Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние вопроса 13
1.1 Эволюция расчетов тепловых потерь здания 13
1.2 Эволюция исследований тепловой защиты здания 31
1.3 Современное состояние исследований энергопотребления зданий, их энергоёмкости и энергоэффективности 39
1.4 Выводы по главе 1 42
ГЛАВА 2 Исследования удельных потерь теплоты через линейные теплотехнические неоднородности 43
2.1 Экспериментальный метод определения приведенного сопротивления теплопередаче фрагмента ограждающей конструкции 43
2.2 Метод экспериментального определения удельных потерь теплоты через линейные теплотехнические неоднородности 46
2.3 Экспериментальные исследования удельных потерь теплоты через боковой оконный откос 48
2.4 Результаты эксперимента 55
2.5 Численный расчет 60
2.6 Сопоставление результатов экспериментальных исследований и расчета 63
2.7 Выводы по главе 2 68
ГЛАВА 3 Матричный метод для расчета максимальной нагрузки на системы отопления и вентиляции 69
3.1 Основы матричного метода для расчета нагрузки на системы отопления и вентиляции 70
3.2 Расчет трансмиссионных тепловых потерь
3.2.1 Расчет трансмиссионных тепловых потерь через наружные ограждающие конструкции 73
3.2.2 Расчет трансмиссионных тепловых потерь через внутренние ограждающие конструкции 76 3.2.3 Расчет трансмиссионных тепловых потерь через ограждающие конструкции 79
3.3 Расчет вентиляционных тепловых потерь помещений 79
3.3.1 Расчет собственно вентиляционных тепловых потерь 82
3.3.2 Расчет инфильтрационных тепловых потерь 84
3.4 Расчет внутренних тепловых поступлений и потерь 88
3.4.1 Расчет внутренних тепловых поступлений 88
3.4.2 Иные составляющие теплового баланса для расчетного пикового режима 91
3.5 Актуализация системы поправочных коэффициентов, учитывающих добавочных тепловые потери 92
3.5.1 Поправка «на ориентацию» 92
3.5.2 Поправка «на угол» и вопрос наружных/внутренних обмеров 94
3.5.3 Поправка на врывание холодного воздуха через наружные двери, необорудованные воздушными или воздушно-тепловыми завесами 100
3.5.4 Поправка на «высоту помещения» 101
3.5.5 Поправка на встречное нагревание воздуха
3.6 Оценка отклонения расчетов тепловой нагрузки, выполненных при раздельном и общем учете теплопроводных включений ограждающих конструкций 102
3.7 Выводы по главе 3 107
ГЛАВА 4 Потребление зданием энергии на отопление и вентиляцию 108
4.1 Рассмотрение теплового баланса здания 108
4.1.1 Общий случай 108
4.1.2 Тепловой баланс в различные периоды года 109
4.1.3 Формула для определения температуры наружного воздуха переходного периода года для здания 110
4.2 Тепловые потребности здания в удельных характеристиках 112
4.2.1 Собственно тепловые потребности здания 112
4.2.2 Построение дополнительных удельных теплозащитных характеристик здания 114
4.2.3 Построение дополнительных удельных вентиляционных характеристик здания 117
4.2.4 Удельная мощностная характеристика систем отопления и вентиляции и удельная характеристика тепловых потерь здания
4.3 Внутренние тепловые поступления при определении удельной характеристики тепловых потребностей 123
4.4 Верификация предложенной удельной характеристики расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию для тепловых потребностей 128
4.5 Предложения в нормативные документы 131
4.6 Выводы по главе 4 132
Заключение 134
Список сокращений и условных обозначений 136
Список литературы 142
- Эволюция исследований тепловой защиты здания
- Метод экспериментального определения удельных потерь теплоты через линейные теплотехнические неоднородности
- Расчет трансмиссионных тепловых потерь через наружные ограждающие конструкции
- Удельная мощностная характеристика систем отопления и вентиляции и удельная характеристика тепловых потерь здания
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Проектирование зданий с учетом экономного обеспечения теплового режима помещений соответствует приоритетным направлениям развития науки в Российской Федерации. Для обеспечения тепловых потребностей зданий расходуется до 1/3 всех потребляемых энергетических ресурсов в Российской Федерации. Таким образом, расчет тепловых потребностей – стратегически важная задача. Современные многослойные ограждающие конструкции зданий с наличием разнообразных теплотехнических неоднородностей обуславливают необходимость создания такого метода расчета нагрузки на системы отопления, который смог бы учитывать уникальный набор ограждающих конструкций и их узлов для каждого помещения. Кроме того, для реализации комплексной оценки тепловых потребностей зданий необходимо внедрить расчет вентиляционной составляющей с возможностью дифференцированного учета зон помещений и воздухопроницаемости ограждающих конструкций в расчетных условиях. Развитие научных методов исследования тепловых потребностей здания и разработка детализированного метода определения расчетных нагрузок на системы отопления и вентиляции, в связи с вышеизложенным, является актуальным вопросом.
Степень разработанности темы диссертации. Представлением тепловых потребностей зданий занимались H. Rietschel, В.М. Чаплин, А.К. Павловский, Б.М. Аше, П.Н. Каменев, М.И. Киссин, В.П. Щеглов, Ф.У. Гетчинсон, Г.А. Максимов, А.Н. Сканави, В.Н. Богословский, Л.М. Махов и др. Вопросами теплопередачи через ограждающие конструкции занимались В.Д. Мачинский, К.Ф. Фокин, О.Е. Власов, А.М. Шкловер, А.В. Лыков, Ф.В. Ушков, Г.К. Авдеев, В.Н. Богословский, А.И. Ананьев, В.А. Могутов, В.Г. Гагарин, В.В. Козлов и др. Воздухопроницаемость ограждающих конструкций описана в работах Р.Е. Брилинга, Ф.В. Ушкова, Б.Ф. Васильева, П.Н. Каменева, В.В. Батурина, И.Ф. Ливчака, В.П. Титова, В.С. Беляева и др. Степень разработанности проблемы, изложенной в диссертации, оказалась недостаточной из-за внедрения в практику проектирования передовых методов определения приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций с учетом линейных и точечных теплопроводных включе-
4 ний, что объясняется осложнением структуры современных ограждающих конструкций. Недостаточно освещены вопросы выбора вентиляционных устройств для обеспечения приточной части систем вентиляции с естественным побуждением. Кроме того, в связи с перспективным внедрением технологий информационного моделирования зданий (BIM) необходимо создание метода расчета тепловых балансов помещений здания, который может являться информационной основой в части определения тепловых потребностей здания.
Цель и задачи. Цель диссертационной работы – совершенствование методов расчета составляющих тепловой нагрузки на системы отопления и вентиляции, в том числе с учетом влияния теплотехнических неоднородностей оболочки здания индивидуально для каждого помещения. Задачи диссертационной работы:
-
Разработка метода экспериментальных исследований потоков теплоты через линейные неоднородности на примере бокового оконного откоса со сравнением разработанного и расчетного методов определения дополнительных потоков теплоты через теплотехнические неоднородности.
-
Разработка метода расчета максимальной нагрузки на системы отопления и вентиляции с учетом вклада теплопроводных включений оболочки здания и тепловых потребностей на формирование воздушного режима, с исследованием повышения точности расчетов в результате применения разрабатываемого метода.
-
Разработка метода расчета потребления энергии зданием на отопление и вентиляцию в удельных характеристиках, сопряженного с расчетом тепловой мощности систем отопления и вентиляции с верификацией указанного метода.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработан метод экспериментального определения удельных потерь теплоты через линейные теплотехнические неоднородности на примере бокового оконного откоса.
-
Разработан метод раздельного учета теплотехнических неоднородностей при расчете тепловой нагрузки помещений зданий.
-
Разработан метод раздельного учета воздухопроницаемых элементов ограждающих конструкций при расчете тепловой нагрузки помещений зданий.
5 4. Разработан алгоритм расчета тепловой нагрузки зданий, основанный на представлении здания в виде совокупности независимых элементов.
Теоретическая и практическая значимость работы следующая:
-
Разработан метод экспериментального определения и проведены сопоставления экспериментального и расчетного определения удельных потерь теплоты через боковой оконной откос.
-
Разработан расчетный метод определения максимальной нагрузки на системы отопления и вентиляции с учетом элементного подхода при описании ограждающих конструкций и тепловых потребностей, необходимых для формирования воздушного режима зданий, что позволяет повысить точность определения расчетных нагрузок на системы отопления и вентиляции и дает возможность для создания информационного представления тепловых потребностей помещений здания.
-
Разработан метод расчета потребления энергии зданием, сопряженный с расчетным методом определения мощностной нагрузки на системы отопления и вентиляции, что позволяет стандартизировать процедуры расчетов энергопотребления и мощности инженерных систем здания.
-
Предложен метод выбора вентиляционных устройств приточной части систем вентиляции с неорганизованным притоком, что позволяет проводить расчеты этих устройств при проектировании соответствующих систем вентиляции.
-
Предложен метод расчета удельной мощностной характеристики систем отопления и вентиляции, которая может использоваться для оценки инвестиций в системы отопления и теплоснабжения приточных установок вентиляционных систем и планирования городской застройки и схем теплоснабжения.
Методология и методы диссертационного исследования. Экспериментальные исследования, проведенные в лаборатории кафедры «Отопление и вентиляция» ФГБОУ ВО НИУ МГСУ, основаны на ГОСТ 26254-84. Определение тепловых потоков через участки ограждающей конструкции и температур на поверхностях этих участков выполнялось с помощью 10-ти канальных измерителей плотности тепловых потоков и температур ИТП-МГ4.03/10 «ПОТОК». Регистрация температуры наружного и внутреннего воздуха выполнялось с помощью 2-х канальных логгеров данных температуры 175 T2 «Testo». Результаты эксперимен-
6 та, позволяющие оценить дополнительный тепловой поток через оконный откос, сравнены с результатами численным методом расчета двухмерного температурного поля. На основании матричной математической модели разработан алгоритм проведения расчетов нагрузок на системы отопления и вентиляции, а также потребления энергии указанными системами. Применение матричного метода для конкретного объекта было верифицировано с помощью данных узлов учета тепловой энергии об энергопотреблении указанных систем. Автоматизированная обработка полученных результатов была осуществлена с применением программного пакета Microsoft Excel. В качестве теоретической базы для выполнения работы использованы фундаментальные теплотехнические законы (закон Фурье и закон Ньютона), а также современные труды по расчету теплопередачи и воздухопроницаемости в ограждающих конструкциях.
Положения, выносимые на защиту, следующие: – экспериментальные исследования удельных потерь теплоты через линейную теплотехническую неоднородность и сравнение с результатами расчетов с использованием температурных полей;
– метод раздельного учета теплотехнических неоднородностей и воздухопроницаемых элементов ограждающих конструкций при расчете тепловой нагрузки помещений зданий матричным методом;
– метод расчета максимальных нагрузок на системы отопления и вентиляции; – метод расчета потребления энергии зданием на отопление и вентиляцию.
Степень достоверности результатов оценена с помощью современных математических методов обработки экспериментов и обусловливается удовлетворительной сходимостью результатов расчетов и экспериментальных исследований. Результаты исследования воспроизводимы при многократных измерениях. Теоретические методики основаны: на классических законах теплопередачи; на теории расчета приведенного сопротивления теплопередаче; на теории расчета инфильт-рующегося в помещения воздуха. Удовлетворительная сходимость наблюдается и при сопоставлении расчетного потребления энергии здания на отопление и вентиляцию и показаний теплосчетчиков для конкретного объекта.
Личный вклад соискателя состоит: в разработке теоретических методов раздельного учета теплотехнических неоднородностей и воздухопроницаемых элементов ограждающих конструкций при расчете тепловой нагрузки помещений зданий матричным методом и алгоритма расчета тепловой нагрузки зданий, основанного на представлении здания в виде совокупности независимых элементов, представленных в настоящей диссертационной работе; в подготовке и проведении экспериментов, устанавливающих значения удельных потерь теплоты через линейную теплотехническую неоднородность (оконный откос), обработке экспериментальных данных; в подготовке публикаций по материалам диссертационной работы.
Апробация результатов. Основные положения работы докладывались на научных конференциях: XVII международная межвузовская научно-практическая конференция студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «СТРОИТЕЛЬСТВО – ФОРМИРОВАНИЕ СРЕДЫ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ». (МГСУ. Москва. 2014г.); VI Международная научно-практическая конференция «Научно-техническое творчество молодежи – путь к обществу, основанному на знаниях». (ВВЦ. Москва. 2014г.); «Проблемы экологической безопасности и энергосбережения в строительстве и ЖКХ» международная научно-практическая конференция. (Греция. Кавала. 2014г.); 40th IAHS World Congress on Housing. Sustainable Housing Construction. (Португалия. Фуншал. 2014г.); Cold Climate HVAC 2015. Sustainable buildings and energy utilization in cold climate zone. (Китай. Далянь. 2015г.); Международная научная конференция VII Академические чтения «Техническое регулирование в строительстве. Актуальные вопросы строительной физики». (НИИСФ. Москва. 2016г.).
Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности ВАК 05.23.03 – Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение, а именно: п.1 «Совершенствование, оптимизация и повышение надежности систем теплогазоснабжения, отопления, вентиляции и кондиционирования, методов их расчета и проектирования. Использование нетрадиционных источников энергии»; п. 3 «Создание и развитие эффективных методов расчета и экспериментальных исследований систем теплоснабжения,
8 вентиляции, кондиционирования воздуха, газоснабжения, освещения, защиты от шума»; п. 5 «Тепловой, воздушный и влажностный режимы зданий различного назначения, тепломассообмен в ограждениях и разработка методов расчета энергосбережения в зданиях».
Внедрение результатов работы. Результаты диссертации использованы при выполнении работы по теме 7.3.3 по плану фундаментальных научных исследований РААСН на 2013-2020 гг. Результаты диссертации использованы при разработке ГОСТ Р ISO 6946:2007 и ГОСТ Р ISO 1337:2007. Результаты диссертации использованы при разработке НИОКР согласно Государственному заданию ФАУ «ФЦС», утвержденное Минстроем России 02.02.2016 г. (№ 246/2016 от 12.05.2016 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из которых 5 статей – в журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией РФ, 4 статьи – в журналах, включенных в международные базы данных Scopus, GeoRef.
Структура и объем работы. Диссертационная работа включает в себя: введение, четыре главы, заключение, список литературы (186 наименований, в том числе 44 на иностранных языках), 29 рисунков, 32 таблицы, 169 формул. Общий объем диссертации – 188 страниц. Количество приложений – 4 на 28 страницах.
Эволюция исследований тепловой защиты здания
До середины XVIII в. отопительно-вентиляционная техника во всем мире совершенствовалась только на базе многовекового, исторического бытового опыта. Суровые географо-климатологические условия, с которыми сталкивались наши соотечественники, обуславливают и все современные архитектурные и технологические тенденции в строительстве. Первоначалом научной мысли в области отопления и вентиляции был Михаил Васильевич Ломоносов. Занимаясь вопросами горного дела, он создает «механическую теорию тепла» и формулирует теорию, которая впоследствии становится основной для расчета систем отопления и вентиляции с естественным побуждением, – «О вольном движении воздуха, в рудниках примеченном» (1763 г.) [88]. Согласно этой теории движение воздуха происходит из-за разности веса столбов холодной и теплой жидкостей (в данном случае – воздуха), причем скорость его движения пропорциональна разности объемных весов наружного и нагретого (находящегося в трубе/канале) воздуха и высоте трубы/канала. Эта теория получит широкое развитие в области построения, компоновки систем отопления и вентиляции, а также для расчетов тепловой составляющей давления, вызывающего процессы фильтрации воздуха через ограждающие конструкции.
В конце 70-х годов 19 века появляются практические руководства инженера А.А. Недзялковского [88]: в главе, посвященной отоплению и вентиляции зданий, которая редактировалась инженер-генералом (генералом рода войск) Г.С. Войницким, впервые в отечественной литературе встречается формула Ньютона для расчета теплопотерь засчет теплопередачи через ограждающие конструкции, аналогичная выражению (1.2).
Первым учебником курса «Отопление и Вентиляция», позволяющим рассчитывать тепловые потери зданий, и одновременно научным трудом можно считать литографическое издание курса лекций Г.С. Войницкого в 1878 г., в котором расчетная часть ограничена определением тепловых потерь по формуле Ньютона и практическими замечаниями по выбору площади поверхности нагревательных приборов и диаметров циркуляционных труб систем отопления.
Эволюция расчетов тепловых потерь для определения мощности системы отопления зданий в настоящем разделе охарактеризована с точки зрения учебной литературы: появление в учебнике той или иной методики наглядно показывает вхождение решения конкретной научной проблемы в практику проектирования и строительства зданий. Чувство ответственности, которое присуще российским и советским ученым в области отопления и вентиляции, соответствует всем современным принципам научной этики. Такое представление полностью подтверждается при рассмотрении параллельно создаваемых и развиваемых нормативно-технических документов [104, 105, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 112].
В 1880 г. выходит работа [75], которая представляет собой систематический курс отопления и вентиляции, в котором реализована успешная попытка обобщения теоретических и практических знаний по отоплению и вентиляции. В соответствии с целью отопления С.Б. Лукашевич формулирует необходимые гигиенические условия для отопительных приборов и вводит понятие КПД отопительного прибора. Методика определения тепловой мощности систем отопления представлена практически в современном виде как алгебраическая сумма составляющих факторов согласно формуле (1.1): N0=N1+N2+N3-N4, (1.1) где No - количество теплоты, которое должно быть доставлено в помещение в единицу времени (в ч), кал; Л - количество теплоты, теряемое через наружные поверхности, ограничивающие данное помещение, согласно (1.2), кал; N2 - количество теплоты, необходимое для нагревания свежего воздуха, вводимого в помещение, согласно (1.3), кал; N3 - количество теплоты, необходимое для нагревания воздуха, извлекаемого из помещения, согласно (1.4), кал; N4 - количество теплоты, доставляемое в помещение людьми, согласно (1.5), кал. Все эти величины определялись для самого невыгодного случая, то есть при самой низкой температуре. N F-W-iT), (1.2) где F - площадь соответствующей ограждающей поверхности (наружных стен, окон, дверей, полов, потолков), фут2; W - коэффициент теплопередачи, кал/(фут2 оС); Т и t - внутренняя и наружная температура воздуха соответственно, оС. N2=U2-Po-c-{T), (1.3) где U2 - количество приточного воздуха, фут3; р0 - плотность внутреннего воздуха при температуре Т, фунт/фут3; с - теплоемкость внутреннего воздуха при температуре Т, кал/(фунт оС). N3=U3-Po-c-(25), (1.4) где Цз - количество удаляемого воздуха, фут3; 25 - температуры воздуха, удаляемого из помещения, оС. Заданная разность температур необходима для создания тяги (системы вентиляции устраивались только как совмещенные с системами отопления или с гравитационным побуждением) Учет этой составляющей обеспечивал корректную работу вытяжных систем вентиляции при сохранении теплового комфорта.
Метод экспериментального определения удельных потерь теплоты через линейные теплотехнические неоднородности
Еще одно важное перспективное направление – расчет теплопотерь в комплексе, т.е., во-первых, одновременный для всех помещений и зон помещений, чтобы максимально сократить сроки проведения расчетов; во-вторых, с учетом взаимосвязей между составляющими тепловых балансов между помещениями. Такой подход становится особенно оправданным в условиях, когда качественный уровень расчетов тепломассопереноса многие десятилетия сохраняется в рамках единственной математической модели, основанной на законах Фурье [160] и Ньютона-Рихмана [167], а развитие информационных технологий провоцирует экстенсивный путь развития расчетных методик: одновременные, взаимосвязанные расчеты, которые могут стать неким основанием для информационного моделирования зданий.
В соответствии с некоторыми перспективными направлениями развития, выделенными в [74], следует отметить работы С.А. Чистовича [134] и Ю.Я. Кувшинова [68], в которых раскрыта проблематика автоматизированного и интеллектуального управления инженерными системами здания. Сопутствующие вопросы определения тепловых балансов помещений зданий решаются в МГСУ Е.Г. Малявиной [80], О.Д. Самариным [97]. Некоторые аспекты совмещения трансмиссионных и вентиляционных тепловых потерь, описанные в [98], решаются в настоящее время В.С. Беляевым [10].
Тепловая защита зданий – отрасль строительной науки, которая оперирует с теплофизическими и теплоэнергетическими характеристиками элементов здания, обеспечивающими безопасную эксплуатацию здания с позиции теплового режима помещений и способствующими экономному расходованию энергетических ресурсов. К тепловой защите здания относят теплофизические свойства и характеристики наружных и внутренних ограждающих конструкций здания, защиту от переувлажнения и воздухопроницаемость ограждающих конструкций, характеристики тепловых потребностей здания, в т. ч. характеристики теплозащитной оболочки и расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию за отопительный период [15].
Ученые России достигли выдающихся успехов в этой отрасли, а первые серьезные достижения относятся к концу XIX – началу XX веков. Конечно, эти достижения не были бы возможны, если бы не фундаментальные работы величайших умов человечества, например, Ж. Фурье [160], сформировавшего современное представление о теплопередаче в твердых телах. Все появляющиеся расчеты обоснованы открытиями классических физиков, химиков и математиков: установление процессов горения и окисления А. Лавуазье, дифференциальное исчисление Ж. Лагранжа, формулировка закона сохранения энергии Г. Гельмгольцем, а также впоследствии развитие этого вопроса Д. Джоулем и Ю. Майером (установление первого начала термодинамики), механическая теория теплоты Ю. Клаузиуса, теория теплового излучения и термодинамика М. Планка и «демон» Д. Максвелла, а также статистическая физика Л. Больцмана, труды Пекле, Нуссельта, Грасгофа, Прандтля, уравнения Навье-Стокса (движения и неразрывности) и закон Фика – все эти фундаментальные достижения систематизированы в многочисленных трудах по тепломассообмену [22, 144, 150, 166, 167, 173, 174, 179, 180]. Систематизация накопленных знаний, применительно к вопросу об определении тепловой мощности систем отопления и вентиляции, всегда опирается на достижения теплотехники. Поэтому для реализации многостороннего подхода к рассмотрению вопросов расчета теплопотерь необходимо введение практических приемов связать с достижениями строительной теплофизики.
Обобщение опыта строительства строилось на самых распространенных конструкциях: кирпичных и деревянных. При этом тепловые потери через неоднородности как правило не рассматривались в расчетах: единственный интересующий аспект - соблюдение санитарно-гигиенических условий. Труды В.Д. Мачинского [84] получили продолжение в виде работ К.Ф. Фокина [126, 127, 128, 129], в которых приведены численные расчеты температурных полей (совокупности значений температуры узлов и фрагментов конструкций) и результаты их измерения с помощью датчиков, закладываемых в ограждающие конструкции на этапе строительства зданий. О.Е. Власов [25, 26] получает температурные поля узлов конструкций с помощью метода электротепловой аналогии. Исследованиями в области строительной теплофизики также занимались А.У. Франчук [130, 131], J.S. Cammerer [149], К. Hencky [165], L.M.K. Boelter [146]. Задача численного определения температурных полей имеет несколько способов их решения: методом конечных разностей (МКР), методом конечных элементов (МКЭ), методом граничных элементов (МГЭ). Наиболее распространённый - МКР, при использовании которого дифференциальному уравнению (1.29) находится соответствие с помощью уравнения в конечных разностях и выполняется его решение (1.30). d2t d2t п 9Q. = 0 (l.Zy) дх2 ду2 + %L=0 (і.зо) Ах2 Ау2 Для случая неоднородного фрагмента ограждения с шагом разности h=Ax=Ay: для квадратной сетки, представленной на рисунке 1.6, уравнение (1.30) принимает вид (1.31).
Расчет трансмиссионных тепловых потерь через наружные ограждающие конструкции
Как видно из формулы (2.13), даже при относительно непротяженных наблюдениях при обнаружении суточного участка температурных линий с подобным изменением функции (на заданном отрезке) можно определить величину удельных потерь теплоты через теплотехнические неоднородности при удовлетворительной сходимости результатов с более продолжительными испытаниями.
Чтобы успешно реализовать «короткие» испытания, необходимо осуществлять регулярный съем показаний и их обработку при исключении влияния на приборы: логгеры температуры наружного воздуха не должны перемещаться в отапливаемые пространства. В противном случае, концепция сокращения сроков проведения измерений обессмыслена из-за инерционных процессов самих приборов: как показали проводимые измерения, температурные показатели устанавливаются в течение суток после установки и приведения в работу измерительного оборудования.
Кроме того, при экспериментальном определении удельных тепловых потерь через подобные линейные теплопроводные включения также измеряются все необходимые параметры для экспериментального определения процессов теплопередачи через плоские элементы конструкций. Если, при обработке результатов данного эксперимента для определения теплового потока через плоскость стены использовалась только одна точка, как характеризующая установившуюся теплопередачу после возмущений от оконного откоса, т.к. одновременно было определено и поведение температурного поля, что гарантировало исключение указанных возмущений, то для натурных исследований может потребоваться большее количество контрольных точек. Однако, т.к. и количество теплотехнических неоднородностей не ограничено одним элементом для конструкций современных зданий, то и определение теплофизических свойств плоских элементов ограждающих конструкций сведется к сопряженным испытаниям при определении удельных потерь теплоты через линейные и точечные теплотехнические неоднородности.
В соответствии с [110] результаты расчета температурного поля фрагмента конструкции представляются по стандартной форме: 1. Наименование конструкции и указание места занимаемого ею в оболочке здания: наружная стеновая ограждающая конструкция с оконным блоком. 2. Элементы, составляющие конструкцию: – плоский элемент: оштукатуренная стенка из кирпичной кладки; – линейный элемент: оконный откос, образующийся при сопряжении оконнго блока и стены. 3. Удельные геометрические характеристики элемента представлены в таблице 2.4. Рассматриваемый фрагмент ограждающей несветопрозрачной конструкции представлен кирпичной стенкой площадью 5х4м и оконным откосом, образованным двумя оконными блоками площадью 1,5х1,8м. 4. Схема, позволяющая понять состав и устройство элемента, представлена на рисунке 2.1. 5. Температурное поле рассматриваемого фрагмента конструкции представлено на рисунке 2.9. Рисунок 2.9 - Температурное поле узла бокового оконного откоса 6. Для представленного варианта принята температура внутреннего воздуха, соответствующая рассмотренному участку 2-ого временного периода испытаний te = 11,69 C, характеризующая пониженную температуру воздуха вблизи ограждающей конструкции в помещении лаборатории. В качестве температуры наружного воздуха принята величина, соответствующая сопоставляемому эксперименту, tH = -2,05 C, характеризующая приближенный к граничным условиям проведения эксперимента случай, который установлен на уровне нижней границе диапазона измерения имеющихся приборов - 10,00 Вт/м2. 7. Минимальная температура на внутренней поверхности конструкции расположена на наиболее удаленном участке бокового оконного откоса и составляет tnoe,MUH = 6,70 C. Суммарный тепловой поток через рассматриваемый фрагмент конструкции (высотой 1м) равен 6 = 12,114 Вт/м. 8. Удельные потери теплоты через элемент определяются из уравнения (2.3). Тепловой поток через плоский участок стены, вошедший в расчетную область, может быть определен на основании классического расчета, описанного в первой главе настоящей работы, либо по расчету простейшего температурного поля для этой стены. Результаты расчета такого температурного поля представлены на рисунке 2.10. Для настоящего расчета использована формула (2.5), которая позволяет получить выражение (2.14) для конструкции высотой 1,00 м. Тогда тепловой поток и удельные потери теплоты через боковой оконный откос могут быть определены согласно (2.15) и (2.16).
Удельная мощностная характеристика систем отопления и вентиляции и удельная характеристика тепловых потерь здания
Следует также заметить, что в случае, когда температура приточного воздуха меньше, чем температура воздуха помещения, это означает, что полностью или частично тепловые избытки, имеющиеся в помещении расходуются для обеспечения тепловых потребностей, необходимых для формирования воздушного режима. Т.е. корректно также использовать выражение (3.7) при верном выборе количества воздуха Gn, необходимого для создания и поддержания воздушного режима n-ного помещения и которое нагревается до температуры tв.
В случае, когда температура приточного воздуха больше, чем температура воздуха помещения, это означает, что организованная система вентиляции совмещена с системой воздушного отопления, с помощью которой компенсируются трансмиссионные тепловые потери. В таком случае, во избежание коллизий и для того, чтобы не отягощать расчет составляющей тепловых потерь через ограждающие конструкции дополнительными поправками, при расчете вентиляционной составляющей следует использовать матрицу AT согласно (3.13). Таким образом, вентиляционная составляющая должна характеризовать тепловые потребности, необходимые для формирования воздушного режима, а результирующие энергетические затраты систем вентиляции формируются с учетом иных компонентов теплового баланса: внутренних и солнечных тепловых поступлений, а также теплопотерь через оболочку при совмещении систем отопления и вентиляции.
Для настоящих расчетов не предполагается учет расхода воды и энергии для систем увлажнения воздуха, относимых исключительно к системам кондиционирования воздуха. В связи с вышеизложенным, удельные тепловые потребности, необходимые для формирования воздушного режима, могут быть представлены с помощью формулы (3.25). 1(v) І I I ±±1(у,инф) I I ±±1(у,вент) 1 Н2(у) Н2(уинф) H 2(v, вент) Н3(У,инф) \ + \ 3 вент) (3.25) \J n(y)J \"п(у,инф)) \f нг=\н3(у)\ = нГіинф+нГівтт n(v,вент)J При совместном рассмотрении инфильтрационной и собственно вентиляционной составляющих матрица Hv (3.25) рассчитывается на основании произведения (3.26) матрицы массовых расходов воздуха G на число s. H=G s c (3.26) Матрица G (3.26) определяется в зависимости от расчетного количества воздуха систем вентиляции с учетом технологий устройства этих систем вентиляции и свойств ограждающих конструкций. В общем случае матрица G определяется как сумма векторов-столбцов Gвент и Єинф согласно формуле (3.27).
При использовании рециркуляции количество приточного воздуха, которое нуждается в подогреве, может оказаться меньше общего количества воздуха, поступающего в помещение. Это снижение в тепловых потребностях должно быть учтено при формировании матрицы Євент (3.27). Для определения воздухообменов можно также использовать инструментарий матричного метода.
Собственно вентиляционный воздух - та часть воздуха, которая доставляется в помещение приточными системами вентиляции (организованным, либо неорганизованным способом) и фиксируется в качестве расчетной величины для данного помещения.
В случае применения организованных центральных систем вентиляции и, соответственно, наличия центральных калориферов для подогрева приточного воздуха матрицы Gвент и Єинф согласно формуле (3.27) подлежат прямому сложению только для расчетов результирующей (суммарной) нагрузки.
Удельные потребности в теплоте центральных систем вентиляции Hv,вент (3.28) определяются по соответствующим расходам согласно формуле (3.26). 2(у,вент) H v,вент = Н3(у,вент) H2(v,вент) Gвент 2 G вент3 [s (3.28) \tl п(у,вент) ) \увентп Эта собственно вентиляционная составляющая используется для подбора калориферов - элементов систем вентиляционных установок.
В том случае, если для обеспечения потребностей в теплоте для формирования воздушного режима помещений используются теплоутилизаторы, то удельные потребности в теплоте организованных систем вентиляции должны учитывать в себе снижения соответствующих потребностей. Это может быть реализовано с помощью формулы (3.29) путем введения коэффициента/эф (3.30) как сомножителя числа s из выражения (3.26). Также возможно ввести коэффициенты /Зф,і для соответствующих членов матрицы НУ,еент согласно формуле (3.30).В первом случае матрица Hv,eeHm примет вид (3.30), во втором выражение для s будет иметь вид (3.31).
Удельные потребности теплоты для нагрева приточного воздуха неорганизованных систем вентиляции записываются непосредственно в матрицу расходов приточного воздуха Geenm (3.32). В таком случае матрицы Geenmи Єинф в дальнейших расчетах подлежат сложению с помощью операции нахождения максимума из пары значений, аналогично операции дизъюнкции [47] многозначной алгебры логики.
В общем виде, затраты теплоты на нагрев инфильтрующегося в помещения воздуха определяются по формуле (3.33) согласно [101, 104, 105]. a =ZG 4-0-0 28-c- Р (3.33) Расчетный расход инфильтрующегося в помещение воздуха определяется в виде суммы расходов воздуха через ограждения и проемы с учетом режима фильтрации согласно [104, 105]. На этом этапе целесообразно также учитывать расход воздуха, проникающего через проемы клапанов, фрамуг и форточек, предусмотренных для компенсации вытяжки и создания воздухообмена в помещениях, т.е. в случае неорганизованной приточной вентиляции соответствующие тепловые потребности могут быть учтены в матрицах, относящихся к расчету инфильтрационных тепловых затрат. Это позволит осуществлять корректный расчет соответствующих тепловых потерь при подборе приточных клапанов, фрамуг и иных устройства для подачи воздуха в помещение неорганизованным способом. При этом давление воздуха на ограждающих конструкциях определяется как сумма теплового и ветрового напора с учетом условно-постоянного давления воздуха в помещении. Коэффициент /? актуализирован см. раздел 3.7 настоящей работы.