Потери тепла на нагревание наружного воздуха при инфильтрации через неплотности и при поступлении через проемы в наружных ограждениях
Добавки к основным теплопотерям на поступление воздуха через наружные двери и ворота и на этажность здания крайне приближенно учитывают затраты тепла на нагревание инфильтрующегося воздуха. Учет только этих добавок для промышленных и многоэтажных зданий оказывается недостаточным.
В производственных помещениях расход тепла на нагревание холодного воздуха, поступающего через притворы окон, фонарей, дверей, ворот, достигает 40% и более от основных теплопотерь. Учитывая столь большую величину, при определении теплопотерь производственных помещений производят специальные расчеты затрат тепла на нагревание поступающего в помещение холодного воздуха.
Количество наружного воздуха, поступающего в помещение в результате инфильтрации, зависит от конструктивно-планировочного решения здания, направления и скорости ветра, температуры воздуха, герметичности конструкций и особенно от длины и вида притворов открывающихся окон, фонарей, дверей и ворот. Общий процесс обмена воздуха в здании между помещениями и с внешней средой под действием естественных сил и искусственных побудителей движения воздуха называют воздушным режимом здания. Воздухообмен происходит через все воздухопроницаемые элементы (притворы, стыки, вентиляционные каналы и т. д.) под действием разности давлений, поэтому расчет воздушного режима сводится к рассмотрению гидравлической системы с определенным образом заданными краевыми условиями.
При определении затрат тепла на нагревание наружного воздуха при инфильтрации расчет воздушного режима здания может быть упрощен.
Для промышленных зданий типичным является одноэтажное помещение. В многоэтажных промышленных зданиях этажи чаще всего достаточно изолированы друг от друга (при большой поверхности остекления сообщение через одну-две лестничные клетки не оказывает заметного влияния), и их воздушный режим можно рассматривать независимо.
Простейшим является случай, когда помещение не имеет перегородок, отсутствует ветер и инфильтрация происходит под влиянием только гравитационной силы. Воздух перетекает в основном через щели притворов, но инфильтрацию условно относят к площади окон и плотность потока j, кг/м2 ч, за счет разности давлений воздуха на наружной и внутренней поверхностях ограждения Δp Па (кгс/м2) определяют по формуле:
j=iΔp1/2.
где i - коэффициент проводимости воздуха конструкцией, кг/(м2*ч*Па1/2) [кг/м2*ч (кгс/м2)1/2]
Для помещения с двухсторонним равномерно распределенным остеклением при безветрии среднее количество воздуха (кг/ч*м2), проходящего снаружи через 1 м2 окна, равно:
j0=0,47*iок*η*(h*Δp)1/2.
где iок - коэффициент проводимости окна;
η - доля остекления поверхности наружного ограждения;
h - полная высота ограждения здания.
Разность плотностей наружного ρн и внутреннего ρв воздуха может быть приближенно заменена разностью температуры:
Δρ= ρн-ρн≈0,005(tв-tн).
Выражение преобразовано к виду:
j0=0,036*iок*η*(h*Δt)1/2.
В промышленных зданиях часто окна одинарные и не герметизированы, их проводимость iок=27; тогда:
j0≈0,9*η*(h*Δt)1/2.
Численный коэффициент в формуле должен быть заменен при двойном остеклении на 0,6 при уплотненном одинарном остеклении на 0,2, при уплотненном двойном — на 0,14.
Величина j0, определяемая по формуле, используется как единица расхода воздуха при расчете более сложных случаев (действие ветра и вентиляции, другие схемы здания). Влияние всех перечисленных факторов учитывается коэффициентом βи. Для помещений с односторонним остеклением, например, коэффициент βи равен 0,5, так как в этом случае инфильтрация происходит только со стороны одного ограждения. Степень влияния ветра также учитывается коэффициентом βи. Для воздушного режима помещения с двухсторонним остеклением на рисунке приведена зависимость βи от относительного давления ветра pv При определении относительного перепада давления, создаваемого ветром, за единицу давления принято gh*Δp, поэтому.
pv=(0,06*vн2*ρн)/(h* Δp).
где vн – скорость ветра;
0,06≈((kн-kз)/2)*(1/g);
kн и kз - аэродинамические коэффициенты, равные с наветренной стороны здания kн≈0,8 и с заветренной kз ≈—0,6.
Более сложные случаи — дебаланс вентиляции, многопролетные здания и т. д. решаются аналогичным образом с помощью специально рассчитанных функций коэффициента βи.
Общее количество наружного воздуха Gи, поступающего в помещение в результате инфильтрации через наружные ограждения, равно:
Gи =jо*βи*Fн.о.
где jо - определяется по формуле;
Fн.о - суммарная площадь поверхности наружных ограждений.
Не менее сложной и необходимой задачей оказывается определение расходов воздуха при инфильтрации в многоэтажных жилых и общественных зданиях. Если в здании более восьми этажей, требуется производить расчет воздушного режима здания, гидравлическая схема которого оказывается особенно сложной.
Применительно к жилым зданиям повышенной этажности составлены указания по расчету. В указаниях описана общая методика расчета воздушного режима зданий, а также даны графики и таблицы, по которым для зданий различной этажности, принятых в настоящее время типичных планировок и конструктивных решений, при различных температурах воздуха и скорости ветра можно определить количество фильтрующегося воздуха, отнесенное к 1 м2 окна.
В условиях множества вариантов исходных данных можно наметить определенные закономерности, которые позволяют обобщить полученные результаты. Принимаются здания №(5-16) этажей с типичными конструктивно-планировочными решениями. Учитывая изолированность и в основном пофасадную ориентацию помещений, при расчете инфильтрации необходимо принять для всех помещений расходы воздуха с наветренной стороны при расчетных для зимнего режима температуре наружного воздуха tн и скорости ветра νн. Анализ ограниченного, таким образом, круга данных показывает, что изменение расходов воздуха по высоте здания при данных tн и νн таково, что практически можно принять линейную зависимость, поэтому достаточно определить расходы для нижнего и верхнего этажей. Ниже приведены аппроксимирующие аналитические зависимости. Расход воздуха jверх, кг/м2*ч, инфильтрующегося через 1 м2 окна в верхнем этаже наветренной стороны N-этажного здания при определенных tн и νн, равен:
jверх=(4+0.15*N)*102*(νн+5-0,05*tн)2.
Для нижнего (первого) этажа jнижн:
jнижн=6,3*10-2*νн-(6+1.3N)*10-2*tн+0,3N+3,3.
Для промежуточного этажа Ni с учетом принятой линейной зависимости расход воздуха jNi равен:
jNi= jнижн-((jнижн- jверх)/N)* Ni;
Следует иметь в виду приближенность предлагаемой методики, точность которой (ошибка 10-15%) достаточна лишь для расчета потерь тепла на нагревание инфильтрующегося воздуха.
При инфильтрации холодного воздуха через наружное ограждение в помещении дополнительно затрачивается тепло ΔQи на нагревание поступающего воздуха ΔQj и вследствие снижения температуры внутренней поверхности ограждения ΔQτ, через которое происходит фильтрация воздуха:
ΔQи= ΔQj+ ΔQτ.
Воздух, проходя через конструкцию, как правило, нагревается и попадает в помещение с температурой более высокой, чем его начальная температура tн. Поэтому:
ΔQj=Gн*св*(tв-tн)*βj.
где Gн - расход воздуха;
св —массовая теплоемкость воздуха;
βj - коэффициент, учитывающий нагревание воздуха в ограждении.
Аналогично можно определить
ΔQτ=Gн*св*(tв-tн)*βτ.
где βτ - коэффициент, учитывающий долю увеличения потерь тепла за счет снижения температуры внутренней поверхности при инфильтрации.
Дополнительные потери тепла при инфильтрации через ограждение равны:
ΔQн = Gн*св*(tв-tн)*β0.
где β0= βj+ βτ.
Общие дополнительные потери тепла в помещении на нагревание наружного воздуха, поступающего в результате инфильтрации через наружные ограждения, равны:
Qи=(∑β0*j*cв*F+∑β0*j*cв*l)*(tв-tн).
где F - площадь окон, стен и т. д., м2;
l - протяженность стыков, щелей и т. д., м;
j - удельные, отнесенные соответственно к м2 или м, расходы проникающего воздуха.
Значения коэффициентов β0, βj и βτ. для конструкций приведены в таблице.
Значения коэффициентов β0, βj и βτ. при инфильтрации воздуха через различные элементы конструкций
Элементы конструкций | βj | βτ | β0 |
Массив ограждения | 0,15 | 0,45 | 0,6 |
Стыковые соединения | 0,3 | 0,4 | 0,7 |
Окна: | |||
- одинарные | 1 | - | 1 |
- двойные | 0,7 | 0,1 | 0,8 |
- тройные | 0,6 | 0,2 | 0,8 |
Двери, ворота, фрамуги, проемы в ограждении | 1 | - | 1 |
- Выбор и размещение отопительной установки в помещении
- Использование тепловой мощности системы отопления
- Тепловая характеристика здания и расчет потребности в тепле
- Тепловая эффективность отопительного устройства в помещении
- Затраты тепла на нагревание холодных материалов и тепловыделения в помещении
- Расчетные теплопотери помещения по СНиП
- Потери тепла через отдельные ограждения и помещением
- Тепловой баланс помещения
- Теплоустойчивость помещения
- Требуемая теплоустойчивость ограждения