МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ ЧЕРЕЗ НАРУЖНОЕ ОГРАЖДЕНИЕ ЗДАНИЙ

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Теплопередача, ограждение зданий, климатический фактор.

Агентство недвижимости оценивая помещение учитывает теплопотери ограждающих конструкций. Расчетные методики теплопередачи через наружные ограждения зданий [1 - 3 и др.] основываются на допущении о гармоническом характере изменений тепловых характеристик на границах ограждения. Ранние работы [4] акцентировали внимание на изменении параметров внутри помещения (например, разовое в течение суток печное отопление). При повсеместном распространении централизованного отопления и стабилизации внутренней температуры определяющими стали внешние факторы. Однако основы теоретических построений остались прежними, что привело к введению полуэмпирических комплексов и понятий «теплоусвоение» поверхностей, «теплоустойчивость» ограждений и помещений в форме, не отвечающей реальной количественной мере этих понятий.

Основными внешними факторами, в то время как проводится оценка и определяющими теплопередачу через ограждение, являются температура воздуха, скорость ветра и интенсивность солнечной радиации. Эти характеристики трудно предсказуемы для конкретных суток конкретной местности. Поэтому, если нет частной информации, следует ориентироваться на среднемесячные показатели, которые приводятся в климатических справочниках, как, например, [5 - 7] для территории Украины. Попытка учесть действие солнечной инсоляции была предпринята в середине прошлого столетия А. М. Шкловером [8] путем введения условной наружной температуры воздуха, являющейся суммой температуры воздуха и виртуальной добавки от действия солнечной радиации. Эта методика применялась преимущественно для прогнозирования тепловых параметров в зданиях, расположенных в южных республиках СССР. Уровень современной вычислительной техники позволяет оперативно решать задачи теплопередачи через ограждения, базируясь на всей совокупности климатических факторов без каких-либо допущений и упрощений.

Ограждение может быть комбинированным, состоящим из ряда слоев, например, таких как показано на рис. 1. Здесь, в цифровой последовательности 1, 2, … ,7 от внутренней поверхности (х = 0), используются материалы: арболит, гранулы пенополистерола, ракушечник, базальтовая вата, пенополистерол, воздушный слой, пенополистерол. Вверху даны толщины слоев в сантиметрах, внизу – текущее значение поверхностей, разделяющих слои. Толщина ограждения – δ = 0,74 м. Движущая сила теплопередачи определяется действием тепловых потоков по обеим сторонам ограждения (см. рис. 1), а именно, конвективным с плотностью qв.к и лучистым с плотностью qв.л на внутренней поверхности и соответствующими qн.к, qн.л на наружной, а также плотностью солнечного излучения qs.



Там же дана и разность первых двух интегралов (11), определяющих аккумулирующую способность ограждения. Согласно вычислениям теплопотери через ограждение в основном происходят в период с октября месяца по апрель, что совпадает с длительностью отопительного сезона, принятого для г. Киева. Естественно, в апреле и октябре темп роста теплопотерь наименьший по сравнению с другими месяцами. Для июня – августа характерен противоположный теплопоток – в ограждение, обусловленный действием солнечной радиации. Теплому периоду свойственно и наибольшее накопление энергии в стене, определяемому разностью е(t, δ) и е(t, 0).

Теплопоток в помещение должен быть воспринятым и полезно использованным для горячего водоснабжения или отопления в зимний период. В соответствии с расчетом результирующие годовые теплопотери через ограждение составляет для южно ориентированной стены величину 33·106 Дж/м2. Если не учитывать действия Солнца, результат будет другим – 55·106 Дж/м2, что в 1,7 раза больше предыдущего значения (см. рис. 5). Поскольку стена высотой 3 м обычно «обслуживает» помещение длиной 6 – 7,5 м, то результирующие теплопотери, приходящиеся на единицу площади помещения, будут 3,7…4,6 кВт·час/(м2·год). Последние цифры на порядок меньше нормативных значений.

Наличие в ограждении воздушной прослойки позволяет использовать ее для принудительного отведения избыточной теплоты и поддержания заданной температуры Тв в помещении (в рассчитанном случае Тв = 20 °С). Как следует из данных, приведенных на рис. 2, 3, при этом возможно получение потенциала воздушного теплоносителя порядка 20…30 °С. Такую теплоту можно направить в низкопотенциальный теплоаккумулятор либо использовать для предварительного подогрева воды в системе горячего водоснабжения. Если в последней применяются тепловые насосы, то возможен непосредственный ввод этой энергии в низкотемпературный контур теплового насоса.

При отоплении по системе «теплый пол» открывается возможность создания комфортных условий в помещении в теплое время года путем извлечения этой системой избыточной энергии с последующим направлением ее в неработающие летом тепловые насосы или в теплоаккумулятор.



1. Ильинский В.М. Строительная теплофизика (ограждающие конструкции и микроклимат зданий) / Ильинский В.М. – М.: Высшая школа, 1974. – 320 с.
2. Богословский В.Н. Отопление: учеб. для вузов / Богословский В.Н., Сканави А.Н. – М.: Стройиздат, 1991. – 735 с.
3. Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий / Фокин К.Ф. – М.: АВОК-ПРЕСС, 2006. – 200 с.
4. Власов О.Е. Основы строительной теплотехники / Власов О.Е. – М.: ВИА РККА, 1938. – 94 с.
5. Справочник по климату СССР. - Вып. 10, ч. I. Солнечная радиация, радиационный баланс и солнечное сияние. – Л.: Гидрометеоиздат, 1966. – 124 с.
6. Справочник по климату СССР. - Вып. 10, ч.II. Температура воздуха и почвы. – Л.: Гидрометеоиздат, 1967. – 608 с.
7. Справочник по климату СССР. - Вып. 10, ч.III. Ветер. – Л.: Гидрометеоиздат, 1967. – 682 с.
8. Шкловер А.М. Теплопередача при периодических тепловых воздействиях / Шкловер А.М. – М.: Энергоиздат, 1961.
9. Кондратьев К.Я. Радиационный режим наклонных поверхностей / Кондратьев К.Я., Пивоварова З.И., Федорова М.П. – Л.: Гидрометеоиздат, 1978. – 216 с.
10. Бартеньев О.В. Фортран для профессионалов. Математическая библиотека IMSL. Ч.3. / Бартеньев О.В. – М.: Диалог МИФИ, 2001. – 368 с.
11. Михеев М.А. Основы теплопередачи / Михеев М.А., Михеева И.М. – М.: Энергия, 1973. – 320 с.
12. Накорчевский А.И. Действие климатических условий на теплопередачу через ограждения зданий и использование избыточной теплоты для теплоснабжения / Накорчевский А.И. // Инженерно-физический журнал. – 2013. – Т.86. – № 3. - С. 481–488.