Автоматизированные системы теплоснабжения и отопления

Раздел: Отопление

Скорость изменения температуры воздуха в переходном режиме зависит, наряду с другими факторами, от того, как изменяются в это время температуры внутренних поверхностей наружных и внутренних ограждений /Ст. вн, /ок. Вн, /ст. н, на которые, в свою очередь, влияют изменения температуры воздуха помещения, температуры наружного воздуха, скорость ветра, интенсивность солнечной радиации (см.  5.2). Поэтому необходимо найти под воздействием этих возмущающих факторов законы изменения температуры поверхностей внутренних и наружных ограждений.

В общем случае ограждающие конструкции представляют собой плоскую стенку, толщина которой во много раз меньше длины. Поэтому в математической формулировке процессы теплопередачи будут описываться одномерными уравнениями Фурье (5.7), (5.8) с граничными условиями третьего рода.

Учитывая, что в современном строительстве широкое распространение находят неоднородные ограждающие конструкции, состоящие из различных слоев или сред с различными тепло- физическими свойствами, возникает необходимость в решении системы дифференциальных уравнений Фурье с соответствующими граничными условиями. Число уравнений, содержащихся в системе, определяется числом слоев того или иного ограждения. Наибольшее распространение находят трехслойные ограждающие конструкции, поэтому рассмотрим решение системы дифференциальных уравнений теплопроводности Фурье для трехслойной пластины (5.7).

Применяя к уравнениям (5.7) с соответствующими граничными условиями многократное преобразование Лапласа, дифференцирование и несложные алгебраические преобразования

Решив уравнение (5.17.) относительно переменной А^ог. Вн(р), получим передаточные функции ( 5.2), определяющие изменение температуры воздуха в помещении (5.18), температуры наружного воздуха (5.19), скорости ветра (5.20) и интенсивности солнечного облучения (5.21).

Полученные результаты могут быть использованы при анализе процессов нестационарного теплообмена через ограждающие конструкции, на поверхностях которых имеют место несимметричные граничные условия (наружные теплоемкие ограждения, окна, витражи, внутренние ограждения).

При различной температуре воздуха в соседних помещениях для внутренних ограждающих конструкций необходимо дополнительно иметь передаточную функцию, устанавливающую динамическую связь между температурой на поверхности внутреннего ограждения и интенсивностью солнечного облучения. Так как в настоящее время применяются преимущественно однослойные внутренние ограждения, то рассматриваемая передаточная функция имеет вид (5.22). При симметричных граничных условиях (температура в соседних помещениях одинакова) решение значительно упрощается и имеет вид (5.24).

Полученные передаточные функции характеризуют законы изменения температуры поверхностей внутренних и наружных ограждений под влиянием различных возмущающих воздействий и совместно с уравнением (5.9) составляют систему уравнений динамики температурного состояния помещения.

В проведенном аналитическом исследовании влияние отопительного прибора (системы отопления) рассматривается упрощенно— в виде канала связи, характеризующего закон изменения температуры воздуха в помещении в зависимости от количества теплоты, выделяемой отопительным прибором [см. уравнение (5.9)]. Это дает возможность при решении некоторых задач, например при исследовании влияния конструктивных особенностей собственно помещений на его динамические свойства, задавать произвольно закон изменения Qot(t). Кроме того, имеется целый ряд неотапливаемых помещений (склады, здания, расположенные в южных широтах), в которых отопительные приборы не устанавливаются.

Характерной особенностью современных зданий является большое разнообразие конструкций и широкий диапазон режимов их работы. В связи с этим практический интерес представляет исследование влияния режимных и конструктивных параметров на динамические свойства помещений. переходные процессы изменения температуры воздуха трехкомнатной квартиры рядовой секции первого этажа типового жилого дома серии П-49П при различных метеорологических условиях. Сопоставление этих кривых показывает, что динамические свойства одного и того же помещения   существен-, но изменяются в течение отопительного сезона.

Специальные исследования показали, что определяющее влияние на изменение динамических свойств помещения в течение отопительного сезона оказывает величина коэффициента фильтрационного теплообмена. Для рассматриваемого примера изменение К и Т иод влиянием только фильтрационного теплообмена составляет соответственно 91 и 76%, в то время как увеличение коэффициента теплоотдачи на наружных поверхностях ограждения с 8,7 до 36 Вт/м2 при изменении скорости ветра от 0 до 10 м/с приводит к уменьшению величин К и Т всего на 9 и 11 % соответственно, а изменение теплофизиче- ских параметров ограждающих конструкций вообще не оказывает заметного влияния на изменение динамических свойств помещения.

В общем случае в течение отопительного сезона возможно практически неограниченное число сочетаний различных температур наружного воздуха и скоростей ветра, что затрудняет выбор представительных величин а„ и Кф, входящих в передаточные функции. Задача может быть упрощена, если учитывать, что существует прямая корреляционная зависимость между температурой наружного воздуха и скоростью ветра. Для районов средней широты (50—60°) Европейской части СССР эта зависимость имеет вид [55]:

и позволяет однозначно определить начальные метеорологические условия, которые должны быть заложены в передаточные функции. Все остальные сочетания температур наружного воздуха и скоростей ветра могут считаться возмущающими воздействиями.

Сопоставление переходных процессов, полученных для наиболее вероятных предельных сочетаний температуры наружного воздуха и скорости ветра (кривые 5, 6), показывает, что диапазон изменения динамических параметров при этом уменьшается и для постоянной времени составляет 10,2 %, а для коэффициента передачи — 9,7%. При решении некоторых практических задач, когда не требуется высокая точность в определении динамических характеристик помещения, могут быть использованы средние вероятные за отопительный сезон сочетания температур наружного воздуха и скорости ветра, присущие Европейской части СССР: ta = — 8°С, v = 4,5 м/с. При этом погрешность в определении динамических параметров не превышает 5 % (кривая 7).

Исследования показывают, что максимальное изменение динамических параметров под влиянием этих факторов имеет место в квартирах, расположенных на первом этаже, и достигает для постоянной времени 79%, а коэффициента передачи — 85% ( 5.5).

Для определения влияния теплотехнических параметров ограждающих конструкций на динамические свойства помещений рассмотрим здания разных типов: серии П-29-03 с ограждениями из кирпичной кладки, серии II-49-A2 с ограждениями из стекла и керамзитобетона и серии 1605/12.

Сравнение разгонных характеристик разнотипных помещений ( 5.6) показывает, что их динамические свойства существенно различны; в первую очередь это объясняется разными теплотехническими параметрами материалов ограждающих конструкций и соотношением площадей наружных и внутренних ограждений.

 Меньшая величина постоянной времени помещения с наружными ограждениями из кирпичной кладки (кривая 1) по сравнению с помещением с наружными ограждениями из керамзитобетона (кривая 2) объясняется тем, что в качестве внутренних ограждений в здании серии Н-29-03 частично применены менее инерционные гипсобетонные панели по сравнению с железобетонными панелями здания серии П-49П. Влияниие более инерционного наружного теплоемкого ограждения на величину постоянной времени можно проследить сравнивая кривые 2, 4. Эти кривые характеризуют переходный процесс в помещениях, отличающихся только наружными теплоемкими ограждениями. Сравнительно малая величина постоянной времени помещения здания П-49-Л2 (кривая 3) объясняется большим отношением площади наружных ограждений к площади внутренних ограждений.

Анализ переходных процессов зданий разных типов показал, что определяющее влияние на динамические свойства помещений оказывает теплоаккумулирующая способность внутренних ограждающих конструкций. Пренебрежение теплоинерционными свойствами внутренних ограждающих конструкций приводит к уменьшению величины постоянной времени на 95%, в то время как пренебрежение теплоинерционными свойствами наружных теплоемких ограждений изменяет величину постоянной времени всего на 10 %.

Таким образом, исследования по определению влияния конструктивных особенностей помещений (квартир) на их динамические свойства показали, что величина постоянной времени очень сильно зависит от расположения помещения в здании, коэффициента воздухопроницаемости окон, от отношения площади наружных ограждений к площади внутренних ограждений, от материала внутренни:: ограждений. Современные жилые здания характеризуются незначительным влиянием теплоакку- мулирующей способности наружных ограждений (теплоемких и нетеплоемних) на скорость изменения температуры воздуха в помещении. По мере увеличения отношения площади наружных теплоемких ограждений к площади внутренних ограждений степень влияния наружных ограждающих конструкций увеличивается и в пределе становится определяющей.