Теплоустойчивость помещений

Каждое помещение в здании имеет несколько видов ограждающих конструкций.

Кроме наружных ограждений, например, внешних стен, окон или других остекленных поверхностей, бесчердачных покрытий, чердачных перекрытий и полов, основанных на грунте, имеются внутренние конструкции, т. е. перегородки и внутренние несущие стены, полы, основанные на междуэтажных перекрытиях и т. д. Каждое из этих ограждений оказывает свое влияние на распределение и колебания температур в отапливаемых помещениях. Резкие колебания температуры помещений в течение суток нежелательны в гигиеническом отношении; при проектировании здания такие колебания могут быть ограничены путем улучшения теплофизических свойств ограждений, в целях придания помещениям необходимой теплоустойчивости.

Под теплоустойчивостью помещения понимается его свойство сохранять относительное постоянство температуры при колебаниях внешних тепловых воздействий или теплоотдачи отопительных приборов. Чем меньше колебания температуры воздуха в помещении, тем более оно теплоустойчиво.

Меньшие колебания температуры воздуха отмечаются в помещениях, где площадь внутренних ограждающих конструкций сравнительно велика, а площадь наружных относительно мала.

Наоборот, из практики эксплуатации зданий известно, что угловые помещения и вообще помещения с относительно большой площадью наружных ограждений отличаются значительными колебаниями температуры внутреннего воздуха как в летнее время года (при периодическом облучении солнцем), так и в зимнее (при колебаниях теплоотдачи отопительных приборов).

Колебания температуры внутреннего воздуха неблагоприятно отражаются на самочувствии человека. В качестве допустимых наибольших пределов таких колебаний в зимнее время года нормы устанавливают их амплитуду A_t=±1,5° при центральных отопительных системах и A_t=±3° — при печном отоплении.

В летнее время года для помещений с отсутствием кондиционирования воздуха может быть принята A_t=±2°.

Эти допустимые наибольшие величины амплитуд температурных колебаний в дальнейшем будут все более уменьшаться по мере применения в массовом строительстве более совершенных конструкций, а также систем отопления и охлаждения воздуха в зданиях.

Величина амплитуды колебаний температуры зависит от изменения потока тепла, поступающего в помещение. В холодный период года этот поток выражается теплом, отдаваемым отопительными приборами, а в жаркий — теплом солнечных лучей и наружного воздуха, периодически проходящим через прозрачные и глухие ограждающие конструкции.

Амплитуда колебаний потока тепла может быть выражена в зависимости от среднего количества тепла Q_ср, поступающего в помещение:

где ? представляет величину так называемого коэффициента неравномерности поступления тепла в помещение.

Среднее значение общего потока тепла через все наружные ограждения помещения может быть представлено в следующем виде:

где A_t — перепад температур между внутренним и наружным воздухом, град; ?Fн — сумма площадей наружных ограждений помещения, м²; R_о^ср — средняя приведенная величина сопротивления теплопередаче наружных ограждений помещения, определяемая в соответствии с формулой (IV.3), град·м²·ч/ккал.

Иначе говоря, стационарный тепловой поток, проходящий через все наружные ограждения помещения в холодный период года — есть ни что иное, как средние часовые тепловые потери, а в теплый — осредненный приток тепла в это помещение.

Подставляя формулу (V.17) в формулу (V.16), имеем:

Из теории теплоустойчивости известно, что амплитуда колебаний температур на внутренней поверхности наружного ограждения A_{t в.п} равна отношению амплитуды колебаний теплового потока A_Q к коэффициенту теплоусвоения Y_в внутренней поверхности этого ограждения, т. е.

Такое выражение вытекает из самого понятия коэффициента теплоусвоения (V.1), однако

Таким образом, амплитуду колебаний теплового потока можно представить как разность двух тепловых потоков, один из которых идет на нагревание воздуха помещения, а другой вызывает повышение температуры внутренней поверхности наружных ограждений.

Поскольку колебания температуры воздуха в помещении, а также колебания скорости его движения — относительно незначительны, величины коэффициентов тепловосприятия ?_в могут быть приняты неизменными как в момент наибольшего нагрева помещения, так и в момент наличия в нем средних температур.

Подставляя в выражение (V.19) значение A_{t в.п} из формулы (V.1a), имеем:

решая его относительно A_Q, получим:

— так называемый коэффициент теплопоглощения внутренней поверхности ограждения, ккал/м²·ч·град. Этот коэффициент выражает общее количество тепла, воспринимаемого поверхностью ограждения при периодических колебаниях температуры, и устанавливает взаимосвязь изменений этого количества с колеблющейся температурой воздуха помещения.

Поскольку в конкретных теплофизических расчетах значения ?_в принимаются постоянными, величины коэффициентов теплопоглощения В зависят только от тех конструктивных или утепляющих слоев ограждения, которые входят в слой резких температурных колебаний, имеющий сравнительно небольшую толщину. Например, толщина слоя резких колебаний в кирпичной кладке составляет только 0,084 м и эта величина будет одинаковой как для сплошных кирпичных стен, так и для стен с внутренней частью толщиной в V2 кирпича. Для конструкций с внутренней штукатуркой по кирпичу или фактурным слоем по легкому бетону величина В практически не зависит от толщины кирпичной кладки или бетона и остается неизменной как, например, для сплошных кирпичных стен, так и для стен, облицованных в lU кирпича. В связи с этим теплоустойчивость облегченных каменных стен с внутренней кирпичной облицовкой и применением пустот и теплоизоляционных вкладышей ничем не уступает сплошным каменным стенам. При небольшой толщине внутреннего отделочного слоя, отделенного воздушной прослойкой от стены, теплоустойчивость последней понижается.

Пример V.6. Определить коэффициент теплопоглощения при одной топке печи в сутки, ?=24, для внутренней поверхности стены из пеносиликатных камней, имеющей внутренний отделочный слой из гипсовых плиток, отделенный воздушной прослойкой (см. пример V.3).

Коэффициент теплоусвоения внутренней поверхности такой стены 524=2,69.

Коэффициент теплопоглощения составит:

При отсутствии воздушной прослойки s₂₄=3,28 и коэффициент теплопоглощения

Для окон и остекленных наружных дверей величина коэффициента теплопоглощения приближенно равна коэффициенту теплопередачи и может быть принята, например, равной

где К=1/R_o — коэффициент теплопередачи остекленного проема, ккал/м²·ч·град.

Величины коэффициентов теплопоглощения находят применение при расчете теплоустойчивости помещений.

Для всего комплекса наружных и внутренних ограждений помещения выражение (V.20) представится в таком виде:

где — сумма произведений площадей внутренней поверхности отдельных видов ограждений помещения на соответствующие этим ограждениям коэффициенты теплопоглощения.

Величина эта может быть названа теплопоглощающей способностью помещения.

Теплопоглощающая способность помещения равна амплитуде колебаний теплового потока, поглощаемого всеми ограждениями помещения, при колебаниях температуры воздуха A_t=1°

Приравнивая выражения для A_Q (18) и (20а), получим:

Решая это выражение относительно R_o^cp, получим:

и, решая относительно A_t, получим:

Формулы (V.21) и (V.22) устанавливают зависимость между величиной R_o^cp — среднего приведенного значения сопротивления теплопередаче наружных ограждений помещения и величиной колебаний температуры воздуха в этом помещении в том случае, если поступление тепла в последнее имеет периодический характер.

При выводе предыдущих формул принято, что сдвиги фаз, т. е. несовпадения во времени между колебаниями теплового потока и колебаниями температуры внутреннего воздуха, а также между колебаниями теплового потока и колебаниями температур на внутренней поверхности ограждения отсутствуют. Поскольку при сдвиге фаз увеличивается теплопоглощение поверхностей ограждений, практическое значение несовпадений последнего вида может быть учтено введением поправочного коэффициента большего единицы, например, 1,08 к величине теплопоглощающей способности помещения, выражаемой формулой (V.20a).

Непосредственное влияние на колебания температуры воздуха оказывает только та часть поступающего в помещение тепла, которая передается воздуху путем конвекции. Поскольку в формулу (V.18), выражающую поток тепла через ограждения, входит и конвекционное и лучистое тепло, отсутствие непосредственного влияния лучеиспускания на колебания температуры воздуха учитывается введением коэффициента, меньшего единицы, например, 0,8 к величине Q_ср. Кроме того, вводится поправочный коэффициент, учитывающий негармоничность теплопоступлений.

Все эти уточнения влияют на общую величину коэффициента неравномерности ? поступления тепла к поверхности ограждающих конструкций помещения. Предыдущие формулы выведены для расчета теплоустойчивости помещения в холодный период года. Однако теплоустойчивость помещений в любой период года зависит от перечисленных выше закономерностей и, в частности, от соотношения общих площадей наружных и внутренних ограждающих конструкций, т. е. от величины ?F_н/?F_в. Чем больше это соотношение, тем менее теплоустойчиво помещение.

В летний период колебания потока тепла, поступающего в помещение через его ограждения в результате периодического действия солнечных лучей и высокой температуры наружного воздуха, определяются амплитудой колебаний температуры на поверхности наружных ограждений, обращенной в помещение, а именно:

где A_tв — расчетная амплитуда колебаний суммарной наружной температуры (принимаемая для каждого вида ограждений с учетом солнечного облучения, в соответствии с ориентацией по странам света), град; F_н — площадь рассматриваемого вида наружного ограждения, м²; v=A_tн/A_tв.п — затухание амплитуды суммарной наружной температуры, при передаче периодических тепловых воздействий сквозь толщу ограждающей конструкции; ?_в — коэффициент теплообмена на поверхности ограждения, обращенной в помещение, ккал/м²·ч·град.

Очевидно, что в выражениях (V.21) и (V.22) величина коэффициента неравномерности поступлений тепла в помещение характеризует разновременность (сдвиг фаз) колебаний потока тепла по сравнению с колебаниями температур воздуха и поверхностей помещений. Такой сдвиг фаз в особенности характерен для летнего периода года, когда температура воздуха в помещении зависит от очень различных во времени периодических колебаний внешних тепловых воздействий.

В летнее время этот сдвиг фаз, помимо соотношения площадей наружных и внутренних ограждений, зависит, в частности, от разновременности проникания тепла через светопроемы и непрозрачные ограждения помещения. В связи с этим точные значения изменяющихся теплопоступлений и температуры помещений можно определить только последовательным расчетом для каждого часа суток, что и практикуется, например, при установлении тепловых нагрузок на системы кондиционирования воздуха. Обобщенные интегральные значения коэффициентов неравномерности поступления тепла ? крайне приближенны. Для летнего периода значения коэффициента ? принимают примерно в пределах от 0,6 до 0,7, а в зимний период эти значения зависят от особенностей агрегатов периодического отопления.

Дальнейшее обобщение результатов практических расчетов теплоустойчивости помещений может привести к уточнению и систематизации значений этих коэффициентов.

Если принять, что сдвиг фаз колебаний потока тепла по сравнению с колебаниями поверхностей помещения выражается величиной ?, можно написать по аналогии с формулами (V.20a) и (V.23):

Вычисление с помощью формул (V.24) и (V.25) амплитуды колебаний температуры воздуха и средней приведенной величины затухания колебаний температуры в ограждающих конструкциях наиболее правомерно для помещений с ограниченной площадью светопроемов.

При большой поверхности остекления помещения вообще теряют свойства теплоустойчивости и для поддержания необходимой степени теплового комфорта необходимо зимой совершенствование систем отопления, а летЬм 'применение систем радиационного охлаждения пли кондиционирования воздуха; в любой период года целесообразно существенное повышение теплофизических качеств остекленных поверхностей по сравнению с обычным двойным остеклением.

В летний период поступление лучистого тепла через не защищенные от солнца окна имеет прерывистый в течение дня характер, но при использовании жалюзи, штор и других солнцезащитных устройств, изменения теплопоступлений приближаются к периодическим, сходным с поступлениями через легкие непрозрачные ограждения; эта последняя закономерность может быть принята при проведении ориентировочных расчетов, достаточных для определения необходимых теплофизических свойств отдельных ограждений помещения.

Тогда, при пользовании формулами (V.24) и (V.25) величина затухания для остекленных поверхностей вычисляется как v=?_вR_o, что для двойного остекления составит v=7,5·0,435=3,26.

Зависимости (V.21—V.22) и (V.24—V.25) могут быть применены для приближенного расчета колебаний температуры воздуха в помещениях.

Следует обратить внимание, что при этом расчете предполагается отсутствие воздухообмена, могущего влиять на колебания температуры помещений.

Особенности расчета теплофизических свойств ограждений при колебаниях температуры воздуха, вызванных периодически действующим отоплением в холодный период года, и нагревом помещений внешними тепловыми воздействиями в летний период, иллюстрируются нижеследующими примерами.

Пример V.7. Определить величины сопротивления теплопередаче стен углового помещения одноэтажного жилого здания с периодически действующим отоплением (рис. V.7), исходя из допустимой амплитуды колебаний внутреннего воздуха ±3°.

Наружная расчетная температура t_н=—30°, температура в помещении t_в=+18°. Коэффициент неравномерности поступления тепла ?=0,5. Расчетный перепад температур для наружных ограждений при местном периодически действующем отоплении можно принять:

При непроницаемой рулонной кровле, для чердачного перекрытия считают t_н=0,75·30=22° ?t'=2/3·(22+18)=25°. Для пола ?t''=16°.

Конструкция наружных стен — кирпичная кладка 0,25 м толщиной, утепленная изнутри фибролитовыми плитами, покрытыми сухой гипсовой штукатуркой. Чердачное перекрытие — из сборных деревянных щитов, защищенных гипсовой штукатуркой. Пол — деревянный по лагам.

Подсчеты площади наружных и внутренних поверхностей ограждений, необходимые для пользования формулой (V.21), сводим в следующую таблицу.

Площади наружных ограждений вычислены по наружному обмеру, и, кроме того, введен коэффициент 1,13, учитывающий обдувание ветром наружной поверхности ограждений.

Среднее приведенное значение перепада температур определяем по формуле:

Среднее приведенное значение сопротивления теплопередаче наружных ограждений помещения устанавливается в формуле (V.21).

Необходимое сопротивление теплопередаче стен R_o' определим в соответствии с равенством (IV.3), приняв сопротивление теплопередаче чердачного перекрытия R_o'''=1,6, сопротивление теплопередаче окон с двойным остеклением R_o''=0,43 и сопротивление теплопередаче пола R_o''''=2,4.

Заменяя числовыми значениями, получим:

Отсюда сопротивление стен теплопередаче R_o'=1,28 м²·ч·град/ккал.

Этому условию удовлетворяет стена из кирпича толщиной 0,25 м, утепленная плитами фибролита 0,10 м толщиной (при ?=0,13).

Сопротивление теплопередаче такой стены (при внутренней сухой гипсовой штукатурке ?=0,5):

Пример V.8. Определить необходимые теплотехнические свойства ограждающих конструкций углового помещения, рассмотренного в предыдущем примере, из условий ограничения перегрева этого помещения в летнее время.

Продольная стена помещения обращена на запад, а торцовая — на юг.

Ограждающие конструкции те же, что в предыдущем примере. Климатические условия приняты для г. Гурьева (45° с. ш.; сухие условия). Для материалов наружных стен:

• 1) кирпичная кладка ?=0,6 ккал/м·ч·град; s=7,70;
• 2) фибролит (?=350 кг/м³) ?=0,10; s=2,30 ккал/м²·ч·град;
• 3) штукатурка гипсовая сухая ?=0,17; s=2,97.

Для материалов чердачного перекрытия:

• 1) шлак гранулированный ?=0,12; s=1,77; ?=500 кг/м³;
• 2) древесина сосновая ?=0,12; s=3,21;
• 3) штукатурка гипсовая сухая ?=0,17; s=2,97.

Характеристики тепловой инерции стены и чердачного перекрытия:

Коэффициенты теплоусвоения поверхности ограждающих конструкций, обращенной в помещение:

1) для стены

2) для чердачного перекрытия

Затухание наружных температурных колебаний:

Расчетные амплитуды наружных температурных колебаний:

Средняя величина расчетной амплитуды для окон: А_t^ср=15,6° (по экспериментальным данным A_t=16°; см. рис. V.3).

Если принять в формуле (V.24) коэффициент неравномерности поступления тепла ?=0,7, а суммарное теплопоглощение и площади ограждений по таблице предыдущего примера, расчетная амплитуда колебаний температуры воздуха в помещении будет:

Амплитуда колебаний воздуха помещения меньшая, чем 2°, допустима, но возможное ее дальнейшее снижение будет благоприятным для людей, постоянно находящихся в помещении. Поскольку наибольшее влияние на колебания температуры в помещении оказывают чердачное перекрытие и недостаточно защищенные окна, следует улучшить теплофизические свойства этих ограждающих конструкций. Если увеличить толщину засыпки чердачного перекрытия с 10 см до 15 см и защитить окна наружными жалюзи, то характеристика тепловой инерции перекрытия возрастет до D=3,79, а затухание увеличится до 33-кратного.

При коэффициенте отражения солнечных лучей наружными жалюзи р=0,5 расчетная амплитуда колебаний температурой на наружной поверхности окон:

а затухание для защищенных окон

Тогда расчетная амплитуда колебаний температуры воздуха в помещении составит:

Сокращение колебаний температуры помещения почти в два раза достигнуто за счет применения солнцезащитных устройств и утепления чердачного перекрытия при незначительных единовременных затратах.