§ 2. Внешние возмущающие воздействия

Температура наружного воздуха

Основным фактором, определяющим режим работы отопительных систем, является изменение температуры наружного воздуха.

Перепад температур воздуха внутри и снаружи здания

ограждающие конструкции, вызывает перенос тепла который в основном происходит путем кондуктивного теплообмена через толщу ограждений. Кроме того, имеет место теплообмен излучением и конвекцией на их поверхностях.

По своим динамическим свойствам тепловые потери зданий, обусловленные изменением температуры наружного воздуха, делятся на быстрые (через нетеплоемкие ограждения) и медленные (через теплоемкие ограждения).

Колебания температуры наружного воздуха носят периодический и непериодический характер. К периодическим колебаниям относят годовой и суточный ход температуры наружного воздуха, зависящий главным образом от широты места, времени года, рельефа местности. Непериодические колебания возникают при воздействии случайных факторов. Они могут быть достаточно длительными (например, вызванные прохождением через данный район холодной волны воздуха) и кратковременными (пульсациями), обусловленными локальными причинами.

Температура воздуха изменяется также и с высотой над уровнем земли. Например, по результатам наблюдений метеостанции «Ленинград» в отопительном сезоне 1969 — 1970 гг. средняя разность температур, замеренных на высоте 25 и 68 м, т. е. на высоте девятого и двадцать пятого этажей, составляла 1°С.

В пределах города имеют место температурные контрасты, обусловленные различной плотностью застройки, высотой домов, шириной улиц и площадей, их расположением по отношению к странам света, растительным покровом. Так, средняя неравномерность температуры воздуха по территории Ленинграда составляет 1 — 2° С, но временами достигает 5 — 6° С. Примерно аналогичная картина наблюдается и в других крупных городах.

Ветер

Значительное влияние на тепловые потери отапливаемых зданий оказывают скорость и направление ветра. Под действием ветра и за счет разности удельных весов воздуха внутри и снаружи здания (температурного напора) происходит проникновение наружного холодного воздуха через щели, оконные и дверные заполнения (воздухообмен через поры материала стен мал, и им можно пренебречь), а также горизонтальное перемещение потоков воздуха с наветренной стороны на подветренную.

Вследствие ветрового и гравитационного давлений возникает вертикальное перемещение потоков воздуха внутри здания, сопровождающееся интенсивной инфильтрацией наружного воздуха в помещениях нижних этажей, постепенно уменьшающейся по высоте здания. В помещениях верхних этажей может происходить эксфильтрация воздуха через наружные ограждения.

Степень воздействия ветра на тепловые потери зависит от ориентации здания по отношению к господствующим ветрам, так как скоростной напор ветра по преобладающему направлению значительно больше, чем по остальным (например, во Владивостоке для северного ветра — в 3 — 4 раза, в Ленинграде для южного и западного ветров — в 2 — 3 раза [27, 30]).

Изменение тепловых потерь зданий при ветре происходит также вследствие увеличения коэффициента теплоотдачи наружных поверхностей ограждающих конструкций.

По своим динамическим характеристикам тепловые потери зданий, обусловленные влиянием ветра, делятся на быстрые и медленные. Быстрые тепловые потери обусловлены проникновением холодного воздуха путем инфильтрации через неплотности в оконных и дверных проемах, стыки наружных стеновых панелей, а также влиянием ветра на коэффициент теплоотдачи окон. При этом величина инфильтрации в большой степени зависит от качества оформления оконных проемов и ухода за ними. Медленные тепловые потери обусловлены влиянием ветра на коэффициент теплоотдачи наружных поверхностей стен.

Как показали многочисленные исследования, зависимость быстрых тепловых потерь здания от скорости ветра в широком диапазоне скоростей может быть принята линейной. Влияние ветра на тепловой режим здания удобно оценить путем введения поправки к температуре наружного воздуха, по которой осуществляется регулирование расхода тепла. Величина этой поправки Мн определяется из выражения

где w — скорость ветра, м/с; в in — температура воздуха внутри и снаружи здания;

dp — коэффициент, зависящий от теплотехнических характеристик помещений и воздухопроницаемости оконных проемов; dp = d(1 + Са); d — коэффициент, характеризующий относительную величину потерь тепла с инфильтрацией при скорости ветра w = 1 м/с и перепаде температур; определяется из выражения d = 0,[K3IFo/2^ KF; I — коэффициент воздухопроницаемости оконных проемов, кг/ч-м2-Па; F0 — коэффициент остекления (отношение площади окон к площади пола); 2 КР — тепловые потери помещения, отнесенные к 1 м2 площади пола, Вт/м2-°С; /С3 — отношение скорости ветра в районе городской застройки к скорости ветра, замеренной на метеостанции;

Са — коэффициент, учитывающий дополнительные тепловые потери за счет увеличения теплоотдачи наружных поверхностей окон; Са = [1/(3,5 + Ksbw0'8) + RB.0+] + 1/a; R0 — коэффициент термического сопротивления окна при отсутствии ветра, Вт/м2-°С; в. о — внутреннее термическое сопротивление окна, м2-°С/Вт; ав — коэффициент тепловосприятия внутренней поверхностью окна, Вт/м2-°С; Ь — статический коэффициент, характеризующий зависимость теплоотдачи наружной поверхности окна от скорости ветра, (Вт/м2-град)/(м/с). Помимо увеличения общего размера тепловых потерь, ветер приводит к уменьшению сдвига фаз при прохождении тепловой волны через стену, сдвига между изменениями наружной и внутренней температуры, а также к снижению коэффициента W (отношение медленных тепловых потерь к суммарным потерям тепла).

Влияние ветра на величину общих тепловых потерь и коэффициент W по результатам расчетов, выполненных для помещения в средней части здания со стенами 2,5 кирпича при / = 1,8 кг/ч-м2-Па, характеризуется данными, приведенными в табл. 4.

Таблица 4 Данные о влиянии ветра на тепловые потери помещений

Показатели	Скорость ветра, м/с
	0	5	10	15
Суммарные тепловые потери помещения, % Коэффициент	100 0,435	116 0,40	123 0,37	139 0,34

Различают суточный и годовой ход скорости ветра. Годовой ход зависит от климатических условий. Суточный ход скорости ветра определяется интенсивностью вертикального обмена между нижними и верхними слоями воздуха в атмосфере в течение суток. У земной поверхности в суточном ходе скорости ветра минимум наблюдается в ночные часы, когда ветер часто ослабевает до штиля. После восхода солнца ветер обычно усиливается, и скорость его достигает максимума в 13 — 14 часов.

Ветер не обладает постоянной скоростью и направлением, он дует как бы толчками или порывами, отделенными друг от друга интервалами более слабого ветра. Однако на тепловые потери зданий оказывают влияние не отдельные порывы ветра, а его усредненное за определенный отрезок времени значение, и именно это обстоятельство должно учитываться в системах автоматического управления подачей тепла в здания.

Исследования по проветриванию жилого квартала показали, что между домами в квартале направление ветра при данном господствующем ветре меняется по всем румбам. Однако в каждой точке можно выделить преимущественное, характерное для нее направление ветра, которое не всегда совпадает с господствующим ветром и зависит от направления обтекаемых препятствий.

В связи с этим учет направления ветра при центральном автоматическом управлении подачей тепла, за исключением некоторых особых случаев, не представляется возможным.

Солнечная радиация

Поступление тепла за счет солнечной радиации занимает значительную долю в тепловом балансе отапливаемых помещений.

Инсоляционное тепло также проникает в отапливаемые помещения по каналам быстрых и медленных теплопоступлений. Быстрые теплопоступления обусловлены в основном непосредственным проникновением коротковолнового солнечного излучения через оконные заполнения, медленные — радиационным нагревом наружных поверхностей стен.

Режим быстрых теплопоступлений можно рассматривать как прерывистую теплоотдачу, число часов которой определяется временем облучения, а величина — среднеинтегральной интенсивностью инсоляции через окна за время облучения.

При определении влияния медленных теплопоступлений на температурный режим помещений следует учитывать, что суточные колебания температуры на наружной поверхности теплоемкого ограждения практически затухают в его толще. Поэтому оказывается возможным учитывать только усредненную за сутки величину этих теплопоступлений, а процесс рассматривать как стационарный.

Лучистые потоки, возникающие под действием солнечной радиации, приходят на поверхности зданий непосредственно в виде прямых солнечных лучей, в виде лучей, рассеянных атмосферой и облаками, а также в виде потоков, отраженных от поверхностей расположенных рядом зданий, земли и различных предметов.

Соответственно различают прямую, рассеянную и отраженную радиацию. Количество прямой солнечной радиации, поступающей на поверхность, перпендикулярную солнечным лучам, зависит от величин суточного хода и продолжительности облучения, определенных азимутом и высотой солнца. Кроме того, на величину прямой солнечной радиации, поступающей в течение суток, месяца, года на поверхности различной

Ориентации, в значительной степени влияет облачность, её суточный и годовой ход, связанный с условиями атмосферной циркуляции. Рассеянная радиация, как и отраженная, в основном для всех стен одинакова, независимо от ориентации.

В некоторых районах Советского Союза в средние месяцы отопительного сезона в период стояния низких температур или сильных ветров лучистые теплопоступления незначительны по сравнению с кондуктивно-инфильтрационными теплопотерями. В других районах этот вклад существен даже в средние зимние месяцы.

В переходный период отопительного сезона, весной, когда облачность сравнительно невелика, вклад лучистых теплопоступлений в тепловой баланс здания значителен во всех районах (табл. 5).

Таблица 5 Средние суммы прямой солнечной радиации (в Дж/см2), приходящейся на южную стену

Для оценки размера нарушений температурного режима помещений, обусловленных влиянием солнечной радиации, следует определить:

минимальное повышение внутренней температуры в момент начала облучения Ммии;

максимальное повышение в конце облучения Аммане;

среднесуточный прирост температуры А Ср.

В качестве примера в табл. 6 приведены некоторые результаты расчетов, выполненных для помещений с коэффициентом остекления F0 — 0,/5, ориентированных на юг и на запад. Расчеты произведены для условий безоблачной погоды при широте местности 60°.

Влияние солнечной радиации на тепловой режим здания удобно оценить путем введения соответствующей поправки к температуре наружного воздуха, по которой осуществляется регулирование (в автоматизированных системах с пофасадными

Таблица 6 Данные о влиянии солнечной радиации на температуру воздуха в помещении

Примечание. В числителе приводятся значения показателей для южной ориентации помещений, в знаменателе — для западной ориентации.

или индивидуальными регуляторами). Эта поправка может быть определена из выражения

где инс — количество лучистого тепла, поступающего в здание (включая коротковолновую радиацию, проникающую через окна, и тепло, поглощенное ограждающими конструкциями и переданное воздуху помещений), Вт;

X KF — основные тепловые потери здания при перепаде температур внутреннего и наружного воздуха в 1°С, Вт/°С. Из изложенного следует, что солнечная радиация оказывает существенное влияние на тепловой режим помещений. Ее учет при отоплении зданий возможен в случае применения систем позонного либо индивидуального автоматического регулирования,