ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ЖИЛОГО ЗДАНИЯ

реклама
ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
И ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ЖИЛОГО ЗДАНИЯ
Завялик Фёдор, 11 кл. МАН ДДТ,
МОУ СОШ №2, г.Ставрополь
Тепловые потоки здания
играют определяющую роль в проектировании системы
отопления. Согласно справочному пособию к СНиП 2.08.01—89 "Отопление и вентиляция
жилых зданий" расчетные потери теплоты, возмещаемые отоплением, следует определять
из уравнения теплового баланса:
Qтр + Qв + Qc.о + Qинс + Qбыт = 0, где
Qтр — трансмиссионные потери теплоты через ограждения ( стены, двери, стекло окон,
здания;
Qв — затраты теплоты на нагрев наружного воздуха в объеме инфильтрации или
санитарной нормы (форточки, двери, щели);
Qс.о —тепловая мощность системы отопления, которая является искомой величиной при
определении теплового баланса;
Qинс — теплопоступления за счет солнечной радиации;
Qбыт — суммарные теплопоступления за счет всех внутренних, бытовых источников
теплоты, исключая системы отопления. (электробытовые приборы, кухни, трубопроводы,
находящиеся в помещении люди).
В последние десятилетия в жилищном строительстве повсеместно используются
стеклопакеты, усовершенствована герметизация оконных проёмов, значительно возросла
степень остекления помещений. Это привело к тому, что в уравнении теплового баланса
существенно возросла доля солнечной радиации. Между тем в СНиПах по прежнему
количество теплоты поступающей или, наоборот, исходящей из помещения по каналу
теплового излучения (Qинс) считается ничтожным Согласно пункту 2.10. ФЗ от
30.12.2009 г. № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений»
теплопоступления за счет солнечной радиации Qинс не рекомендуется учитывать в
тепловом балансе при определении расчетной нагрузки системы отопления. Перегрев
помещений за счет инсоляции следует снимать путем пофасадного регулирования систем
отопления.
В расчётах на тепловое излучение
мощность тепловых потоков рекомендуется
рассчитывать как прямо пропорциональное разности температур помещения и наружной
среды. При этом игнорируется известный физический закон Больцмана, утверждающий
что поток теплового излучения зависит от термодинамической температуры не в первой, а
в четвёртой степени.
Такая
же ошибка содержится в справочном пособии «Теплопотери здания»
(Е.Г.Малявин).
В работе
«Расчет теплопотерь помещения при раздельном учете конвективного и
лучистого теплообмена» (журнале AВОК №8/2007) утверждается, что «тепловой поток на
внутренней поверхности наружной ограждающей конструкции можно рассчитать по
формуле:
где tв, tвп – соответственно, температуры внутреннего воздуха и внутренней поверхности
наружной ограждающей конструкции, °С;
( αк – коэффициент конвективного теплообмена между внутренней поверхностью
наружной ограждающей конструкции и воздухом помещения, Вт/м2°С; )
αл – коэффициент лучистого теплообмена между внутренней поверхностью наружной
ограждающей конструкции и окружающими поверхностями, Вт/м2°С;
Как видно из всего выше приведенного лучистый поток через остекленную площадь
не учитывается. Однако, теплопередача через воздушные (в том числе и оконные)
прослойки осуществляется излучением, конвекцией и теплопроводностью. По различным
данным структура потерь тепла через однокамерный стеклопакет, заполненный
осушенным воздухом, выглядит приблизительно следующим образом: около 65% за счёт
излучения, около 20% за счёт теплопроводности (трансмиссионные теплопотери) и около
15% за счёт конвекции.
Снижение потерь тепла через стеклопакет за счёт конвекции производится
заполнения
воздушной
прослойки
инертным
газом,
имеющим
более
за счёт
высокую
динамическую вязкость — μ по сравнению с воздухом.
-
Пропускание тепла Ug Светопропускание Пропускание
ультрафиолета
(W/(m2*K))
«КРИСТАЛЛ» BASIC 4- 2,8
81
47
81
47
16-4 воздух
«КРИСТАЛЛ» BASIC 4- 2,6
16-4 аргон
Снижение теплопотерь через стеклопакет за счёт радиации достигается путем уменьшения
излучательной способности поверхности внутреннего стекла. Конструктивно это
достигается за счёт
установки так называемых
«теплосберегающих» стёкол с
низкоэмиссионным покрытием.
Ниже дана таблица со сравнительными характеристиками стеклопакетов с простыми
стеклами и с низкоэмиссионным стеклом.
Пропускание тепла Ug Светопропускание Пропускание
-
ультрафиолета
(W/(m2*K))
«КРИСТАЛЛ» BASIC 4- 2,8
81
47
78
21
16-4 воздух
«КРИСТАЛЛ» Termo 4-16 1,1
Argon-4 Low-E
Однако нагрев помещения происходит за счет волн инфракрасной части спектра, влияние
низкоэмиссионных пленок на данный вид излучения в данной таблице не приведено.
Из всего выше сказанного следует, что точное определение доли теплового излучения
в теплообмене помещений с окружающей средой является актуальной задачей. Не решив
её, нельзя определить точно оптимальный уровень остекленности помещения и учесть её
при
расчете мощности системы отопления помещения в конкретных климатических
условиях.
В нашей работе в основу расчетов положен закон Стефана-Больцмана
мощность излучения с
R=AσT4 –
единицы поверхности пропорциональна четвертой степени
абсолютной температуры тела. Здесь σ=5.6·10-8Вт/м2К-4 – постоянная Стефана-Больцмана, А
– показатель степени «серости» излучающей поверхности помещения. Для внешней среды
учитывалось, что коэффициент «серости» В меняется в зависимости от сезона
Расчеты были выполнены на следующей модели. Помещение комнаты - это полость,
подобная
теоретической модели абсолютно черного тела, если размеры (площадь) окна
существенно меньше размеров комнаты. Между помещением и окружающей средой идет
непрерывный обмен тепловым излучением.
Температура полости принималась равной Тк=
20оС (293К), а за наружную температуру Тн были взята из справочников среднемесячные
температуры для Санкт-Петербурга и для Ставрополя.
Поскольку помещения в зданиях не являются в полном смысле абсолютно чёрными
телами, а коэффициент серости А зависит от степени остеклённости помещения, расчеты
проделаны для трех значений коэффициента серости помещения: А1=0,3, А2=0,5 и А3=0,7.
Для учета сезонных изменений наружной среды в каждом из этих случаев коэффициент
серости этой наружной среды В варьировался в тех же пределах В1= 0,3, В2= 0,5 и В3= 0,7.
Мощность потоков излучения (энергия излучения, проходящего через один квадратный
метр окна в единицу времени) определялась как разность
R=RТ – R290
(1)
Здесь RТ = ВσT4н – мощность потока теплового излучения, направленного внутрь помещения
и определяемого наружной температурой Тн;
R290 = АσT4к - мощность потока излучения,
идущего через окно из помещения. [R] = Вт/м2 .
Результаты расчетов представлены на рисунках
в координатах (ΔТ, R) для различных
коэффициентов серости помещений и наружной среды.
Годичный ход мощности теплового излучения через окна зданий, Вт/м2
Коэффицент серости:0,3
Коэффицент серости:0,5
Коэффицент серости:0,7
80
Мощность, Вт/м2
60
40
20
-2
Ф
72
ев
,7
ра
ль
-2
74
,7
М
ар
т
-2
76
Ап
,6
ре
ль
-2
81
,4
М
ай
-2
89
,2
И
ю
нь
-2
93
,5
И
ю
ль
-2
97
Ав
,4
гу
ст
-2
92
С
ен
,8
тя
бр
ь
-2
87
О
кт
,9
яб
рь
-2
82
Н
,3
оя
бр
ь
-2
77
Де
,2
ка
бр
ь
-2
76
0
Я
нв
ар
ь
-20
-40
Месяц; температура, К
Фиг.1. Годичный ход мощности теплового излучения через окна зданий при
минимальной среднемесячной температуре (г. Санкт-Петербург);

Как видно из графика с января по май поток теплового излучения направлен из
комнаты и мощность его достигает 76 ватт/м2, к маю месяцу тепловой поток из
комнаты уменьшается.

В июне и августе тепловые потоки из комнаты и в комнату выравниваются.

Но в июле направление потока изменяется на противоположное, и в комнату
поступает около 19 ватт теплоты через квадратный метр остекления. В этот период
происходит включение кондиционеров, для охлаждения помещения.

С сентября вновь происходит увеличение мощности теплового потока из
помещения. В декабре мощность уходящего излучения достигает 60 ватт/м2.
Годичный ход мощности теплового излучения через окна зданий, Вт/м2
Коэффицент серости:0,3
Коэффицент серости:0,5
Коэффицент серости:0,7
Я
нв
ар
ь
-2
Ф
51
ев
,6
ра
ль
-2
53
,5
М
ар
т
-2
61
Ап
,4
ре
ль
-2
70
,4
М
ай
-2
77
,2
И
ю
нь
-2
84
,1
И
ю
ль
-2
87
Ав
,1
гу
ст
-2
85
С
ен
,6
тя
бр
ь
-2
80
О
кт
,1
яб
рь
-2
72
,5
Н
оя
бр
ь
-2
Де
63
ка
бр
ь
-2
54
,6
Мощность, Вт/м2
160
140
120
100
80
60
40
20
0
Месяц, температура, К
Фиг. 2. Годичный ход мощности теплового излучения через окна зданий при
минимальной среднемесячной температуре (г. Санкт-Петербург);

Как видно из графика при минимальных месячных температурах тепловой поток
всегда направлен из комнаты. Максимум годового излучения приблизительно
равен 133 ватт/м2.

Минимальное значение мощности характерно для июля, и равно 23 ватт/м 2, т.е
поток из комнаты уменьшается с приближением к температуре комнатной (293
градуса по Кельвину). С июля по декабрь происходит увеличение мощности
излучения уходящего из комнаты.
Годичный ход мощности теплового излучения через окна зданий, Вт/м2
Коэфф. серости: 0,3
Коэфф. серости: 0,5
Коэфф. серости: 0,7
80
40
20
30
Се
1
нт
яб
рь
29
5,
О
4
кт
яб
рь
28
8,
3
Но
яб
рь
28
0,
Де
5
ка
бр
ь
27
5,
9
гу
ст
Ав
30
1,
2
Ию
ль
29
7,
9
нь
Ию
М
ай
29
3,
5
28
8,
5
Ап
ре
л
ь
28
0,
3
ар
т
М
ев
ра
ль
-40
Ф
ар
ь
-20
27
4,
7
27
4,
2
0
Ян
в
Мощность, Вт/м2
60
Месяц, температура, К
Фиг.3. Годичный ход мощности теплового излучения через окна зданий при
максимальной среднемесячной температуре (г.Ставрополь);

Как видно из графика с января по апрель тепловые потоки направлены из комнаты
и достигают своего максимума в январе - 68 ватт/м2

В мае тепловые потоки из комнаты и в комнату выравниваются.

С июня по сентябрь тепловые потоки направлены в помещение и достигают
максимума в июле: 36 ватт/м2.

С октября по декабрь тепловые потоки увеличиваются, направление - из
помещения, мощность достигает максимума в декабре: 62 ватт/м2.
Годичный ход мощности теплового излучения через окна зданий, Вт/м2
Коэфф. серости: 0,5
Коэфф. серости: 0,7
27
3,
Де
5
ка
бр
ь
26
9,
5
27
9,
3
Но
яб
рь
яб
рь
28
4,
8
О
кт
бр
ь
Се
нт
я
Ав
гу
ст
29
9,
5
29
0,
1
ль
Ию
нь
28
7,
5
28
3
Ию
ай
М
26
8,
1
ь
Ап
ре
л
М
ар
т
26
7,
7
ев
ра
ль
Ф
ар
ь
Ян
в
27
1,
9
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
26
7,
9
Мощность, Вт/м2
Коэфф. серости: 0,3
Месяц, температура К
Фиг.4 Годичный ход мощности теплового излучения через окна зданий при минимальной
среднемесячной температуре (г. Ставрополь);

Как видно из графика в течении всего года тепловые потоки направлены из
помещения.

Максимум мощности излучения приходится на февраль: 89 ватт/м2 .

С марта по июль мощность тепловых потоков уменьшается, в июле мощность
достигает минимума: 11 ватт/м2

С августа по декабрь мощность тепловых потоков возрастает и достигает
максимума на этом промежутке в декабре: 82 ватт/м2 .
Тепловой поток на внутренней поверхности наружной ограждающей
конструкции
Тепловой поток на внутренней поверхности наружной ограждающей конструкции
100
60
40
20
27
ев
4,
2
ра
ль
27
4,
М
7
ар
т
28
Ап
0,
3
ре
ль
28
8,
5
М
ай
29
3,
Ию
5
нь
29
7,
Ию
9
ль
30
1,
2
Ав
гу
ст
Се
30
нт
1
яб
рь
29
О
5,
кт
4
яб
рь
28
Но
8,
3
яб
рь
28
Де
0,
ка
5
бр
ь
27
5,
9
0
-20
ар
ь
Мощность, Вт/м2*С
80
Ф
Ян
в
-40
-60
Месяц
Фиг. 5. Мощность теплового потока на внутренней поверхности наружной
ограждающей конструкции по формуле приведенной в журнале AВОК №8/2007, для
максимальных среднемесячных температур города Ставрополя.
Температура внутренней поверхности принималась равной 20оС (293К), αк=4,9 (Согласно
справочного пособия «Теплопотери здания», автор - Е.Г. Малявина).
 С января по май тепловые потоки направлены с внутренней поверхности ограждающей
конструкции за пределы помещения (на улицу).
 С июня по сентябрь тепловые потоки направлены из окружающей среды (с улицы), на
внутреннею поверхность ограждающей конструкции.
 С октября по декабрь тепловые потоки меняют свое направление и направлены из
помещения наружу.
 Если сравнить данный график, с графиком Фиг.3, то можно заметить что их результаты
незначительно отличаются в своих значениях.
Из всего выше приведенного можно судить, что расчеты, проведенные по последним
СНиПам, и по классической формуле разительно не отличаются,
следовательно,
возникает необходимость проведения дальнейших исследований для установления
объективных значений мощности тепловых потоков здания.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Трофимова Т.И. Курс физики, «Высшая школа», М., 2004.
2. Табунщиков Ю.А., Климовицкий М.С., Расчёт теплового режима помещений…, в сб.
НИИСФ «Тепловой режим и долговечность зданий», 1987.
3. Расчет теплопотерь помещения при раздельном учете конвективного и лучистого
теплообмена», ж. AВОК №8, 2007.
4. ФЗ от 30.12.2009 г. № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и
сооружений».
5. Е.Г.Малявин, «Теплопотери здания».
Скачать