Лекция 1. ВВЕДЕНИЕ

Сравнение показателей энергоемкости отечественного производства с аналогичными показателями, достигнутыми в других странах, свидетельствует о неэффективном энергопотреблении в реальном секторе экономики нашей страны. Так, на один доллар стоимости продукции, выпускаемой нашей промышленностью, расходуется 1,4 кг у.т., в то время, как в США этот показатель составляет 0,8 , а в странах Западной Европы 0,5 кг у.т. на доллар [6]. Результаты энергоаудита, выполненного на ряде крупных промышленных объектов, показывают, что наряду с низкой энергоэффективностью технологических процессов второй по значимости причиной высокой энергоемкости отечественного производства является неэффективное энергопотребление существующего климатотехнического оборудования и систем обеспечения жизнедеятельности, связанное с низким уровенем теплозащиты промышленных зданий, отсутствием систем автоматического регулирования и рядом других факторов. Поэтому сегодня для большинства промышленных предприятий различных отраслей и форм собственности актуальной является задача снижения уровня эксплуатационного энергопотребления. Для успешного решения этой задачи инженерам и бакалаврам теплоэнергетических специальностей, наряду со знанием основ теплотехнологии, необходимы знания теплотехники зданий, основ создания внутреннего микроклимата и принципов действия климатотехнического оборудования, потребляющего значительную долю тепловой энергии из систем теплоснабжения предприятий.

Принятая правительством “Энергетическая стратегия России на период до 2020 года” [17] в качестве одного из приоритетных направлений предусматривает решение задач эффективного использования топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) и создание условий для перевода экономики на энергосберегающий путь развития. Материалы, изложенные в настоящем учебном пособии могут оказаться полезными при практическом решении данной задачи.

Самочувствие человека определяется тепло-влажностным взаимодействием организма с окружающей средой. Великий русский физиолог И.П. Павлов писал, что “организм сам в себе, своей деятельностью, своими химическими процессами производит теплоту”. Избыток выработанной в организме теплоты принимается окружающей средой. При сохранении баланса между выработкой теплоты и теплоотдачей в окружающую среду человек испытывает тепловое безразличие, которое является основным условием его нормального самочувствия. Нарушение теплового баланса приводит к перегреву или переохлаждению организма. Таким образом, в основе создания внутреннего микроклимата зданий, лежат энергетические процессы.

Медиками установлено, что оптимальной для человека является температура окружающей среды 20-22С, относительная влажность 6010% и скорость движения воздуха, не более 0,2 м/с. При таких параметрах микроклимата, человек в состоянии покоя испытывает тепловое безразличие. Для поддержания заданных параметров воздушной среды используются системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Краткая историческая справка* и обзор современного состояния вопроса. С далекой древности люди, еще не обладая научными знаниями, пытались обеспечивать себе более приемлемые условия существования, отапливая свои жилища. Одними из первых, известных науке приборов для организованного отопления, являются найденные археологами в разных странах древесно-угольные жаровни [18]. Такой способ отопления зародился задолго до начала нашей эры и просуществовал до конца ХVIII века. Имеется свидетельство того, что залы Английского парламента в 1790 году еще отапливались угольными жаровнями, несмотря на то, что в это время уже существовали более совершенные системы отопления.

Первые признаки появления более организованных систем отопления и даже вентиляции встречаются примерно за 200 лет до начала нашей эры.

Археологические раскопки на территории Франции, Италии, Германии и Англии открывают перед нами картину довольно значительных достижений в этой области. Говоря о первых достижениях отопительной техники, следует в первую очередь обратить внимание на огневые системы отопления подпольными камерами с греческим названием “хюпокаустум” ( что в переводе означает “снизу согретый” ). Об этой системе отопления очень подробно пишет в своем сочинении “Об архитектуре” военный инженер времен римских императоров Цезаря и Августа знаменитый Марк Витрувий Поллио (конец I века до н.э.).

В дальнейшем, параллельно с существованием традиционных “хюпокаустов”, появилась их модификация система подпольно-канального отопления. В такой системе, в отличие от традиционной, топка была вынесена за пределы зданий, а по подпольным каналам в здание подавались горячие продукты сгорания, которые удалялись через вертикальные дымоходы, расположенные в углах. По существу подпольно-канальное отопление является прообразом печного, так как здесь впервые использована теплоотдача внешней поверхности согретого дымохода, но только в данном случае печь зарыта в грунт “лежа”, а “на ноги” она встала лишь 1000 лет спустя. В усовершенствованном виде печное отопление существует и поныне.

К 820 году н.э. относится первое упоминание об отоплении открытым камином с применением дымохода в монастыре Сан-Галлен (Швейцария).

*Примечание. Историческая справка подготовлена по материалам книги Б.М. Аше “Отопление и вентиляция”. т.1, Госстройиздат, 1939г.

Далее в истории отопительной техники следует эпоха централизованных систем, хотя все виды перечисленных автономных отопительных устройств продолжали существовать параллельно и не сдавали своих позиций. Впервые принципы, лежащие в основе действия систем центрального водяного отопления, были применены в найденном при раскопках Помпеи водогрейном устройстве, предназначенном для римских горячих ванн. В этом устройстве встречаются все основные элементы циркуляционной водяной системы. Однако, в дальнейшем на протяжении многих веков, эти принципы были совершенно забыты, а первая водяная система отопления родилась вновь лишь в 1777 г. во Франции, гораздо позднее воздушной и паровой систем высокого давления. Поэтому первой по времени возникновения централизованной системой отопления считается дымо-трубная система отопления 4-х этажного здания ситцевой фабрики в Лондоне, упоминание о которой имеется в одной из Лондонских газет 1829 г. В этой системе от одной печи, расположенной на первом этаже, через все помещения зигзагообразно были протянуты многочисленные металлические горизонтальные рукава, по которым проходили продукты сгорания. Такая система, несмотря на повышенную пожароопасность, получила широкое распространение в Европе в начале ХIХ века.

Первая воздушная система централизованного отопления с притоком наружного воздуха была осуществлена в Германии в клинике г. Майнц в 1792г. Поверхностью нагрева служила одна фарфоровая труба большого диаметра, уложенная в огневом пространстве печи. Через эту трубу протекал наружный воздух, который накалившись, отводился каналами в отапливаемые вышележащие помещения. Эффективность этой системы была крайне низкой из-за того, что раскаленная поверхность печи оставалась практически неиспользованной, а одна фарфоровая труба не могла обеспечить требуемой теплоотдачи для нагрева целой клиники.

Первый вполне удовлетворительный воздушный калорифер был сконструирован Курандо во Франции в 1797 году. В этой конструкции через огневое пространство печи проходила не одна фарфоровая, а целый пучок наклонно расположенных медных труб. Получилась конструкция огневоздушного калорифера, применяемая до сих пор. Такой системой удачно отапливалась целая фарфоровая фабрика в Париже.

Первая паровая система отопления высокого давления ( Р > 0,5 ати ) была изобретена в Англии в 1745 г. полковником Куком и впервые применена для отопления теплиц только 10 лет спустя. С 1770 г. имеются упоминания об отоплении такой системой фабричных зданий. С начала ХIХ века паровая система высокого давления стала применяться и в жилых зданиях, но в виде исключения.

Водяная система низкого давления, т.е. открыто сообщающаяся с атмосферой через расширительный бак, с нагревом воды до 100С была изобретена в 1777 г. парижским инженером Боннеменом применительно к обогреву инкубаторов для выводки цыплят. Только через 40 лет эта система стала применяться для отопления зданий. Первоначально водяные системы строились без всякого расчета, и только в 1841 г. англичанин Худд приходит к правильным воззрениям на причины возникновения циркуляции в водяной системе. Таким образом Худда можно считать первым теоретиком водяных систем отопления.

Спустя некоторое время после изобретения водяной системы была изобретена и паровая система низкого давления. Эта система сразу стала быстро развиваться и вытеснять своей дешевизной и простотой все остальные системы центрального отопления, так как гигиенические и технические преимущества водяных систем в то время не были достаточно изучены.

Сегодня, в соответствии с санитарными нормами, использование паровых систем резко ограничено. Такие системы запрещены в жилых и общественных зданиях. Наиболее распространенными в настоящее время являются системы водяного отопления. Эти системы экономичны, долговечны, они удовлетворяют всем санитарно-гигиеническим требованиям, удобны в эксплуатации и технологичны при монтаже. Поэтому системами водяного отопления оборудовано до 80% всех зданий (жилых, общественных и производственных) в нашей стране.

Кроме систем отопления к энергетическим системам обеспечения жизнедеятельности человека относятся системы вентиляции и кондиционирования воздуха (КВ). История возникновения и развития этих систем не имеет таких глубоких корней, как история развития отопительной техники. Вентиляция начала заметно развиваться лишь в конце ХIХ и начале ХХ веков, в период роста городов и строительства крупных промышленных предприятий. Существенный вклад в развитие теоретических основ и создание вентиляционной техники внесли Русские ученые и инженеры. Так, М.В. Ломоносов в своей работе “О вольном движении воздуха в рудниках примеченном”, опубликованной в 1763 году, впервые изложил основные принципы, на которых основывается современная методика расчета систем естественной вентиляции. В 1832 году инженер А.А. Саблуков разработал конструкцию центробежного вентилятора, которую применил для ветиляции помещений на судах русского флота. Это была первая в мире вентиляционная установка, работающая на сеть длиной почти 100 м. В 1928 году впервые в мире Советские гигиенисты разработали нормы предельно допустимых концентраций (ПДК) для 12 вредных веществ.

Сегодня без вентиляции не возможно ни одно промышленное производство. Особенно крупные вентиляционные системы функционируют на химических и металлургических производствах, в гальванических цехах, на предприятиях по производству строительных материалов (стекольная, цементная промышленность) и ряде других отраслей. Установки технологического кондиционирования воздуха применяются в электронной промышленности, приборостроении, на предприятиях точной механики в легкой и пищевой промышленности.

Комфортное кондиционирование воздуха в нашей стране долгое время считалось, чем-то вроде не нужного излишества. Центральными кондиционерами оборудовались только некоторые, особо значимые, общественные объекты. Однако, в последнее время, с приходом частного бизнеса, оживление в сфере комфортного кондиционирования воздуха стало особенно ощутимым. Возникло большое количество фирм, занимающихся поставкой, проектированием и монтажом систем КВ.

Говоря об энергетических системах обеспечения жизнедеятельности человека, нельзя не отметить того, что эксплуатация всех этих систем сегодня требует значительных затрат топлива. По опубликованным данным за один год в России на производство тепловой энергии расходуется около 365 млн. тонн условного топлива, из которых на нужды жилищно-коммунального хозяйства приходится 117 млн. т. у.т., в том числе 91 млн. т. у.т. – на нужды отопления. В промышленности при этом расходуется около 197 млн. т. у.т., а в сельском хозяйстве – 11 млн. т. у.т. Кроме того, примерно 40 млн. т. у.т. составляет эксплуатационное потребление сельских зданий. С учетом приведенных данных, результирующее эксплуатационное потребление топлива существующими энергетическими системами обеспечения жизнедеятельности может быть оценено величиной 157 млн. т. у.т./год, что составляет примерно 43% от общего годового расхода топлива на производство тепловой энергии в стране.

Таким образом, для рационального использования топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) и практического решения вопросов крупномасштабного энергосбережения студентам теплотехнических и теплоэнергетических специальностей необходимы знания об основных системах обеспечения жизнедеятельности человека, потребляющих значительную долю тепловой энергии, производящейся в стране.

Тема1. Теплотехника, тепловлажностные режимы зданий

Лекция 2. ВНУТРЕННИЕ И НАРУЖНЫЕ КЛИМАТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ

Механизмы взаимодействия человеческого организма с окружающей средой. Организм отдает теплоту в окружающую среду конвекцией, излучением и испарением влаги. Наличие конвективной составляющей приводит к тому, что существенное влияние на интенсивность теплоотдачи оказывает скорость движения окружающего воздуха. Так, в случае отсутствия теплоотдачи испарением, при изменении скорости движения воздуха от 0,09 до 2,25 м/сек доля конвективной составляющей в тепловом балансе человеческого организма с окружающей средой возрастает с 48 до 82%. При этом доля теплопередачи излучением снижается с 52 до 18 %.

Роль испарительного охлаждения возрастает в тех случаях, когда конвективная и радиационная теплоотдача затруднена. Так при температуре воздуха 10С испарительное охлаждение составляет около 18% общей теплоотдачи, при температуре 29С эта величина достигает 40%, а при температуре большей 36,6С практически вся теплота, выработанная организмом и подведенная к нему извне отдается путем испарения, интенсивность которого зависит от относительной влажности окружающего воздуха. Чем выше влажность, тем менее интенсивным является процесс испарительного охлаждения.

Физиологический эффект конвективной и радиационной теплоотдачи человеческого организма различен. Как правило, в обычных условиях радиационные теплопотери превалируют над конвективными, поэтому вопрос о нормировании температуры ограждений следует увязывать не только с условиями антиконденсации на внутренних поверхностях, но и с самочувствием человека. В последней редакции СНиПа [12] разности температур между внутренним воздухом в помещении и внутренними поверхностями ограждений нормируются с учетом санитарно-гигиенических требований теплового комфорта, как показано в таблице 1.1.

Комфортные и допуститмые условия. Под комфортными - понимают такие условия микроклимата, когда при субъективном хорошем тепловом ощущении тепловое равновесие организма обеспечивается без напряжения терморегуляторного аппарата. Определяющими параметрами микроклимата являются температура, относительная влажность, подвижность воздуха и температура внутренних поверхностей ограждений. Опыты показывают, что отклонение одного из четырех параметров от оптимального значения может быть скомпенсировано соответствующим изменением других параметров, таким образом, что тепловые ощущения человека не изменятся.

Таблица 1.1

Нормируемые температурные перепады между внутренним воздухом

и внутренними поверхностями ограждающих конструкций

Здания	Нормируемые температурные перепады, tn, С, для
	наружных стен	покрытий и чердачных перекрытий	перекрытий над проездами подвалами и подпольями	зенитных фонарей
1. Жилые, лечебно-профилактические и детские учреждения, школы, интернаты.	4,0	3,0	2,0	tint-td
2. Общественные, кроме указанных в п.1, административные и бытовые, за исключением помещений с влажным или мокрым режимом.	4,5	4,0	2,5	tint-td
3. Производственные с сухим и нормальным режимами.	tint-td , но не более 7	0,8(tint-td) , но не более 6	2,5	tint-td
4. Производственные и другие помещения с влажным или мокрым режимами.	tint-td	0,8(tint-td)	2,5	-
5.Производственные здания со значительными избытками явной теплоты (более 23 Вт/м3) и расчетной относительной влажностью внутреннего воздуха более 50%.	12	12	2,5	tint-td

Обозначения: t_int – расчетная средняя температура внутреннего воздуха в здании, C;

t_d – температура точки росы внутреннего воздуха (при t_int и _int ), C.

Существует несколько методов оценки тепловых ощущений человека. Наиболее простой - метод эффективных температур (ЭТ). Совместное действие на человека температуры - t и относительной влажности -  , неподвижного воздуха учитывается одним комплексным параметром: эффективной температурой t_эф = f(t; ). Например, самочувствие человека будет одинаковым при следующих колебаниях температуры и относительной влажности t = 18,3С ,  = 90%, и при t = 20,8С ,  =50%. В данном случае уменьшение влажности до 50% ведет к повышению теплоотдачи испарением, поэтому при  = 90% и более низкой температуре t = 18,3С человек чувствует себя так же как при более высокой температуре t = 20,8С, но с более низкой относительной влажностью. Однако оценка микроклимата по шкале эффективных температур является весьма условной, так как она действительна лишь для неподвижного воздуха. Поэтому с развитием данного метода было введено понятие эквивалентно-эффективной температуры.

Эквивалентно-эффективная температура – это такая температура неподвижного воздуха при 100% относительной влажности, которая создает у человека такое же тепловое ощущение, как и воздух при определенной комбинации t ;  ; v, то есть, t_э.эф = f(t; ; v). Шкала эквивалентно-эффективных температур с примером ее использования показана на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Шкала эквивалентно-эффективных температур.

Пример. Определим эквивалентно-эффективную температуру внутрен-него воздуха, имеющего параметры : t = 20 С ;  = 65 %; v = 0,2 м/c.

Решение. При помощи h-d диаграммы или психрометрической таблицы предварительно определим температуру мокрого термометра, которая в данном случае составит t_м = 16 С. Значения температур сухого и мокрого термометров, отложенные на графике рис.1.1, соединим пунктирной прямой (t = 20 С ;  = 65 %). На пересечении этой прямой с линией скорости воздуха v = 0,2 м/c нанесем точку, соответствующую эквивалентно-эффективной температуре t_э.эф = 18,9 С.

Следует заметить, что такому значению эквивалентно-эффективной температуры соответствует бесчисленное количество комбинаций температуры, относительной влажности и скорости воздуха. Так например, повысим температуру сухого термометра до t = 22С и проведем прямую, соответствующую этой новой температуре, через построенную ранее точку (t_э.эф = 18,9 С; v = 0,2 м/c ). Эта прямая пересечет ось температур мокрого термометра в точке t _м = 12С. По h-d диаграмме или психрометрической таблице найдем, что параметрам t = 22 С и t_м = 12С соответствует относительная влажность  = 30 %. Это значит, что, если параллельно со снижением относительной влажности с 65 до 30 % (что часто происходит зимой в отапливаемых помещениях) произойдет повышение температуры воздуха с 20 до 22 С, тепловые ощущения человека не изменятся.

Однако эта шкала также дает лишь приближенное представление о комфорте, так как не учитывает влияние теплообмена между телом человека и поверхностями ограждающих конструкций помещений, то есть теплообмен излучением. Этот недостаток учитывается методом результирующей температуры, предложенным французским ученым Миссенаром. Под микроклиматом помещений в градусах результирующих температур понимается температура, эквивалентная по тепловым ощущениям среды соответствующему набору значений температуры, относительной влажности, скорости движения воздуха и средней радиационной температуры ограждений, то есть Т_р = f(t; ; v; t ).

Однако, как и все другие, метод результирующей температуры не в полной мере характеризует субъективные тепловые ощущения человека, которые существенно зависят не только от параметров внутреннего микроклимата, но и в значительной мере определяются внешними условиями. Например, установлено, что летняя зона комфорта определяется более высокими значениями температур по сравнению с зимней.

Согласно требованиям раздела 5 СНиПа [10], параметры внутреннего микроклимата при отоплении и вентиляции помещений в зданиях любых категорий следует принимать по ГОСТ 30494, ГОСТ 12.1.005-88*ССТБ, СанПиН 2.1.2.1002 и СанПиН 2.2.4.548 (кроме специальных помещений, в которых метеорологические условия установлены другими нормативными документами). При этом следует иметь в виду, что нормы внутреннего микроклимата, установленные перечисленными документами для зимнего периода, действительны только при традиционных (конвекционно-лучистых) системах отопления и неприменимы для помещений с чисто лучистым обогревом (например, газовыми инфракрасными - или темными излучателями), так как при лучистом отоплении человек отдает излучением меньше теплоты, чем при традиционном. Требования к микроклимату зависят также от интенсивности трудовой деятельности человека, так как при более тяжелой работе организм вырабатывает большее количество теплоты и для ощущения теплового комфорта необходима более низкая температура окружающего воздуха. Поэтому расчетные параметры внутреннего воздуха в промышленных помещениях выбираются по данным СНиПа [10], в зависимости от характера работы человека. Расчетные параметры внутреннего воздуха подразделяются на допустимые и оптимальные. Допустимые - используются для расчета систем отопления и вентиляции, а оптимальные - для расчета систем кондиционирования.

Санитарно-гигиенические требования к воздушной среде производственных помещений. В производственных помещениях к общим метеорологическим факторам, воздействующим на человека, добавляются факторы, связанные с характером технологического процесса. Это, так называемые – профессиональные вредности. К ним относятся тепло- , влаго-, газо-, паро- и пылевыделения от оборудования, сырья, материалов и средств транспорта. Эти выделения делают воздушную среду неблагоприятной для человека и могут отрицательно влиять на здоровье, самочувствие и производительность труда. Например, СО - продукт неполного сгорания углерода выделяется в доменных, мартеновских, коксовых, литейных, кузнечных и термических цехах, в гаражах, котельных. Сернистый газ SO₂ выделяется при производстве серной кислоты, целлюлозы, при обжиге руд, содержащих сернистые соединения, при сжигании топлива. Пары свинца и свинцовая пыль выделяются в полиграфической, резиновой, стекольной промышленности. Пары растворителей: бензина, метилового спирта, ацетона выделяются в лакокрасочном производстве, окрасочных камерах механических цехов, а также в ваннах для обезжиривания изделий. Цинковые пары и пыль выделяются при изготовлении цинковых белил, при получении цинковых сплавов, например хрома Cr. Оксиды хрома CrО₃ выделяются в гальванических цехах при хромировании изделий. Кроме того, в гальванических цехах выделяются пары синильной кислоты НСN и другие цианистые соединения (в процессах меднения и кадмирования), пары соляной кислоты HCl (в процессах травления металлов).

Промышленная пыль образуется в результате технологических процессов дробления, размалывания, просеивания, пересыпки и транспортировки, а также при обработке материала, заточке, шлифовке, полировке, пневматической окраске. В зависимости от вида производства в состав пыли могут входить сульфаты и сульфиты железа, цинка, свинца, меди, кварца, мышъяковистые соединения, хлористый кальций, сода.

Наиболее опасна для здоровья человека пыль размером до 5 мкм. Предельно допустимые концентрации (ПДК), мг/м³, вредных веществ в воздухе рабочей зоны, класс опасности, а также агрегатное состояние веществ в условиях производства (пары, газы, аэрозоли или смеси паров и аэрозолей) нормируются ГОСТом 12.1.005-88*ССТБ “Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны”, а также соответствующими СанПиНами (Санитарными привилами и нормами ).

Предельно-допустимой концентрацией вредного вещества в воздухе (ПДК) считается такая концентрация данного вещества, которая при ежедневной работе в течение 8 ч или другой продолжительности, но не более 41 ч в неделю, в течение всего рабочего стажа не может вызвать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений.

Таким образом, специфика санитарно-гигиенических требований к воздушной среде производственных помещений заключаются в том, что помимо поддержания расчетных метеорологических условий, в рабочей зоне этих помещений не должны превышаться ПДК по всем выделяющимся вредностям. Соблюдение санитарных норм по удалению вредных выделений в производственных помещениях обеспечивается системами вентиляции.

Расчетные параметры наружного воздуха. В действующих нормативных документах расчетные параметры наружного воздуха приводятся по двум категориям: А и Б. Установленные категории означают следующее. Для холодного периода года: параметры А – средняя температура наиболее холодного периода – t_ext,А, С, обеспеченностью 0,94 и теплосодержание воздуха – h_ext,А, кДж/кг, соответствующее этой температуре при среднемесячной относительной влажности самого холодного месяца; параметры Б – средняя температура наружного воздуха наиболее холодной пятидневки – t_ext,Б, С, обеспеченностью 0,92 и теплосодержание воздуха – h_ext,Б, кДж/кг, соответствующее этой температуре при среднемесячной относительной влажности воздуха самого холодного месяца года, измеренной в 15 часов.

Под термином “обеспеченность”, согласно [11], понимается вероятностная характеристика, определяющаяся как сумма повторяемости значений температуры, не выходящих за пределы соответствующих градаций (установленных через 2 С), отнесенная к общему числу значений температуры, измеренных в течение заданного временого интервала (наиболее холодного периода или пятидневки). Значения параметров наружного воздуха, полученные на основании результатов многолетних наблюдений при каждом из установленных уровней обеспеченности, приводятся в СНиПе [11].

Аналогично установлены значения параметров А и Б для теплого периода. Только обеспеченности значений температуры в теплый период приняты равными соответственно 0,95 и 0,98.

При расчете по параметрам категории Б в системы обеспечения жизнедеятельности закладывается большая установленная мощность, что увеличивает вероятность поддержания расчетных параметров внутреннего микроклимата в пиковых режимах, обеспечивая нормальную работу систем в течение большего числа дней в году. Однако, при этом возрастают капитальные вложения в указанные системы.

В процессе проектирования расчетные параметры наружного воздуха выбираются на основании данных СНиПа [11] следующим образом: параметры А – для систем вентиляции и воздушного душирования в теплый период года; параметры Б – для систем отопления, вентиляции и воздушного душирования в холодный период года, а также для систем кондиционирования в теплый и холодный периоды года.

Параметры наружного воздуха в переходный период следует принимать согласно [10] равными 10С и 26,5 кДж/кг.

По заданию на проектирование ( в соответствии с требованиями Заказчика ) допускается принимать более низкие параметры наружного воздуха в зимний период и более высокие – в теплый.

Лекция 3. ТЕПЛОЗАЩИТНЫЕ СВОЙСТВА ОГРАЖДЕНИЙ

Стационарная теплопередача через ограждающие конструкции зданий. Под стационарной теплопередачей понимается процесс переноса теплоты, параметры которого не изменяются с течением времени. Процессы стационарной теплопередачи могут возникать в стенах здания в том случае, когда внутренняя и наружная температуры не меняются в течение длительного времени, достаточного для затухания переходных нестационарных процессов. В реальной жизни такая ситуация наблюдается достаточно редко. Однако, несмотря на это, закономерности стационарной теплопередачи имеют большое практическое применение, так как в большинстве случаев инженерной практики наиболее неблагоприятным ( а, следовательно – расчетным ) является предельный для проектируемых систем стационарный режим поддержания расчетных параметров.

Рассмотрим основные закономерности стационарной теплопередачи применительно к теплотехническому расчету ограждающих конструкций зданий. Пусть имеется плоская однородная стена, отделяющая помещение от наружного воздуха. Стационарный тепловой режим возникает в такой стене при постоянной температуре наружного воздуха t_ext , С, и непрерывном отоплении помещения системой, поддерживающей заданную температуру внутреннего воздуха t_int , С. При соблюдении этих условий в толще стены устанавливается одномерное температурное поле, характеризующееся линейным распределением температуры, не изменяющимся с течением времени, как показано на рис. 1.2.

Рис.1.2. Стационарное распределение температуры

в однородной стене

Условием равновесия, определяющим возникновение стационарного теплового режима в плоской стене, является баланс между теплопритоком от внутреннего воздуха к внутренней поверхности Q_ПР, Вт, и тепловым потоком, уходящим в окружающую среду от наружной поверхности стены Q_УХ, Вт

. (1.1)

При использовании традиционных конвективо-лучистых систем отопления теплота от внутреннего воздуха передается внутренней поверхности стены в результате конвективной теплоотдачи, интенсивность которой определяется формулой Ньютона-Рихмана

, (1.2)

где - коэффициент конвективной теплоотдачи на внутренней поверхности, Вт/м^2 оС;

t_si - температура внутренней поверхности стены, ^оС;

t_int - температура внутреннего воздуха, ^оС.

Аналогичное выражение можно записать для уходящего теплового потока, передаваемого конвективным путем от наружной поверхности стены в окружающую среду

, (1.3)

где - коэффициент конвективной теплоотдачи на наружной поверхности;

t_se - температура наружной поверхности стены, ^оС;

t_ext - температура наружного воздуха, ^оС.

В связи с тем, что площади внутренней и наружной поверхностей плоской стены одинаковы F_si = F_se = F = сonst, в дальнейших расчетах вместо теплового потока удобнее использовать удельный тепловой поток. Удельным тепловым потоком q называется отношение величины теплового потока Q, Вт, к площади cтены F, м², перпендикулярной направлению его движения

. (1.4)

После подстановки уравнений (1.2) и (1.3) в (1.4) получаем следующие выражения, определяющие значения подводимого изнутри и уходящего от наружной поверхности удельных тепловых потоков

, (1.5)

. (1.6)

Вполне понятно, что при соблюдении равенства (1.1) удельный тепловой поток, передаваемый теплопроводностью внутри стены, должен быть величиной постоянной для любой точки с координатой “х” (вследствие того, что удельные тепловые потоки на входе и выходе из стены при стационарном режиме одинаковы). Таким образом, условие возникновения стационарного режима (11.) может быть записано в другой интерпретации, как:

, (1.7)

где q_ТП - удельный тепловой поток, передаваемый теплопроводностью через толщу стены, Вт/м² .

Удельный тепловой поток, передаваемый теплопроводностью, в соответствии с дифференциальным уравнением Фурье определяется, как

, (1.8)

где - коэффициент теплопроводности материала, Вт/мС;

- производная функции распределения температуры по толщине стенки, называемая градиентом температуры, С /м.

Знак минус в этом уравнении показывает, что направление движения теплового потока противоположно направлению, в котором идет увеличение температуры. Решив уравнение (1.8) относительно градиента температуры, получим

. (1.9)

Анализируя полученное выражение, видим, что при стационарном режиме теплопередачи градиент температуры должен быть величиной постоянной, не меняющейся по толщине (из-за того, что величины q_ТП и постоянны). Таким образом, еще одна математическая запись условий возникновения стационарного режима будет иметь вид

. (1.10)

Эту запись проиллюстрируем графически. Из рис. 1.2 видно, что если выделить в стене элементарный слой толщиной dx, расположенный на расстоянии "x" метров от наружной поверхности, то элементарное изменение температуры в пределах этого слоя будет равно dt. Отношение dt/dx, представляющее собой градиент температуры, графически интерпретируется тангенсом угла . Согласно условию о постоянстве градиента температуры тангенс этого угла во всех точках стены должен быть одинаковым, поэтому при стационарном режиме теплопередачи график распределения температуры по толщине стены должен представлять собой прямую линию.

Формула для определения величины удельного теплового потока, передаваемого теплопроводностью при стационарном режиме, может быть получена путем решения дифференциального уравнения Фурье следующим образом. Решим уравнение (1.9) относительно дифференциала температуры

. (1.11)

Проинтегрировав обе части уравнения (1.11), с учетом того, что отношение q_ТП/ при стационарном режиме является константой, будем иметь

или, что то же самое, , (1.12)

где с₀ - постоянная интегрирования.

Для определения постоянной величины с₀ используем граничные условия, которые согласно графику рис. 1.2, запишем следующим образом:

при X = 0 t = t_se , (1.13)

при X =  t = t_si , (1.14)

где t_se - температура наружной поверхности, ^оС;

t_si - температура внутренней поверхности, ^оС;

 - толщина стены, м.

Подставив граничное условие (1.13) в уравнение (1.12) найдем значение постоянной интегрирования.

. (1.15)

Подставив значение постоянной интегрирования, определяемое выражением (1.15), и граничное условие (1.14) в уравнение (1.12), получим после преобразований известное выражение для определения величины удельного теплового потока q_тп, передаваемого через теплопроводную стенку при стационарном тепловом режиме в виде

. (1.16)

Далее получим формулу, связывающую проходящий через стену удельный тепловой поток с разностью температур, которая установится при стационарном режиме между внутренним и наружным воздухом. Для этого решим уравнения (1.5), (1.16) и (1.6) относительно соответствующих разностей температур и получим три следующих уравнения:

, (1.17)

, (1.18)

. (1.19)

Сложив отдельно, правые и левые части уравнений (1.17, 1.18 и 1.19), запишем

. (1.20)

В связи с тем, что при стационарном режиме теплопередачи величины q_ПР , q_ТП и q_УХ, присутствующие в правой части уравнения (1.20), одинаковы и представляют собой один и тот же удельный тепловой поток q , проходящий сквозь стену, вынесем его за скобки и, решив полученное уравнение, запишем

. (1.21)

Знаменатель правой части можно представить в более простом виде, используя понятия термических сопротивлений. В частности, термические сопротивления внутренней и наружной поверхностей R_int и R_ext, м² С/Вт, представляют собой величины, обратные соответствующим коэффициентам теплоотдачи

, (1.22)

. (1.23)

Термическое сопротивление материального слоя стены R, м² С/Вт, равно

. (1.24)

С учетом выражений (1.22), (1.23) и (1.24) формула (1.21) примет более простой вид

. (1.25)

Сумма термических сопротивлений в знаменателе полученного выражения обозначается символом R_o , м² С/Вт, и называется полным сопротивлением теплопередаче ограждающей конструкции

R_o = R_int + R + R_ext . (1.26)

В случае, когда ограждающая конструкция состоит из нескольких материальных слоев, имеющих различные теплопроводности, формула (1.26) приобретает более общий вид

R_o = R_int + + R_ext , (1.27)

где R_i – термическое сопротивление каждого i-го материального слоя (при общем количестве слоев – m), определяющееся как

. (1.28)

С учетом вышеизложенного окончательно получаем формулу удельного теплового потока, проходящего через плоскую стену в стационарном режиме теплопередачи

. (1.29)

Полученные формулы и закономерности стационарной теплопередачи используются при расчете теплопотерь и при теплотехнических расчетах ограждающих конструкций. Целью теплотехнических расчетов является определение требуемой толщины теплоизоляционного слоя ограждающих конструкций здания. Исходными данными для таких расчетов являются значения расчетных температур внутреннего и наружного воздуха, а также нормативные значения показателей теплозащиты здания.

Нормами [12] установлены три показателя тепловой защиты здания: а) приведенное сопротивление теплопередаче отдельных элементов ограждающих конструкций здания; б) санитарно-гигиенический температурный перепад между внутренним воздухом и поверхностями ограждающих конструкций; в) удельный расход тепловой энергии на отопление здания, позволяющий варьировать величинами теплозащитных свойств различных видов ограждающих конструкций зданий с учетом объемно-планировочных решений и выбора систем поддержания микроклимата для достижения нормируемого значения этого показателя.

Требования теплозащиты считаются выполненными, если в жилых и общественных зданиях соблюдаются нормативные значения показателей “а” и “б” или “б” и “в”. В зданиях производственного назначения необходимо соблюдать требования по показателям “а” и “б”.

Приведенные сопротивления теплопередаче R_o, м²С/Вт, ограждающих конструкций здания следует принимать не менее нормируемых значений R_req, м²С/Вт, определяемых по таблице 4 СНиПа [12] в зависимости от интегральной характеристики отопительного периода, R_o  R_req . Интегральная характеристика отопительного периода D_d измеряется в градусо-сутках, Ссут, и рассчитывается по формуле

D_d = (t_int – t_ht)z_ht , (1.30)

где t_ht и z_ht – средняя температура наружного воздуха,С, и продолжительность, сут, отопительного периода, принимаемая по климатологическим данным [11].

Санитарно-гигиенические требования к условиям теплового комфорта определяются не превышением установленных санитарными нормами допустимых температурных перепадов t_n,С, между внутренним воздухом и внутренними поверхностями ограждающих конструкций при выбранных значениях приведенных сопротивлений теплопередаче R_o этих конструкций. Нормативные значения t_n приведены ранее в табл. 1.1. Формула для расчета действительных значений перепада температуры на поверхностях ограждающих конструкций t_о = (t_int – t_si), С, может быть легко получена с использованием закономерностей стационарной теплопередачи в результате решения балансового уравнения

q_ПР = q , (1.31)

в которое подставляются выражения (1.5) и (1.29). Эта формула имеет вид

, (1.32)

где n – дополнительный поправочный коэффициент, учитывающий положение наружной поверхности ограждающей конструкции по отношению к наружному воздуху, принимаемый согласно [12].

Удельный расход тепловой энергии на отопление здания , кДж/(м²Ссут) или [кДж/(м³Ссут)] определяется расчетным путем за весь отопительный период с учетом теплозащитных свойств ограждающих конструкций, объемно-планировочных решений, интенсивности солнечной радиации и внутренних тепловыделений, а также метода и эффективности регулирования тепловой нагрузки системы отопления. Расчет производится по нормативной методике, установленной СНиПом [12], которая подробно изложена в разделе 1.12 настоящего учебного пособия. Полученное расчетное значение должно быть не большим нормативной величины , кДж/(м²Ссут) или [кДж/(м³Ссут)], установленной тем же СНиПом [12] для зданий различных категорий и этажности, .

Лекция 4. ПАРОПРОНИЦАЕМОСТЬ ОГРАЖДЕНИЙ

Перемещение парообразной влаги или ее диффузия через стены зданий вызвана разностью парциальных давлений водяного пара во внутреннем и наружном воздухе. Это явление особенно ощутимо в зимний период времени, так как в этот период разность парциальных давлений особенно велика. Поток проходящего через толщу стены водяного пара при этом направлен от внутренней поверхности ограждения к наружному воздуху. Интенсивность этого потока прямопропорциональна вызвавшей диффузию разности парциальных давлений и обратнопропорциональна сопротивлению, которое оказывается потоку в процессе его прохождения через толщу стены. Из физики известно, что между процессами диффузии и теплопроводности существует полная аналогия. Это значит, что структура дифференциальных уравнений, описывающих эти процессы, совершенно одинакова. Если удельный тепловой поток q_тп , Вт/м², движется через материальный слой толщиной , м, под влиянием разности температур (t_si – t_se), С, а его величина в стационарном режиме теплопередачи определяется уравнением (1.16), то удельный поток водяного пара, g, мг/м²ч, диффундирует через единицу площади того же материального слоя под влиянием разности парциальных давлений (е_si – е_se) , Па, и его величина в стационарном режиме паропроницаемости составляет

, (1.54)

где  - коэффициент паропроницаемости материала, мг/мчПа;

е_si, е_se – парциальные давления (упругость) водяных паров на внутренней и наружной поверхностях данного материального слоя, Па.

По аналогии с термическими сопротивлениями материальных слоев, R_i , м²С/Вт, сопротивления паропроницанию R_{p, i} , м²чПа/мг, рассчитываются по формуле

. (1.55)

Полное сопротивление паропроницанию ограждающей конструкции , м²чПа/мг, определяется суммой сопротивлений всех входящих в нее материальных и нематериальных слоев

, (1.56)

где ; – сопротивления паропроницанию внутренней и наружной поверхностей, принимаемые равными соответственно 0,027 и 0,013 м²чПа/мг.

С учетом величины полного сопротивления паропроницанию удельный поток водяного пара, g, мг/м²ч, диффундирующий через единицу площади многослойной ограждающей конструкции при стационарном режиме паропроницания, определяется выражением

, (1.57)

где е_int, е_ext – парциальные давления (упругость) водяных паров во внутреннем и наружном воздухе, Па, определяемые по формулам

, (1.58)

, (1.59)

где Е(t_int) ; Е(t_ext) – максимальные значения упругости водяного пара при расчетных температурах внутреннего и наружного воздуха, Па;

_int ; _ext – расчетные значения относительной влажности внутреннего и наружного воздуха в долях единицы.

Расчетные параметры внутреннего воздуха для различных категорий зданий, строящихся на территории Саратовской области, следует принимать по табл. 3.2 территориальных строительных норм [16]. Для жилых зданий t_int=20С, _int=0,5 ( 50% ). На федеральном уровне эти параметры регламентируются сводом правил [13].

В связи с тем, что процессы диффузии водяного пара протекают значительно медленнее процессов теплопередачи, и для наступления стационарного режима диффузии требуется более продолжительное время, в качестве расчетных параметров наружного воздуха, при расчете по стационарным условиям, как правило, принимаются среднемесячные значения температуры и относительной влажности наиболее холодного месяца.

При расчетах влагонакопления, вызванного внутренней конденсацией водяного пара в толще конструкции, в качестве расчетных - принимаются средние значения соответствующих параметров за весь период влагонакопления, то есть - период с отрицательными средне-месячными температурами.

Распределение фактической упругости водяного пара по толщине ограждения при стационарном режиме паропроницания рассчитывается аналогично стационарному распределению температуры по одной из двух следующих формул:

, (1.60)

, (1.61)

где е_Х – значение фактической упругости водяного пара, Па, в любой точке ограждения с текущей координатой Х, м, отсчитанной от наружной поверхности;

R_p,Х – полное сопротивление паропроницанию участка стены, расположенного между точкой Х и наружным воздухом, м²чПа/мг;

R_{p,(-Х)} – полное сопротивление паропроницанию участка стены, расположенного между точкой Х и внутренним воздухом, м²чПа/мг;

Из формул (1.60) и (1.61) следует, что, при стационарном режиме паропроницания, диффундирующий через ограждение водяной пар, по мере продвижения к наружной поверхности, будет снижать свою фактическую упругость по линейному закону от начального значения е_int, которое имеет место внутри помещения, до конечной величины е_ext, установившейся снаружи. При этом в результате параллельного процесса стационарной теплопередачи, температура внутри ограждения также должна понижаться в том же направлении. В связи с тем, что температура является параметром, определяющим величину максимальной упругости водяного пара Е(t), указанное снижение температуры, в конечном итоге, приводит к изменению максимально возможной упругости пара по толщине ограждения. Фактическая упругость ни при каких условиях не может быть выше максимальной. Таким образом, построив графики распределения фактической и максимальной упругостей водяного пара по толщине ограждения и определив точки их пересечения, можно не только установить возможность, но и определить место возможной конденсации водяного пара внутри ограждающей конструкции.

Расчет возможности конденсации влаги в ограждении выполняется графо-аналитическим методом К.Ф. Фокина следующим образом:

1. Рассчитываются стационарные значения температуры t_x в выбранных характерных точках (на внутренней и наружной поверхностях, на границах между всеми материальными слоями, а, при необходимости, еще и в середине каждого из слоев)

, (1.62)

где R(x) – суммарное сопротивление теплопередаче, м²С/Вт, всех слоев, расположенных между рассматриваемой точкой и наружным воздухом;

R_о – полное сопротивление теплопередаче ограждаюжей конструкции, м²С/Вт;

(t_int – t_ext) – разность температур между внутренним и наружным воздухом, С.

2. По полученным значениям температуры при помощи таблиц С.1 или С.2 , приложения С свода правил [13] определяются значения максимальной упругости насыщенного водяного пара Е(t), Па, в этих же характерных точках.

3. Строится график распределения фактической упругости водяного пара по толщине ограждающей конструкции в масштабе сопротивлений паропроницанию. Этот график ( линия е ) представляет собой прямую линию, соединяющую две точки: е_ext ( при R_p = 0 ) и е_int ( при R_p = ), как показано на рис. 1.5.

4. На этот же график наносятся значения максимальной упругости насыщенного водяного пара Е(t), определенные в характерных точках, по которым строится линия Е, отражающая распределение максимальной упругости водяных паров в толще ограждения.

5. Если линия е не пересекается с линией Е, то конденсация водяного пара в толще ограждения не возможна. В противном случае внутренняя конденсация может происходить.

6. Для определения зоны возможной конденсации пара в толще однослойного ограждения, через точки е_int и е_ext проводятся касательные к линии Е, которая представляет собой плавную кривую. Зона возможной конденсации в таком ограждении находится между полученными точками касания Х1 и Х2. В многослойных конструкциях линия Е, как правило, не носит плавного характера. Как показано на рис.1.6, на стыке конструктивного и теплоизоляционного слоев наблюдается резкий излом линии Е, свидетельствующий о возможности возникновения наиболее интенсивной конденсации водяного пара именно в этом месте. Поэтому в могослойных конструкциях определяют не о зону, а о плоскость возможной конденсации, условно полагая, что границы зоны конденсации Х1 и Х2 в данном случае совмещаются в одной точке.

7. Количество конденсата в ограждении g_К, мг/м²ч, определяется разностью подходящего к зоне конденсации и уходящего от нее удельных потоков водяного пара, то есть

g_К = g_ПР – g_УХ , (1.63)

где g_ПР ; g_УХ – приточный и уходящий удельные паровые потоки, мг/м²ч, определяемые по формулам

, (1.64)

, (1.65)

где Е_Х1 ; Е_Х2 – считанные с графика значения максимальной упругости водяных паров в точках касания с координатами Х1 и Х2 или же при Е_Х1=Е_Х2 - в плоскости возможной конденсации, которая может иметь место на границе теплоизоляционного и конструктивного слоев могослойной конструкции, Па;

R_{p,(–Х1)} ; R_p,Х2 – полные сопротивления паропроницанию участков ограждающей конструкции между внутренней поверхностью и внутренней границей зоны конденсации; наружной поверхностью и внешней границей зоны конденсации, м²чПа/мг.

Пример. Выполним расчет паропроницаемости двухслойной наружной стены из силикатного кирпича (_к=0,51м), теплоизолированной минераловатными плитами ROCKWOOL (_т=0,05м), при двух вариантах расположения теплозащиты: наружном и внутреннем. Расчетные теплотехнические характеристики материалов: _к = 0,76 Вт/мС; _т = 0,043 Вт/мС; _К = 0,11мг/мчПа; _Т = 0,56 мг/мчПа. Среднемесячные параметры наружного воздуха (по наиболее холодному месяцу) t_ext = - 11,4С; _ext = 0,82 (82%). Расчетные параметры внутреннего воздуха t_int = 20С; _int = 0,5 (50%).