ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ЖИЛОГО ЗДАНИЯ
advertisement
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».
