Тепловая жесткость климата и его влияние на
реклама
Энергетика России в XXI веке. Инновационное развитие и управление, 1-3 сентября 2015 г., Иркутск Тепловая жесткость климата и его влияние на теплопотребление зданий и сооружений Игнатьев В.С., Кобылин В.П., Шадрин А.П. Теплоснабжение на Севере, является самым энергоемким и самым расточительным сектором экономики. Установление потребности в топливе источников теплоты в условиях Севера производится на основе норм разработанных для России в целом, с некоторой поправкой для северных условий, которые не в полной мере учитывают особенности климатологических условий Якутии. Это сверхнизкие температуры ниже -400С и сухость воздуха влияющие на теплофизические свойства материалов ограждающих конструкций зданий. Ключевые слова: тепловая жесткость климата, теплопотребление зданий и сооружений, климат, энергетические особенности теплопотребления в условиях Крайнего Севера. Одним из основных факторов, имеющих огромное влияние энерготеплопотребление заданных на при тепловоздушных создании режимов в зданиях, является климат. Главной особенностью климата на Севере являются: резкие колебания температуры наружного воздуха, превышающие 30 С и 0 более за сутки; температур воздуха, большой наружного превышающие расчетном режиме; отопительный период, и перепад внутреннего 100 С 0 при длительный достигающий иногда почти года; отрицательное значение среднегодовой температуры наружного воздуха. Сухой климат, преобладающий на Севере, вносит свои поправки в теплозащитные свойства (теплопроводность) строительных материалов, используемых в ограждающих конструкциях отапливаемых зданий. В условиях резко-континентального климата возрастает влажности роль абсолютной наружного воздуха и его теплосодержание. Влажность атмосферного воздуха зависит от местности, времени года, циркуляции атмосферы. Территория Якутии наиболее открыта для доступа арктического воздуха, из-за которого она достигает центральных районов сильно иссушенной из-за климатических особенностей. Это связано с процессами осаждения осадков, инея, при снижении температуры воздуха ниже 00С, минус 60-700С и обширностью территорий. [1] Вода в наружном воздухе находится в виде мелкодисперсной влаги во взвешенном состоянии до температуры минус 410С, а начиная ниже минус 410С, замерзает, вся влага образуя мельчайшие частички льда, образуя морозный туман, который наблюдается в населенных пунктах в зимнее время. Это явление накладывает свой отпечаток на процессы теплопередачи через ограждающие отапливаемых помещений, конструкции который до конца не изучен. Также на повышение общих тепловых 1 Энергетика России в XXI веке. Инновационное развитие и управление, 1-3 сентября 2015 г., Иркутск потерь зданий происходит влияет ветер. вследствие коэффициента Это теплопроводность пористых увеличения значительно возрастает при увлажнении. наружных так как теплопроводность воды, равная 0,58 теплоотдачи поверхностей ограждающих конструкций. Вт/(м∙°С), Теплопроводность теплопроводности воздуха. λ, материалов Вт/ (м∙°С), в 25 раз больше строительных материалов может изменяться Значительное влияние на теплопроводность в широких пределах и производится материалов оказывает температура, при по следующей формуле: которой они эксплуатируются. Это связано λ = λñ + δ îá , где (1) λñ - коэффициент теплопроводности сухого материала; δ- приращение теплопроводности коэффициента на 1% повышения строительных материалов объемной влажности. Большинство являются сложными капиллярно-пористыми коллоидными телами. Их поры и капилляры могут быть заполнены влажным воздухом, водой и льдом. В связи с такой структурой процесс теплопередачи в толще строительных материалов лишь условно можно рассматривать теплопроводность, так как теплопроводностью в порах происходит теплообмен как наряду с материала излучением, конвекцией, а также перенос теплоты в результате перемещения влаги в толще материала и ее фазовых превращений. В связи с этим то, что обычно называют теплопроводностью, практически есть условный коэффициент, учитывающий всю сумму факторов, участвующих в передаче теплоты в толще материала.[2] Обычно с повышением теплопередачи путем лучеиспускания и конвекции. Особенно она заметна для изделий с крупными порами, воздушными прослойками. понижении температуры [3] При ниже нуля большая часть влаги, содержащейся в материале, превращается в лед, который имеет теплопроводность Вт/(м∙°С), т.е. в 4 2,3 раза большую теплопроводности воды. В связи с этим при понижении температуры теплопроводность ниже влажных 0°С материалов почти всегда возрастает. Этот факт ставит определенные задачи при создании различных ограждающих конструкций отапливаемых зданий: первых, не материалов в во допустить увлажнения конструкции стены; во вторых, учет при выборе материалов при конструировании стен; в третьих, учесть изменения теплофизических характеристик в период эксплуатации здания. В этих условиях учет климатических факторов (абсолютной влажности воздуха, низких температур наружного воздуха и ее 2 Энергетика России в XXI веке. Инновационное развитие и управление, 1-3 сентября 2015 г., Иркутск низкой абсолютной подвижности физические влажности, воздуха), влияющих свойства на ξ - наибольшее расстояние значений суточной температуры материалов в течение наиболее холодного месяца, С0 ; (теплопроводность, влажность, φ - относительная влажность воздуха самого воздухопроницаемость), становится холодного необходимым, ввиду изменения единицах; теплозащитных свойств последних, t мин - определяется из зависимости t мин = месяца в относительных оказывающего значительное влияние на 1,25 t ср 1 , общие где t ср 1 - средняя температура воздуха тепловые потери зданий и сооружений. наиболее холодной пятидневки, 0С. В метеорологии для комплексной оценки Эти влияния климатических факторов принят климатических факторов применительно к показатель суровости климата (S) в баллах человеку и техническим конструкциям на [4]; открытом воздухе [7]. S = (1 − 0,04 t н ) ⋅ (1 + 0,272V ) ,где t н показатели Для (2) -температура наружного воздуха, К0 определяют оценки климатологических влияние воздействия параметров, их ; воздействия на теплозащитные свойства V - максимальная скорость ветра в момент ограждающих конструкций и на надежность инженерных систем, Для оценки влияния суровой погоды при тепловой влажностный эксплуатации помещениях действия температуры машин воздуха t н , м/с. и механизмов и обеспечивающих отапливаемых применима формула расчета максимальных предлагаем ввести значений баллов технической жесткости(S т ) жесткость в баллах в зависимости от основных «технической климатических факторов. [4, 5]; машин и механизмов» [6]. 11 S T = (t мин + t ср ) ⋅ (1 + 0,05V ) ⋅ (1 + 0,02ξ ) ⋅ ϕ (3) где t мин - минимальная из возможных температур воздуха, 0С ; t ср 11 - средняя температура воздуха самого холодного месяца, 0С; V - средняя скорость ветра за три наиболее холодных месяца, м/с ; режим в зданий, понятие «тепловая климата» по жесткости Критерий жесткости учитывать комплексное аналогии климата климата для должен влияние на теплопотребление зданий и сооружений следующих параметров, характеризующих климат: - фактических воздуха; 3 температур наружного Энергетика России в XXI веке. Инновационное развитие и управление, 1-3 сентября 2015 г., Иркутск длительность - стояния отрицательных температур; рассчитанные для отдельных населенных подвижность - Показатели тепловой жесткости климата, воздуха (ветровое воздействие); пунктов Возникает необходимость обобщения всех факторов и установление одного общего критерия - тепловой жесткости климата. основе опыта проектирования теплоснабжения населенных пунктов РС(Я), и предлагаемой формуле см.табл.1. - влажность наружного воздуха; На по обобщения результатов теплопотребления расчета отдельных теплопотребляющих объектов может быть предложена следующая определения тепловой формула жесткости Населенный V, f1, f 2 , г/м3 Sо пункт м/с г/м Верхоянск 1,0 0,015 0,550 2,693 Кюсюр 3,0 0,024 0,904 2,915 Оймякон 0,9 0,013 0,534 2,694 Якутск 1,6 0,030 0,808 2,654 Иркутск 2,4 0,144 2,359 2,154 Москва 3,9 0,33 3,663 1,929 3 Введения показателя «тепловая жесткость климата: климата» даст возможность учесть влияние S = (1 + t ср0 ) ⋅ (1 + n 0 / 365) ⋅ (1 + k ⋅ V )(1 − f 1 / f 2 ) (4) климатических где t о р - средняя температура воздуха конструкциях, которые влияют на общее наиболее холодной пятидневки, 0С ; теплопотребление и проводить t ср о - средняя температура воздуха за отопительный период, 0С; nо – продолжительность отопительного факторов на свойство материалов применяемых в ограждающих точные систем прогнозы при теплоснабжения более проектировании населенных пунктов. периода, сут; ТАБЛИЦА 1.ПОКАЗАТЕЛИ ЖЕСТКОСТИ k – коэффициент влияния ветрового напора КЛИМАТА. на теплопотери здания; V - средняя скорость ветра за отопительный ЛИТЕРАТУРА период, м/с ; [1] Климат Якутска. Под редакцией канд.геогр.наук Ц.А. Швер, С.А. Изюменко,Л.: Гидрометеоиздат, 1982 – 246с.:ил. [2] Горчаков Г.И. Специальные строительные материалы для теплоэнергетического строительства. –М.: Стройиздат, 1972. -304 с. [3] Грушман Р.П. Справочник теплоизолировщика. –Л.: Стройиздат, Ленинградское отделение, 1965. -208 с f 1 – абсолютная влажность наружного воздуха при t о р; f 2 – абсолютная влажность наружного воздуха при t ср о . 4 Энергетика России в XXI веке. Инновационное развитие и управление, 1-3 сентября 2015 г., Иркутск [4] Григорьев Р.С., Ларионов В.П., Уржумцев Ю.С. Методы повышения работоспособности техники в северном исполнении. - Новосибирск: Наука,1987. – 252с. [5] Кох П.И. Климат и надежность машин.- М.: Машиностроение,1981г.-175с.,ил. [6] Степанов А.В., Игнатьев В.С.Жесткость климата и надежность систем теплоснабжения. Известия Самарского научного центра РАН. Том 14№4(5) 2012г. С.1300-1302. [7] Ларионов В.П. Электродуговая сварка конструкций в северном исполнении.Новосибирск: Наука,1986.-256с. БИОГРАФИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ Виталий Петрович Кобылин окончил Томский политехнический институт в 1969 году по специальности «Электрические станции». Доктор технических наук, , заведующий отделом электро-энергетики ИФТПС СО РАН, заместитель председателя Президиума Якутского научного центра по научной работе. Исследования направлены на разработку научных основ повышения надежности, живучести и эффективности систем транспорта электроэнергии в экстремальных условиях Севера, включая решение режимных вопросов протяженных воздушных линий с применением преобразовательной техники для снижения потерь напряжения и мощности; методику и способы повышения надежности работы элементов воздушных линий и открытых подстанций. Аркадий Петрович Шадрин родился 1 августа 1941 г. 1966 окончил Томский политехнический институт им. С.М. Кирова, теплоэнергетический факультет, специальность «атомные электростанции и установки». 1974 году защитил кандидатскую диссертацию в Ленинградском политехническом институте на тему «Разработка методики и исследование оптимального состава основного оборудования и областей применения атомных ТЭЦ» с 1978 года доцент ЯГУ кафедр теплофизики, теплогазоснабжения и вентиляции и электроснабжения. С 1996 года председатель Якутского отделения Ядерного общества России (ЯО ЯОР). Заведующий сектором теплоэнергетики электроэнергетики ИФТПС СО РАН отдела Владимир Степанович Игнатьев родился 9 мая 1945 г. 1972 году окончил Таллиннский политехнический институт по специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция» 1981-1994 гг. главный специалист института «Якутгражданпроект». С 1994 г. Доцент кафедры теплогазоснабжения и вентиляции строительного факультета Якутского государственного университета (ЯГУ). В 2001 начальник технического отдела Государственного учреждения «Дирекция по реконструкции строительных объектов ЖКХиЭ» с 2002г. – н.с. сектора теплоэнергетики отдела электроэнергетики ИФТПС СО РАН. Заслуженный работник народного хозяйства Республики Саха (Якутия). 5
