книги из ГПНТБ / Специальные вопросы строительной теплофизики учебное пособие

ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ В ПРОЦЕССЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОСЛЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОТО НАТОПА

Основной задачей систем отопления, вентиляции и кондициони­ рования воздуха подземных сооружений является поддержание в процессе длительной эксплуатации определенных, строго заданных температурно-влажностных параметров внутренней воздушной сре­ ды, необходимых для обеспечения жизнедеятельности людей и нор­ мального функционирования технологического оборудования.

Одним из главных условий качественного решения этой задачи является правильное определение требуемых мощностей тепло- и холодоснабжения на основе научно обоснованного прогнозирова­ ния температурного режима подземных сооружений с учетом дли­ тельности их эксплуатации.

Для подземных сооружений характерен нестационарный про­ цесс теплообмена: с увеличением времени теплообмена толща про­ гретого грунта вокруг сооружения непрерывно увеличивается, до­ стигая через 10—15 лет эксплуатации нескольких десятков мет­ ров. Следствием этого обстоятельства является непрерывное умень­ шение теплопотерь сооружения в течение всего периода его экс­ плуатации.

Однако это обстоятельство в практике проектирования и экс­ плуатации подземных сооружений должным образом не учитыва­ ется или учитывается весьма приближенно. В результате неоправ­ данно завышается эксплуатационная мощность систем отопления, сооружений и, напротив, мощность систем холодоснабжения для целей кондиционирования (охлаждения) воздуха оказывается не­ достаточной для обеспечения заданного температурного режима.

Одной из схем обеспечения заданного температурного режима в подземных сооружениях является следующая:

а) предварительный прогрев (натоп) сооружения постоянным тепловым потоком qn в заданное время тп с целью получения оп­ ределенного значения температуры внутренней воздушной сре­

ды tB;

б) последующее поддержание в сооружении данной величины: tB в процессе длительной эксплуатации.

61.

В настоящее время для выполнения теплотехнических расчетов подземных сооружений применяется ряд методик, из которых наи­ более широкое распространение в практике проектирования нашли методы расчета Б. А. Казанцева и Ю. И. Кулжинского. Однако эти методы расчета обеспечивают решение только первой из перечис­ ленных выше задач, т. е. дают возможность определить мощность систем отопления для обеспечения натопа сооружений в заданное время и не дают ответа на вопросы, связанные с решением задач по обеспечению температурного режима подземных сооружений в процессе длительной их эксплуатации после завершения натопа.

Следует отметить, что по методике Б. А. Казанцева для опре­ деления эксплуатационной мощности систем отопления рекоменду­ ется принимать время натопа сооружения ти^2500 час. Эта реко­ мендация обосновывается тем, что якобы к концу периода натопа такой продолжительности тепловой поток через ограждающие кон­ струкции сооружения в грунтовой массив стабилизируется и в по­ следующем остается почти неизменным, т. е. наступает процесс теплопередачи, близкий к стационарному.

Согласно этой рекомендации, при проектировании подземных сооружений эксплуатационная мощность систем отопления, как и эксплуатационные теплопотери сооружений, определяется, исхо­ дя из задания в расчетах времени Тц=2500 час. Это приводит к не­ рациональному завышению эксплуатационной мощности систем отопления и источников их теплоснабжения, а также к неверным расчетам при определении мощности источников холодоснабжения для систем кондиционирования воздуха.

Для выявления закономерности изменения температурного ре­ жима подземных сооружений после завершения натопа необходимо аналитическое решение задачи нестационарной теплопередачи при переменных граничных условиях, существо которой можно сформу­ лировать следующим образом.

Бесконечное полупространство имеет начальную температуру to. В течение некоторого времени ти оно прогревается постоянным во времени потоком тепла qH (граничное условие второго рода). В последующее время т поверхность полупространства прогрева­ ется за счет теплообмена со средой, имеющей постоянную темпе­ ратуру £B=const (граничное условие третьего рода). Требуется оп­ ределить закон изменения удельного теплового потока q во време­ ни с учетом изменения граничных условий в процессе теплообмена.

Закономерность изменения во времени температуры поверхно­ сти полупространства при указанных условиях теплообмена опре­ деляется следующим выражением:

m т, хн) = ^в- ^ -

7

62

— — ex p [ Я 2 а (хн + t)J / erfc [H У a (xH+ x) ] + erf ( H ] / a x H)

Следует подчеркнуть, что данное выражение определяет закон изменения температуры поверхности для общего случая изменения граничных условий (второго и третьего рода) в процессе теплооб­ мена, т. е. без учета какой-либо взаимосвязи между величинами qH и tB. В частном случае, когда предварительный прогрев (натоп)

постоянным тепловым потоком qHпроизводится с целью получения определенного значения температуры внутренней воздушной сре­ ды сооружения в заданное время тн и в последующем эта величина tB поддерживается в процессе длительного теплообмена, что явля­ ется наиболее характерным для практики, выражение (V. 1) не­ сколько упрощается.

В этом случае для плоского ограждения безграничной толщины величина постоянного теплового потока qa, необходимая для повы­

V *

63

выражение (V.1) можно преобразовать к более простому виду

/(О, '„,■:) = * (0, тн)—

— [Я — t (0, тн)] ехр [Я2 а (Тн -f -)] | erfc [ Я У а (т„ + т)

Формула для определения изменения во времени теплового по­

Разделив данное выражение на qlu получим отношение, харак­ теризующее требуемое после завершения натопа изменение вели­ чины теплового потока для обеспечения в сооружении постоянной температуры воздушной среды

64

*

Л?

р[ч га(гн+^}}ег/с[4\Za(vH+v)]

G6

на этом рисунке, проведенная через максимумы, показывает, что

=0,0025 м2/час) величина Н ] а^ = 3 соответствует времени теп­ лообмена т?«140 час.

В табл. 16, составленной по данным расчета на ЭЦВМ, приве­ дены значения В{ти, т) для пределов изменения Н У а х п от 0,1 до

2 и Н ] / а х — от 0,1 до 20.

Полученные выше зависимости для плоского ограждения неог­ раниченной толщины могут быть использованы для расчета темпе­ ратурного режима подземных сооружений цилиндрической или иной формы.

Это обеспечивается введением в расчетные формулы (V.1), (V.4), (V.5) и (V.6) поправочных коэффициентов (формфакторов рк и Р), при помощи которых учитывается влияние на процесс теп­ лообмена формы и размеров сооружения в зависимости от тепло­ технических свойств ограждающего массива и продолжительности процесса. При этом следует подчеркнуть, что рк (формфактор Ю. И. Кулжинского) характеризует процесс теплообмена соору­ жения при граничном условии 2-го рода, а формфактор р — при граничном условии 3-го рода.

Таким образом, основные расчетные формулы для определения температурного режима подземных сооружений при рассматривае­ мых условиях теплообмена будут иметь следующий вид:

68