проемов, т. е. тре­бования в отношении теплоизоляции относить к среднему пока­зателю сопротивления теплопередачи всего наружного огражде­ния [25].

Для обеспечения заданного общего коэффициента теплопе­редачи наружного ограждения при определенной конструкции стены может лимитироваться поверхность или тип остекления. При таком нормировании будут созданы предпосылки здоровых
условий проживания в помещениях с экономичным кондициони­рованием.

Что касается эффективных с биологической точки зрения ультрафиолетовых лучей, то обычные сорта стекол практически их не пропускают. Летом же эти стекла, пропуская тепловые лучи в помещение, создают для них тепловую ловушку, и при отсутствии солнцезащитных устройств увеличенные поверхности остекления способствуют перегреву помещений.

Для сокращения летних тепловых нагрузок, можно приме­нять теплопоглощающие стекла. Теплопоглощаю­щее или контрастное стекло отличается от обычного оконного увеличенным содержанием окислов железа или повышенным содержанием щелочи и наличием красителей.

Так, константиновским заводом «Автостекло» выпускается нейтрально-серое стекло толщиной 4,5 мм по цене оконного стек­ла. Преимуществом теплопоглощающего стекла является погло­щение 40—50% тепловых инфракрасных лучей (от 760 до 3000 ммк). К недостаткам этих стекол следует отнести понижен­ную пропускаемость ультрафиолетовых лучей — 60—65% в об­ласти видимого спектра (390—760 ммк). Теплопоглощающее стекло пропускает 60—70%, т. е. снижает пропускание дневного света на 30—40%.

Адсорбирующая в стекле лучистая энергия превращается в тепло. Таким образом, теплозащитные стекла при облучении солнцем при прочих равных условиях нагреваются больше, чем обычное стекло. Нагретое стекло в свою очередь излучает тепло­вые лучи внутрь помещения и наружу. Стекло отдает тепло ок­ружающему воздуху тем сильнее, чем интенсивнее циркуляции воздуха. Если отводить тепло от стекла наружным воздухом, внутрь помещения попадает незначительное количество тепла. При двойном остеклении теплозащитное стекло следует разме­щать снаружи, чтобы оно могло охлаждаться наружным возду­хом. Более сильное нагревание теплозащитного стекла по срав­нению с обычным оконным вызывает большое тепловое расшире­ние, поэтому при установке стекла нужно оставлять достаточ­ный зазор между рамой и стеклом. Величину этих зазоров можно рассчитать, положив в основу следующие данные: тем­пература стекла при установке +15°, максимальная температура оконного стекла при интенсивном солнечном облучении +50°; а теплозащитного стекла+ 80°; линейный коэффициент теплового расширения можно принять одинаковым для обоих стекол, а именно: с = 87-10-7. Тогда возможное увеличение длины для нормального стекла составит 0,31 мм на 1 м, для теплозащит­ного стекла — 0,58 мм на 1 м.

Для снижения летних тепловых нагрузок от прямой солнеч­ной радиации в ряде зданий представляется возможным распо­лагать остекление так, чтобы тень от фасада несколько закры-

4-118
вала его. Для этого остекление располагается под углом к вер­тикальной или горизонтальной плоскости.

Теплотехн и ч е с к и е средства обеспечиваются приме­нением утепленных ограждающих конструкций с достаточной теплоустойчивостью и отделкой.

Солнцезащитные устройства должны защищать помещения от солнечного облучения летом, пропускать солнеч­ные лучи зимой, обеспечивать естественное освещение в глубине помещения и свободный обзор из помещения, при этом должно быть отсутствие контраста в яркости между видимой частью не­ба и защитной конструкцией.

Солнцезащитные устройства подразделяются на стационар­ные, которые являются конструктивными элементами зда­ния, и мобильные. Стационарные солнцезащитные устрой­ства бывают выступающими: горизонтальные — козырьки,

кровельные свесы, балконы; вертикальные — экраны; ячеистого типа—эркеры, веранды и встроенные лоджии, галереи. К мо­бильным средствам откосятся: горизонтальные и вертикальные жалюзи, регулируемые козырьки, навесы, шторы, ставни.

Необходимо отметить, что даже при полном съеме прямой солнечной радиации большинство солнцезащитных устройств не снимает полностью отраженной от земного покрова и окружаю­щей среды отраженную радиацию и совершенно не препятствует воздействию рассеянной радиации.

При проектировании затеняющих устройств необходимо знать время максимального солнечного облучения данного помещения и угол падения лучей в период затенения. Степень обеспечения защиты от солнца является эффективной при учете следующих двух факторов: степени защиты в расчетный период летом, что определяет начальную стоимость кондиционирования, и степени общей защиты в течение всего сезона охлаждения, что опреде­ляет годовые эксплуатационные затраты.

Горизонтальное затенение должно применяться при ориента­ции окон на юг, вертикальное — при ориентации на запад й во­сток.

На рис. 8 приведены возможные варианты затеняющих уст­ройств — горизонтального, вертикального и ячеистого типов [26]. Пунктирные линии указывают углы, под которыми солнечные лучи будут перехватываться. По этим углам вычерчиваются ха­рактеристики затенения (затеняющие маски). Полное затенение на рисунке заштриховано. Затеняющие маски строятся так же, как и диаграммы движения солнца; площадь, которую они ох­ватывают, проектируется на небесный свод из центральной точ­ки наблюдения. Эта площадь представляет часть поверхности неба, из которой солнечные лучи не попадают и наблюдатель бу­дет находиться в тени при солнечном свете. Накладывая эти маски в надлежащей ориентации на диаграммы движения солн­

ца, можно ОпрёдёлНть, ё какие часы лучи солнца будут задер­живаться и насколько эффективны затеняющие устройства.

Горизонтальные козырьки защищают окна от проникновения в помещение солнечных лучей только при высоком стоянии солнца. Горизонтальные скошенные жалюзи допускают цирку­ляцию воздуха возле стены, обладают большей эффективностью, чем прямые. Парусиновые тенты дают такой же эффект, что и

Рис. 8. Затеняющие устройства:

/—£—горизонтальный тип: козырьки; 2—жалюзи; 3—парусиновые гейты; 4—жалюзи, сви­

сающие с козырьков; 5—сплошной или дырчатый экран; 6— регулируемые жалюзи; 7 - 9—вертикальный тип: 7—ребра; 8—косонаправленные ребра; 9—регулируемые ребра;

10—12і— ячеистый тип; 1Э—лоджии; П—с вертикальными косонаправленчыми ребрами, 12—с наклонными горизонтальными жалюзи.

козырьки, но они могут быть съемного типа. Устройство паруси­новых тентов проще и дешевле по первоначальным затратам, чем устройство козырьков, но приводит к эксплуатационным рас­ходам. Жалюзи, свисающие с козырьков (консолей), являются эффективными в случае защиты от солнечных лучей, падающих под низкими углами. Сплошной или дырчатый экран, параллель­ный стене, отсекает солнечные лучи, падающие под низкими уг­лами. Регулирующие горизонтальные жалюзи меняют свои за­
теняющие характеристики в зависимости от угла поворота. Вер тикальные ребра наиболее эффективны при восточной или за-4 падной ориентации. Вертикальные ребра, косо направленные по отношению к поверхности стены, дают асимметричную затеняю­щую маску. Они отделяются от стены с целью устранения тепло­передачи между ребрами и стеной. Регулируемые вертикальные ребра могут затенять всю поверхность стены или раскрываться в различных направлениях в зависимости от положения солнца. Затеняющее устройство ячеистого вида представляет собой сочетание вертикального и горизонтального типов. Благодаря высокому коэффициенту затенения такие ячейки являются наи­более эффективными для жаркого климата. Сплошное затеняю­щее устройство ячеистого типа с косо направленными вертикаль­ными ребрами дает асимметричную маску. При сочетании ячеи­стого устройства с жалюзи соответствующая ему маска получа­ется, как суммарная диаграмма обоих типов.

Для получения величин совместного снижения тепловых на­грузок от уменьшения коэффициента остекления и применения солнцезащитных устройств и оценки эффективности составляю­щих нами составлены специальные графики (рис. 9) для 35—

Рис. 9. Среднечасовые тепловые нагрузки для различно ориентированных наружных ограждений: а—север; С—северо-восток, северо-запад; в—восток, запад; г—юго-восток, юго-запад; д— юг; I—одинарное остекление; 2—двойное остекление; 3—двойное остекление с наружным тепдопоглощающнм стеклом; 4—затененное на 50% одинарное остекление; 5—затененное на 50% двойное остекление; 6—затененное на 100% одинарное остекление; 7—затененное на

100% двойное остекление; 3—стена.

50° северной широты при среднечасовом облучении /ср вт/м2 и и t„ =30°С; р=0,7; а» = 23, 2 втім7 • град] tB = 23° и Кстены = = 1,16 втім2-град. Для определения летней тепловой нагруз­ки, приходящейся на 1 м2 вертикального ограждения, необходи­мо для каждого коэффициента остекления суммировать тепло - поступления через стену и остекление. Например, тепловая на­грузка западной ориентации при <р = 0.4 с теплопоглощающим стеклом составляет согласно рис. 9, в

Q= 11,6+ 111,4= 123 вт/м2.

Из рис. 9 видно, что частичное затенение более эффективно, чем применение теплопоглощающего стекла. С увеличением коэф­фициента остекления удельное влияние наружной стены на об­щую тепловую нагрузку через 1 м2 ограждения становится очень малым. С другой стороны, влияние наружной стены на общую тепловую нагрузку увеличивается с расширением роли солнце­защитных устройств для остекленных поверхностей. Например, при коэффициенте остекления <р = 0.-1 тепловая нагрузка через

южную стену при Л' = 1,16 вт/м2-град составляет -100 =

78

= 14% при одинарном остеклении, а при полном затенении его — 28 %.

Эксплуатационным наиболее простым, но наименее эффек­тивным средством защиты помещений от солнечных лучей явля­ется побелка или окраска синькой стекол. Тепловую нагрузку снижают также шторы и занавеси.

Для снижения перегрева крыши, если она покрыта рулон­ным гидроизоляционным ковром, применяя периодическую по­ливку ее водой в летнее время, можно намного уменьшить на­грузку на систему кондиционирования воздуха. Расход воды для этих целей небольшой {не более 5 л на I лг2 крыши в ч). Вода, испаряясь, будет снижать температуру крыши. Такой способ борьбы с перегревом крыш используется в промышленных це­хах.