Богословский - Тепловой режим здания

Изложены теоретические и инженерные основы техники обеспечения необходимого теплового режима зданий различного назначения. Дана методика решения задач микроклимата зданий: теплообмена в помещении, комфортности тепловой обстановки, расчета систем обогрева и охлаждения помещений, теплотехнического расчета ограждений и теплоустойчивости помещений, воздушного режима зданий и влажностного состояния ограждений, годового режима работы, регулирования и потребления энергии системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Книга предназначена для инженеров-строителей и теплотехников, работающих в области проектирования, строительства и эксплуатации зданий. Она будет полезна также научным работникам и аспирантам — специалистам в области строительной теплофизики.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Создание комфортных тепловых условий и благоприятной для человека воздушной среды в помещениях жилых, административных, общественных и промышленных зданий необходимо для здоровья человека и важно для повышения его творческой активности. Кроме того, некоторые технологические процессы требуют поддержания определенных климатических параметров, без которых невозможно их осуществление и которые способствуют интенсификации этих процессов. Данные вопросы приобрели в настоящее время особую актуальность в связи с решениями XXV съезда КПСС. Так, в

Основных направлениях развития народного хозяйства СССР на 1976—1980 годы записано, что «...интересы как текущего, так и более долговременного развития страны требуют всесторонней интенсификации производства, ускорения научно-технического прогресса, роста производительности труда как решающих факторов повышения эффективности производства и жизненного уровня населения»1. Вместе с тем новая Конституция СССР, гарантируя право человека на охрану здоровья «...развитием и совершенствованием техники безопасности и производственной санитарии; ...мерами по оздоровлению окружающей среды...» ставит перед учеными и инженерами большие задачи.

Поддержание искусственного климата в помещении— важная, но не простая задача в связи с многообразием конструктивно-планировочных решений зданий, изменчивостью атмосферных воздействий, повышением уровня требований к устойчивости комфортных условий и стремлением к экономному расходованию топлива.

Строительная теплофизика, которая рассматривает вопросы теплового, воздушного и влажностного состояний внутренней среды здания, в настоящее время превратилась по существу в самостоятельный раздел строительной науки.

Для строительства зданий любого назначения применяют новые теплоизоляционные, облицовочные и конструкционные материалы с разнообразными и иногда недостаточно изученными физическими свойствами. Системы отопления и охлаждения помещений с устройствами для подачи тепла и холода часто совмещают со строительными конструкциями (изготовляют, например, стеновые панели отопления, вентиляционные панели и т.д.). Серьезного внимания требует вопрос регулирования микроклимата в помещениях зданий с облегченными ограждениями и большими световыми проемами.

В настоящее время в полносборном строительстве зданий наряду с достигнутыми большими успехами имеются неудачи как следствие малой изученности и недооценки теплофизических явлений, происходящих в зданиях.

Проектирование теплового режима помещения в здании имеет в виду рассмотрение в совокупности следующих вопросов:

1) теплообмена и аэродинамики потоков в ограниченном объеме помещений;

2) оптимизации и обеспеченности необходимых климатических условий в помещении;

3) установления характеристик наружных климатических воздействий на здание;

4) тепло -, влаго - и воздухопередачи через наружные ограждения, а также в зданиях и инженерных системах обеспечения микроклимата;

5) режима работы и регулирования систем отопления-охлаждения и вентиляции помещений с учетом нестационарности процессов в расчетные зимние и летние периоды и их изменчивости в течение года.

В помещениях с большими остекленными поверхностями и малоинерционными ограждениями могут образовываться значительные области дискомфортных условий, поэтому необходимы специальные меры защиты помещений от охлаждающего теплового воздействия наружных ограждений.

Учитывая совместное действие погодных условий и тепловых процессов в помещениях и системах отопления, охлаждения и вентиляции и случайный характер их изменчивости, при решении этой задачи следует комплексно рассматривать тепломассообменные процессы с использованием статистических методов и теории вероятности.

Сложным является тепловой режим помещения летом. Для его определения требуются расчеты естественного теплового режима, воздухообмена, режима регулирования систем охлаждения и вентиляции и обоснования необходимости перехода от нерегулируемой вентиляции к системе кондиционирования с автоматическим регулированием.

В книге изложены основы теплового, воздушного и влажностного режимов здания и даны рекомендации по их расчету. Автор старался выдержать логическую последовательность изложения теории теплового режима здания, построение которой само по себе представляет определенный научный и практический интерес.

Материал, предлагаемый читателю, является результатом научных исследований, разработки инженерных рекомендаций и учебных пособий, выполненных под руководством автора большой группой преподавателей, аспирантов и студентов кафедры отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха МИСИ.

В книге все величины и формулы приведены в двух системах единиц измерения: в Международной системе СИ и в системе МКГСС. Первые по порядку формулы и величины в тексте даны в единицах измерения системы СИ, вторые, имеющие порядковый номер со штрихом, — системы МКГСС, цифровые значения величин в системе МКГСС даны в скобках. Такое решение вызвано необходимостью привести все теплофизические расчеты в соответствие с единицами измерения системы СИ в условиях, когда в действующих нормах, справочниках и пособиях по строительной теплофизике применяются единицы измерения системы МКГСС.

ГЛАВА I

ТЕПЛООБМЕН В ПОМЕЩЕНИИ

Процессы, обуславливающие тепловую обстановку в помещениях, следует рассматривать в неразрывной связи с тепловым, воздушным и влажностным режимами здания. Тепловой режим зданий определяющий. От него зависят ощущение людьми теплового комфорта, нормальное протекание производственных процессов, долговечность строительных конструкций и оборудования. На тепловую обстановку помещения влияет ряд факторов: температура, подвижность и влажность воздуха, наличие струйных течений, различие параметров воздуха в плане и по высоте помещения, а также лучистые потоки тепла, зависящие от температуры, размеров, расположения и радиационных свойств поверхностей, обращенных в помещение. Благодаря конвективному и лучистому теплообмену и процессам массопереноса в помещении температуры его поверхностей и воздуха взаимосвязаны.

Для понимания формирования микроклимата и определения возможных способов воздействия на него нужно знать законы теплообмена в помещении.

В главе I рассмотрены особенности общего теплообмена в помещении и его составляющих, изложена постановка задачи, показаны пути, которые обеспечивают надежность и достаточную точность инженерных расчетов обеспечения заданных тепловых условий в помещении.

1.1. ЛУЧИСТЫЙ ТЕПЛООБМЕН

Важной составляющей сложного физического процесса, обуславливающего тепловой режим помещения, является теплообмен на его поверхностях.

Лучистый теплообмен в помещении имеет особенность: он происходит в замкнутом объеме в условиях ограниченных температур, определенных радиационных свойств поверхностей и геометрии их расположения. Тепловое излучение поверхностей в помещении можно рассматривать [6] как монохроматическое, диффузное, подчиняющееся законам Стефана—Больцмана, Ламберта и Кирхгофа, инфракрасное излучение серых тел.

Как один из видов поверхностей в помещении своеобразные радиационные свойства имеет оконное стекло. Оно частично проницаемо для излучения. Оконное стекло, хорошо пропускающее коротковолновое излучение, практически непрозрачно для излучения с длиной волн более 3—5 ммк, которое характерно для теплообмена в помещении.

Воздух помещения при расчете лучистого теплообмена между поверхностями обычно считают лучепрозрачной средой. Он состоит в основном из двухатомных газов (азота и кислорода), которые практически прозрачны для тепловых лучей и сами не излучают тепловой энергии. Незначительное содержание многоатомных газов (водяного пара и углекислого газа) при малой толщине слоя воздуха в помещении практически не изменяет этого свойства.

Каждая поверхность в помещении отдает тепло излучением и поглощает лучистое тепло, приходящее от окружающих поверхностей. Поверхности в помещении отличаются от абсолютно черных тел. Это осложняет задачу, так как падающая на серую поверхность лучистая энергия частично отражается от нее. Некоторая ее часть может многократно отражаться от взаимно облучаемых серых поверхностей. Из теории лучистого теплообмена [48] известно, что при теплообмене монохроматическим излучением двух