Автоматизированные системы теплоснабжения и отопления

Раздел: Отопление

Температура наружного воздуха. Основным фактором, определяющим режим работы систем отопления, является изменение температуры наружного воздуха. При этом меняется разность между внутренней tB и наружной tH температурами, т. е. температурный напор, вызывающий перенос теплоты через ограждающие конструкции зданий. Этот перенос происходит путем кондуктивного теплообмена через толщу ограждений и лучистого и конвективного теплообмена на их поверхностях. За счет разности объемных масс теплого и холодного воздуха возникает перепад давлений внутри и снаружи здания, который обусловливает тепломассообмен путем инфильтрации воздуха через неплотности в ограждающих конструкциях.

По своим динамическим свойствам тепловые потери зданий, вызванные изменением температуры наружного воздуха, делятся на быстрые (через нетеплоемкие ограждения) и медленные (через теплоемкие ограждения).

Колебания температуры наружного воздуха носят периодический и непериодический характер. К периодическим колебаниям относят годовой и суточный ход температуры, зависящий главным образом от широты местности, ее удаленности от моря, рельефа местности, времени года. Непериодические колебания возникают под воздействием случайных факторов. Они могут быть достаточно длительными, многосуточными (например, вызванные прохождением через данный район холодной волны воздуха) и кратковременными (пульсациями), обусловленными локальными причинами.

Изменения температуры наружного воздуха (не считая пульсаций, которые практически не влияют на температурный режим зданий) обычно происходят со скоростью не более 2° в час, но в отдельные периоды (например, при прохождении фронта температурной волны, вызванной циклоном) могут достигать 10° и более. Для большей части районов СССР суточный градиент температур воздуха наиболее существен в весенний период отопительного сезона (март — апрель) [4]. Температуры воздуха изменяются также и с высотой над уровнем земли.

В пределах города имеют место температурные контрасты, обусловленные различной плотностью застройки, высотой домов, шириной улиц и площадей, их расположением по странам света, растительным покровом. Так, средняя неравномерность температуры воздуха по территории Ленинграда составляет 1—2° С, но временами достигает 5—6°С. Примерно аналогичная картина наблюдается и в других крупных городах [4].

Ветер. Значительное влияние на тепловые потери отапливаемых зданий оказывают скорость и направление ветра. Под действием ветра и температурного напора происходит проникновение наружного холодного воздуха через щели, оконные и дверные заполнения (воздухообмен через поры материалов стен мал и им можно пренебречь), а также горизонтальное перемё- щение потоков воздуха с наветренной стороны на подветренную.

Вследствие ветрового и гравитационного давлений возникает вертикальное перемещение потоков воздуха внутри здания, сопровождающееся интенсивной инфильтрацией наружного воздуха в помещениях жилых этажей, постепенно уменьшающейся по высоте здания. В помещениях верхних этажей может происходить эксфильтрация воздуха через наружные ограждения. Изменение тепловых потерь зданий при ветре происходит также за счет увеличения коэффициента теплоотдачи ограждающих конструкций.

Степень воздействия ветра на тепловые потери зависит от ориентации здания по странам света, так как скоростной напор ветра по преобладающему направлению значительно больше, чем по остальным (например, во Владивостоке для северного ветра — в 3—4 раза, в Ленинграде для западного ветра — в 2—3 раза) [4].

По своим динамическим характеристикам тепловые потери зданий, обусловленные влиянием ветра, делятся на быстрые и медленные. Быстрые тепловые потери обусловлены проникновением холодного воздуха путем инфильтрации через неплотности в оконных и дверных проемах, стыки наружных стеновых панелей, а также влиянием ветра на коэффициент теплоотдачи окон. При этом величина инфильтрации в большой степени зависит от качества оформления оконных проемов и ухода за ними. Медленные тепловые потери обусловлены главным образом влиянием ветра на коэффициент теплоотдачи наружных поверхностей стен.

Как показали многочисленные исследования [70], зависимость быстрых тепловых потерь здания от скорости ветра в широком диапазоне скоростей может быть принята линейной.

Влияние ветра на тепловой режим здания удобно оценивать путем введения поправки к температуре наружного воздуха, по которой осуществляется регулирование расхода теплоты.

Помимо увеличения общего размера тепловых потерь, ветер приводит к уменьшению запаздывания при прохождении тепловой волны через стену, а также к относительному снижению доли медленных теплопотерь в суммарных теплопотерях здания (ф).

Влияние ветра на величину общих тепловых потерь и коэффициент i|) по результатам расчетов, выполненных для помещения средней части здания со стенами 2,5 кирпича при коэффициенте воздухопроницаемости оконных проемов /=1,8 кг/(гХ Хм2-Па), характеризуются данными, приведенными в  3.1.

Различают суточный и годовой ход скорости ветра: годовой зависит от климатических условий, а суточный определяется интенсивностью вертикального обмена между нижними и верхними слоями воздуха в атмосфере в течение суток. У земной поверхности минимум скорости ветра наблюдается в ночные часы, когда ветер часто ослабевает до штиля. После восхода солнца ветер обычно усиливается и скорость его достигает максимума в 13—14 ч.

Ветер не обладает постоянными скоростью и направлением, он дует порывами. Однако на тепловые потери зданий оказывают влияние не отдельные порывы ветра, а его усредненное за определенный отрезок времени значение, которое и должно учитываться в системах автоматического управления подачей теплоты в здания.

Изменение температуры наружного воздуха в холодное время года сопровождается изменением скорости ветра. Для большинства континентальных районов СССР понижение температуры связано обычно с уменьшением скорости ветра в приземном слое воздуха. На  3.2 в качестве иллюстрации приведены расчетные графики скорости ветра в 7 ч утра зимой для средней полосы Советского Союза [55].

Исследования по проветриванию жилых кварталов показали, что между домами в квартале направление ветра при данном господствующем ветре меняется по всем румбам. Однако в каждой точке можно выделить преимущественное, характерное для нее направление ветра, которое не всегда совпадает с господствующим ветром и зависит от направления обтекаемых препятствий.

В связи с этим учет направления ветра при центральном автоматическом управлении подачей теплоты, за исключением некоторых особых случаев, не представляется возможным.

Учет же скорости ветра (тем или иным способом), которая, может существенно увеличить тепловые потери зданий, при центральном регулировании является необходимым.

Высокая точность компенсации влияния скорости и направления ветра на температурный режим помещений может быть достигнута при пофасадном и индивидуальном автоматическом регулировании теплоотдачи нагревательных приборов.

Солнечная радиация. Поступление теплоты за счет солнечной радиации занимает существенную долю в тепловом балансе отапливаемых помещений.

Инсоляционная теплота также проникает в отапливаемые помещения по каналам быстрых и медленных теплопотерь (теп- лопоступлений). Быстрые теплопоступления обусловлены в основном непосредственным проникновением коротковолнового солнечного излучения через окна, медленные — радиационным нагревом наружных поверхностей стен.

Режим быстрых теплопоступлений можно рассматривать как прерывистую теплоподачу, число часов которой определяется временем облучения, а величина — среднеинтегральной интенсивностью инсоляции через окна за время облучения ( 3.3).

При определении влияния медленных теплопоступлений на температурный режим помещений следует учитывать, что суточные колебания температуры на наружной поверхности теплоемкого ограждения практически затухают в его толще. Поэтому оказывается возможным учитывать только усредненную за сутки величину этих теплопоступлений, а- процесс рассматривать как стационарный [70].

Потоки солнечных лучей приходят на ограждающие поверхности зданий в виде прямой солнечной радиации, в виде лучей, рассеянных атмосферой и облаками, а также в виде потоков, отраженных от поверхностей расположенных рядом зданий, земли и различных предметов.

Соответственно различают прямую, рассеянную и отраженную радиацию. Количество прямой солнечной радиации, поступающей на поверхность, перпендикулярную солнечным лучам, зависит от широты местности, времени года, состояния атмосферы. Рассеянная радиация, как и отраженная, в основном для всех ограждений одинакова, независимо от ориентации.

В некоторых районах Советского Союза в средние месяцы отопительного сезона в период стояния низких температур или сильных ветров лучистые теплопоступления незначительны по сравнению с кондуктивно-инфильтрационными теплопотерями. В других районах этот вклад существен даже в средние зимние месяцы [4, 70]. Весной, когда облачность сравнительно невелика, вклад лучистых теплопоступлений в тепловой баланс зданий значителен во всех районах страны.

Расчеты показывают, что в переходный период отопительного сезона ( 3.3, а) в северных широтах (70 и 60°) интенсивность прямой радиации на вертикальные поверхности, ориентированные на юг, может превышать интенсивность радиации на те же поверхности в более южных широтах (55 и 40°). Б связи с этим учет солнечной радиации при регулировании отопления зданий имеет значение и для высоких широт.

Оценка размера нарушений температурного режима помещений, обусловленных влиянием инсоляции, может производиться по следующим величинам ( 3.3,6):

минимальному повышению внутренней температуры в момент начала облучения At мин,

максимальному повышению в конце облучения Д/макс! среднесуточному приросту температуры A.tcp. В качестве примера в  3.2 приведены некоторые результаты расчетов, выполненных для помещений с коэффициентом остекления 0,15 и ориентированных на юг и запад. Расчеты произведены для условий безоблачной погоды при широте местности 60°.

Из изложенного следует, что солнечная радиация оказывает существенное влияние на тепловой режим помещений. Ее учет при отоплении зданий возможен в случае применения систем пофасадного либо индивидуального автоматического регулирования.