§ 2. Наружные ограждения зданий

По своим динамическим свойствам наружные ограждения зданий делятся на теплоемкие (стены, перекрытия) и нетеплоемкие (окна, двери).

Тепловые потери через теплоемкие ограждения отличаются большой степенью затухания, т. е. значительным уменьшением амплитуды и большим сдвигом фазы, и могут быть охарактеризованы как медленные тепловые потери (табл. 9).

Таблица 9 Амплитудно-фазовые характеристики теплоемких наружных ограждений (подсчитанные по Шкловеру)

Период колебаний, сут	Амплитуда колебаний температуры на внутренней поверхности стены при Лн = +1° С		Суммарное запаздывание в стене, рад
	2,5 кирпича	2 кирпича	2,5 кирпича	2 кирпича
1 2 5	0,003 0,013 0,053	0,011 0,037 0,100	4,6 3,4 2,1	3,7 2,9 1,5

Исследования М. В. Шаприцкой показали, что динамические свойства наружных теплоемких ограждений могут быть аппроксимированы апериодическим звеном второго порядка с транспортным запаздыванием:

Где W — передаточная функция теплоемкого наружного ограждения; tn — температура поверхности внутренних ограждений, °С; ky — коэффициент усиления (передачи) наружного ограждения; ky = RB/R0', RB, Ro — термические сопротивления тепловосприятия и конструкции в целом, м2-°С/Вт; р — оператор;

Г — постоянная времени ограждения, ч; 7 = 0,415 S; т0 — время чистого запаздывания, ч; To = 0,17S; S — интегральный коэффициент теплоустойчивости, представляющий собой площадь над кривой переходного процесса, ч; чем больше значение S, тем более теплоустойчива конструкция. Интегральный коэффициент является функцией теплофизических свойств материалов конструкции и учитывает в значительной степени граничные условия, а также влияние расположения слоев в многослойных ограждениях. Это позволяет получать результаты с относительной максимальной ошибкой не более 5%.

Таблица 10 Значения интегрального коэффициента S для различных типов стен

В табл. 10 приведены значения интегрального коэффициента, определенные М. В. Шаприцкой для наиболее распространенных типов наружных ограждений. Зная коэффициент S, несложно найти передаточные функции ограждения, построить его частотную характеристику, а также кривую переходного процесса.

В отличие от тепловых потерь через теплоемкие ограждения потери через окна (путем прямого теплообмена и инфильтрации) практически являются безынерционными; они «следят» за изменением наружной температуры и могут быть названы быстрыми тепловыми потерями.

В связи с этим динамические свойства нетеплоемких ограждений оказывается возможным описать пропорциональным звеном следующего вида:

где k0 — общий коэффициент теплопередачи через окно, Вт/м2-°С; С0 — коэффициент, учитывающий тепловые потери через окно путем инфильтрации наружного воздуха. Анализ динамики тепловых потерь отапливаемых зданий при изменениях метеорологических условий показывает, что их следует рассматривать в виде векторной суммы теплопотерь через теплоемкие и нетеплоемкие ограждения (рис. 5).

Рис. 5. Динамика тепловых потерь отапливаемых помещений а — характер переходного процесса; б — частотная характеристика; Q тепловые потери соответственно до и после изменения температуры наружного воздуха; Д<26, AQM — прирост быстрых и медленных теплопотерь; 6Q6, 6Q — радиусы-векторы быстрых и медленных теплопотерь

Передаточная функция отапливаемого здания (помещения) по тепловому потоку от изменения метеорологических условий имеет вид:

где WM, We — передаточные функции по каналу медленных и быстрых тепловых потерь; пом — статический коэффициент теплопередачи отапливаемого помещения по тепловому потоку от изменения метеорологических условий.

Значения коэффициента зависят от теплотехнических характеристик ограждений и архитектурно-планировочных характеристик отапливаемых помещений. Для зданий старого жилого фонда коэффициент обычно находится в пределах 0,4 — 0,8. Для объектов нового жилищного строительства с облегченными стеновыми конструкциями и увеличенной площадью остекления значения можно принимать равными 0,2 — 0,4 (рис. 6).

Рис. 6. Коэффициент ф для помещений крупнопанельного здания

Условные обозначения: Математическое ожидание значений коэффициента; здание старого жилого фонда; здание новой стройки

В связи с указанными динамическими свойствами наружных ограждений необходимо при автоматическом управлении отпуском тепла по возмущению осуществлять дифференцированный учет быстрых и медленных тепловых потерь. При этом, по сравнению с распространенными методами регулирования, достигается снижение диапазона отклонений температур воздуха в помещениях в 2,5 — 3,0 раза и обеспечивается экономия тепла в размере 4 — 5%.