МИКРОКЛИМАТ ЖИЛЫХ И ОБЩЕСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ

Радиационные теплопоступления

Видимая часть спектра проникает в помещение почти равно­мерно, инфракрасные лучи — лишь немного слабее, чем лучи видимой части спектра. Чистое оконное стекло срезает лучи ко­роче 330—340 ммк.

Радиационные теплопоступления через остекление

Qpaa == Fост ‘ Цост ‘ ?' ' К в Т, (34)

где qост —интенсивность прошедших через остекление солнеч­

ных лучен по часам дня, определяемая по табл. 9. уЗ—коэффициент затенения солнцезащитными устрой­ствами;

К"—коэффициент, учитывающий, насколько количество по­даваемого в помещение холода должно быть меньше количества поступающего радиационного тепла через

остекленные поверхности, учитывая тепловую инер­

цию внутренних ограждении.

Данные теплопоступления от солнечной радиации через вер­тикальное двойное остекление по часам суток (лето? н) втім2, (qост ) приведены в табл. 9.

Расчет теплопрнтока в помещение за счет солнечной радиа­ции производился по формуле

f/ocr <?норм ' COS 0 * Кп 1 s --z *7рад * ^

где <7„0рм и <7і, аД—количество тепла солнечной радиации, падаю - - щеп на поверхность нормальную к направле­нию солнечного луча и на определенную вер­тикальную поверхность, вт/м2: cos в—косинус угла между направлением луча и нор­малью К поверхности;

Кп —коэффициент пропускания солнечных лучен через остекление, равный произведению коэф­фициентов отражения солнечных лучей стек­лом, загрязнения стекол и затепення перепле­тами (в расчете принято А'„ =0,9 • 0,76 ■ 0,73 = =0,5);

3—118

I—относительный коэффициент пропускания све­товыми поверхностями наклонно падающих лучей, принимаем по данным И. К. Разумо - ва [15].

Значения <7Рад принимались по данным Б. Ф. Васильева [7].

Сравнение полученных данных, с материалами А. М. Шкло - вера, Л. А. Дашкевича, С. Б. Гольдштейна [16], американского справочника «Отопление, вентиляция, кондиционирование воз­духа» 1960 г. и французских материалов [17] показало значитель­ное расхождение их между собой, что можно объяснить труд­ностью учета отраженной радиации, зависящей от конкретных условии, а также тепла отраженного и поглощенного стеклом н др.; отсутствием достаточных экспериментальных данных. Поэтому нами построены усредненные кривые солнечного тепла, проникающего через двойное остекление. По полученным дан­ным и перечисленным выше материалам, для 40—45° северной широты составлена табл. 9.

В ночное время, кроме конвективного теплообмена, зависяще­го при отсутствии ветра от температуры наружного воздуха, на поверхность ограждений воздействуют длинноволновые невиди­мые лучи, излучаемые в соответствии с температурой окруже­ния. Летом ночью, вследствие эффективного излучения, темпера­тура ограждений и, особенно кровли, оказывается ниже темпе­ратуры воздуха и тепловой поток через перекрытие направляет­ся из помещения наружу.

Если температура поверхности ограждений при облучении их солнцем повышается и определяется из выражений (24) и (25)

/ — f А-

ьн. суи *-Н I

0.1

то летом в ночное время, благодаря низкой температуре излу­чения ночного неба, температура ограждающих по­верхностей ниже температуры воздуха н определяется из выра­жения

^н. сум =^н------- . (35)

“к

где Р, і —нзлучательная способность поверхности;

Ео—интенсивность длинноволнового ночного излучения ат­мосферы или иначе величина теплопередачи излучени­ем от черной поверхности к холодному небу, втім2.

Для безоблачного неба [18]

E0 = 69b • а • Т403л (0,254—0,00005 в) втім2, (36)

где а—константа излучения абсолютно черного гела а = = 5,7 • 10-8 втім - ■ град К4;

Т„озд —абсолютная температура воздуха у поверхности земли; в—упругость водяных паров н/м2 у поверхности земли. Учитывая, что Е0 = п, вт/м2, где Т, п, —абсолютная тем­

пература излучения атмосферы, получим

Ти031 = Тт. л 1 /' — — ірчо К. (37)

у 177 — 0,35с

Уравнение для расчета эффективного излучения при действи­тельных условиях облачности будет иметь вид

E = Eq (1—и • л ) + б £о втім2. (38j

Здесь значения а и л из формулы (19);

6Е—поправка к эффективному излучению, зависящая от раз­ности температур между подстилающей поверхностью и воздухом.

Полному воздействию атмосферного излучения поверхность ограждения подвергается лишь в случае, когда она расположе­на горизонтально («видит» весь небесный свод). Вертикальные поверхности «видят» не только небесный свод, но и землю и мо­гут быть заслонены соседними зданиями, деревьями и т. д. Для упрощения расчетов величина £о Для вертикальных поверхно­стей различных ориентаций может приниматься равной полови­не от величины для горизонтальной поверхности.

Коэффициенты К' и К", учитывающие сдвиг фаз температурных колебаний

Для поддержания в помещении постоянной температуры сле­дует в каждый час (во время максимальных теплопоступленпй) удалять из помещения меньше тепла, чем поступает извне. Учет сдвига фаз теплопоступленип через наружные ограждения про­изводится на основании теории теплоустойчивости.

Время запаздывания тепловой волны или время, потребное для поступления этого накопленного тепла в кондиционируемое помещение, обычно колеблется от 5 мин до 3—4 ч.

Основная часть солнечных лучей, проходящих в помещение через остекление, непосредственно не согревает воздух помеще­ния, так как коэффициент поглощения воздуха бесконечно ма­лая величина, а превращается в тепло, попадая на поверхность пола, стен, мебели и т. д. Солнечная радиация, попадая на пол, частично в нем аккумулируется, отдает тепло воздуху путем диффузии и конвекции, отражается на стены и потолок, где происходят аналогичные процессы с затуханием колебаний. Внутренние ограждения путем взанмооблучення равномерно на­греваются н излучают тепло. Однако излучения о г ограждений в отличие от солнечной радиации лежат в более далекой длин­новолновой части инфракрасных излучений, которых сгекло уже почти не пропускает. Принципиальная схема теплопередачи от солнечного облучения помещения приведена па рис. 4.

Отр&тепное и рассеянное излучение

Ниже приведены некоторые результаты определения прони­кающего в помещение тепла с учетом аккумуляции огражде­ниями, произведенные методами гидроаналогии [19], для поме­щения размером 6,1X6,1X2,4 м при периодической инсоляции; остекление — 50%; окна не защищены солнцезащитными уст­ройствами; наружная стена южной ориентации, двухслойная (кирпич 10 см и бетон 15,2 см); перекрытие из 10 см бетона; внутренние перегородки оштукатуренные, толщиной 8 см. Коэф­фициенты теплоперехода в вт/м2 • град а» =22,8; «пола =3,44; с£стен =2.28; «перекр =1,71 вт/м2; р=0,9. На рис. 5, а, б пред­ставлен ход изменения средних поверхностных температур ог­раждений при непре­рывной работе кон­диционера и работе кондиционера с 7 до 19 ч при поддержа нии во время рабо­ты кондиционера по­стоянной температу­ры воздуха помеще­ния.

Нагрузка охлаж­дения благодаря ак­кумуляции огражде­ниями с ппжается на 52%. Снижение на­грузки в процентах отдельными ограж­дениями для усло­вий. приведенных на рис. 5, а. составляет: пол — 50%; пото­лок — 20%; внут­ренние стены—18%; остекление—7%: на­ружная стена —5%.

Из рис. 5 видно, что пргг достижении работой кондицио­неров нормальной температуры внут­реннего воздуха тем­пература ограждений остается высокой, поэтому для достиже­ния комфортных условий потребуется дополнительная нагруз­ка охлаждения, и снижение нагрузки за счет аккумуляции бу­дет значительно меньше.

При обычном способе эксплуатации комнатного кондиционе­ра (выключении его на ночное время), кроме периодического ко­лебания температуры наружного воздуха на солнце, имеет ме­сто периодическое изменение температуры внутреннего воздуха (рис. 5,6). При этом температура ограждений в дневное время довольно высока. Соответствующая эпюра нагрузки охлажде­ния (рнс. 6, б.) дает более высокие значения, чем при непрерыв­ной работе. С точки зрения экономии холода в последнем слу­чае аккумулируемое в здании тепло удаляется прохладным ноч­ным воздухом при открывании окон. Результаты, полученные методом гидроаналогип. пока не позволяют делать обобщений для практических расчетов.

Эпюры лрпкпкыошиго в гтпмс'Шеипе тепле,:

кіоито кондиционера. б—при периодической работе кондиционера. ішкаюіШііі ч-'реі флсад; 2—обличение через стекло; 3— поглощение тепла зозд}хо. м помещения.

При кондиционировании ХОЛОД подводится в помещение в основном конвективным путем, теплогюступление происходит конвекцией и радиацией.

Общи;"! вид уравнения дли гармонических колебаний темпе­ратуры внутреннего воздуха впз в виде комплексного числа по А. М. Шкловеру [21] следующий:

гле W—гармонические колебания подачи тепла в виде комплекс­ного числа, вт

F0—усредненная площадь всех ограждений, м2;

Во—усредненная для всех ограждений поглощательная спо­собность в виде комплексного числа, вт/м2 • град; а' —коэффициент внутреннего теплоперехода, вт/м2 • град• рк —доля выделяемого в помещении тепла, которая переда­ется от источника всем ограждениям помещения кон­векцией через воздух; егк —коэффициент теплоотдачи поверхностью стенки конвек­цией, вт/м2 * град.

Нормальные условия микроклимата достигаются при уело-1 вин, что усредненная температура внутренних поверхностей ог­раждении равна температуре внутреннего воздуха (формула 9), т. е. величина колебаний внутреннего воздуха сведется к нулю, и бы должна быть заменена величиной

О,5 0пз+О.5 (90 = 0,5 (0вз+0о), (40)

где 0О—усредненные гармонические колебания температуры для всех ограждений в виде комплексного числа

вк

^ (41)

°в

Коэффициент теплоотдачи поверхностью ограждения конвекцией

sK = — а,, в т /.и2 ■ град.

где а„—коэффициент теплоперехода, равный 8,7 втім2 • град;

Принимая в формуле '32) температурный множитель 0 = 1,0 коэффициент в. іапмооблучепня поверхности с полусферой (р= 1 и приведенный коэффициент излучения С1 =5,0, позучпм:

«л = 5,0- I • 1=5,0 вт/м2 • град ;

і, И

ак = 8,7 — 5,0 = 3,7 ; а' = ак + а' ; ад = ал —------ — , (42)

2 0 ** Н

где F,)—суммарная поверхность всех ограждений помещении, .и2; Fн—поверхность наружного ограждения, .и2.

Fo

Для помещения, имеющего форму куба, множитель—----- =

с0 — F н

= 1,2, в интересах упрощения расчетов будем считать его одина­ковым для любых помещений

ал =1,2- 5,0 = 6,!);

«’ = 3,7 + 6,0 = 9,7 вт/м2 ■ град,

а.. 3,7

т, к = —і— — -------- = 0,38 .

9,7

Считая, что температуры воздуха и поверхностей помещения имеют одинаковое влияние на самочувствие человека, можно по-| ставить требование, чтобы вводимый холодный кондиционируе­мый воздух сводил к нулю температурные колебания в помеще­нии.

Для теплопоступления через стены

о,5(й. + ё,) = -?Д— L +

TOC o "1-5" h z W' I 1 1 W

F0 ( Д) °8 ' %ак J F, B,

где W—колебания теплопоступленпй.

При подаче в помещение кондиционируемого воздуха т1к =1

0.5(&я + 6о) =------------------ ,1 L-+ 1

В,1 % 2ок

w" / і і і іЬ" і

+ пг^г)= - Т—1-А - f 0.032 . (44)

F0 ( В0 9,7 2 • 3,7

Приравнивая уравнения (43) и (44), получим

К'= _______ 1_____

V" .1 _ 0 озо 1 ■>-0,032В»

в„ ' ’

г. е. количество тепла, отводимого из помещения в периодиче­ском процессе, меньше количества теплопоступления в К' раз.

При теплопоступленпй только через остекленные поверхно­сти, когда солнечные лучи превращаются в тепло на облучае­мых поверхностях, ?7К =0.

TOC o "1-5" h z W I 1 1 v { 1

0,5 (Є.,3 4- й0) = = --- . -

F 0 В, ав I F0 В0

— = 0,10з. (46)

9.7 ! F, В, )

Приравнивая уравнения (44) и (46), получим

1

- — 0,103

W" В0 ' 1—0,103До

К" = == г - . (4/)

W' 1 1 + 0,032В»

—; + 0,032

В0

Между амплитудами теплового потока и температуры на рас­сматриваемой поверхности слоя существует несовпадение в фа­зах. Опережение фазы теплового потока но отношению к фазе
температуры находится в пределах от 0 до 90°. Так как в боль­шинстве ограждающих конструкций внутренний слой бодее теп­лоустойчив, чем последующий, следовательно, угол сдвига <45° и максимальная ошибка всегда будет меньше 8°/о - Так, при уг­ле 30° она не более 4% [20]. Это при наших расчетах допустимо. Поэтому в формулах (45) и (47) для практических расчетов за­меним В0 на В0.

Приведенный коэффициент теплопоглощения усредненный для всех ограждений определяется из известной зависимости

1BF

gQ = вт/м2 ■ град, (48)

Fo

где В и F—коэффициент теплопоглощения и поверхность каж­дого ограждения помещения 1

В = —j------- j— втім2 ■ град, (49)

где 5В—коэффициент теплоусвоения внутренней поверхности ог­раждения, втім2 • град.

1

Для остекленных поверхностей В=— = К. Угол сдвига фаз

R

в этом случае равен нулю.

Для расчетов, не требующих большой точности, для выбора В0 можно пользоваться данными для четырех градаций по внут­ренней теплоустойчивости помещений [21] в зависимости от ма­териала наружной стены, по которым составлена табл. 10.

'Г л блииа 10

Упрощенная методика. Примеры расчета

До последнего времени в США теплопрнток определялся по трем методикам и нагрузка охлаждения для одного и того же здания при расчетах разнилась до 50% [22]. Обществом инже­неров по отоплению и кондиционированию воздуха проведены специальные натурные исследования для уточнения методики расчета для районов 30—40° северной широты. Обработанные

результаты этих исследований [22] при tB =24°С приведены в таблицах 11 и 12.

Средние за 8 ч действия солнечной радиации значения тепло - поступлений колеблются для поверхностей, освещаемых более 8 ч, в пределах от 55 до 70% для вертикальных поверхностей и до 85% для горизонтальных остеклений [15]. Продолжительность освещения с напряжением радиации выше средних значений со­ставляет для отдельных поверхностей от 3,5 до 9 ч.

Таблица 11

Максимальная наружная температура, град С, 32 ! 35 | 38 32 ; 35 38

Затенение j Теплоприток, ет'.и2

и ориентация f

Г j Остекление

{ ~ одинарное | двойное

Для упрощения расчета теплопритока в формуле (20) вели­чину (г„.Сум — tB) К' можно заменить на величину (Дсум — tB)', т. е. (tн. сум — tB) принимать за восьмичасовым период, во время

максимальных наружных температур с 11 до 19 ч для всех ори­ентаций с поправкой, учитывающей аккумулирующую'способ­ность ограждения. В результате формула (20) будет иметь вид

Qrp = ^ • Яогр (^н. сум — tBy ■ (50)

Значения (/„.сум—tB)' могут приниматься по табл. 11.

В табл. 12 приведены данные теплопритока через остеклен­ные поверхности с учетом затенения.

Пример расчета наружных теплопоступлений для определения нагрузки охлаждения I l-этажного здания с ориентацией фасадов Ю-3— С-В в Киеве

Исходные данные:

Температура воздуха в помещении принята tB =24°С.

Здание состоит нз одинаковых средних и угловых помещении.

Среднее помещение. Площадь наружных стен F н ст=2.8 ж2. Площадь остекления Fост =4,7 ж2. Поверхность покрытия Fn0KP =11,2 ж2.

Угловое помещение ВНСТ(Ю-3 и Ю-В) =6,5+7,5 ж2; F0CT =8,5 ж2; Впокр= =24 ж2;

Коэффициенты теплопередачи К н ст =1,16 ет/ж2; К ост =2.68 втім2-.

^ост

Кпокр =0,^1 втім2. Коэффициент остекления фасадов гр= —--------- =0,6.

огр

Расчет по часам дня

Наружные теплопоступленпя определяем по формулам 120) и (34). Для ориентации Ю-3 максимальные топлопоступлепня через двойное остекление без затенения ог солнечной радиации (которые при ^=0,6 являются прева­лирующими) составляют q ю.3 =338 ет/ж2, что приходится на 15 ч. Примерно такие же теплонсступлепня для северо-восточной ориентации ^с-В =356 вт/м2 приходятся па 7 ч. Учитывая, что в 15 ч также максимальным трансмиссион­ный теплопрнток. принимаем 15 ч в качестве расчетного часа. Расчет произ­водим при показателе обеспеченности 93%. По табл. 6 в 15 ч /Е, =31,2°С. Для Ю-3 /н. сум =74.3°С, для С-3 /нсум=40,9 (см. табл. 7). Для расчета транс­миссионных теплопоступлений через окна ^h. Cvm=^h =31,2СС.

Коэффициенты К' и К" определяем из формул (45) и (47).

Коэффициенты теплопоглощения :для ограждений помещения приняты: наружная стена легкая — 3,5, внутренние стены (попсречно-песушие) и пере­городки— 2,91, перекрытия — 2.91. полы — 2.33. окна и застекленные двери при двойных переплетах - 2.68 вт м - ■ град [231

X В - F

B0 = —j—

Го

Считая условно, что помещения имеют форму куба.

1

=---- = 0,167,

6

тогда Во = 0.167 2 В.

При коэффициенте остекления qi=0,6.

Вн, ст =0-4 • 3.5+0,6 • 2.68=2,89 в г/ж2 • град;

16=2.89+3 • 2.91 +2,91+2,33= 16,86 вт/м* ■ град;

Во—0,167 • 16,86=2.81 вт/м* ■ град.

Подсчет теплопрптока г. о этим двум. методикам показывает, что несмотря на большую разницу между нагрузками охлажде­ния, определенными по приведенным методикам для каждого помещения, общий максимальный расчетный теплоприток для здания в обоих случаях рознится на 8%. Такую разницу для подсчета такого сложного явления следует считать приемле­мой.

Если для подсчета общей тепловой нагрузки здания можно пользоваться упрощенной методикой, то для определения мак­симальных расчетных нагрузок для каждого помещения или по­мещений одной ориентации и выявления требований по регули­рованию системы необходимо вести расчет по часам дня.

Так, для рассматриваемого здания в 15 ч максималь­ная разница в распределении нагрузки охлаждения на здания Ю-3 ориентации составляет 80% нагрузки, а С-В — 20%, что ставит свои требования к выбору системы кондиционирования и ее регулирующим способностям. Этот вывод особенно важен для многоэтажных зданий, где, как правило, комнаты квартир уст­раиваются одной ориентации, и если не будет выбрана система с широкими возможностями по регулированию, то для обеспече­ния комфортных условий в рассматриваемом случае нужно уве­личить общую хладопроизводительность системы примерно на 60%.

Несовпадение времени пиковых теплопоступленпй, в первую очередь от солнечной радиации, в различных помещениях зда­ния указывает на необходимость тщательного зонирования си­стем кондиционирования воздуха.