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=iΔp^1/2.

где i - коэффициент проводимости воздуха конструкцией, кг/(м²*ч*Па^1/2) [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*i_ок*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= ρ_н-ρ_н≈0,005(t_в-t_н).

Выражение преобразовано к виду:

j₀=0,036*i_ок*η*(h*Δt)^1/2.

В промышленных зданиях часто окна одинарные и не герметизированы, их проводимость i_ок=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 β_и. Для помещений с односторонним остеклением, например, коэффициент β_и равен 0,5, так как в этом случае инфильтрация происходит только со стороны одного ограждения. Степень влияния ветра также учитывается коэффициентом β_и. Для воздушного режима помещения с двухсторонним остеклением на рисунке приведена зависимость β_и от относительного давления ветра p_v При определении относительного перепада давления, создаваемого ветром, за единицу давления принято gh*Δp, поэтому.

p_v=(0,06*v_н²*ρ_н)/(h* Δp).

где v_н – скорость ветра;

0,06≈((k_н-k_з)/2)*(1/g);

k_н и k_з - аэродинамические коэффициенты, равные с наветренной стороны здания k_н≈0,8 и с заветренной k_з ≈—0,6.

Более сложные случаи — дебаланс вентиляции, многопролетные здания и т. д. решаются аналогичным образом с помощью специально рассчитанных функций коэффициента β_и.

Общее количество наружного воздуха G_и, поступающего в помещение в результате инфильтрации через наружные ограждения, равно:

G_и =j_о*β_и*F_н.о.

где j_о - определяется по формуле;

F_н.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 t_н и скорости ветра ν_н. Анализ ограниченного, таким образом, круга данных показывает, что изменение расходов воздуха по высоте здания при данных t_н и ν_н 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 t_н и ν_н, равен:

j_верх=(4+0.15*N)*102*(ν_н+5-0,05*t_н)².

Для нижнего (первого) этажа jнижн:

j_нижн=6,3*10^-2*ν_н-(6+1.3N)*10^-2*t_н+0,3N+3,3.

Для промежуточного этажа N_i с учетом принятой линейной зависимости расход воздуха j_Ni равен:

j_Ni= j_нижн-((j_нижн- j_верх)/N)* N_i;

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 ΔQ_и на нагревание поступающего воздуха ΔQ_j и вследствие снижения температуры внутренней поверхности ограждения ΔQ_τ, через которое происходит фильтрация воздуха:

ΔQ_и= ΔQ_j+ ΔQ_τ.

Воздух, проходя через конструкцию, как правило, нагревается и попадает в помещение с температурой более высокой, чем его начальная температура tн. Поэтому:

ΔQ_j=G_н*с_в*(t_в-t_н)*β_j.

где G_н - расход воздуха;

с_в —массовая теплоемкость воздуха;

β_j - коэффициент, учитывающий нагревание воздуха в ограждении.

Аналогично можно определить

ΔQ_τ=G_н*с_в*(t_в-t_н)*β_τ.

где β_τ - коэффициент, учитывающий долю увеличения потерь тепла за счет снижения температуры внутренней поверхности при инфильтрации.

Дополнительные потери тепла при инфильтрации через ограждение равны:

ΔQ_н = G_н*с_в*(t_в-t_н)*β₀.

где β₀= β_j+ β_τ.

Общие дополнительные потери тепла в помещении на нагревание наружного воздуха, поступающего в результате инфильтрации через наружные ограждения, равны:

Q_и=(∑β₀*j*c_в*F+∑β₀*j*c_в*l)*(t_в-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, β_j и β_τ. для конструкций приведены в таблице.

Значения коэффициентов β₀, β_j и βτ. при инфильтрации воздуха через различные элементы конструкций