ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ

В последние десятилетия в жилищном строительстве повсеместно используются стеклопакеты, усовершенствована герметизация оконных проёмов, значительно возросла степень остекления помещений. Все это привело к тому, что в уравнении теплового баланса существенно возросла доля солнечной радиации.

Тепловые потоки здания играют определяющую роль в проектировании системы отопления. Согласно справочному пособию [4], расчетные потери теплоты, возмещаемые отоплением, следует определять из уравнения теплового баланса:

Q_тр + Q_в + Q_c.о + Q_инс + Q_быт = 0, где:

Q_тр — трансмиссионные потери теплоты через ограждения (стены, двери, стекло окон, здания);

Q_в — затраты теплоты на нагрев наружного воздуха в объеме инфильтрации или санитарной нормы (форточки, двери, щели);

Q_с.о — тепловая мощность системы отопления, которая является искомой величиной при определении теплового баланса;

Q_инс — теплопоступления за счет солнечной радиации;

Q_быт — суммарные теплопоступления за счет всех внутренних, бытовых источников теплоты, исключая системы отопления (электробытовые приборы, кухни, трубопроводы, находящиеся в помещении люди).

Известно, что теплопередача через воздушные (в том числе и оконные) прослойки осуществляется тепловым (инфракрасным) излучением, конвекцией и теплопроводностью. По различным данным структура потерь тепла через однокамерный стеклопакет, заполненный осушенным воздухом, выглядит приблизительно следующим образом: около 65 % за счёт теплового излучения, около 20 % за счёт теплопроводности (трансмиссионные теплопотери) и около 15 % за счёт конвекции. Однако в СНиПах по прежнему количество теплоты, поступающей или, наоборот, исходящей из помещения по каналу теплового излучения (Q_инс) считается ничтожным и согласно пункту 2.10. справочного пособия [4] теплопоступления за счет солнечной радиации (инсоляции) Q_инс не рекомендуется учитывать в тепловом балансе при определении расчетной нагрузки системы отопления. Перегрев помещений за счет инсоляции следует снимать путем пофасадного регулирования систем отопления.

В расчётах на тепловое излучение мощность тепловых потоков рекомендуется рассчитывать как прямо пропорциональное разности температур помещения и наружной среды [5]. При этом игнорируется известный физический закон Стефана-Больцмана, утверждающий что поток теплового излучения зависит от термодинамической температуры не в первой, а в четвёртой степени.

Из всего вышесказанного следует, что точное определение доли теплового излучения в теплообмене помещений с окружающей средой является актуальной задачей. Не решив её, нельзя определить точно оптимальный уровень остекления помещения и учесть её при расчете мощности системы отопления помещения в конкретных климатических условиях.

В нашей работе в основу расчетов положен закон Стефана-Больцмана:

R=AσT⁴ —

мощность излучения с единицы поверхности пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры тела. Здесь σ=5.6·10^-8Вт/м²К^-4 — постоянная Стефана-Больцмана, А — показатель степени «серости» излучающей поверхности помещения. Для внешней среды учитывалось, что коэффициент «серости» В меняется в зависимости от сезона.

Расчеты были выполнены на следующей модели. Помещение комнаты — это полость, подобная теоретической модели абсолютно черного тела, если размеры (площадь) окна существенно меньше размеров комнаты. Между помещением и окружающей средой идет непрерывный обмен тепловым излучением. Температура полости принималась равной Т_к= 20^оС (293К), а за наружную температуру Т_н были взяты из справочников значения среднемесячной температуры для Ставрополя.

Поскольку помещения в зданиях не являются в полном смысле абсолютно чёрными телами, а коэффициент серости А зависит от степени остеклённости помещения, расчеты проделаны для трех значений коэффициента серости помещения: А₁=0,3, А₂=0,5 и А₃=0,7. Для учета сезонных изменений наружной среды в каждом из этих случаев коэффициент серости этой наружной среды В варьировался в тех же пределах В₁= 0,3, В₂= 0,5 и В₃= 0,7.

Мощность потоков излучения (энергия излучения, проходящего через один квадратный метр окна в единицу времени) определялась как разность

(1)

Здесь R_Т = ВσT⁴_н — мощность потока теплового излучения, направленного внутрь помещения и определяемого наружной температурой Т_н; R₂₉₃ = АσT⁴_к — мощность потока излучения, идущего через окно из помещения.

Результаты расчетов представлены на рисунках в координатах (ΔТ, R) для различных коэффициентов серости помещений и наружной среды.

Рисунок 1. Годичный ход мощности теплового излучения через окна зданий для теплой зимы и теплового лета (г. Ставрополь)

·     Как видно из графика с января по апрель тепловые потоки направлены из комнаты и достигают своего максимума в январе — 68 Вт/м².

·     В мае тепловые потоки из комнаты и в комнату выравниваются.

·     С июня по сентябрь тепловые потоки направлены в помещение и достигают максимума в июле: 36 Вт/м².

·     С октября по декабрь тепловые потоки увеличиваются, направление - из помещения, мощность достигает максимума в декабре: 62 Вт/м².

Рисунок 2. Годичный ход мощности теплового излучения через окна зданий для холодной зимы и холодного лета (г. Ставрополь)

·     Как видно из графика в течении всего года тепловые потоки направлены из помещения.

·     Максимум мощности излучения приходится на февраль: 89 Вт/м².

·     С марта по июль мощность тепловых потоков уменьшается, в июле мощность достигает минимума: 11 Вт/м².

·     С августа по декабрь мощность тепловых потоков возрастает и достигает максимума на этом промежутке в декабре: 82 Вт/м².

Из всего вышеприведенного можно сделать следующие выводы:

1.  Необходимо точное определение коэффициента серости для установления объективного значения мощности тепловых потоков, циркулирующих в помещении.

2.  Необходимо учитывать тепловые потоки, передаваемые тепловым излучением при проектировании не только систем кондиционирования и отопления, но и при проектировании самого строения в плане оптимальной площади остекления, что неизбежно приведет к необходимости введения корректировок в СНиПы.

Список литературы:
1.    Трофимова Т.И. Курс физики, «Высшая школа», М., 2004.
2.    Табунщиков Ю.А., Климовицкий М.С., Расчёт теплового режима помещений, в сб. НИИСФ «Тепловой режим и долговечность зданий», 1987.
3.    Расчет теплопотерь помещения при раздельном учете конвективного и лучистого теплообмена», ж. AВОК № 8, 2007.
4.    СНиП 2.08.01—89 «Отопление и вентиляция жилых зданий».
5.    Е.Г. Малявина, «Теплопотери здания», М., 2006.