Воздушно-тепловой режим помещения

Комфорт людей, находящихся в помещении, связан с требуемым сочетанием параметров микроклимата. Формирование данных параметров в помещении требует затрат энергии. В современных условиях вопрос эффективного использования энергии стоит достаточно остро. Тенденция роста востребованности мероприятий, позволяющих снизить стоимость инженерных решений, направленных на обеспечение параметров микроклимата в помещении в соответствии с требуемым уровнем комфорта, сохраняется на протяжении последних десятилетий.

Выбор того или иного инженерного решения тесно связан со стоимостью его реализации и затратами при эксплуатации. Одним из направлений, призванных минимизировать затраты на системы климатизации здания, является полезное использование энергии окружающей среды [1, 2]. На первый взгляд, теплый период года является менее энергоемким, чем холодный, ввиду меньшей разности температуры наружного воздуха и воздуха в помещении.

Однако, значительные теплоизбытки в помещении и более высокая стоимость охлаждения воздуха, по сравнению с нагреванием, заставляет с большим вниманием отнестись к решениям инженерных систем по климатизации помещений, применение которых связано с теплым периодом года. Одним из способов, позволяющих снизить уровень затрат энергии в теплый период, является ночное проветривание.

Тепловое взаимодействие между собой строительных конструкций, технологического оборудования, вентиляционного и инфильтрующегося воздуха, мебели и других предметов интерьера формирует тепловую обстановку в помещении. Дополнительным воздействием на температурный режим помещения может служить поступление наружного воздуха в темное время суток. Ночью температура наружного воздуха снижается.

Его поступление в помещение приводит к изменению температуры внутреннего воздуха, поверхностей и толщи ограждающих конструкций и оборудования. В зависимости от теплотехнических показателей материалов, из которых выполнены ограждения и оборудование, меняется продолжительность их влияния на тепловой режим помещения в течение дневного времени суток. В частности, влияние элемента помещения, изготовленного из материала, характеризующегося высокой теплоемкостью, более значительно, чем влияние элемента, выполненного из материала с меньшей теплоемкостью.

Оборудование и предметы обстановки помещения, как факторы, оказывающие влияние на тепловой режим помещения, разделяют на элементы, активно и пассивно воздействующие на температурную обстановку. К активным элементам относится оборудование, выделяющее теплоту при превращении механической, электрической и пр. энергии в тепловую, а к пассивным — элементы, изменяющие способность помещения в целом аккумулировать теплоту, — это мебель, колонны, предметы интерьера и т.д.

Степень эффективности использования энергии, содержащейся в наружном воздухе, может быть изменена за счет подачи и удаления воздуха при помощи механической системы вентиляции — системы ночного проветривания, специально созданной для работы в ночное время; при этом кратность воздухообмена может превышать 10 ч–1, что позволяет усилить охлаждение помещения.

Количество подаваемого в помещение воздуха влияет на подвижность воздуха в помещении, а значит и на интенсивность теплоотдачи между воздухом и ограждающими конструкциями и элементами обстановки помещения. Интенсивность теплоотдачи воздуха с элементами помещения особенно важна в период, когда снижение температуры наружного воздуха носит кратковременный характер. Изменение температуры воздуха в помещении при разных значениях кратности воздухообмена помещения, ориентированного на южную сторону, представлено на рис. 1.

График демонстрирует результаты расчета теплового режима помещения при установившемся квазистационарном состоянии и поступлении наружного воздуха в ночное время суток при четырех-, восьмии двенадцатикратном воздухообмене по сравнению с вариантом, когда поступление наружного воздуха ночью отсутствует. В начале рабочего дня температура воздуха снижается в связи с включением системы кондиционирования воздуха.

При применении ночного проветривания с разными кратностями виден провал температуры воздуха помещений в ночной период и выход температуры воздуха на более низкий уровень в дневное время (когда работает система кондиционирования воздуха). Математическое моделирование тепловых процессов, протекающих в здании, предполагает рассмотрение теплопередачи через наружные ограждения здания, лучистой и конвективной теплоотдачи поверхностей помещения, влияния внешних и внутренних факторов на воздушно-тепловой режим помещения.

В основу математической модели положены следующие уравнения: уравнение баланса теплоты для поверхностей ограждающих конструкций, контактирующих с наружным воздухом; уравнение Фурье в конечноразностном виде; уравнение баланса теплоты для поверхностей ограждающих конструкций, обращенных в помещение; уравнение теплового баланса воздуха в помещении; уравнение баланса теплоты для поверхностей элементов обстановки помещения.

Моделирование нестационарного температурного режима является многофакторной задачей, поскольку мы имеем дело с функционалом, описывающим тепловой режим помещения. Все составляющие функционала связаны друг с другом и проявляют свое действие в каждый момент времени, что учитывается при расчетах. Чем больше влияющих параметров будет учтено, тем результат будет ближе к реальной действительности. При рассмотрении ночного проветривания необходим учет влияния солнечной радиации на воздушно-тепловой режим помещения.

Солнечная радиация, поступающая в помещение, способна в кратчайшие сроки свести к минимуму весь эффект от ночного проветривания помещения. Кроме того, солнечная радиация, проникающая в помещение, способствует возникновению на внутренних поверхностях ограждающих конструкциях области, температура которой отличается от температуры остальной части поверхности данного ограждения. Учет влияния количества теплоты, поступающей в помещение с солнечной радиацией, на тепловой режим помещения должен ставиться с учетом движения «солнечного пятна» по внутренней поверхности ограждений и предметов интерьера.

Однако при этом сложность расчета теплообмена излучением возрастает многократно, т.к. перемещение «солнечного пятна» требует пересчета коэффициентов облученности поверхностей помещения в каждый момент времени. При этом сложная форма «солнечного пятна» и возможность его перемещения как по горизонтальным, так и по вертикальным ограждениям усложняет исследование воздушно-теплового режима помещения.

Форма «солнечного пятна» в виде параллелограмма не позволяет использовать уже известные схемы определения коэффициентов облученности поверхностей помещения прямоугольной формы. Двигаясь по полу, «солнечное пятно», достигнув вертикального ограждения, разделится на две поверхности сложной формы. Дальнейшее перемещение приведет к постоянно меняющимся величинам коэффициентов облученности всех поверхностей помещения.

Определение коэффициентов облученности внутренних поверхностей и так представляет серьезную задачу при условии наличия поверхности сложной формы. Наличие нескольких таких поверхностей, геометрические размеры которых постоянно меняются в связи с нестационарностью процесса, значительно усложняет процесс изучения лучистого теплообмена в помещении и воздушно-теплового режима в целом.

Дополнительным фактором, усложняющим исследование теплообмена внутренних поверхностей помещения за счет излучения, является учет поверхностей предметов интерьера и обстановки помещения с их сложной поверхностью. В таких условиях количество коэффициентов облученности поверхностей увеличивается в разы. Сочетание вышерассмотренных сложностей и необходимости учета влияния солнечной радиации приводит к пониманию важности поиска дополнительных факторов, которые могут качественно изменить картину теплообменных процессов, протекающих в помещении.

В качестве таких факторов можно рассмотреть солнцезащитные устройства, размещенные как в помещении — шторы, жалюзи, так и вне его — стационарные элементы фасада здания. В результате появляется возможность рассматривать солнечную радиацию, проникающую в помещение, равномерно распределенной по всем внутренним поверхностям, а, следовательно, вернуться к условиям, когда количество теплообменных поверхностей невелико и их геометрическая форма — прямоугольник.

Оборудование (в частности мебель), находящееся в помещении, представляет собой не сплошной объем материала, а совокупность нескольких элементов разной геометрической формы, поэтому справедливым будет подход, при котором процесс теплообмена оборудования будет рассмотрен для каждого элемента отдельно. Сложная поверхность мебели затрудняет исследование теплообмена излучением поверхностей помещения.

При моделировании теплового режима помещения мебель, как пассивный элемент помещения, можно представить в виде пластин, материал которых соответствует материалу, из которого выполнена мебель. Пластины располагаются в вертикальной и горизонтальной плоскости и представляют собой упрощенные модели поверхностей мебели и образуют параллелепипед, расположенный в центре помещения. Воздух, находящийся во внутренней части параллелепипеда, неподвижен, но сообщается с воздухом помещения.

Связь теплового режима помещения с воздушным режимом приводит к необходимости рассмотреть процессы перемещения воздуха через внутренние и наружные ограждающие конструкции. Исследование этих процессов связано с определением перепада давлений воздуха по обе стороны ограждений. Разность давлений обеспечивает поступление воздуха в помещение. В зависимости от параметров поступающего воздуха происходит изменение тепловой обстановки в помещении.

Разнообразие параметров, влияющих на перепад давлений между расчетным помещением и окружающими его помещениями либо наружным воздухом, осложняет исследование теплового режима. Перепад давления между помещением и наружной средой включает гравитационную и ветровую составляющую. Гравитационная составляющая перепада давлений напрямую зависит от разности температур внутреннего и наружного воздуха.

В теплый период в дневное время суток эта разность температуры составляет величину 10–15 °C. В этом случае гравитационная составляющая перепада давления, если здание обслуживается системой вентиляции с механическим побуждением, а воздухопроницаемые элементы равномерно распределены по фасаду здания и нейтральная плоскость находится на уровне середины здания, то гравитационная составляющая перепада давлений составляет величину около 3,5–5 Па.

При этом в части здания, расположенной ниже нейтральной плоскости, воздух выходит наружу, а в части, расположенной выше нейтральной плоскости, поступает внутрь. Количество поступающего воздуха невелико и оказывает незначительное влияния на тепловой режим помещений. В темное время суток разница температуры наружного воздуха и воздуха в помещении практически отсутствует при подаче наружного воздуха с кратностью, превышающей 5 ч–1.

Отсутствие разности температуры позволяет исключить из расчета гравитационную составляющую перепада давления, формирующую воздушный режим здания. Влиянием воздушных масс, перемещающихся между помещениями, расположенными рядом, также можно пренебречь, поскольку разность температуры в соседних помещениях при аналогичном режиме работы и одновременном поступлении наружного воздуха в темное время суток, практически отсутствует.

Значение перепада давлений, вызванного действием ветра, более значительно и зависит, главным образом, от скорости ветра и направления ветра на здание (наветренный фасад, боковой или заветренный). При скорости ветра 5 м/с на наветренном фасаде ветровая составляющая перепада давления составляет около 20 Па. При исследовании воздушного режима наиболее обоснованным является описание процессов перемещения воздуха внутри помещения. Анализ процессов, происходящих в помещении при реализации ночного проветривания, позволяет уменьшить количество факторов, усложняющих процесс исследования воздушно-теплового режима.

В частности, упростить расчет теплообмена излучением между поверхностями помещения, а также исключить из рассмотрения влияние воздуха, поступающего в помещение из наружной среды и из соседних помещений. При этом важно учитывать подвижность воздуха в помещении, как фактор, повышающий эффективность ночного проветривания.