Расчет теплопотерь помещения и требуемого сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций при раздельном учете лучистого и конвективного теплообмена

Ю. А. Табунщиков, президент НП «АВОК»

В проектной практике довольно часто встречается задача по определению теплопотерь помещения и расчета требуемого сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций, 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.

Тепловой поток на внутренней поверхности наружной ограждающей конструкции следует рассчитывать по формуле [1, 2], учитывающей конвективную и лучистую составляющие этого теплового потока:

(1)

где a_к – коэффициент конвективного теплообмена между внутренней поверхностью наружной ограждающей конструкции и воздухом помещения, Вт/м²•°С;

a_л – коэффициент лучистого теплообмена между внутренней поверхностью наружной ограждающей конструкции и окружающими поверхностями, Вт/м²•°С;

t_в, t_вп – соответственно температуры внутреннего воздуха и внутренней поверхности наружной ограждающей конструкции, °С;

t_окр – температура окружающих поверхностей, °С, вычисляется по формуле:

(2)

где t_i, F_i – 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 t_усл > t_в, то теплопотери помещения будут превышать значение, рассчитанное согласно СНиП II-33-75* «Отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха», без раздельного учета лучистой и конвективной составляющих теплообмена на внутренней поверхности наружных ограждений.

2. Если t_усл < t_в, то теплопотери помещения будут ниже значения, рассчитанного согласно СНиП II-33-75* «Отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха», без раздельного учета лучистой и конвективной составляющих теплообмена на внутренней поверхности наружных ограждений.

Рассмотрим пример расчета теплопотерь помещения, имеющего одну наружную стену с окном. Произведем расчет теплопотерь помещения при раздельном учете и без раздельного учета лучистого и конвективного теплообмена в помещении. Геометрические размеры помещения (длина, ширина, высота) –5 × 4 × 3 м. Геометрические размеры окна (ширина, высота) –2 × 1,5 м. При расчетах принимается, что температура внутреннего воздуха поддерживается постоянной и равной 20 °С. Температура наружного воздуха – 26 °С. При расчетах сравниваются только трансмиссионные теплопотери помещения, без учета теплопотерь за счет инфильтрации и вентиляционного воздухообмена. Следовательно, теплопотери помещения будут равны тепловым потокам, проходящим через наружную стену с окном.

Расчет был произведен по математической модели, представленной в работе [2]

Результаты расчета приведены в таблице.

Далее рассмотрим влияние раздельного учета лучистого и конвективного теплообмена при расчете сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций.

Рассматривалось три типа помещений с системой воздушного отопления, имеющих соответственно одно, два и три наружных ограждения: 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 f_ост. = F_ок / BH – от 0,3 до 0,7 (F_ок – площадь окна); приведенный относительный коэффициент излучения между окном и светонепроницаемыми ограждениями e^ок_пр / e^ок_пр1 = 0,84; e^ок_пр2 = 0,28.

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 t_в = 18 °С и ∆t_н = 6 °С температура внутренней поверхности наружного ограждения составляет t_ст =12 °С, температура внутренней поверхности покрытия при t_в = 18 °С и ∆t_н = 4 °С – t_пот = 14 °С. Расчетные значения t отличаются от нормативных и в большой степени зависят от типа помещения: в помещении с одним наружным ограждением t_ст = 10–10,5 °С, с двумя – t_ст = 9,2–9,6 °С, в помещении с двумя наружными стенами и покрытием t_ст = 8,7–9,0 °С, t_пот = 10,4–11,2 °С.

Естественно, что теплопотери помещения, рассчитанные с учетом конвективной и лучистой составляющих теплообмена, оказались меньше теплопотерь, определенных по СНиП 2.04.05-91*. При увеличении перепада между t_в и t_вп возросла конвективная составляющая теплообмена, однако лучистая составляющая существенно уменьшилась. Это объясняется тем, что температуры внутренних ограждений не равны температуре воздуха (для различных типов помещения t_окр = 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 при раздельном учете лучистого и конвективного теплообмена, учитывающего разности температур четвертых степеней [3]. 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; eокпр = 0,84

Расчетом установлено, что при уменьшении e^ок_пр 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.

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 %.

В заключение отметим, что особенно важно раздельно учитывать лучистый и конвективный теплообмен в помещении при определении нагрузки на систему кондиционирования воздуха. Если расчет проводится без такого учета, то полученное значение нагрузки на систему кондиционирования может превышать требуемое в 2–2,5 раза. Рекомендуется производить расчеты в соответствии с рекомендациями АВОК Р НП «АВОК» 5.1-2008 по программе, которая учитывает раздельно лучистый и конвективный теплообмен в помещении.

Литература

1. Богословский В. Н. Строительная теплотехника. – М. : Высшая школа, 1982.

2. Табунщиков Ю. А. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий. – М. : АВОК-ПРЕСС, 2002.

3. 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.