Расчет теплопотерь помещения при раздельном учете

Расчет теплопотерь помещения при раздельном учете
конвективного и лучистого теплообмена
http://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=3818
Ю. А. Табунщиков, профессор, член-корреспондент РААСН
В проектной практике довольно часто встречается задача по определению теплопотерь помещения, в котором одна или
несколько поверхностей имеют существенно различные температуры. К таким поверхностям можно отнести угловые
помещения с двумя наружными стенами, помещения верхнего этажа с двумя наружными стенами и покрытием, помещения
плавательного бассейна и помещения с обогреваемым полом, в которых температура поверхности воды или поверхности
пола существенно отличается от температуры внутренних поверхностей наружных ограждений.
В рассматриваемом в статье случае тепловой поток на внутренней поверхности наружной ограждающей конструкции можно
рассчитать по формуле:
(1)
где к – коэффициент конвективного теплообмена между внутренней поверхностью наружной ограждающей конструкции и
воздухом помещения, Вт/м2°С;
л – коэффициент лучистого теплообмена между внутренней поверхностью наружной ограждающей конструкции и
окружающими поверхностями, Вт/м2°С;
tв, tвп – соответственно, температуры внутреннего воздуха и внутренней поверхности наружной ограждающей конструкции,
°С;
tокр – температура окружающих поверхностей, °С, может быть вычислена по формуле:
(2)
где ti, Fi – соответственно, температуры, °С, и площади, м2, окружающих поверхностей.
Формулу (1) перепишем следующим образом:
(3)
Рассматривая правую часть формулы (3), можно сделать следующие выводы:
1. Если tусл > tв, то теплопотери помещения будут превышать значения, рассчитанные согласно СНиП 2.04.05–91*
«Отопление, вентиляция и кондиционирование» без раздельного учета лучистой и конвективной составляющих теплообмена
на внутренней поверхности наружных ограждений.
2. Если tусл < tв, то теплопотери помещения будут ниже значений, рассчитанных согласно СНиП 2.04.05–91* «Отопление,
вентиляция и кондиционирование» без раздельного учета лучистой и конвективной составляющих теплообмена на
внутренней поверхности наружных ограждений.
3. При расчете сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций согласно СНИП 23–02–2003 «Тепловая
за-щита зданий» нормируемый температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой
внутренней поверхности наружной ограждающей конструкции при раздельном учете лучистой и конвективной составляющих
теплообмена следует определять по формуле:
(4)
Приведенные выше формулы достаточны для практических расчетов. При необходимости более точных расчетов, когда
лучистый тепловой поток учитывается через разность четвертых степеней температур, это можно сделать по формулам,
приведенным в работе [1].
В работе [2] представлены расчеты стационарного теплового режима помещения при раздельном учете лучистой и
конвективной составляющих теплообмена.
Рассматривалось три типа помещений с системой воздушного отопления: рядовое – с одной наружной стеной, угловое – с
двумя наружными стенами, верхнее угловое – с двумя наружными стенами и покрытием;
в каждом из помещений имелось окно (рис. 1).
Рисунок 1.
Схема исследуемого помещения
В процессе расчета варьировались температура наружного воздуха t н от –15 до –25 °С; геометрические параметры
помещения: отношение ширины к высоте В/Н – от 1 до 2,5, отношение длины к высоте L/Н – от 1 до 2,5; относительная
площадь остекления наружной стены fост = Fок / BH – от 0,3 до 0,7 (Fок – площадь окна); приведенный относительный
коэффициент излучения между окном и светонепроницаемыми ограждениями
окпр / окпр1 = 0,84; окпр2 = 0,28.
Полученные при расчете значения перепада между температурами внутреннего воздуха и внутренней поверхности
наружного ограждения и значения теплопотерь помещения были сопоставлены с нормативными перепадом и теплопотерями;
кроме того, проведено сравнение теплопотерь помещения при различных значениях окпр.
При анализе полученных результатов выявлено, что соотношения геометрических размеров В/Н и L/Н практически не влияют
на исследуемые параметры, поэтому при дальнейшем рассмотрении они не учитываются.
При tв = 18 °С и ∆tн = 6 °С температура внутренней поверхности наружного ограждения составляет t вп =12 °С, температура
внутренней поверхности покрытия при tв = 18 °С и ∆tн = 4 °С tпот = 14 °С. Расчетные значения отличаются от нормативных и
в большой степени зависят от типа помещения: в помещении с одним наружным ограждением t вп = 10÷10,5 °С, с двумя – tвп
= 9,2÷9,6 °С, в помещении с двумя наружными стенами и покрытием t вп = 8,7÷9,0 °С, tпот = 10,4÷11,2 °С.
Естественно, что при tусл < tв теплопотери помещения, рассчитанные с учетом конвективной и лучистой составляющих
теплообмена, оказались меньше теплопотерь, определенных по СНиП 2.04.05–91*. При увеличении перепада между tв и tвп
возросла конвективная составляющая теплообмена, однако лучистая составляющая существенно уменьшилась. Это
объясняется тем, что температуры внутренних ограждений не равны температуре воздуха (для различных типов помещения
tокр = 12,5÷15,5 °С) и, кроме того, для помещений с несколькими наружными ограждениями в расчет включались их
внутренние поверхности. На рис. 2 показано распределение температуры поверхностей помещений, рассчитанное в
соответствии с нормами и по формулам конвективного и лучистого теплообмена, учитывающего разности температур
четвертых степеней [2], стрелками обозначено направление лучистых потоков. Как видно из рисунка, в реальных условиях
происходит перераспределение этих потоков и поверхность потолка может даже отдавать лучистое тепло в помещение.
Рисунок 2.
Распределение температуры поверхностей в помещении, рассчитанное:
а – по СНиП 2.04.05–91*;
б – по формулам [2] при В/Н = 1,0; L/Н = 1,5; fост = 0,7; окпр = 0,84
Расчетом установлено, что при уменьшении окпр с 0,84 до 0,28 температура внутренней поверхности окна снижается на 2–3
°С из-за резкого уменьшения (на 55–60 %) лучистого теплообмена с другими поверхностями помещения, которое не
компенсируется увеличением (на 20–30 %) конвективного теплообмена. Вследствие этого снижаются и теплопотери
помещения. На рис. 3 представлено относительное изменение теплопотерь ∆Q в зависимости от типа помещения, f ост tн.
Значения ∆Q определялись по формуле:
(5)
где Q0,84 и Q0,28 – теплопотери помещения при окпр1 = 0,84 и окпр2 = 0,28.
Рисунок 3.
Теплопотери помещения при различных значениях fост и tн (В/Н = 1,5; L/Н = 2,5):
а – рядовое помещение;
б – угловое помещение;
в – верхнее угловое помещение
Таким образом, анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы.
В помещениях с наружными ограждающими конструкциями, рассчитанными по СНиП 23–02–2003 (где коэффициент
теплоотдачи внутренней поверхности принят постоянным), не обеспечивается нормативный санитарно-гигиенический
перепад между температурами воздуха и внутренней поверхности наружной стены. Превышение расчетного перепада над
нормативным составляет для рядового помещения 25–30 %, углового – 40–45 %, верхнего углового – 50–55 %.
Расчет теплопотерь помещения по СНиП 2.04.05–91* при tусл < tв без раздельного учета лучистой и конвективной
составляющих теплообмена дает завышение на 5–15 % по сравнению с действительными. При уменьшении приведенного
относительного коэффициента излучения между окном и светонепроницаемыми ограждениями теплопотери снижаются.
За счет значительной величины лучистого теплового потока между внутренней поверхностью остекления и человеком в
помещении даже при достаточно высоких значениях сопротивления теплопередачи остекления вблизи него имеет место зона
пониженного комфорта. На рис. 4 приведены примерные схемы границ зон комфорта вблизи остекления в зависимости от
применяемых отопительных приборов [3].
Рисунок 4.
Отопительные приборы, их размещение в помещении и границы зон комфорта:
а – радиатор;
б – конвектор;
в – перегородочная панель;
г – подоконная панель;
д – границы зон комфорта в помещении: I – при расположении под окнами радиаторов; II –
конвекторов; III – при размещении нагревательных элементов по периметру внутренних стен; IV – в
междуэтажных перекрытиях; V – в наружной стеновой панели; А – зона комфорта; Б – зона дискомфорта
В настоящее время наружные ограждающие конструкции высотных зданий выполнены практически полностью
остекленными.
Необходимо помнить, что все расчеты требуемых потерь теплоты и сопротивления теплопередаче, а также зон комфорта,
выполняются для расчетной температуры наружного воздуха.
Литература
1. Табунщиков Ю. А. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий. – М. : АВОК-ПРЕСС,
2002.
2. Табунщиков Ю. А., Климовицкий М. С. Расчет теплового режима помещения при раздельном учете конвективной и
лучистой составляющих теплообмена. Сборник трудов НИИСФ «Тепловой режим и долговечность зданий», 1987.
3. Шаповалов И. С., Лискевич В. К. Микроклимат квартир. – М. : Знание, 1985.