§ 2.2. Потери теплоты через ограждения помещения

Наибольшие потери теплоты через i-oe ограждение помещения Q_i, Вт, определяют по формуле

где А_i - площадь ограждения, м²; R_0,i - приведенное сопротивление теплопередаче ограж-дения, м²·°С/Вт; t_p - расчетная температура помещения, °С; t_ext - расчетная температура снаружи ограждения, °С; П; - коэффициент, учитывающий фактическое понижение рас-четной разности температуры (t_p - t_ext) для ограждений, которые отделяют отапливаемое помещение от не отапливаемого (подвал, чердак и др.); p₁ - коэффициент, учитывающий дополнительные теплопотери через ограждения.

Расчетная температура помещения t_p обычно задается равной расчетной температуре воз-духа в помещении t_B, °C, с учетом возможного повышения ее по высоте в помещениях вы-сотой более 4 м. Температура t_B принимается в зависимости от назначения помещения по СНиП, соответствующим назначению отапливаемого здания.

Под расчетной температурой снаружи ограждения t_ext подразумевается температура наружного воздуха для холодного периода года при расчете потерь теплоты через наруж-ные ограждения или температура воздуха более холодного помещения при расчете потерь теплоты через внутренние ограждения. Величина наибольших теплопотерь через наруж-ные ограждения будет соответствовать заданному коэффициенту обеспеченности внут-ренних условий в помещении К_об, с учетом которого и выбирается значение t_ext=t_H. В со-ответствии с действующими нормами теплопотери помещений, по которым определяется расчетная тепловая мощность системы отопления, принимаются равными сумме теплопо-терь через отдельные наружные ограждения без учета их тепловой инерции при t_H=t_{H 5},

т.е. при средней температуре наружного воздуха наиболее холодной пятидневки, со-

ответствующей К_об= 0,92. Кроме того, должны быть учтены потери или поступления теплоты через внутренние ограждения, если температура в соседних помещениях ниже или выше температуры в расчетном помещении на 3 °С и более.

Приведенное сопротивление теплопередаче ограждения или его коэффициент теплопере-дачи k₀ = 1/R_0,k, входящие в формулу (2.2), принимаются по теплотехническому расчету в соответствии с требованиями действующего СНиП "Строительная теплотехника" или (например, для окон, дверей) по данным организации-изготовителя.

Особый подход существует к расчету теплопотерь через полы, лежащие на грунте. Пе-редача теплоты из помещения нижнего этажа через конструкцию пола является сложным процессом. Учитывая сравнительно небольшой удельный вес теплопотерь через пол в об-

29

щих теплопотерях помещения, применяют упрощенную методику расчета. Теплопотери через пол, расположенный непосредственно на грунте, рассчитывают по зонам. Для этого поверхность пола делят на полосы шириной 2 м, параллельные наружным стенам. Полосу, ближайшую к наружной стене, обозначают первой зоной, следующие две полосы - второй и третьей, а остальную поверхность пола - четвертой зоной. Если проводится расчет теп-лопотерь заглубленного в грунт помещения, отсчет зон ведется от уровня земли по внут-ренней поверхности наружной стены и далее по полу. Поверхность пола в зоне, примы-кающей к наружному углу помещения, имеет повышенные теплопотери, поэтому ее пло-щадь в месте примыкания при определении общей площади зоны учитывается дважды.

Расчет теплопотерь каждой зоной проводят по формуле (2.2), принимая n_i (1 + β_i)=l,0. За величину R_о,i принимают условное сопротивление теплопередаче не утепленного пола R_{H п}, м² °С/Вт, которое для каждой зоны берут равным: для первой зоны - 2,1; для второй зо-ны - 4,3; для третьей зоны - 8,6; для четвертой зоны - 14,2.

Если в конструкции пола, лежащего на грунте, имеются слои материалов, теплопровод-ность которых меньше 1,2 Вт/(м • °С), то такой пол называют утепленным. При этом со-противление теплопередаче каждой зоны утепленного пола R_у.д, м²·°С/Вт, принимают равным

где δ_ус - толщина утепляющего слоя, м; λ_ус - теплопроводность материала утепляющего слоя, Вт/(м·°С).

Теплопотери через полы по лагам рассчитываются также по зонам, только условное со-противление теплопередаче каждой зоны пола R_л, м²·°С/Вт, принимается равным 1,18 R_y.n (здесь в качестве утепляющих слоев учитывают воздушную прослойку и настил по лагам).

Площадь отдельных ограждений при подсчете потерь теплоты через них должна вычис-ляться с соблюдением определенных правил обмера. Эти правила по возможности учи-тывают сложность процесса теплопередачи через элементы ограждения и предусматрива-ют условные увеличения и уменьшения площадей, когда фактические теплопотери могут быть соответственно больше или меньше подсчитанных по принятым простейшим фор-мулам. Как правило, площади определяются по внешнему обмеру.

Площади окон, дверей и фонарей измеряются по наименьшему строительному проему. Площади потолка и пола измеряются между осями внутренних стен и внутренней по-верхностью наружной стены. Площади пола по грунту и лагам определяются с условной их разбивкой на зоны, как указано выше. Площади наружных стен в плане измеряются по внешнему периметру между наружным углом здания и осями внутренних стен. Измерение наружных стен по высоте проводят:

• - в первом этаже (в зависимости от конструкции пола) или от внешней поверхности пола по грунту, или от поверхности подготовки под конструкции пола на лагах, или от нижней поверхности перекрытия над подпольем или не отапливаемым под-вальным помещением до чистого пола второго этажа;

• - в средних этажах от поверхности пола до поверхности пола следующего этажа;

• - в верхнем этаже от поверхности пола до верха конструкции чердачного перекры-тия или бесчердачного покрытия.

30

При необходимости определения теплопотерь через внутренние ограждения их площади берутся по внутреннему обмеру.

Основные теплопотери через ограждения, подсчитанные по формуле (2.2) при β_i = 0, ча-сто оказываются меньше действительных теплопотерь, так как при этом не учитывается влияние на процесс теплопередачи некоторых факторов. Потери теплоты могут заметно изменяться под влиянием инфильтрации и эксфильтрации воздуха через толщу огражде-ний и щели в них, а также под действием облучения солнцем и "отрицательного" излуче-ния внешней поверхности ограждений в сторону небосвода. Теплопотери помещения в целом могут возрасти за счет изменения температуры по высоте, врывания холодного воз-духа через открываемые проемы и пр.

Эти дополнительные потери теплоты обычно учитывают добавками к основным теп-лопотерям. Величина добавок и условное их деление по определяющим факторам следу-ющее.

Добавка на ориентацию по странам света (сторонам горизонта)

делается на все наружные вертикальные и наклонные (их проекция на вертикаль) ограж-дения. Величины добавок берутся в соответствии со схемой на рис. 2.1. Для обществен-ных, административно-бытовых и производственных зданий при наличии в помещении двух и более наружных стен добавки на ориентацию по сторонам горизонта на все ука-занные выше ограждения увеличиваются на 0,05, если одно из ограждений обращено на север, восток, северо-восток и северо-запад, или на 0,1 - в других случаях. В типовых про-ектах эти добавки принимаются в размере 0,08 при одной наружной стене и 0,13 при двух и более стенах в помещении (кроме жилых), а во всех жилых помещениях - 0,13.

Для горизонтально расположенных ограждений добавка в размере 0,05 вводится только для не обогреваемых полов первого этажа над холодными подпольями зданий в местно-стях с расчетной температурой наружного воздуха минус 40 °С и ниже, с

Рис. 2.1. Схема распределения добавок к основным теплопотерям на ориентацию наруж-ных ограждений по странам света (сторонам горизонта)

Добавка на врывание холодного воздуха через наружные двери (не оборудованные воз-душными или воздушно-тепловыми завесами) при их кратковременном открывании при высоте здания Н, м, от средней планировочной отметки земли до верха карниза, центра

31

вытяжных отверстий фонаря или устья вентиляционной шахты принимается: для тройных дверей с двумя тамбурами между ними в размере β_i=0,2H, для двойных дверей с тамбура-ми между ними - 0,27Н, для двойных дверей без тамбура - 0,34Н, для одинарных дверей - 0,22Н. Для наружных ворот при отсутствии тамбура и воздушно-тепловых завес добавка равна 3, при наличии тамбура у ворот -1. Указанные выше добавки не относятся к летним и запасным наружным дверям и воротам.

Ранее нормами предусматривалась добавка на высоту для помещений высотой более 4 м, равная 0,02 на каждый метр высоты стен сверх 4 м, но не более 0,15. Эта надбавка учиты-вала увеличение теплопотерь в верхней части помещения, так как температура воздуха возрастает с высотой. Позднее это требование было исключено из норм. Теперь в высоких помещениях необходимо делать специальный расчет распределения температуры по вы-соте, в соответствии с которым и определяются теплопотери через стены и покрытия. В лестничных клетках изменение температуры по высоте не учитывается.

Пример 2.1. Рассчитаем теплопотери через ограждения помещений двухэтажного здания общежития, расположенного в Москве (рис. 2.2). Расчетная температура наружного воз-духа для отопления t_{H 5}=-26 °С.

Коэффициенты теплопередачи наружных ограждений к, Вт/(м²·°С), определенные тепло-техническим расчетом, а также по нормативным или справочным данным, принимаем равными: для наружных стен (Не) - 1,02; для чердачного перекрытия (Пт) - 0,78; для окон с двойным остеклением в деревянных переплетах (До) -2,38; для наружных двойных дере-вянных дверей без тамбура (Нд) - 2,33; для внутренних стен лестничной клетки (Вс) - 1,23; для одинарной внутренней двери из лестничной клетки в коридоры (Вд) - 2,07.

Рис. 2.2. План и разрез помещений здания общежития (к примерам 2.1, 2.2 и 2.3)

Полы первого этажа (Пл) выполнены на лагах. Термическое сопротивление замкнутой воздушной прослойки R_{B п}=0,172, м²·°С/Вт, толщина дощатого настила 5 = 0,04 м с тепло-проводностью Х=0,175 Вт/(м·°С). Термическое сопротивление утепляющих слоев кон-струкции пола равно:

Теплопотери через пол на лагах определяются по зонам. Условное сопротивление тепло-передаче, м²·°С/Вт, и коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·°С), для I и II зон:

32

Для не утепленного пола лестничной клетки

Теплопотери через отдельные ограждения рассчитываем по формуле (2.2). Расчет сведен в табл. 2.1.

Таблица 2.1. Расчет теплопотерь помещений

Примечания.

1. В графе 7 коэффициент теплопередачи для окон определен как разность коэффици-

33

ентов теплопередачи окна и наружной стены, но при этом площадь окна не вычи-тается из площади стены.

2. Теплопотери через наружную дверь определены отдельно (из площади стены ис-ключается площадь двери, так как добавка "на врывание наружного воздуха через дверь" относится к основным теплопотерям через закрытую дверь).

2. В графе 14 приведены расчетные теплопотери на нагревание инфильтрующегося воздуха (см. пример 2. 2).

2. Теплопотери помещения в целом (графа 15) определены как сумма теплопотерь через ограждения и на нагревание инфильтрующегося воздуха.

• 2.3. Потери теплоты на нагревание инфильтрующегося наружного воздуха

Добавки к основным теплопотерям на врывание воздуха через наружные двери и ворота здания (см. § 2.2) приближенно учитывают затраты теплоты на инфильтрацию, и учет только их в производственных и многоэтажных зданиях оказывается недостаточным.

В подобных зданиях расход теплоты на нагревание холодного воздуха, поступающего че-рез притворы окон, фонарей, дверей, ворот, составляет 30...40 % и более от основных теп-лопотерь. Учитывая столь большую величину этих потерь, при расчете теплопотерь мно-гоэтажных зданий делают специальные расчеты затрат теплоты на нагревание поступаю-щего в помещение холодного наружного воздуха.

Количество наружного воздуха, поступающего в помещение в результате инфильтрации, зависит от конструктивно-планировочного решения здания, направления и скорости вет-ра, температуры воздуха, герметичности конструкций и особенно длины и вида притворов открывающихся окон, фонарей, дверей и ворот.

Общий процесс обмена воздухом между помещениями и с наружным воздухом, который происходит под действием естественных сил и работы искусственных побудителей дви-жения воздуха, называют воздушным режимом здания. Воздухообмен происходит через все воздухопроницаемые элементы (притворы, стыки, вентиляционные каналы и пр.) под действием разности давления, поэтому расчет воздушного режима сводится к рассмотре-нию аэродинамической системы с определенным образом заданными граничными усло-виями. Решение этой задачи рассматривается в курсах "Теоретические основы создания микроклимата в помещении" и "Вентиляция".

При определении теплозатрат на нагревание наружного воздуха при инфильтрации расчет воздушного режима здания может быть упрощен. Задача инженерного расчета сводится, прежде всего, к определению суммарного расхода инфильтрующегося воздуха 2Д, кг/ч, через отдельные ограждающие конструкции помещения, который зависит от вида и ха-рактера не плотностей в наружных ограждениях и определяется по формуле

где обозначения с индексом 1 относятся к окнам, балконным дверям и фонарям; с индек-сом 2 - к дверям, воротам и открытым проемам; с индексом 3 - к стыкам стеновых панелей (эта составляющая учитывается только для жилых зданий); А - площадь ограждения, м²; 1₃ -длина стыков панелей, м; R_M - сопротивление воздухопроницанию соответствующего

ограждения, м²·ч-Па^п/кг для R_H,1 и R_H,2 или м·ч·Па/кг для К_и3 (показатель степени п, рав-ный 1, 1/2 или 2/3, характеризует различный аэродинамический режим фильтрации возду-

ха, соответственно ламинарный - через стыки панелей, турбулентный - через двери и от-крытые проемы, смешанный - через не плотности окон); р - перепад давления на поверх-

34

ности соответствующих ограждений на уровне расположения воздухопроницаемого эле-мента, Па; 0,21 - числовой коэффициент, учитывающий перепад давления р₀=10 Па, при котором определяются расчетные значения R_H1 (0,21=1/10^2/3).

Фактические значение сопротивления воздухопроницанию наружных ограждений R_H определяются по действующим СНиП [2] или по данным организации-изготовителя.

Расчетная разность давления Δp_i, Па, в общем случае определяется величиной гравитаци-онно-ветрового давления и работой вентиляции

где Н - высота здания от поверхности земли до верха карниза или вытяжных отверстий шахт (фонаря), м; h_i - расстояние от поверхности земли до верха окон, дверей и проемов или до середины стыков панелей, м; g=9,81 м/с² - ускорение свободного падения; р_н, р_в - плотность, соответственно, наружного и внутреннего воздуха, кг/м³, определяемая по специальным таблицам или в зависимости от температуры воздуха t по формуле р = 353 / (273 + t); V_H - расчетная скорость ветра, м/с; k - коэффициент, учитывающий изменение скоростного давления ветра по высоте здания, принимаемый по СНиП "Нагрузки и воз-действия"; с_н, С₃ - аэродинамические коэффициенты на, соответственно, наветренной и заветренной сторонах здания (там же); р₀ - условное давление в помещении, Па, от уровня которого отсчитаны первое и второе слагаемые формулы (2.5).

Для помещений (зданий) со сбалансированной вентиляцией (вентиляционная вытяжка полностью компенсируется подогретым притоком воздуха) или при отсутствии организо-ванной вентиляции условное давление р₀, Па, принимается равным наибольшему избы-точному давлению в верхней точке заветренной стороны здания, обусловленному дей-ствием гравитационного и ветрового давления, т.е.

Вычисленное значение р0 принимается постоянным для всего здания, в лестничной клет-ке, в непосредственно соединенных с ней коридорах, а также в отдельных помещениях при свободном перетекании воздуха из помещения в коридоры. В случае герметизации внутренних дверей условное давление в отдельных помещениях определяется из уравне-ния воздушного баланса помещения.

Расход теплоты на нагревание инфильтрующегося воздуха Q_H, Вт, определяется по фор-муле

где с - массовая теплоемкость наружного воздуха, принимая равной 1 кДж/(кг°С); t_B, t_H - расчетная температура соответственно внутреннего и наружного воздуха (t_H = 1_{н 5}); Р - ко-эффициент, учитывающий нагревание инфильтрующегося воздуха в ограждении встреч-ным тепловым потоком (экономайзерный эффект), равный: 0,7 -для стыков панелей и окон с тройными переплетами, 0,8 - для окон и балконных дверей с раздельными перепле-тами и 1,0 - для окон с одинарными и спаренными переплетами; 0,28 - числовой коэффи-циент, приводящий в соответствие принятые размерности расхода воздуха, кг/ч, и тепло-

вого потока, Вт (0,28=1005/3600).

35

В жилых и общественных зданиях только с вытяжной вентиляцией (без компенсации по-догретым притоком воздуха) расход теплоты на нагревание инфильтрующегося воздуха определяется двумя путями.

Сначала определяют расход теплоты Q_вeнт, Вт, на нагревание наружного воздуха, компен-сирующего расчетный расход воздуха L_вент, м³/ч, удаляемого из помещения вытяжной вентиляцией, по формуле

Для жилых зданий удельный расход воздуха нормируется в размере 3 м³/ч на 1 м² площа-ди жилых помещений и кухни. В общественных зданиях он должен определяться расче-том воздухообмена в помещениях.

Затем рассчитывается расход теплоты Q_н по формуле (2.7) из условия нагревания инфиль-трующегося через наружные ограждения воздуха при отсутствии вентиляции.

За расчетное принимается большее из полученных значений. Подобное сопоставление особенно актуально в современных условиях, когда с одной стороны в действующих нор-мах [2] снижено требуемое значение воздухопроницаемости окон, с другой стороны, со-временные их конструкции имеют очень большое сопротивление воздухопроницанию.

Для всех зданий с другим назначением (кроме жилых и общественных с естественной вы-тяжной вентиляцией) Q_H определяется только одним путем - расчетом по формуле (2.7).

Пример 2.2. Рассчитаем расход теплоты на нагревание инфильтрующегося воздуха в по-мещениях общежития, рассмотренного в примере 2.1. Жилые помещения оборудованы естественной вытяжной вентиляцией с нормативным воздухообменом 3 м³/ч на 1 м² пло-щади пола.

Определяем расход теплоты на нагревание вентиляционного воздуха по формуле (2.8):

для угловых помещений (№ 101, 201)

для рядовых помещений (№ 102, 202)

Инфильтрационные теплопотери для жилых комнат в результате действия только грави-тационного и ветрового давления (расчетная скорость ветра для Москвы v_H=4 м/с) рассчи-тываем в такой последовательности.

Определяем условное давление в лестничной клетке и в примыкающих к ней коридорах по формуле (2.6):

36

Вычисляем условное давление на внешней поверхности наружных ограждений р, равное двум первым слагаемым формулы (2.5) (плотность внутреннего воздуха принимаем по наиболее представительной рядовой жилой комнате при t_B=18 °С):

для помещений первого этажа

для помещений второго этажа

Сопротивление воздухопроницанию ограждений принимаем по результатам проверочного расчета воздухопоницаемости в соответствии с требованиями СниП [2] и по справочным данным: для заполнения оконных проемов R_Hi=0,13 м²·ч·Па^2/3/кг (спаренный переплет); для внутренних дверей R_H,2=0,3 м²·ч·Па^1/2/кг.

Определяем условное давление в помещениях р_х из уравнения воздушного баланса при условии перетекания инфильтрующегося через окно воздуха в коридоры и при отсутствии вентиляции

откуда при площади окна A₁=l,8 м² и внутренней двери А²=1,98 м² имеем: для помещений первого этажа р_{х л} =13,9 Па, для помещений второго этажа р_х2=12,2 Па.

Полученные значения давлений незначительно отличаются от условного давления в лест-ничной клетке и для данного примера могут быть приняты равными последнему. Однако в других случаях, особенно в многоэтажных зданиях, различие может быть существенным.

Вычисляем расчетную разность давления по формуле (2.5):

для помещений первого этажа

Отрицательное значение р₂ свидетельствует не об инфильтрации, а об экс-фильтрации внутреннего воздуха через не плотности ограждений (при отсутствии вентиляции).

Определяем расход воздуха, инфильтрующегося через окна помещений первого этажа (первое слагаемое формулы (2.4)):

37

Последняя величина - удельный расход инфильтрующегося воздуха не превышает допус-каемой СНиП [2] воздухопроницаемости окон (10 кг/( м²·ч)). В противном случае следо-вало бы заменить окно на конструкцию с более высоким сопротивлением воздухопрони-цанию.

Рассчитываем расход теплоты на нагревание инфильтрующегося воздуха по формуле

(2.7):

Так как Q_вент>Q_и, в качестве расчетных принимаем значение Q_BeHr как для помещений первого, так и второго этажа. Результат заносим в табл. 2.1 (колонка 14) примера 2.1.

В лестничной клетке инфильтрация осуществляется через не плотности наружной двери (К_и2=0,14 м²·ч·Па^1/2/кг) и окно (R_{H i} =0,13 м₂·ч·Па^2/3/кг, раздельный переплет). При высоте

от поверхности земли до верха окна 4,1 м, до верха наружной двери 2,2 м и условном дав-лении в лестничной клетке р₀=11,72 Па расчетная разность давления в зоне наружной две-ри равна р₁=7,63 Па, в зоне окна - р₂=4,08 Па.

Расход инфильтрующегося воздуха через не плотности закрытой наружной двери и окна составит:

Полученный результат меньше величины дополнительных теплопотерь на врывание хо-лодного воздуха при открывании наружной двери Q = 2,48-310 = 769 Вт (см. табл. 2.1 примера 2.1). Поэтому в качестве расчетных принимаем теплопотери лестничной клеткой в период времени с открытой наружной дверью.