Потери тепла зданиями

Потери тепла зданиями
http://www.miaki.ru/education/physicist/miniatures/2.htm
«У меня хороший дом!
Теплый дом, прочный дом!
Мне не страшен дождь и гром!»
Наф – Наф.
В холодное время года нужно отапливать дома, где мы проводим длительное время. Куда девается это
тепло? Каковы основные механизмы потерь тепла, действующие в этом случае? Оценим потери тепла,
например, школьным зданием, если внутри поддерживается температура , а за окнами .
Учтем только два, как нам кажется, самых сильных
механизма тепловых потерь: теплопроводность стен
здания и смена воздуха внутри здания за счет
обязательной вентиляции и за счет сквозняков.
Стены здания школы сделаны из кирпича. Толщина стен d = 0.5 м. Будем считать, что через площадь окон
теряется столько же тепла, сколько и через такую же площадь кирпичной стены. Аналогичное
предположение сделаем в отношении плоской крыши современного школьного здания. (Потерями через
подвал здания давайте пренебрежем.) Размеры здания школы: длина А = 100 м, ширина В = 20 м, высота
Н = 20 м. Полная площадь S, через которую тепло поступает наружу равна почти 7000 м2. В справочниках
приводятся данные по теплопроводности различных материалов. Для кирпича эта величина равна:
= 0,7 Вт/(м град).
Мощность тепловых потерь оценим с помощью соотношения:
На каждый квадратный метр площади стены приходится тепловой поток:
В школьных зданиях по санитарно-гигиеническим нормам воздух должен сменяться минимум 1 раз в час.
Это обеспечивается системой вентиляции здания. Общий объем воздуха в школе V равен примерно 40000
. За час в здание поступает V = 40000 холодного воздуха с улицы (11 /с) . Этот воздух нагревается и
вылетает в трубы вентиляции. Нагрев воздуха происходит при постоянном давлении, поэтому мощность
тепловых потерь, связанных с вентиляцией равна:
Здесь R – универсальная газовая постоянная,
– плотность воздуха, – средняя молярная масса газов,
входящих в состав воздуха, t – длительность 1 часа в секундах. Общая мощность тепловых потерь за счет
двух рассмотренных механизмов:
Если в такой школе учатся 1000 школьников, то на каждого из них приходится по 1000 Вт тепловых
потерь. Каждый школьник вырабатывает в среднем около 100 Вт тепловой мощности (наибольшую
мощность школьник выделяет, как известно, на переменах), то есть покрывает только 10% от
необходимого количества. Остальное обеспечивается системой отопления здания. Если предположить,
что в качестве топлива используется каменный уголь с теплотой сгорания 30 МДж/кг и КПД
использования тепловой энергии 80%, то для поддержания температуры в школьном здании за сутки
нужно сжечь примерно 3 тонны угля.
А какова величина тепловых потерь, связанных со сквозняками? Предположим, что входную дверь школы
открыли настежь, а на верхнем этаже открыто настежь окно. Площадь двери и площадь окна одинаковы и
равны 2 квадратных метра. Насколько увеличатся потери тепла зданием школы?
Оценить скорость ветра в дверном проеме можно, зная разность давлений теплого и холодного воздуха.
Для этого нужно воспользоваться уравнением Бернулли. Плотность воздуха имеет величину порядка ? =
1,2 кг/м3. За счет разности температур внутри и снаружи создается разность статических давлений:
Это давление разделяется примерно поровну на двух «переходах»:
Первый: С улицы через входную дверь в школу.
Второй: Из окна на верхнем этаже школы наружу.
Разность давлений в 20 Па обеспечивает «заталкивание» холодного воздуха внутрь школьного здания
внизу в открытую дверь и такой же перепад давления обеспечивает «выталкивание» теплого воздуха из
школьного здания через открытое окно наружу. В соответствии с уравнением Бернулли:
Отсюда получаем оценку скорости v поступления холодного(-20 градусов С) воздуха в здание.
v 5,7 м/с.
Каждую секунду в дверь влетает около 11 кубометров холодного воздуха. Этот воздух нагревается внутри
школьного здания до +20 градусов С и вылетает в окно. Получается, что поток воздуха через здание
увеличился вдвое по сравнению с потоком при нормальной вентиляции здания. Тепловые потери
вырастут на 0,5 МВт! Потери тепла из-за сквозняков сравнимы по величине с потерями тепла через стены
за счет теплопроводности и с потерями за счет вентиляции здания! Понятно теперь, почему осенью все
окна в школе утепляют, заклеивая все щели?
Мы предположили, что тепловой поток через площадь окна такой же, как и через такую же площадь
сплошной стены. На самом деле это, конечно, не так, чем больше площадь окон, тем холоднее в классе.
Поток тепла через окно зависит от его конструкции. На севере в современных домах используют
«тройное» остекление, которое «теплее», чем двойное.
Большинство школьных зданий построено давно (20 и более лет назад). Тогда особенно не задумывались
о стоимости отопления, да и не было многих материалов, без которых сейчас не обходится строительство.
По оценкам специалистов для отопления одинаковых по вместимости зданий на одной и той же
географической широте в России и в Канаде на одного человека приходятся мощности, отличающиеся
примерно в пять раз. (Угадайте с двух раз, где потери больше.)
Каким образом можно уменьшить тепловые потери? Понятно, что переделывать уже существующие
здания дороже, чем построить новые. Как в таком случае нужно строить новые здания?
Существуют различные и многочисленные требования к зданиям, включая, например, противопожарные.
Мы обратим внимание только на один аспект: уменьшение тепловых потерь. Как показали наши оценки,
через кирпичные стены здания школы теряется около половины тепла. Но кирпич не самый лучший
материал с точки зрения теплоизоляции. Его теплопроводность в 10 раз больше, чем у пенопласта. Если
стены здания делать так, что между внутренней и наружной кирпичной кладкой будет размещаться слой
пенопласта, то потери тепла через стены существенно уменьшатся. И потом, вовсе не обязательно
использовать такой древний строительный материал, как кирпич. Современное строительство напоминает
игру с детским конструктором: основные детали изготавливаются на заводе, а на строительной площадке
идет сборка. Если стеновые панели зданий будут содержать теплоизолирующие вставки, то возможно они
будут стоить дороже, но со временем экономия на отоплении окупит эти затраты при строительстве.
Вторая половина потерь тепла зданием школы по нашим оценкам приходится на подогрев воздуха,
требующегося для вентиляции здания. Эти потери тепла тоже можно уменьшить. Известно, как кит
решает проблему подогрева крови, которая направляется от сердца к его конечностям, в частности к
хвосту, а затем возвращается обратно. Кровеносные сосуды с различным направлением тока крови
располагаются рядом друг с другом. Теплообмен крови в сосудах приводит к существенному сокращению
тепловых потерь. Вывод: при проектировании здания нужно предусмотреть наличие воздушных
теплообменников, в которых выходящий из здания теплый воздух подогревал бы холодный воздух,
поступающий с улицы для вентиляции.
В заключение несколько задач-проблем, которые можно предложить ученикам для экспериментального и
теоретического исследования:
Как передается теплота через обычное окно с двумя стёклами? Какая мощность потерь приходится на 1
м2 площади окна? Насколько «теплее» окно с тремя стёклами?
Какая конструкция теплообменника обеспечит эффективное сохранение тепла вентилируемого здания для
встречных воздушных потоков 10 кубометров в секунду?
Оцените время, за которое окупятся затраты на дополнительную теплоизоляцию стен и устройство
теплообменников в применении к школьным зданиям в вашей области (городе, поселке).
Спроектируйте здание, в котором не требовался бы дополнительный обогрев даже при –20 градусах
снаружи, а хватало бы той тепловой мощности, которую и так выделяют ученики, бегая на переменах.
С. Варламов