Тема 1 тепловой баланс помещения и здания

2 часа

Инженерное оборудование зданий – комплекс технических устройств, обеспечивающих благоприятные (комфортные) условия быта, трудовой деятельности населения и технологического процесса в помещениях, включающий водоснабжение (холодное и горячее), газоснабжение, отопление, вентиляцию, кондиционирование воздуха, канализацию, электрооборудование, средства мусороудаления и пожаротушения, лифты, телефонизацию, радиофикацию и другие виды внутреннего благоустройства.

Если архитектура, по словам Ле Карбюзье,– это способность нашего сознания закреплять в материальных формах чувство эпохи, то инженерное оборудование зданий есть отражение уровня технического состояния эпохи.

Инженерное оборудование зданий оказывает во всех случаях существенное, а в ряде случаев решающее значение на архитектуру, объемно-планировочные решения зданий и интерьер помещений.

Поэтому проектирование инженерного оборудования здания является предметом совместной творческой деятельности коллектива, включающего большое количество специалистов разных профессий: архитекторов, сантехников, технологов, дизайнеров и т.д.

Область проектирования инженерного оборудования зданий характеризуется рядом специфических особенностей, отличающих ее от других областей архитектурно-строительного проектирования: большой номенклатурой технологических процессов в здании и многочисленными особенностями организации инженерного оборудования, обеспечивающих возможность осуществления технологического процесса; необходимостью глубоких знаний различных областей физики, аэрогидромеханики и математики, которые количественно и качественно определяют специфику работы инженерного оборудования.

В современном строительстве наряду с большими успехами имеется ряд недостатков, которые связаны с малой изученностью, а в ряде случаев с недооценкой вопросов отопительно-вентиляционной техники. Это привело к появлению зданий с большими площадями остекления, неправильному выбору соотношений малоинерционных ограждающих конструкций и инерционных систем отопления, что вызвало неоправданно широкое применение систем кондиционирования воздуха вследствие недостаточной теплоустойчивости здания.

Водоснабжение, канализация и санитарно-техническое оборудование зданий и сооружений определяют не только уровень их благоустройства, но и масштабы развития многих отраслей народного хозяйства. Системы водоснабжения и канализации, которые строятся в местах, где живут и работают люди и функционируют промышленные предприятия, относятся к одним из главнейших систем жизнеобеспечения. Снабжение потребителей водой высокого качества и в достаточном количестве имеет большое санитарно-гигиеническое, экономическое и социальное значение.

Все сказанное выше свидетельствует о большом значении систем водоснабжения, канализации, отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в инженерном оснащении зданий и сооружений, и наглядно подтверждает необходимость уделять этому вопросу серьезное внимание на всех стадиях строительства, начиная со стадии проектирования.

Задача будущего архитектора – овладеть принципиальными особенностями проектирования инженерных систем зданий, рассматривая их в тесной связи с принимаемыми архитектурно-планировочными решениями.

Здание представляет собой сложную архитектурно-конструктивную систему с многообразием составляющих ее элементов ограждающих конструкций и инженерного оборудования, в которых протекают различные по физической сущности процессы поглощения, превращения и переноса теплоты.

Под действием разности температур наружного и внутреннего воздуха и солнечной радиации помещение через ограждающие конструкции в зимнее время теряет, а в летнее получает теплоту (теплотехнические свойства ограждающих конструкций (сопротивление теплопередаче, тепловая инерция ограждений). Гравитационные силы, действие ветра и вентиляция создают перепады давлений, приводящие к перетеканию воздуха между сообщающимися помещениями и к его фильтрации через поры материалов и неплотности ограждений (площадь остекления (увеличение теплопотерь в 3 раза, увеличение потерь на нагрев инфильтрующегося воздуха, увеличение теплопоступлений в летний период года). Форма здания. Расположение вентиляционных отверстий. Атмосферные осадки, влаговыделения в помещениях, разность влажности внутреннего и наружного воздуха приводят к влагообмену через ограждения, под влиянием которого возможно увлажнение материалов и ухудшение их теплозащиты (паропроницаемость конструкций, расположение слоя утеплителя с наружной стороны ограждения).

Наружные ограждающие конструкции защищают помещение от неблагоприятных воздействий климата, специальные системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха поддерживают в помещении в течение всего года определенные параметры внутренней среды. Совокупность всех инженерных средств и устройств, обеспечивающих заданные условия микроклимата в помещениях здания, называется системой кондиционирования микроклимата.

Тепловым режимом здания называется совокупность всех факторов и процессов, определяющих тепловую обстановку в его помещениях.

Задача обеспечения в помещениях здания определенного теплового режима представляет собой организацию взаимодействующих и взаимосвязанных тепловых потоков в сложной архитектурно-конструктивной системе с многообразием составляющих ее элементов ограждающих конструкций и инженерного оборудования, каждый из которых является энергоносителем и энергопередатчиком. Принципиальной особенностью этой системы является то обстоятельство, что здание как единая энергетическая система представляет не простое суммирование этих элементов, а особое их соединение, придающее всей системе в целом новые качества, отсутствующие у каждого из элементов.

Архитектурное проектирование зданий и сооружений осуществляется в соответствии с технологическим назначением здания и климатическим районом строительства. Такое проектирование предъявляет высокие требования к архитектору и обязывает его творчески подходить не только к выбору местоположения здания и его внешней выразительности, но также к геометрической форме здания, его расположению по отношению к суточному и годовому движению солнца, господствующему направлению ветра, к объемно-планировочным решениям помещений и т. д. Система кондиционирования микроклимата дает возможность практически во всех случаях обеспечивать требуемый микроклимат в помещениях, но требует больших затрат на ее создание и эксплуатацию.

В архитектурном проектировании следует стремится к максимальному использованию архитектурно-планировочных и конструктивных решений для обеспечения требуемого микроклимата в помещениях.

При этом архитектору важно помнить, что даже самые совершенные системы обогрева-охлаждения и вентиляции помещений не дадут ожидаемого эффекта, более того, окажутся бездейственными в обеспечении требуемого микроклимата помещения, если они не соответствуют архитектуре здания.

Изучение здания как единой энергетической системы имеет своей целью определение наиболее целесообразного сочетания и оптимальных показателей элементов системы кондиционирования микроклимата.

Теперь перейдем к рассмотрению расчетных параметров воздуха в помещении.

В помещениях жилых, общественных и производственных зданий требуется поддерживать необходимые для людей и технологических процессов метеорологические условия. Метеорологические условия в помещении – это совокупность показателей тепловой обстановки, концентрации вредных веществ, давления, запахов, влажности. Тепловая обстановка или тепловые условия в помещении являются важнейшим показателем метеорологических условий и характеризуется значениями температуры, относительной влажности и скорости движения внутреннего воздуха, а также значениями температуры внутренних поверхностей ограждений. Показатели тепловых условий в помещении должны быть, во-первых, в определенном сочетании между собой и, во-вторых, не отклоняться от заданных пределов. Показатели, отвечающие таким требованиям, называют расчетными показателями тепловых условий в помещении.

Тепловые условия в помещениях разделяют по значимости на следующие три типа: комфортные, технологические, комфортно-технологические.

Комфортные тепловые условия создают, исходя из обеспечения комфортных условий для человека, находящегося в помещении. Такие условия имеют место в жилых, в большинстве общественных и ряде производственных зданий промышленности и сельского хозяйства.

Технологические тепловые условия получают исходя из обеспечения технологического процесса в помещении. Такие условия необходимы, например, в большинстве производственных зданий.

В тех случаях, когда технологические тепловые условия совпадают с комфортными, имеют место комфортно-технологические тепловые условия. Когда технологические тепловые условия существенно выходят за пределы комфортных тепловых условий, технологический процесс организуется таким образом, чтобы исключить или сделать кратковременным пребывание людей в помещении.

Уровень комфортных условий зависит от климатической адаптации человека и его привычки. По данным гигиенистов для человека оказывается полезным периодическое изменение температуры в течение дня и понижение ее на 2...3 °С ночью, что связано с изменением интенсивности обмена веществ и особенностью деятельности людей. Установлено, что тепловое самочувствие заметно влияет на производительность труда: при изменении температуры воздуха от 22 до 15 °С усвояемость слушателями излагаемого материала снижалась на четверть, а до 30 °С – на половину; число несчастных случаев на производстве резко возрастает при отклонении температуры воздуха от оптимального значения на 3...5 °С.

Комфортные тепловые условия нормируются в зависимости от способности человеческого организма к акклиматизации в разное время года, интенсивности выполняемой работы и характера тепловыделений.

Различают три периода года: холодный, когда температура наружного воздуха t_Н ниже +8°С; переходный – при t_Н= +8°C; теплый – при t_Н выше +8°С.

При учете интенсивности труда все виды работ делятся на три категории – легкие, средней тяжести и тяжелые.

По интенсивности тепловыделений помещения разделяют на группы в зависимости от удельных избытков явной теплоты.

Явной называется теплота, воздействующая на изменение температуры воздуха помещения, ее избытком называется разность между суммарными поступлениями явной теплоты и суммарными теплопотерями в помещении.

Комфортные тепловые условия в помещениях делят на оптимальные и допустимые. Оптимальные условия – это такое сочетание показателей тепловых условий, которые при длительном и систематическом воздействии на человека позволяют сохранять нормальное функциональное и тепловое состояние организма.

Допустимые условия – это такое сочетание показателей тепловых условий, при котором создается ощущение некоторого дискомфорта, однако длительное пребывание в таких условиях не вызывает хронических заболеваний.

Деятельность человека или технологический процесс в помещении происходят в определенной части его объема, которая называется обслуживаемой или рабочей зоной. Расчетные тепловые условия должны быть обеспечены системами отопления, вентиляции и теплозащитой ограждений именно в этой зоне.

Нормативной литературой определяются значения трех параметров воздуха, сочетание которых и определяет метеорологическую обстановку в помещении и которые в этом помещении должны поддерживаться в области рабочей зоны: температура воздуха, его относительная влажность и скорость движения.

Температура воздуха является одним из основных факторов, определяющих тепловую обстановку в помещении. Как было сказано выше, ее значения зависят от характера деятельности человека, вида технологических процессов, климатических условий местности и др. В холодный период года оптимальная температура воздуха составляет 20...25 °С, допустимая – 18...22°С. Для теплого периода года оптимальная температура воздуха принимается 20...25°С. Максимально допустимая температура воздуха в рабочей зоне равна 28 °С и только при расчетной температуре наружного воздуха больше +26 °С, допускается до 33 °С.

Второй существенный фактор – относительная влажность воздуха. В теплый период при высоко влажности в сочетании с высокой температурой ухудшается теплообмен человека с окружающей средой, что приводит к перегреву организма. При низкой относительной влажности воздуха наоборот возрастает отдача теплоты с тела человека за счет интенсивного испарения влаги, пересыхают поверхности слизистых оболочек дыхательных путей, что способствует проникновению болезнетворных организмов в органы дыхания человека. Оптимальные значения относительной влажности воздуха нормируются в пределах 40...60 %, допустимые – до 75%.

Скорость движения воздуха в помещении также влияет на теплообмен человека с окружающей средой. При отсутствии движения воздуха вокруг тела человека образуется тонкая неподвижная воздушная оболочка, которая быстро насыщается парами воды, принимает его температуру и уменьшает теплоотдачу. Легкое движение воздуха сдувает обволакивающий человека насыщенный водяными парами и перегретый слой воздуха. В то же время чрезмерная подвижность воздуха, особенно в сочетании с низкой температурой, вызывает увеличение теплопотерь конвекцией и испарением и способствует быстрому охлаждению организма. Расчетные оптимальные скорости воздуха в помещении принимаются 0,2...0,3 м/с. Допустимые значения скорости равны 0,2...0,5 м/с.

Наличие в воздухе помещения различных вредных газов, паров, а также пыли оказывает отрицательное воздействие на самочувствие людей и на течение технологических процессов. Длительное пребывание человека в помещении с запыленным или загазованным воздухом может привести к хроническим заболеваниям.

Потоки лучистой теплоты оказывают существенное влияние на общий теплообмен человека с окружающей средой и соответственно на комфортность его состояния. Поэтому в помещении контролируется еще один параметр, называемый средней радиационной температурой, который представляет собой осредненную температуру его ограждающих поверхностей. Для комфортного состояния человека необходимо, чтобы температура поверхностей ограждений также находилась в определенных рамках.

Для холодного периода характерно низкое значение этой температуры за счет потерь теплоты помещением, для теплого периода, наоборот, повышенное значение радиационной температуры в результате поступления теплоты от солнечной радиации. Для того чтобы избежать как повышения, так и понижения температуры поверхности ограждающих конструкций, при разработке проектов зданий большое внимание уделяется конструкциям наружных ограждений.

Теплозащитные качества ограждения принято характеризовать величиной сопротивления теплопередаче, которая численно равна падению температуры в градусах при прохождении теплового потока в 1 Вт через 1 м² ограждения. Для определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций для них выполняется теплотехнический расчет.

Сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций определяется как

– сопротивление теплоотдаче внутренней поверхности, м²×К/Вт; – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции, Вт/м²×К /табл. 5.4 СНБ 2.04.01-97 «Строительная теплотехника»/; – сопротивление теплоотдаче наружной поверхности, м²×К/Вт; – коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции, Вт/м²×К /табл. 5.7 СНБ 2.04.01-97 «Строительная теплотехника»/; – термическое сопротивление ограждающей конструкции, м²×К/Вт, для многослойной ограждающей конструкции определяется как сумма термических сопротивлений каждого из слоев, рассчитываемого по формуле .

Сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции должно быть не менее требуемого сопротивления теплопередаче, которое является минимально допустимым, удовлетворяющим в зимних условиях санитарно-гигиеническим требованиям, и определяется по формуле

– коэффициент, учитывающий положение наружной поверхности ограждающей конструкции по отношению к наружному воздуху /табл.5.3, СНБ 2.04.01-97/; – расчетная температура внутреннего воздуха, °С; – расчетная температура наружного воздуха, принимаемая в соответствии с величиной тепловой инерции ограждающей конструкции ; – нормативный температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней ограждающей конструкции / табл.5.5, СНБ 2.04.01-97/.

Кроме этого сопротивление теплопередаче должно быть не менее нормативного, определяемого по табл.5.1, СНБ 2.04.01-97.

Еще одной важной характеристикой ограждающих конструкций является их воздухопроницаемость – свойство ограждения или материала пропускать воздух. При разности давлений воздуха с одной и с другой стороны ограждения через него может проникать воздух в направлении от большего давления к меньшему. Это явление называется фильтрацией.

Воздухопроницаемость ограждающей конструкции оценивается по величине сопротивления воздухопроницанию. Для сплошных слоев материалов сопротивление воздухопроницанию определяется по формуле

, где – коэффициент воздухопроницаемости материала, кг/(м²×ч×Па), характеризующий количество воздуха в кг, которое проходит через 1 м² ограждения за 1 ч при разности давлений 1 Па.

Сопротивление воздухопроницанию многослойной ограждающей конструкции определяется как сумма сопротивлений каждого слоя .

Фильтрация наружного воздуха через ограждения в холодный период года вызывает дополнительные потери теплоты помещениями, а также охлаждение внутренних поверхностей ограждения. Поэтому сопротивление воздухопроницанию ограждающей конструкции должно быть не менее требуемого

– нормативная воздухопроницаемость ограждающей конструкции /табл.8.1, СНБ 2.04.01-97/; – разность давления на наружной и внутренней поверхностях ограждающей конструкции; – высота здания от поверхности земли до верха карниза, м.

Как правило строительные материалы, обеспечивающие конструктивную прочность ограждений не отвечают теплотехническим требованиям строительных норм. Поэтому в состав наружных ограждений обязательно включают слой теплоизоляционного материала, который в холодный период предотвращает излишние потери теплоты, а в теплый период препятствует проникновению излишнего теплового потока в помещение. В качестве теплоизоляционных материалов применяют материалы с низким коэффициентом теплопроводности (пенополистирол, минеральная вата). Толщина изоляционного слоя определяется исходя из теплотехнического расчета. Причем при размещении слоя изоляции необходимо располагать его с наружной стороны ограждения. Это вызвано таким явлением как конденсация влаги из внутреннего воздуха.

Если изоляционный слой располагается с внутренней стороны ограждения, то выпадение влаги из проникающего сквозь ограждения воздуха будет происходить либо непосредственно в слое утеплителя, либо на стыке между утеплителем и слоем другого строительного материала. Замокание самого утеплителя часто приводит к снижению его теплоизоляционных свойств (минеральная вата). Постоянное нахождение в мокром состоянии какого-то другого строительного слоя может привести к преждевременному разрушению наружного ограждения.

Конденсация может происходить как в толще ограждения, так и на внутренней поверхности ограждения. Конденсация на внутренней поверхности возникает в случае, когда в связи с несоответствием ограждения теплотехническим требованиям температура внутренней поверхности ограждения ниже температуры точки росы, т.е. температуры при которой из влажного воздуха начинает выпадать конденсат. Это приводит к тому, что на внутренней поверхности ограждения образуется плесень.

Соответствие наружных ограждений всем перечисленным выше теплотехническим требованиям и необходимо для того, чтобы поддерживать определенный тепловой режим в помещении.

В холодный период года помещение теряет теплоту через наружные ограждения. Кроме того, теплота расходуется на нагревание наружного воздуха, который проникает в помещение через неплотности ограждений, а также на нагревание материалов, транспортных средств, изделий, одежды, которые охлажденными поступают с улицы в помещение. Системой вентиляции в помещение может подаваться воздух с более низкой температурой по сравнению с воздухом помещения, технологические процессы могут быть связаны с испарением жидкостей и другими процессами, сопровождающимися затратами теплоты. С другой стороны, теплота поступает в помещение: от технологического оборудования, источников искусственного освещения, нагретых материалов и изделий, в результате прямого попадания через оконные проемы солнечных лучей, от людей, находящихся в помещении.

Сведением всех составляющих поступления и расхода теплоты в тепловом балансе помещения определяют недостаток или избыток теплоты. Недостаток теплоты указывает на необходимость устройства в помещении системы отопления. Для гражданских зданий определяющими расход теплоты являются теплопотери через ограждения.

Различают два вида теплопотерь через ограждения: за счет теплопередачи через наружные ограждающие конструкции (стены, покрытия, перекрытие, окна, ворота, двери и т. п.) и за счет фильтрации наружного холодного воздуха через неплотности и поры в наружных ограждениях и их элементах (потери на нагрев инфильтрующегося воздуха).

Потери теплоты помещениями через ограждающие конструкции разделяются условно на основные и добавочные

– площадь ограждающей конструкции, м²; – сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции, (м²×К)/Вт; – температура внутреннего воздуха, °С; – расчетная температура наружного воздуха, принимаемая равной температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92, °С; – добавочные потери теплоты в долях от основных потерь; – коэффициент, учитывающий положение наружной поверхности ограждающей конструкции по отношению к наружному воздуху /табл.5.3, СНБ 2.04.01-97/.

Теплообмен через внутренние ограждения между смежными отапливаемыми помещениями учитывается в случае, когда разность температур воздуха этих помещений превышает 3 °С.

Добавочные теплопотери учитывают ориентацию ограждений по сторонам света, продуваемость помещений с двумя наружными стенами и более, подогрев врывающегося воздуха через наружные двери или ворота.

Затраты теплоты на нагрев инфильтрующегося воздуха в жилых и общественных зданиях без организованного притока и с естественной вытяжкой принимаются равными большей из величин, полученных по формулам

или

– расход инфильтрующегося воздуха, кг/ч, через ограждающие конструкции помещения; – удельная теплоемкость воздуха, равная 1 кДж/кг×°С; – коэффициент, учитывающий влияние встречного теплового потока в конструкциях; – расход удаляемого воздуха, не компенсируемые подогретым приточным воздухом м³/ч.

Для ориентировочного расчета теплопотерь здания используют формулу расхода теплоты на отопление по укрупненным показателям:

– отапливаемый объем, м³; – средняя по объему здания расчетная температура внутреннего воздуха, °С; – удельная тепловая характеристика здания, представляющая собой потери теплоты 1 м³ здания (по наружному обмеру) при разности внутренней и наружной температуры равной 1 °С.

где – суммарный годовой расход тепловой энергии на отопление, Вт; – средняя за отопительный период температура наружного воздуха, °С, для периода с температурой наружного воздуха ниже +8 ºС.

При проектировании зданий с целью уменьшения теплопотерь и соответственно снижения затрат на отопление помещения необходимо:

– уменьшать площадь наружных ограждений и повышать их термическое сопротивление. Удельная площадь наружных ограждений уменьшается при увеличении ширины здания, уменьшении изрезанности фасадов, а также увеличении длины и высоты здания;

– повышать термическое сопротивление заполнений световых проемов, так как теплопотери через 1 м² заполнения в 2,5...3 раза больше, чем через 1 м² стены, а суммарные теплопотери через заполнения достигают 35 % общих теплопотерь здания;

– уменьшать площадь световых проемов до нормативной величины, требуемой по условиям естественной освещенности.

В теплый период года теплопоступления в помещения складываются из теплоты, передаваемой через наружные ограждения за счет воздействия на них солнечной радиации и температуры наружного воздуха и из технологических и бытовых тепловыделений. Особенностью теплового баланса помещения в теплый период года является его нестационарность в течение суток, обусловленная суточной изменяемостью теплопоступлений от солнечной радиации. При этом основную часть в теплый период года составляют теплопоступления через заполнения светового проема (коротковолновое излучение) Солнечные лучи, проходя через остекление, падают на поверхности ограждения помещения и частично отражаются. Остальная часть поглощается, трансформируясь в длинноволновые лучи, для которых обыкновенное стекло не прозрачно Таким образом, остекленное заполнение оказывается ловушкой для радиационной теплоты. Имеет место так называемый «парниковый эффект».

Для уменьшения поступлений теплоты от солнечной радиации используют средства тепло- и солнцезащиты зданий в виде теплоустойчивых, орошаемых водой и вентилируемых ограждений, затеняющих устройств, солнцезащитных стекол и т. д., а для обеспечения расчетных тепловых условий в помещении – системы вентиляции или кондиционирования воздуха. Одна из главных задач проектирования здания для теплового периода года состоит в выборе оптимального соотношения между архитектурно-планировочными решениями, снижающими теплопоступления от солнечной радиации в помещения, и производительностью систем вентиляции или кондиционирования воздуха. При этом следует иметь в виду проектирование систем кондиционирования микроклимата для теплого периода года представляет в большинстве случаев более трудную задачу, чем для холодного периода года, избыточное остекление приводит к значительному нарушению расчетных тепловых условий в помещениях зданий, расположенных даже в районах с умеренным летним климатом, расчетный тепловой режим в помещениях следует стремиться обеспечить архитектурно-планировочными решениями по защите от перегрева.

Рис. Примерная структура теплового баланса здания в холодный (а) и теплый (б) периоды года:

1 – теплопотери через пол; 2 – теплопоступления от отопительного прибора, 3 – теплопотери через окна; 4 – теплопотери через наружные стены; 5 – теплопотери через крышу; 6 – теплопотери за счет воздухообмена, включая инфильтрацию; 7 – теплопоступления через крышу; 8 – теплопоступления через стены; 9 – теплопоступления от солнечной радиации через окна.