ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ РЕЖИМОВ ОТОПЛЕНИЯ ПОМЕЩЕНИЙ ЗДАНИЯ

Влияние теплотехнических качеств ограждающих конструкций зданий на тепловой режим отапливаемых помещений

От теплотехнических качеств ограждающих конструкций здания зависит величина удельных тепловых нагрузок на системы отопления <7, Вт/м2. По нормам СНиП [46] в холодный и переходный периоды года в обслуживаемой зоне жилых, общественных и административно-бытовых помещений температура воздуха должна быть /в = 20...22 °С, относительная влажность срв = 45—30 %, скорость движения воздуха не более 0,2 м/с.

Работа системы отопления должна обеспечить подведение такого количества теплоты 0ТОТ, которое компенсирует теплопоте-ри через наружные ограждения 0Т пот тр и нагрев наружного воздуха (?тпн, поступающего путем инфильтрации (естественного проникновения) в помещение через неплотности в наружных ограждающих строительных конструкциях.

Способность строительных конструкций проводить теплоту оценивается через показатель термического сопротивления:

(2.1)

где 5 — толщина слоя материала, м; X — расчетный коэффициент теплопроводности строительного материала, Вт/(м-°С), (находится по приложению в [47]).

В целях снижения потерь теплоты в последние годы широко применяются в строительстве многослойные ограждающие конструкции с размещением внутри конструкции слоя тепловой изоляции. Для многослойной строительной конструкции термическое сопротивление определяется суммой термических сопротивлении отдельных слоев:

(2.2)

где Я{, Я2, ..., Яп термические сопротивления слоев из однородного материала, м2-°С/Вт, вычисляются по формуле (2.1).

Сопротивление теплопередаче строительной ограждающей конструкции Я0 вычисляется по формуле:

^ = —+ Дк + —, м2 °С/Вт, (2.3)

осв ан

где Як — термическое сопротивление ограждающей конструкции, вычисляемое для однослойной — по формуле (2.1) и для многослойной — по формуле (2.2), м2-°С/Вт; ав — коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, Вт/(м2-°С); для стен, полов и потолков можно принять ав = = 8,7 Вт/(м2-°С); ан — коэффициент теплоотдачи (для зимних условий) наружной поверхности ограждающей конструкции, Вт/(м2-°С); для наружных стен, покрытий, перекрытий можно принять аи = 23 Вт/(м2-°С).

Системы отопления рассчитываются на климатические условия, определяемые по СНиП параметрами Б [46]. Так, например, для Москвы расчетная температура наружного воздуха в холодный период года /нх = —26 °С.

Для различных строительных конструкций наружных ограждений вычисляется приведенный коэффициент термического сопротивления:

л

к.пр

_ Р] + Р2 + ... + Е„ 2 о

, М •

Е

Е

С/Вт,

(2.4)

+

П

Я Я

Я

п

где Е{, Я2,..., Еп поверхности наружных ограждений зданий, м2; Ях, Я2,..., Яп термические сопротивления конструкций, м2-°С/Вт, вычисляемые для однослойных конструкций по формулам (2.1) и для многослойных конструкций — по (2.2).

Пример 2.1. Исходные условия: Жилая комната в Москве площадью Е = 20 м2 имеет наружную стену с окном. Примем, что для наружной стены с окном в комнате приведенное термическое сопротивление по формуле (2.4) составляет Як 1,8 м2-°С/Вт; ав = = 8,7 Вт/(м2-°С); ан = 23 Вт/(м2-°С).

Требуется: Определить сопротивление теплопередаче наружной стены с окном.

Решение: По формуле (2.3) находим сопротивление теплопередаче наружной стены из помещения наружу:

Я0 = 1/8,7 + 1,8 + 1/23 = 1,96 м2 °С/Вт.

Теплопотери от теплопередачи — тепловой поток через наружные ограждения площадью Рн — вычисляются по формуле:

О -±нИв—*нх) Вт П5)

^т.пот.тр п ! иь

Ко

Такие теплопотери называют трансмиссионными.

Вторая составляющая нагрузки на систему отопления связана с нагревом поступающего в помещение холодного наружного воздуха, необходимого для вентиляции. Тепловой поток на нагрев приточного наружного воздуха Тп н вычисляется по формуле:

о =1 р с (/ - О / 3,6, Вт, (2.6)

^Т.ПН П.Н ^П.Н р 4 В НХ7 /555 V /

где рп н — средняя массовая плотность нагреваемого воздуха, кг/м3; ср =1 кДж/(кг*°С) — теплоемкость воздуха; 3,6 — перевод-ной коэффициент кДж в Втч. Тп н — объем инфильтруемого наружного воздуха, м3/ч.

В качестве примера рассчитаем суммарные теплопотери жилой комнаты.

Пример 2.2. Исходные условия: Жилая комната площадью пола Тж = 20 м2 с наружной стеной с окном площадью 10 м2, имеет приведенное термическое сопротивление /?0 = 1,96 м2°С/Вт.

Требуется: Для указанной комнаты рассчитать трансмиссионные потоки и потери на инфильтрацию.

Решение: 1. По формуле (2.5) для Москвы расчетный трансмиссионный тепловой поток (теплопередача от наличия разности температур) составит:

пот.тр

10 [(20 -(-26)1 1,96

= 235 Вт.

  • 2. Инфильтрация наружного воздуха через неплотности в ограждениях должна быть не меньше требований санитарных норм. По нормативным нормам минимальный расход приточного наружного воздуха в жилые помещения должен быть 3 м3/ч на 1 м2 жилой площади. Для рассматриваемого жилого помещения минимальный расход приточного наружного воздуха будет:
    • • 3 = 20 ' 3 = 60 м7ч.

По формуле (2.6) для рассматриваемого жилого помещения получим:

<2т.п.н = 60 • 1,3 • 1 • [20 - (-26)] / 3,6 = 997 Вт.

  • 3. Вычислим для рассматриваемого помещения сумму тепловых потоков, затрачиваемых на компенсацию трансмиссионных теплопо-терь и на нагрев санитарной нормы наружного воздуха:
  • 0Т= 235 + 997 = 1232 Вт.
  • 4. Вычислим процентную долю составляющих требуемого количества теплоты на трансмиссионные теплопотери и нагрев наружного воздуха:
    • — доля трансмиссионных теплопотерь составит:

Ог.пот.тр /От ? 100= 235/1232 • 100 = 19 %;

  • — доля расхода теплоты на нагрев поступающего в помещение наружного воздуха по санитарной норме:
    • 2т п.н / 2Т ’ 100 = 997/1232 • 100 = 81 %.

Из примера 2.2 запомним, что превалирующей тепловой нагрузкой в жилой комнате является вентиляционная — 81 %, а отопительная составляет — 19 %.

Достигнутое в настоящее время благодаря выполнению требований МГСН-99 [50], увеличение термического сопротивления современных трехслойных ограждающих конструкций (со слоем теплоизоляции) позволило почти в десять раз сократить трансмиссионные теплопотери по сравнению с однослойными бетонными панелями, широко использовавшимися при строительстве зданий в 60—80-х годах прошлого века.

Дальнейшее повышение термического сопротивления наружных ограждений не даст существенного снижения потребностей помещений в теплоте для отопления и вентиляции.

Значительное снижение потребности в теплоте достигается путем использования теплоты вытяжного воздуха на нагрев приточного наружного воздуха.

Особенно это актуально для административных и общественных зданий при нахождении людей на рабочих местах более 3 ч. В этих случаях санитарная норма подачи приточного наружного воздуха составляет 60 м3/ч на 1 человека.

В рассматриваемом помещении площадью 20 м2 обычно работают/7— 3 чел. В этом случае санитарная норма подачи наружного воздуха в помещение составит:

ЬП Н = Л- 60 = 3-60 = 180 м3 /ч. (2.7)

Тепловой поток на нагрев приточного наружного воздуха в административный офис площадью 20 м2 по формуле (2.6) составит: О = 180 • 1,3 • 1 • [20 - (-26)] / 3,6 = 2991 Вт.

Если в административном здании нет механической приточной вентиляции с подогревом воздуха, то нагрев неорганизованно поступившего наружного воздуха должен компенсироваться тепловой производительностью отопительного прибора.

Общая потребность в тепловой мощности на компенсацию трансмиссионных теплопотерь и нагрев санитарной нормы наружного воздуха в административном помещении составит: (2т.пот.тр + + От п н = 235 + 2991 = 3226 Вт, а доли их соответственно — 7,3 % и 92,7 %.

В настоящее время имеются программы для расчета на персональных компьютерах теплопотерь через ограждающие конструкции зданий. Особенности теплотехнических качеств и размеры ограждающих конструкций заносятся в компьютерную программу. По результатам расчетов получаются исходные данные о теп-лопотерях для проектирования систем отопления зданий.

Расчетные данные о теплотехнических качествах и размерах ограждающих конструкций здания заносятся в «Энергетический паспорт здания», форма которого будет представлена в главе 8 учебника. В энергетический паспорт заносятся данные о термическом сопротивлении всех наружных ограждающих конструкций и приведенный трансмиссионный коэффициент термического сопротивления, вычисляемый по формуле (2.4).

Современные конструкции наружных ограждений зданий с повышенной теплозащитой

Одним из первых примеров значительного повышения теплоизоляции выпускавшихся в 70-х годах железобетонных панелей является законченное в 1983 г. строительство административного здания Госстроя СССР в Москве по ул. Б. Дмитровка, д. 26 (ныне в этом здании расположена Верхняя палата Российского парламента — Совет Федерации).

При разработке проекта здания в 1978 г. ставилась задача применить энергосберегающие мероприятия для показа возможностей снижения расходов теплоты на отопление и вентиляцию. Отечественная промышленность выпускала в те годы только однослойные железобетонные стеновые конструкции с внешней декоративной отделкой. Из таких железобетонных плит построено большинство жилых и общественных зданий в период 1960—1995 гг.

Толщина железобетонной стеновой панели равна 5 = 0,3 м и коэффициент теплопроводности материала X =1,51 Вт/(м-°С). По формуле (2.1), вычислив термическое сопротивление этой железобетонной панели, получим Як = 0,3/1,51 =0,198 м2-°С/Вт.

Для повышения термического сопротивления наружных стен было принято решение после сборки каркаса здания нанести методом напыления на внутреннюю поверхность наружных стен слой теплоизоляционного материала типа «Изополи» толщиной 8 = 0,04 м с коэффициентом теплопроводности X = 0,0197 Вт/(м-°С).

Материал обладает огнестойкостью и устойчивостью химического состава, не дает испарений в помещение вредных газов. Нанесенный напылением тонкий слой тепловой изоляции «Изополи» обеспечил термическое сопротивление этого слоя Диз = 0,04/0,0197 = 2,03 м2°С/Вт.

Поверхности бетонных панелей, покрытых тепловой изоляцией, одинаковы и общее термическое сопротивление теплоизолированных наружных стен в этом административном здании по формуле (2.2) составило:

Як.из = + *из = 0,198 +203 = 2228 М2-°С/Вт.

Если бы в построенном административном здании наружные стены сохранились в первоначальном виде заводского изготовления, то коэффициент термического сопротивления по формуле (2.3) составил: Я0 = 1/8,7 + 0,198 + 1/23 = 0,356 м2°С/Вт.

Поверхность наружных стен этого административного здания /’= 4180 м2, трансмиссионные тепловые потоки через них по формуле (2.4) составили бы:

п - 4180(20 + 26) _ ^

*?т.пот.тр 0 КГ)А*

Коэффициент термического сопротивления изолированной наружной стены по формуле (2.3) составил:

Я = 1/8,7 +2,228 + 1/23 = 2,386 м2-°С/Вт.

V-/ • ж Ю

Вычислим трансмиссионные теплопотоки для варианта наружной стены со слоем напыленной теплоизоляции

пот.тр

4180(20 + 26) 2,386

= 80,6 кВт.

Применение тепловой изоляции обеспечило сокращение трансмиссионных теплопотерь на величину (540 — 80,6) • 100 / 540 = = 85 %.

Опыт сооружения административного здания с тепловой изоляцией наружных ограждений показал, что трансмиссионные потери могут быть сокращены на 85 %.

С выходом Федерального Закона Российской Федерации № 28-ФЗ от 03.04.1996 г. «Об энергосбережении» в большинстве регионов России приняты местные территориальные строительные нормы теплотехнического проектирования гражданских зданий с учетом энергосбережения, так называемые ТСН. В этих нормах зафиксированы требования по увеличению приведенного термического сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций [50,51].

Так, например, для климата Московского региона приведенное сопротивление теплопередаче должно быть не менее: для стен

2,0 м2-°С/Вт, для покрытий — 3,2 м2-°С/Вт; перекрытий чердачных 3,2 м2-°С/Вт, для окон и балконных дверей — 0,6 м2-°С/Вт.

Для районов России с более суровым климатом требуемые величины приведенных термических сопротивлений наружных ограждающих конструкций должны быть увеличены [47].

Для выполнения требований по теплозащите зданий домостроительными комбинатами в России освоено производство трехслойных конструкций наружных стеновых панелей. В качестве тепловой изоляции широкое применение получили плиты типа «Rockwool» (что переводится как — «каменная шерсть»). Они изготовляются из базальтовых вулканических пород (камней) путем предварительного расплава породы при температуре 1500 °С. Из расплавленной каменной массы путем ее разлива на вращающиеся диски получают волокна, которые скручиваются и образуют жесткие плиты толщиной от 50 до 150 мм. Среди скрученных волокон удерживаются частицы воздуха, что повышает теплоизоляционные свойства материала. Плиты «Rockwool» имеют малый вес, плотность 140 кг/м3, низкую теплопроводность X = 0,036 Вт/(м-°С). Материал теплоизоляции огнестоек и может применяться для изоляции трубопроводов с высокой температурой (например, дымовых каналов). Теплоизоляция «Rockwool» производится в России (г. Железнодорожный Моек, обл.) и широко применяется в строительстве. На рис. 2.1 показано конструктивное решение тепловой изоляции железобетонных плит перекрытия здания.

Сверху на железобетонную плиту перекрытия 1 наносится слой горячего битума 2, выполняющего роль пароизоляции от проникновения влажного воздуха через перекрытие. Одновременно слой горячего битума 2является приклеивающим слоем для накладываемых на него теплоизоляционных плит 3. Сверху теплоизоляционных плит 3 наносится слой проклеивающего гидроизоляционного состава 4, на который наносится из рулона слой гидроизоляционного ковра 5.

Наличие слоя теплоизоляции 3 толщиной до 150 мм позволяет выполнить требования СНиП [47] и увеличить термическое со-

  • 5-
  • 4"-'"' 3

дл/итг

2-

,

Рис. 2.1. Устройство кровельного покрытия со слоем теплоизоляции из плит «Rockwool» по железобетонному основанию.

1 - несущая железобетонная плита; 2 - проклейка поверхности горячим битумом, выполняющим роль пароизоляции; 3 - теплоизоляционные плиты «Rockwool»; 4 - слой приклеивающего гидроизоляционного состава; 5 - гидроизоляционный ковер из рулонных наплавляемых материалов

противление перекрытия в климате Москвы до нормируемой величины Rncp = 3,2 м2-°С/Вт.

При строительстве промышленных и общественных зданий (например, торгово-развлекательных центров) для устройства стен используются навесные панели типа «Сэндвич». Зазор между двумя профилированными листами из тонколистовой стали толщиной 0,5 мм, поверхность которых защищена пластмассовым покрытием, заполняется теплоизоляционным слоем из пенополиуретана. Толщина тепловой изоляции из пенополиуретана может быть от 50 до 150 мм, что изменяет термическое сопротивление панели «Сэндвич» от 2,5 до 7,6 м2-°С/Вт.

Монтаж панелей «Сэндвич» происходит легко, с малыми трудозатратами, так как они имеют ширину 900 мм и длину до 1200 мм. Удельная масса панелей 14 кг/м2, что в сотни раз легче железобетонных плит. Плотность швов между собранными панелями обеспечивается резиновыми прокладками и швозаделочным герметиком типа «Макрофлекс».

При реконструкции пятиэтажных зданий массовой постройки 60-х годов прошлого века используется метод нанесения изоляционных плит из полистирола или минеральной ваты. В Московской области имеется положительный опыт значительного сокращения теплопотерь здания благодаря нанесению на наружную поверхность стены слоя теплоизоляции и декоративной отделки.

На рис. 2.2 показаны конструктивные решения наружных стен без изоляции (а) и с теплоизоляцией (б) толщиной 75 мм. Кроме этого, показаны графики изменения температуры по глубине строительных конструкций.

Стена из щелевых керамических блоков 1 имеет значительные трансмиссионные теплопотери (рис. 2.2, а). Внутри кирпичной кладки 1 отмечается низкая температура — около 0 °С. Это может приводить к тому, что проникающий в кирпичную кладку влаж-

1

Рис. 2.2. Теплоизоляция наружных стен существующих зданий 1 - наружная стена из щелевых кирпичных блоков; 2- теплоизоляционная плита из полистирола; 3 - замковые соединения соседних плит; 4 - сетка для нанесения отделочного материала (штукатурки); 5 - штукатурка; 6 - слой наружной силикатной краски

ный воздух будет конденсировать содержащиеся в нем водяные пары с образованием влаги, которая будет замерзать при низких температурах наружного воздуха. Замерзание воды внутри строительных конструкций вызывает их быстрое разрушение.

Кроме этого, при температурах наружного воздуха, близких к О °С, влага может проникать на внутреннюю поверхность стены, которая становится мокрой.

Это приводит к разрушению отделочного слоя на внутренней стене, ухудшает внешний вид, и мокрая поверхность стен дискомфортна для человека.

Значительное (до 10 раз) снижение трансмиссионных теплопо-терь через стены достигается креплением на кирпичных блоках 1 с помощью специальных дюбелей изоляционных плит 2 из полистирола. Плиты на торцах имеют замковые окончания 3, что позволяет создать плотное примыкание между ними при креплении на поверхности стен. К теполоизоляционным плитам 2 прикрепляется сетка 4 для нанесения штукатурного раствора 5. Поверхность штукатурного раствора 5 покрывается влагоустойчивой силикатной декоративной краской 6.

На рис. 2.2, б видно, что температура материала, близкая к 0 °С, имеет место по сечению теплоизолирующих плит, которые не пропускают влагу, и нет опасности ее замерзания внутри строительных материалов. На внутренней поверхности стен устанавливается более высокая температура (+18,4 °С) по сравнению с температурой (+13,4 °С) на внутренней поверхности стены без тепловой изоляции (рис. 2.2, а). Поддержание на внутренней поверхности стены температуры 18,4 °С, близкой к температуре внутреннего воздуха +20 °С, обеспечивает ощущение людьми теплового комфорта в помещении.

В г. Лыткарино Московской обл. реконструкция пятиэтажных зданий проводилась без отселения жильцов. На плоской крыше устанавливался металлический каркас, который позволял, помимо нанесения тепловой изоляции на наружные стены, строить дополнительные жилые помещения на надстраиваемых верхних этажах. Продажа этой дополнительной жилой площади полностью окупила стоимость работ по увеличению теплозащитных свойств наружных ограждений здания. Одновременно достигаемое значительное сокращение расхода теплоты на систему отопления здания позволило понизить оплату жильцами за услуги отопления. На вводе горячей воды в каждое реконструированное здание устанавливались счетчики расхода теплоты жильцами, обязательное применение которых требуется законом № 28-ФЗ «Об энергосбережении». По конкретным замерам расхода теплоты производилась оплата теплоснабжающим организациям.

Вторым источником повышенных теплопотерь являются применявшиеся в строительстве 60—95-х годов окна и балконные двери. С целью снижения теплопотерь через окна и балконные двери домостроительными комбинатами с 1996 г. изготовляются новые конструкции окон.

Термозащищенные наружные трехслойные панели с проемами непосредственно после выемки из опалубки на заводе-изготови-теле заполняются окнами и балконными дверьми новой конструкции. Окна и балконные двери делаются с деревянными или пластмассовыми рамами, в которых герметично крепятся стеклопакеты с двойным остеклением.

На рис. 2.3 показана современная теплозащитная конструкция окна. Деревянная коробка / вставляется на заводе-изготовителе в отверстие, предусмотренное при изготовлении трехслойной наружной панели. Для повышения герметичности пространство между оконной или дверной коробкой 1 и отверстиями в трехслойной панели заполняется вспенивающимся составом (пеной) в сочетании с герметизирующими мастиками.

Оконные рамы 2 по периметру прилегания к коробке / имеют профильные резиновые прокладки 3. Для уплотнения установки в раму 2 пакета двойного 4 и одинарного 5 остекления служат крепежные прижимные накладки 6.

По сравнению с прежде применявшимися конструкциями окон термическое сопротивление новых конструкций окон увеличено в два раза, до требуемого по нормам [47] /?ок = 0,6 м2-°С/Вт.

  • 2
  • 5
  • 2
Теплозащитная конструкция окон

Рис. 2.3. Теплозащитная конструкция окон

1 - деревянная коробка, герметично закрепляемая в проеме трехслойной наружной панели; 2 - деревянная рама; 3 - профильные резиновые прокладки для обеспечения герметичного прилегания рамы к коробке; 4 - стеклопакет с двойным остеклением; 5 - стеклопакет с одинарным остеклением; 6 - прижимные крепежные накладки

Сопротивление воздухопроницанию ограждений

В холодный период года воздух в помещении при /в = +20 °С и комфортной относительной влажности ф = 30 % имеет массовую плотность рв = 1,2 кг/ м3. В расчетных условиях холодного периода года в климате Москвы при температуре /нх = —26 °С и относительной влажности фнх = 90 % массовая плотность наружного воздуха значительно больше — рнх = 1,45 кг/м3. Между двух сторон ограждающих конструкций здания образуется перепад давлений, обусловленный разностью массовых плотностей холодного наружного и теплого внутреннего воздуха. Через неплотности в строительных конструкциях под воздействием разности плотностей (рнх — рв) происходит движение наружного воздуха в помещение. Набегающий снаружи ветер также увеличивает давление холодного воздуха на ограждение.

При наличии неплотностей в наружных ограждениях большее давление холодного воздушного потока приведет к нерегулируемому поступлению холодного воздуха внутрь помещения. Такое неорганизованное поступление наружного воздуха в помещение называют инфильтрацией.

С заветренной стороны здания под воздействием потоков ветра может создаваться разрежение у наружных стен и через неплотности внутренний воздух будет выходить наружу. Такой неорганизованный выход наружу внутреннего воздуха через неплотности в наружных ограждениях называют эксфильтрацией.

Процесс обмена внутреннего воздуха с наружной средой и соседними помещениями называют воздушным режимом здания.

В каждом здании существуют помещения, где сосредоточены выделения вредных для здоровья людей газов, паров и испарений. В жилых домах такими помещениями являются кухня, санузел, ванная и постирочная комнаты. При приготовлении пищи на газовых плитах выделяются вредные продукты горения газа, испарения от приготовляемой пищи, запахи, избыточная теплота. Все эти выделения в жилых домах традиционно удаляются естественной вытяжкой. Конструктивно местная вытяжка устраивается в форме вытяжного отверстия под потолком помещения кухни и это отверстие соединено с вертикальным каналом, заканчивающимся вытяжной шахтой над крышей здания.

Аналогичные вытяжные отверстия, соединенные со своим вытяжным каналом, устраиваются в санузлах, ванных комнатах, по-стирочных.

Перемещение загазованного и отепленного воздуха из мест вытяжки происходит под воздействием разности массовых плотностей холодного наружного и теплого вытяжного воздуха.

Движущая энергия естественной вытяжной вентиляции (гравитационная тяга) вычисляется по формуле:

/>= Я (рн - рв) #, Па, (2.8)

где Н— расстояние от вытяжной решетки до среза вытяжной шахты, м; ? = 9,8 м/с2 — ускорение силы тяжести.

На рис. 2.4 представлена схема естественной канальной вытяжной вентиляции из кухонь квартир в многоэтажном жилом здании. В один вертикальный сборный канал /с помощью попутчиков 2, минимальная длина которых должна быть не менее 2 м, присоединены вытяжные отверстия 3 из кухонь квартир на этажах. Применение попутчиков 2 для присоединения вытяжных отверстий 3 к общему сборному каналу /объясняется требованиями пожарной безопасности для препятствия распространению дыма по каналу 1 из горящей квартиры в нижележащих этажах.

Используем данные на рис. 2.4 для определения по формуле

(2.8) располагаемого давления для движения вытяжного воздуха из кухонь первого и последнего этажей. На вытяжку из кухонь поступает воздух с температурой / = 24 °С и влажностью ср = = 40 %, что отвечает массовой плотности р = 1,18 кг/м3.

В прежних конструкциях окон с наличием щелей между коробкой и рамой основным местом поступления (инфильтрации) наружного воздуха являлись недостаточно герметичные окна. Через щели в окнах в помещения поступал холодный наружный воздух, подогрев которого до комнатной температуры +20 °С возлагался на отопительные приборы в помещении.

Для рассматриваемой на рис. 2.4 схемы параметры наружного воздуха примем для Москвы: ^ х = —26 °С, рн х = 1,45 кг/м3.

Для вытяжки из кухни первого этажа по формуле (2.8) получим:

РрасЛ = 27,5 (1,45 - 1,18) 9,8 = 72,77 Па.

*у> Ру

Схема естественной канальной вытяжной вентиляции их кухонь квартир многоэтажного жилого дома

Рис. 2.4. Схема естественной канальной вытяжной вентиляции их кухонь квартир многоэтажного жилого дома

1 - сборный вытяжной канал; 2 - попутчики для предотвращения попадания дыма при пожаре; 3 - вытяжные отверстия из кухни; 4 - окно; 5 - вытяжная шахта

Для вытяжки из кухни последнего этажа получим: Р 10 = = 1 (1,45 - 1,18) 9,8 = 2,65 Па.

Приведенный расчет показывает, что в холодный период года движущая энергия для естественной вытяжки из помещений первого этажа в 72,77/2,65 = 27,5 раза больше по сравнению с последним этажом. При наличии в здании недостаточно герметичных окон, балконных дверей и дверей в лестничной клетке приводит к значительно большему поступлению в квартиры первых этажей холодного наружного воздуха. Этим объясняется переохлаждение помещений на первых этажах.

В санузлах и ванных комнатах вытяжки подводятся к общему для этих помещений сборному вертикальному каналу с устройством воздуховодов-попутчиков. Организация вытяжки из этих помещений одновременно с вытяжкой из кухни еще больше увеличивает нагрузку на отопительные приборы помещений, в которые инфильтрацией поступает холодный приточный воздух.

Применение за последние годы в строительстве новых герметичных конструкций окон, балконных дверей и дверей на лестничной площадке привело к неудовлетворительной работе естественных вытяжных систем. Отсутствие неорганизованной инфильтрации наружного воздуха через неплотности в строительных конструкциях понизило нагрузки на отопительные системы, но создало в помещениях неблагоприятные санитарно-гигиенические качества внутреннего воздуха.

Из синтетических и отделочных материалов в комнаты постоянно выделяются вредные газы и запахи. Для их удаления необходимо постоянное поступление в обитаемые помещения свежего наружного воздуха и удаление вытяжной вентиляцией вредностей, образующихся от жизнедеятельности людей, выделений вредных газов от оборудования и строительных материалов.

По требованиям СНиП [46] в обитаемые помещения площадью Ро6ит, м2, должно поступать приточного наружного воздуха 3 м3/ч на 1 м2:

А,.„ = 3 м3/ч. (2.9)

Для сохранения стабильности воздушного режима в квартире и в помещении количество приточного наружного воздуха Ьи н должно быть примерно равно количеству удаляемого вытяжными системами загазованного воздуха Ьу:

?п „ “ 1у, м3/ч. (2.10)

Для выполнения этого требования в современных домах с герметичными окнами предлагается в оконной коробке устраивать регулируемые щели для поступления наружного воздуха. По мнению автора, метод применения в окнах для приточной вентиляции регулируемых щелей имеет серьезный недостаток, так как не обеспечивает снижения тепловой нагрузки на системы отопления. Выше, в разделе 2.1 в расчете по формуле (2.6) показано, что в современных теплозащищенных зданиях потребная тепловая мощность для нагрева санитарной нормы приточного наружного воздуха составляет 81 % требуемой мощности отопительного прибора. Поэтому организованное поступление приточного наружного воздуха через регулируемые щели в оконной коробке не решает важнейшего вопроса — снижения расходов тепловой энергии на круглогодовое функционирование зданий.

Наиболее энергетически рациональный путь обеспечения устойчивого воздушного режима в здании показан на вышеприведенном примере административного здания Совета Федерации в Москве. Принципиальная схема приточно-вытяжной механической вентиляции с утилизацией теплоты вытяжного воздуха на нагрев приточного наружного воздуха показана на рис. 2.5.

В подвале здания смонтированы приточные агрегаты /, имеющие аппараты для круглогодового приготовления приточного наружного воздуха Ьп н, забираемого через шахту, выведенную во внутреннем дворе на высоту 6 м. На плоском перекрытии здания смонтированы вытяжные агрегаты //, в каждый из которых поступает отепленный загазованный воздух из определенного вытяжного канала: из санузлов; из верхней зоны залов заседаний; из кухни в столовой.

Приточный Lu н и вытяжной (удаляемый) Ly воздух забираются через воздушные клапаны 1 и первоначально очищаются в фильтрах 2. Вытяжной воздух зимой имеет среднюю температуру /у1 = +25 °С. Приточный наружный воздух в расчетных условиях холодного периода года имеет температуру tHX = /н1 = —26 °С.

В вытяжном агрегате II после фильтра 2 расположен теплообменник 4, по трубкам которого от работы насоса 6 проходит незамерзающая жидкость — антифриз. После фильтра 2 в приточном агрегате / установлен теплообменник 3, по трубкам которого проходит от работы насоса 6 антифриз.

Через стенки оребренных трубок теплообменника 3 холод наружного приточного воздуха Ln н передается на охлаждение антифриза до температуры /аф2 = —4 °С. По соединительным трубопроводам 5от работы насоса 6 охлажденный антифриз поступает противотоком в оребренные трубки теплообменника 4, где антифриз нагревается до температуры /аф1 = +4 °С теплотой, отводимой из вытяжного воздуха Ly. Между теплообменниками 3 и 4 в установившемся режиме сохраняется следующий баланс теплообмена.

2 4 II

^?у ^у2’ ^у2 12

11

Рис. 2.5. Схемы приточного I и вытяжного II агрегатов по энергосберегающей технологии приготовления приточного наружного воздуха

1 - многостворчатый воздушный клапан с ручным или автоматическим приводом; 2 - фильтр для очистки воздуха; 3 - теплоотдающий теплообменник; 4 -теплоизвлекающий теплообменник; 5 - соединительные трубопроводы; 6 - насос циркуляции промежуточного теплоносителя-антифриза; 7 - герметичный расширительный сосуд; 8 - калорифер подогрева от подачи в трубки горячей воды; 9 - приточный вентилятор; 10 - патрубок для присоединения приточного воздуховода; 11- вытяжной вентилятор; 12 - патрубок присоединения воздуховода выброса воздуха; 13 - блок адиабатного увлажнения воздуха

В теплообменнике 4 количество извлекаемой теплоты из вытяжного воздуха определится по уравнению:

бг.у = Ьу Ру (/у, - У = Саф Саф ('аф! “ 'аф2>’ кД*/4- <2- П>

где Ьу — расход удаляемого внутреннего воздуха, м3/ч; /у1 и /у2 — соответственно энтальпии (теплосодержания) удаляемого воздуха до и после теплоизвлекающего теплообменника 4, кДж/кг; ру — средняя массовая плотность удаляемого воздуха, кг/м3; (7аф — массовый расход антифриза, кг/ч; саф — теплоемкость антифриза кДж/(кг-°С); /аф] и /аф2 — соответственно температура антифриза на выходе и входе в теплоотдающий теплообменник 4, °С.

В теплообменнике 3 количество переданной на нагрев приточного наружного воздуха утилизированной теплоты из вытяжного воздуха определится по уравнению:

От.п.н.у = У„ Р„.„ ер ('„2 - '„!> = Чф саф <4ф 1 - 'аф2>> ><ДЖ/4. <212) где Ьп н — расход приточного наружного воздуха, м3/ч; рп н — средняя массовая плотность приточного наружного воздуха, кг/м3; ср — теплоемкость приточного наружного воздуха, кДж/кг-°С; /н2, /н1 — температуры приточного наружного воздуха после и до теплоотдающего теплообменника 3, °С.

В условиях установившегося теплового режима правые части уравнения (2.11) и (2.12) равны и соответственно равны и левые части, следовательно:

От.у = От,,, = 1у Ру <7у| - 7у2> = 7„ „ Рп.н ср (?Н2 -'н|)> КДЖ/Ц- <2|3>

При охлаждении вытяжного воздуха с высокой влажностью в теплоизвлекающем теплообменнике 4 происходит процесс охлаждения с одновременной конденсацией влаги из вытяжного воздуха. Показатель энтальпии влажного воздуха / одновременно оценивает содержащуюся в воздухе явную теплоту, зависящую от величины температуры воздуха, и скрытую теплоту (теплота парообразования), зависящую от содержания во влажном воздухе водяных паров. Поэтому в процессе охлаждения и осушения воздуха в теплообменнике 4 до минимально допустимой температуры /у2 = +4 °С к антифризу передается больше теплоты, чем в процессе охлаждения только при снижении температуры удаляемого воздуха до /у2 = +4 °С, но без конденсации из вытяжного воздуха влаги.

Обычно вытяжной воздух в жилых зданиях забирается из кухни, ванной, постирочной, где от бытовых влаговыделений повышается влагосодержание воздуха. Поэтому процесс его охлаждения в теплообменнике 4 протекает с обильной конденсацией влаги. Для избежания замерзания выпадающей на поверхности оребренных трубок теплообменника 4 влаги расчет режимов утилизации рекомендуется проводить при достижении ^2 > +4 °С и ограничении охлаждения антифриза в трубах теплообменника 3 не ниже /аф2 > —4 °С.

Применение в приточно-вытяжных системах установок утилизации позволяет до 60 % сократить расход теплоты на нагрев приточного наружного воздуха.

Работа организованной приточно-вытяжной вентиляции создает устойчивый воздушный режим в помещениях, отвечающий условию (2.10).

Тепловлажностный режим ограждений

Тепловлажностный режим помещений зависит от температуры и влажности воздуха и материала строительных конструкций.

Параметры влажного воздуха удобно оценивать с помощью 1-с1-диаграммы профессора Л.К. Рамзина. На рис. 2.6 показан внешний вид диаграммы, а на рис. 2.7 — нахождение параметров, определяющих состояние влажного воздуха в точке В.

Уровень нагретости воздуха характеризуется его температурой /в в градусах Цельсия (°С). Степень насыщения воздуха водяными парами характеризуется показателем относительной влажности срв. Количество водяных паров в воздухе характеризуется показателем влагосодержания <7в, г/кг. Сумма теплоты нагретости воздуха и водяных паров характеризуется показателем энтальпии /в, кДж/кг. Если влажный воздух охлаждать при постоянном влагосодержании, то при достижении определенной температуры воздух становится полностью насыщенным. Температура, отвечающая такому состоянию, называется температурой точки росы /в , °С.

При снижении температуры насыщенного воздуха ниже точки росы / , °С из воздуха начнет конденсироваться влага. Если влажный воздух находится в строительном материале и охлаждается теплопроводностью ниже точки росы / , то из воздуха в материал будет конденсироваться влага. Присутствие влаги в материале увеличивает теплопроводность материала, что в наружных ограждениях будет приводить к возрастанию трансмиссионных теплопотерь.

Если температура влажного материала становится ниже О °С, то влага в материале замерзнет. Замерзание влаги в строительном материале приводит к его разрушению, намоканию внутренних стен, повреждению внутренней отделки.

При расчете принятой структуры ограждающих конструкций необходимо проверить температуру материала /м на отсутствие конденсации на его внутренней поверхности:

(2.14)

t > ^ ,°С

м в.р’

Температура материала tы должна быть выше температуры точки росы / находящегося в материале влажного воздуха. При анализе качества конструкций наружных стен по рис. 2.2 отмечено, что повышение термического сопротивления их путем включения дополнительных теплоизоляционных устройств обеспечивает выполнение условия (2.14).

В разделе 2.1 проведен анализ влияния теплотехнических качеств ограждающих конструкций на формирование теплового режима в отапливаемом помещении. Для формирования комфортных температурных условий необходимо обеспечивать температуру на поверхности строительных конструкций близкой к комфортной температуре воздуха ^ = +20 °С.

Внешний вид /-с/-диаграммы проф. Л.К. Рамзина

Рис. 2.6. Внешний вид /-с/-диаграммы проф. Л.К. Рамзина

Исследованиями установлено, что изменение температуры в каждом слое многослойного ограждения пропорционально термическому сопротивлению рассматриваемого слоя. Перепад между температурами воздуха в обитаемой зоне /в и температурой на внутренней поверхности ограждения тв выражается соотношением:

В

  • *0
  • (2.15)

Термическое сопротивление на внутренней поверхности стены может быть найдено из выражения:

(2.16)

/, кДж/кг1

Нахождение на /-с/-диаграмме параметров влажного воздуха ^ - температура, °С; с/ - влагосодержание, г/кг; ф - степень насыщения воздуха водяными парами, %

Рис. 2.7. Нахождение на /-с/-диаграмме параметров влажного воздуха ^ - температура, °С; с/в - влагосодержание, г/кг; фв - степень насыщения воздуха водяными парами, %; <р = 100 % - полностью насыщенный водяными парами воздух; /в - энтальпия воздуха, кДж/кг; ? - температура точки росы влажного

воздуха, °С; ?м = 0 °С - температура строительного материала при 0 °С, когда замерзает вода

Яв=—, м2 °С/Вт.

Коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности стены к воздуху ав может быть принят 8,7 Вт/(м2-°С). Тогда по формуле

(2.16) получим Я = 1/8,7 = 0,115 м2-°С/Вт.

Из соотношения (2.15) можем получить выражение для вычисления температуры на внутренней поверхности наружных ограждении:

°С.

(2.17)

«о

Общее термическое сопротивление наружного ограждения вычисляется по формуле (2.3). В разделе 2.1 для трехслойной стеновой утепленной панели вычислено сопротивление Ко= 1,96 м2-°С/Вт. Наиболее низкие температуры на внутренней поверхности наружных ограждений будут наблюдаться в расчетных условиях низких температур наружного воздуха, которые для климата Москвы — tн х = —26 °С. Используем эти данные для вычисления по формуле (2.17) температуры на внутренней поверхности трехслойной утепленной наружной стены:

= 20_ОЛ15(2о + 26) = 17,3 °С. в 1,96

Для комфортного самочувствия в помещении в зимний период года температура воздуха в обитаемой зоне (где находятся люди) должна быть 1в = +20 °С, что определяет первое условие комфортности.

Второе условие комфортности теплового состояния человеческого организма определяется радиационным теплообменом поверхности тела человека с внутренними поверхностями строительных конструкций.

В зимний период времени комфортное самочувствие сохраняется при температуре внутренних поверхностей строительных конструкций не ниже тв > 16 °С.

Для нахождения температуры материала 1х в любой точке х по глубине строительной конструкции используется выражение:

"С. (2.18)

В выражении (2.18) термическое сопротивление /^х вычисляется по слоям в строительной конструкции от внутренней поверхности ограждения до рассматриваемого сечения х в толще ограждения. Расчетами по выражению (2.18) находится положение сечения с температурой материала О °С, при которой может замерзать влага. На рис. 2.2 показано, что применение теплоизоляционных влагонепроницаемых плит в наружных стенах смещает температуру О °С в сторону слоев к наружному воздуху и предохраняет от замерзания влаги в слоях наружных стен, прилегающих к внутренней поверхности.

Расчет требуемой тепловой мощности систем отопления

Расчет требуемой мощности системы отопления здания начинается с нахождения величины теплового потока на покрытие трансмиссионных теплопотерь 10т поттр, Вт, методика определения которых изложена в разделе 2.1.

Вторым важнейшим составляющим расходов тепловой мощности на системы отопления является определение расходов ее на подогрев приточного наружного воздуха, поступающего в помещение здания от неорганизованной инфильтрации через неплотности в строительных конструкциях. В справочной литературе приведены величины коэффициентов воздухопроницаемости Ки и методики расчета поступающего в помещения приточного наружного воздуха. В нормах [46] оговорено, что неорганизованное поступление наружного воздуха должно быть не менее санитарных норм, что подробно рассмотрено в разделе 2.1 для жилых и административных зданий.

Применение в последние годы в строительстве окон повышенной герметичности практически устранило инфильтрацию наружного воздуха, что значительно ухудшило качество воздушной среды в жилых помещениях.

Применение регулируемых щелевых отверстий в оконных коробках позволяет выполнить санитарные требования по поступлению в помещения санитарной нормы наружного воздуха.

По выражению (2.6) вычисляется расход теплоты на нагрев приточного наружного воздуха до комнатной температуры ^ = +20 °С. Эти затраты теплоты Е(9т пн также входят в расчет требуемой тепловой мощности систем отопления.

В бытовых и служебных помещениях имеются тепловыделения Е(2ТПыд» которые снижают требуемую мощность системы отопления.

По результатам проведенных расчетов определяется требуемая тепловая мощность системы отопления здания:

от.зд

т.пот.тр.

+ 1 о -10

^Т.ПН ^

Т.ВЫД

Вт.

(2.19)

При применении в здании организованной приточно-вытяжной вентиляции с установкой в приточных и вытяжных агрегатах устройств утилизации теплоты вытяжного воздуха для нагрева приточного наружного воздуха (см. схему на рис. 2.5) затраты теплоты на подогрев подаваемого в помещения суммарного (по санитарной норме) количества наружного воздуха ??пн сокращается на величину:

  • 10 = р с и — / .) / 3,6, Вт.
  • (2.20)

^т.п.н.у п.н ^п.н р 4 н2 н!7 ' 5 5

В случае использования методов энергосбережения требуемая тепловая мощность системы отопления определяется по уравнению:

IО = 10 +10

^т.от.зд ^т.пот. тр ^

т.п.н

Щ.выд ?бгл.нг ^Т' (2-21)

Методика расчета количества утилизируемой теплоты вытяжного воздуха на нагрев приточного наружного воздуха Х(2тпну подробно излагается в главе 3.

Контрольные вопросы

  • 1. Каким показателем определяется способность строительных конструкций проводить теплоту?
  • 2. Как определяется термическое сопротивление многослойных строительных конструкций?
  • 3. По какой формуле определяются трансмиссионные тепло-потери через наружные ограждения здания?
  • 4. Каким уравнением определяются расходы теплоты на нагрев инфильтрационного воздуха?
  • 5. Какова санитарная норма подачи приточного наружного воздуха в жилые помещения?
  • 6. Какова санитарная норма подачи приточного наружного воздуха в административное служебное помещение?
  • 7. Как обеспечивается повышение термического сопротивления ограждающих конструкций здания?
  • 8. Чем характеризуются современные ограждающие конструкции здания?
  • 9. Приведите примеры современных ограждающих конструкций здания.
  • 10. Как отразилось на тепловлажностном режиме жилых помещений применение современных герметичных окон?
  • 11. Какими показателями определяется движущая сила в системах естественной вентиляции?
  • 12. Чем определяется стабильность воздушного режима помещения?
  • 13. Каким способом достигается значительное сокращение расхода теплоты от центральных источников теплоснабжения, требуемой для нагрева санитарной нормы приточного наружного воздуха?
  • 14. Какие составляющие определяют требуемую тепловую мощность системы отопления здания?

КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДОВ ОТОПЛЕНИЯ

Конструктивные особенности отопительных печей

На рис. 3.1 представлена конструктивная схема комнатной отопительной печи.

На фундаменте 1 производится кладка кирпичей конструкции комнатной отопительной печи. Над полом дотапливаемого поме-

Конструкция комнатной отопительной печи

Рис. 3.1. Конструкция комнатной отопительной печи

1 - фундамент в земле; 2 - пол квартиры; 3 - топливник печи; 4 - чугунная решетка; 5 - канал поступления воздуха для горения топлива; 6 - дверца регулирования поступления воздуха в топливник печи; 7 - дверка топливника для загрузки дров; 8 - заслонка регулирования выброса дымовых газов; 9 - многоходовые каналы в кирпичной кладке печи для прохода горячих дымовых газов; 10 -вертикальный канал в кирпичной кладке, заканчивающийся дымовой трубой над крышей дома; 11 - предохранительный металлический лист

щения в кирпичной кладке устраивается топливник 3, нижняя часть которого имеет чугунную решетку 4, располагаемую над каналом 5 поступления воздуха, необходимого для горения топлива.

Канал 5 имеет регулируемую дверцу 6, степенью открытия которой регулируется поступление воздуха к топливнику 3 и соответственно процесс горения топлива (обычно дров и реже — каменного угля). Часто канал 5 с регулируемой дверцей 6 называют «поддувалом».

Через дверку 7топливник загружается дровами и средствами ускорения начала горения дров. Такими средствами наиболее часто являются березовая кора и тонко отщипанные сухие полоски дерева (лучина). Для создания тяги и протекания процесса горения открывается заслонка 8, которая устанавливается в конце многоходовых кирпичных каналов (газоходов) на вертикальном канале 10, соединенном с вертикальной дымовой трубой (на рис. 3.1 не показана).

При сгорании в топливнике 3 дров дверца 6 в поддувальном канале открыта и через нее поступает внутренний воздух.

Для пожарной безопасности пол 2 перед топливником 3 покрывается металлическим листом 11. Он предохраняет пол от возгорания при случайном выпадении из топливника и поддувала горящих частей дров, угля и шлака. Для сжигания 1 кг сухих дров требуется подавать в топливник 6,9—7,2 м3 воздуха, при сжигании каменного угля и антрацита 16,8—18 м3, природного газа 18—19,5 м3.

При сгорании дров образуются дымовые газы в объеме, вычисляемом по формуле:

4.г = 40 + -^), м3/кг, (3.1)

где Тв — расход воздуха для сгорания 1 кг сухих дров (7,2 м3/кг); 1 г — средняя температура дымовых газов в подъемном кирпичном канале печи, °С; — температурный коэффициент объем

ного расширения газов, °С~1.

При горении дров средняя температура дымовых газов вычисляется по формуле:

/д>г = 565 — (т — 2)100, °С, (3.2)

где т — кратность объема впускаемого через поддувало в топливник воздуха; обычно т = 2.

Тогда по формуле (3.2) получим:

/д г = 565 — (2 — 2) 100 = 565 °С.

Высокая температура дымовых газов требует применения кладки стен дымоходов 9 и 10 значительной толщины. Это обеспечивает накопление в материале кирпичей значительного количества теплоты и получение на поверхности печи температуры не выше 40 °С, что предохраняет от ожогов. Значительная протяженность внутренних дымоходов 9 в печи и большая масса кирпичной кладки печи позволяют накапливать в ней значительные количества теплоты.

В жилых квартирах топка печи проводится обычно в вечернее время. За 3 ч в кладке печи накапливается такое количество теплоты, которого хватает для поддержания в помещении температуры воздуха не ниже +18 °С до следующей топки.

После окончания топки, о чем судят по отсутствию огней на головешках, заслонкой 8 перекрывают канал 10. Это позволяет более длительное время удерживать теплоту, аккумулированную в кирпичной кладке печи. Выбор времени закрытия заслонки

В суровую зиму декабря 2002 г. имели место случаи прорыва теплотрасс в ряде городов и поселков России. Для временного обеспечения теплотой жильцов на период проведения ремонтных работ в квартирах устанавливались комнатные металлические печи, а металлические дымоходы от них выводились через форточки наружу. Такие печи (называемые в народе «буржуйками») не обладают хорошими теплоаккумуляционными качествами, в силу чего по окончании топки они быстро остывают. Для длительного отопления они требуют непрерывной длительной топки, как правило, с большим расходом топлива. Кроме того, из-за высокой температуры раскаленных металлических поверхностей (свыше 500 °С) они представляют собой источник высокой пожарной опасности и поэтому требуют постоянного наблюдения.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >