§ 3. Отапливаемые помещения

Отапливаемое помещение является объектом со сложными динамическими свойствами. Наружные возмущающие воздействия поступают в него через параллельно расположенные звенья — теплоемкие и нетеплоемкие ограждающие конструкции, т. е. проникают по каналам медленных и быстрых теплопотерь. Внутренние возмущения (бытовые выделения тепла) воздействуют непосредственно на температуру воздуха в помещениях.

Управляющие воздействия передаются малотеплоемкими нагревательными приборами (радиаторами, конвекторами) или греющими панелями систем панельно-лучистого отопления.

Нарушение равновесия между поступлением и потерями тепла вызывает изменение регулируемой величины — температуры воздуха в помещении. В случае превышения» теплопоступлений избыточное тепло затрачивается частично на нагрев внутреннего воздуха и частично аккумулируется в ограждающих конструкциях, мебели и других предметах, находящихся в помещении. При уменьшении поступлений тепла от системы отопления и понижении внутренней температуры происходит выделение аккумулированного тепла.

Таким образом, переходные тепловые процессы в отапливаемых помещениях характеризуются непрерывным обменом энергии между отдельными емкостями (воздух, внутренние стены и др.).

Дифференциальное уравнение температурного режима отапливаемого помещения имеет вид:

где св — теплоемкость . воздуха помещения, Дж/кг-°С;

VB — объем воздуха помещения, м3; Qot (т) — поступление тепла от нагревательных приборов системы отопления, Вт; Q6.,i(t) — бытовые выделения тепла, Вт; Фи 1с (т) — приход инсоляционного тепла, Вт; Оак(т) — тепло, аккумулированное (выделенное) внутренними ограждениями, мебелью и другими предметами, Вт; QctM — потери тепла через теплоемкие ограждения (стены), Вт; Qok(t) — потери тепла через нетеплоемкие ограждения (окна) путем прямого теплообмена, Вт; ФинфМ — потери тепла путем массообмена (с инфильтрацией), Вт. Раскрывая значения слагаемых, входящих в уравнение (6), можно получить

где аот — коэффициент теплоотдачи от металла нагревательного прибора к воздуху помещения; t0T — температура поверхности нагревательного прибора, °С; FOT — поверхность нагрева прибора, м2; Fn, ст.о — поверхности внутренних ограждений, наружных теплоемких ограждений и окон, м2. Из выражения (7) следует, что скорость изменения температуры воздуха в помещении зависит от температур поверхности наружных и внутренних ограждений, которые, в свою очередь, зависят от температурного режима омывающего их воздуха.

Таким образом, для выявления динамики температурного режима отапливаемых помещений требуется предварительное определение передаточных функций всех ограждающих конструкций от возмущения температурой внутреннего воздуха к температуре соответствующей поверхности.

Решение дифференциальных уравнений, описывающих теплообмен в конструкциях, приведенных в табл. 8, дало возможность получить следующие аппроксимирующие выражения передаточных функций:

где &п. ст — статический коэффициент передачи (усиления), для внутренних ограждений равный 1, для наружных , a2 — коэффициенты передаточной функции, определяемые в зависимости от теплотехнических характеристик ограждений, ч.

В табл. 11 приводятся значения этих коэффициентов, вычисленные В. М. Галтыхиным для нескольких распространенных типов ограждений.

Таблица 11 Значения коэффициентов передаточной функции от воздуха помещений к внутренней поверхности ограждений

В результате подстановки найденных выражений передаточных функций внутренних и наружных ограждений в исходное уравнение (7), написанное для приращений температур, В. М. Галтыхиным были определены передаточные функции отапливаемых помещений.

Расчеты, выполненные для различных объектов, показали, что эти передаточные функции могут быть аппроксимированы следующими выражениями:

а) изменение температуры внутреннего воздуха при изменении температуры поверхности нагревательного прибора:

б) изменение температуры внутреннего воздуха при изменении наружной температуры:

Коэффициенты передаточной функции Ли А2, Аг, В, В2 определяются расчетным -путем. При этом внутренние ограждения сводятся к одному условному ограждению, обладающему эквивалентными (средневзвешенными) параметрами

Исследовались разные типы помещений при различных метеорологических условиях и режимах работы систем отопления.

Учитывая, что между отдельными комнатами внутри квартиры существуют тепловые связи, приводящие к выравниванию температуры воздуха в ее пределах, рассматривалась математическая модель не одного изолированного помещения, а квартиры в целом

Проверка адекватности математической модели помещения проведена в теплофизической камере ЛНИИ АКХ им. К. Д. Памфилова. В качестве испытуемого наружного ограждения были использованы две керамзитобетонные панели жилого дома серии 1ЛГ-602, одна из которых имела окно. Панели имитировали угол здания и были установлены так, что разделяли тепло-физическую камеру на два отделения — «теплое» и «холодное». «Теплое» отделение являлось испытуемым объектом, а в «холодном» имитировались метеорологические условия.

Программа эксперимента включала в себя снятие переходных характеристик температуры воздуха в «теплом» отделении, температур внутренних и наружных поверхностей ограждающих конструкций (теплоемких и нетеплоемких) при возмущениях температурой наружного воздуха, скоростью ветра, интенсивностью солнечного излучения.

При проведении исследований выявлялось влияние каждой из составляющих тепловых потерь (медленных — через теплоемкие ограждения, быстрых — через окна путем прямого теплообмена и быстрых — путем инфильтрации) на динамику изменения температуры воздуха и поверхностей ограждающих конструкций. С этой целью опыты были проведены для различных условий теплоизоляции и герметизации оконного проема.

Рис. 7. Переходные процессы при возмущении температурой воздуха в «холодном» отделении теплофизической камеры (окно с двойным остеклением без герметизации)

Некоторые результаты экспериментальных исследований приведены на рис. 7, данные которого подтверждают изложенные выше теоретические положения о динамике тепловых потерь помещениями через теплоемкие и нетеплоемкие ограждения под влиянием наружных возмущений.

Многовариантные расчеты показали, что основными факторами, влияющими на скорость изменения температуры воздуха в помещениях при изменении количеств подаваемого (теряемого) тепла, являются интенсивность фильтрационного теплообмена и теплоинерционные свойства внутренних ограждающих конструкций.

В зданиях, оборудованных системой естественной вентиляции, наблюдается значительное изменение динамических свойств отапливаемых помещений в течение отопительного сезона. Для квартир, расположенных в первых этажах, величина этого изменения оказывается максимальной и может достигать 90%. Динамические свойства помещений верхних этажей существенно отличаются от свойств нижних и колеблются в течение отопительного сезона в значительно меньших пределах. В зданиях, оборудованных системой приточно-вытяжной вентиляции, изменение динамических параметров в отопительный период одинаково для всех помещений и не превышает 5%.

В качестве примера в табл. 12 приведены значения динамических параметров по различным каналам воздействий,

Таблица 12 Динамические параметры по различным каналам воздействий для трехкомнатной квартиры восьмого этажа рядовой секции здания П-49«П»

Примечание. /С — коэффициент передачи; Т — постоянная времени.

подсчитанные Ю. Я- Темпелем для трехкомнатной квартиры восьмого этажа рядовой секции здания П-49«П». Для наглядности сопоставления параметров динамические свойства квартиры аппроксимированы в данном случае апериодическим звеном первого порядка и характеризуются двумя показателями: коэффициентом передачи (усиления) и постоянной времени (коэффициентом аккумуляции).