Статья ВАК: Исследование влияния облачности небосвода на тепловые потери зданий

На сегодняшний день при расчёте отопительной нагрузки зданий тепловые потери за счёт излучения не рассматриваются как отдельный вид теплопереноса, а учитываются только в совокупности с конвективной составляющей. Изучение влияния облачности небосвода на тепловые потери излучением позволит получить более детальное представление об их доле в суммарных потерях сооружений, в зависимости от разных погодных условий, найти материалы и виды внешних покрытий, которые бы обеспечивали наибольшую энергетическую эффективность.

Для оценки влияния облачности небосвода на тепловые потери излучением была разработана методика расчёта, с помощью которой был произведён оценочный упрощённый расчёт для жилого дома типовой серии 111–121 и полный расчёт для всех зданий в городе Анадырь.

С целью упрощения расчёта на данном этапе не учитывалось взаимное расположение и взаимное излучение зданий. Принимается, что теплообмен происходит исключительно между исследуемым объектом и небосводом. При расчёте потерь излучения при прохождении воздушной среды влагосодержание принимается постоянным для любой исследуемой высоты облака.

Поскольку отношение теплового потока излучением, согласно проведённым расчётам, от внутренних помещений к тепловым потерям излучением от окон, стен или крыши здания составляет в среднем 10–20%, в расчёте излучения для города Анадырь была применена геометрия комнаты дома типа 111–121–1 ко всем зданиям. Расчёт распределения тепловых потерь излучением по высоте для стандартизированного дома типа 111–121–1 (табл. 1) был произведён при температуре наружного воздуха +1,7°C для наиболее корректного результата, в связи с использованием данных распределения температуры по высоте, снятых при этой температуре. Температура внутри помещения принимается равной +20°C [1].

Применительно к расчёту для города Анадырь данные распределения температур и все неизвестные параметры были получены из местных метеорологических станций.

1. Последовательность расчёта

Изначально необходимо иметь геометрические данные по исследуемому объекту (такие как суммарная площадь наружных стен, крыши, оконных проёмов, толщина и вид материалов изготовления и внешней отделки, количество и тип окон и площадь остекления), знать температуру, влажность наружного воздуха и владеть данными об относительной облачности и высоте расположения облаков.

Необходимо рассчитать температуру наружных поверхностей ограждающих конструкций здания. Зная температуру наружных поверхностей ограждающих конструкций, можно записать уравнение тепловых потерь излучением согласно закону Стефана-Больцмана [2]. Суммарные тепловые потери излучением с поверхности здания могут быть найдены как сумма произведений удельных тепловых потоков на площадь поверхности, соответствующей им, и тепловых потерь излучением, проходящих через стекло [3]:

Q_изл = E_рез.стF_ст + E_рез.окF_ок + E_рез.крF_кр + Q_ок, Вт, (1.1)

где Q_ок— теплопотери излучением от внутренних стен помещения через окна; E_рез.ст, E_рез.ок  и E_рез.кр — результирующий поток между стенами, окнами и крышей здания и небосводом; F_ст, F_ок и F_кр — площадь поверхности стен, окон и крыши, соответственно.

2. Расчёт тепловых потерь излучением от внутренних стен, проходящим сквозь окна

Поскольку световой поток имеет ту же природу, что и излучение, можно сделать допущение, что отношение светового потока, приходящегося на окно, к световому потоку, падающему на все стены, будет равно отношению плотности потоков излучений для тех же поверхностей. Таким образом, будет возможно описать соотношение излучения, приходящегося на окно, при взаимно перпендикулярном и взаимно параллельном расположении стен внутренних комнат, от теплового потока, исходящего от всех стен помещения.

Количество теплоты от излучения, приходящегося на окно:

Q_{вн.окна} = E_{рез.вн.ок}WT_n ΣF_пом, Вт, (2.1)

где E_{рез.вн.ок} — результирующий тепловой поток от внутренних стен к облакам согласно формуле (1.3); T — коэффициент направленного пропускания света, равный T = 0,72 [4]; ΣF_пом — суммарная площадь всех стен помещения, за исключением той, в которую вмонтировано окно; n — количество окон в здании; W — отношение светового потока, приходящегося на окно, к суммарному потоку от всех стен.

При исследовании теплопереноса излучением важное значение имеют потери потока при прохождении среды. Поскольку в воздухе содержатся частицы влаги, которые поглощают часть теплового потока излучением между двумя исследуемыми объектами, необходимо учитывать потери данного рода и снижение плотности потока на различных высотах. Для этого относительная влажность воздуха принимается равной 60%. Чтобы узнать долю содержания водяных частиц в воздухе, необходимо привести отношение к одинаковым величинам. В абсолютной объёмной доле влаги в воздухе это составит W = 1,4×10–5 м³/м³ (влаги/воздуха) [5].

Количество поглощённого излучения влагой, содержащейся в воздухе, можно определить, вычислив интеграл по высоте от потерь:

где H_i — высота, м.

3. Расчёт суммарных тепловых потерь излучением сооружения

Суммарные тепловые потери от здания излучением будут равны:

Q_изл = q_стF_ст + q_окF_ок + q_крF_кр + q_{через.ок}nΣF_пом, Вт, (3.1)

где q_i = E_резi — ΔE_i, Вт/м², (рис. 1). (3.2)

Используя все вышеописанные зависимости, можно записать полное уравнение, описывающее тепловые потери излучением от всех излучающих поверхностей здания с учётом влияния воздушной среды и высоты облака:

где ε_ст, ε_ок, ε_кр, ε_вн.ст и ε_о — степени черноты наружных стен, светопрозрачных конструкций, крыши, внутренних стен и облаков, соответственно; T_вн.ст — температура поверхности внутренних стен, К; T_ст, T_ок и T_кр, — температуры наружной поверхности стен, окон и крыши, соответственно, К; T_H — температура воздуха на высоте расположения облака, К; H — высота расположения облака, м; F_ст, F_ок и F_кр — суммарная площадь наружных стен здания (за исключением оконных проёмов), остекления и крыши здания, соответственно, м².

По данной методике был произведён расчёт тепловых потерь излучением дома типовой конструкции 111–121 с наружными стенами из железобетонных панелей толщиной 300 мм и пластиковыми окнами, а также для всех жилых зданий города Анадырь проведено сравнение с фактическими данными теплопритоков за счёт отопления для этого города (рис. 2).

Для принятых в расчёте условий высота 11 км характеризует полное поглощение излучения здания частицами влаги, находящимися в воздухе. На рис. 1 эта точка соответствует максимуму удельных тепловых потерь. Это связано с тем, что при больших высотах увеличение разности температур между объектами полностью нивелируется увеличением потерь при прохождении воздушной среды. Следует отметить, что зависимость тепловых потерь от высоты воздуха носит нелинейный характер (рис. 1) — на высотах до 1 км и от 8 до 11 км изменение потерь происходит менее значительно (табл. 2).

В первом случае это связано с малой разницей температур на поверхности Земли и на высоте 1 км. Во втором случае имеется менее значительное изменение температуры воздуха по высоте в силу её приближения к своему наименьшему значению в тропосфере. Максимальная высота теплообмена излучением между зданием и облаком будет увеличиваться по мере снижения влажности воздуха. При наличии перламутровых облаков в стратосфере, где температура повышается с увеличением высоты, тепловые потери от зданий будут уменьшаться при отсутствии облаков, располагающихся ниже.

Анализируя данные, полученные в ходе применения разработанной методики для жилых зданий города Анадырь, можно наблюдать, что наибольшие тепловые потери излучением соответствуют тёплой безоблачной погоде. Это связано с тем, что температура поверхности сооружений имеет наибольшее значение, а температура воздуха на большой высоте меняется незначительно, соответственно, разность температур между двумя рассматриваемыми объектами достигает максимума.

Продемонстрирован математический аппарат, детально учитывающий тепловые потери здания через механизм теплового излучения. Показано, что подобный расчёт требует предварительного глубокого анализа климата на рассматриваемой территории. Большой вклад в интенсивность теплопотерь излучением вносит как высота нижней границы облачного покрова, её прозрачность и процент облачности небосвода, так и влагосодержание в приземном слое воздуха.

Как следствие, очевидно различие результатов для городов, находящихся в сходных географических и климатических условиях, но различающихся по численности населения и мощности энергетической инфраструктуры. Показано, что проведение формульного расчёта не достигает инженерной точности ввиду существенного недостатка исходных данных и крайней трудоёмкости расчёта.