Воздействие наружной среды на здание
Микроклимат в помещениях формируется за счет возмущающих воздействий внешней среды и технологического процесса внутри здания, нейтрализуемых системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха
Взаимодействие здания с внешней средой проявляется в виде потоков тепла, влаги и воздуха, приходящих извне внутрь или наоборот. Направление и интенсивность тепло-влаго-воздухопередачи через наружные ограждения обусловлены разностью потенциалов переноса.
Схема воздействия наружной среды на тепло-массопередачу наружных ограждений представлена на рис. 4.1. Определяющими являются параметры наружной среды: температура воздуха , температура грунтаи небосвода
, скорость и направление ветра, интенсивность прямой (S) и диффузной
(D) солнечной радиации, парциальное давление водяного пара Р.
Рис. 4.1. Схема воздействия наружной среды на тепло-массопередачу наружных ограждений
Теплопередача через наружные ограждения обусловлена разностью температуры наружной и внутренней среды. Для определения понятия температуры наружной среды следует рассмотреть условия теплообмена на наружной поверхности (см. рис.4.2).
Рис. 4.2.Условия теплообмена поверхности ограждения с наружной средой
Теплообмен наружной поверхности складывается из лучистого и конвективного. Уравнение теплового баланса на поверхности имеет вид
(4.1)
где- температура наружной поверхности, С;
- радиационная температура наружной среды, С;
- поток тепла, проходящий через поверхность, Вт/м;
q - интенсивность падающей на поверхность суммарной солнечной радиации
Вт/м2;
- коэффициент поглощения солнечной радиации поверхностью;
- коэффициенты соответственно лучистого и конвективного теплообмена, Вт/(м2оС).
Введем в уравнение (4.1) температуру наружной среды tнар
, (4.2)
равную
, (4.3)
Для учета тепла солнечной радиации, поглощенного поверхностью ограждения используется понятие условной температуры,
(4.4)
Уравнение (4.1) в этом случае приобретает вид
(4.5)
где- суммарный коэффициент теплообмена на наружной поверхности, Вт/м20С:
Наружная поверхность обменивается конвективным теплом с наружным воздухом и лучистым теплом с небосводом, грунтом и противостоящими зданиями.
Условия лучистого теплообмена рассмотрены в разделе 5.1. Коэффициент лучистого теплообмена поверхности, расположенной под углом к горизонту А, находят по формуле:
(4.6)
где- коэффициент излучения наружной поверхности ограждения.
Конвективный теплообмен на наружной поверхности протекает в режиме вынужденной конвекции. Для выяснения закономерности течения воздуха у внешних поверхностей рассмотрим аэродинамику здания.
Как известно (см.раздел 6.1), у наветренной поверхности происходит плоскопараллельное движение воздуха, а на заветренных поверхностях образуются вихри. Так как характер вихря вытянутый, можно считать, что непосредственно у поверхности также имеет место плоское обтекание. На рис.4.3 показана идеализированная картина обтекания пластины, когда набегающий по нормали поток растекается по поверхности. Таким образом, для выбора критериальной зависимости конвективного теплообмена следует принять условия обтекания плоской пластины.
Рис. 4.3. Идеализированная картина обтекания пластины
Известно, что турбулентный режим течения характеризуется критическим числом Рейнольдса Re > 5-10. Это означает, что при температуре воздуха tn = 0иС турбулентный режим соответствует произведению скорости ветра У на характерный размер> 6,8. Если принять минимальную скорость ветра, равную 1 м/с, то характерный размер> 6,8, м. Это условие удовлетворяется практически во всех случаях обтекания здания. Для турбулентного обтекания пластины используют критериальное уравнение, где критерий Нуссельта критерий Рейнольдса.
Учитывая, что при< 50 м справедливо приближение, получаем значение среднего коэффициента конвективного теплообмена при нулевой температуре
Для учета температуры воздуха можно применить поправку
Когда поток набегает на фасады здания, то скорость его течения по плоскости отличается от скорости ветра. Если приравнять полное давление потоков вдали от здания и на его поверхности, то с учетом уравнения Бернулли получим соотношение искомой скорости обтекания Ух и скорости ветра У:
где k - аэродинамический коэффициент (см. раздел 6.1).
Отсюда следует, что на наветренной стороне, где k > 0, наблюдается торможение потока, а на заветренной стороне, где k < 0, - ускорение. Этот вывод соответствует физической сущности процесса. Таким образом, в окончательном виде получим формулу расчета коэффициента теплообмена на наружной поверхности:
(4.7)
В упрощенном виде это выражение имеет вид:
(4.8)
В длинноволновой части спектра поверхность ограждения отдает лучистое тепло в сторону небосвода, обменивается теплом с поверхностями грунта и окружающих зданий.
Эквивалентную температуру небосводарассчитаем, зная эффективное излучение поверхности земли Е и температуру грунта
(4.9)
Полученная формула tнаб использует измеряемые метеорологические параметры Е и tгp и поэтому представляется более достоверной в отличие от известных, в которых, как правило, tнаб выражается косвенно через влажность воздуха.
Формулу для расчета наружной радиационной температуры получим из уравнения баланса лучистого тепла на наружной поверхности
(4.10)
В формулах (4.9) и (4.10) дополнительно принято:
-коэффициент длинноволнового излучения поверхности грунта (различен зимой и летом);
- угол наклона поверхности к горизонту, град.
В силу изменения наружных параметров во времени, передача тепла наружными ограждениями носит нестационарный характер. При этом тепловой поток, проходящий через окна, не искажается по величине и во времени из-за ничтожной тепловой инерции окон. В то же время массивные ограждения (стены, перекрытия) передают тепловой поток трансформированным.
Наружные ограждения по разному передают тепловые потоки от коротковолновой солнечной радиации. В массивных ограждениях происходит поглощение тепла солнечной радиации поверхностью. Нагретая поверхность (см. рис.4.4) возвращает частично тепло в наружную среду, а частично передает через толщу ограждения внутрь помещения.
Рис. 4.4. Схема передачи тепловых потоков от коротковолновой солнечной радиации через массивное наружное ограждение.
Аналогично процесс теплопередачи протекает в лучепрозрачных ограждениях. Отличие этих ограждений состоит в том, что обычное оконное стекло обладает малым коэффициентом теплопоглощения Р 0,07) и, кроме того, пропускает через свою толщу тепловой поток от солнечной радиации. Величина проникающего теплового потока зависит от интенсивности солнечной радиации, конструкции окна и солнцезащитных устройств и в теплое время года может быть определяющей в сравнении с остальными факторами наружной среды.
Скорость ветра сказывается на конвективном теплообмене на наружной поверхности ограждения. Более весомым с точки зрения воздействия наружной среды является влияние скорости ветра на распределение давления снаружи здания.
При торможении потока воздуха (см.рис.4.5) на наветренном фасаде здания возникает избыточное по отношению к атмосферному давление.
На заветренной стороне здания в зоне вихреобразования давление оказывается ниже атмосферного. Величина давления на фасадах здания определяются скоростью и направлением ветра и конфигурацией здания. Таким образом в результате действия ветра возникает разность давления на противоположных фасадах здания. Помимо ветрового напора, перепад давления снаружи и внутри здания формируется гравитационным напором, обусловленным разностью объемного веса наружного и внутреннего воздуха.
Рис.4.5. Схема обтекания здания потоком воздуха: а - вертикальный разрез;
б - схема движения воздуха в зоне аэродинамического следа; 1- граница между вихрями в зоне аэродинамического следа, участок с нулевой скоростью движения воздуха; 2 - зона избыточного давления; 3 - здание; 4 - зона разрежения и вихревого движения воздуха; 5 - обратные потоки воздуха, входящие в зону аэродинамического следа; 6 - граница зоны аэродинамического следа; 7 - граница влияния здания на поток воздуха; 8 - вихреоб- разные потоки воздуха из зоны избыточного давления в зону разрежения
Совокупность двух факторов воздействия наружной среды приводит к фильтрации наружного и внутреннего воздуха через открытые проемы и не плотности в ограждениях.
Разность парциального давления внутри и снаружи здания служит потенциалом переноса водяного пара. Диффузия водяного пара наиболее существенна в массивных ограждениях в холодное время года. Влажностный режим ограждений оказывает существенное влияние на их теплозащитные свойства и долговечность.
Нарушение нормальной влагопередачи приводит к накоплению влаги в толще ограждения и появлению на его внутренней поверхности плесени.
Наружный воздух, передаваемый в помещение системой вентиляции, оказывает непосредственное влияние на формирование параметров внутреннего микроклимата.
Так, влажность наружного воздуха в значительной мере определяет влажность внутреннего воздуха, если здание не оборудовано специальными системами увлажнения для холодного времени года и осушки воздуха в теплый период. Аналогично в теплый период года при отсутствии в здании системы охлаждения температура внутреннего воздуха прямо зависит от температуры наружного воздуха.