CC BY
65
строительная теплофизика и энергосбережение
Выбор энергоэффективной системы вентиляции и кондиционирования помещений со значительными теплопоступлениями через светопрозрачные ограждения за счет солнечной радиации и теплопередачи
Б.А. Крупнов
Как известно, основная задача вентиляции и кондиционирования воздуха состоит в поддержании в помещениях соответственно допустимых или оптимальных температурно-влажностных условий.
Технические решения систем вентиляции и кондиционирования помещений с массовым пребыванием людей определяются, исходя из ассимиляции теплоизбытков и влаговыделений.
Избытки явной и полной теплоты представляют собой разность расчетных теплопоступлений в помещении и тепловых потерь через наружные ограждения.
Теплоизбытки О в общем виде находят по известной формуле
О = О + О + О о + О - О, Вт
ти л осв оо ср тп
где Ол — тепловыделения от людей, явные при вентиляции и полные при кондиционировании; Оосв — тепловыделения от искусственного освещения; Ооб — тепловыделения от оборудования, оргтехники; Оср — теплопоступления в помещение через све-топрозрачные ограждения за счет солнечной радиации и теплопередачи;
Отп — теплопотери через наружные ограждения, учитывающие в холодный и теплый (при вентиляции) периоды и в период переходных условий.
В административных, офисных помещениях с повышенной площадью светопрозрачных ограждений (далее окон) теплопоступления в помещение через окна составляют значительную долю от общих теплопоступлений (табл. 1). Особенно, если отсутствуют стационарные и используются неэффективные нестационарные солнцезащитные устройства и если окна ориентированы на юго-восток, юг, юго-запад.
К сожалению, в проектах вентиляции и кондиционирования в помещениях зданий в плане прямоугольной вытянутой формы предусматривается одна приточная система для помещений с окнами разной ориентации. Например, на восток и запад, юг и север и т.д.
Значительная доля теплопоступлений в помещение через окна и вызывает необходимость более тщательного определения теплопоступлений через окна и выбора энергоэффективных систем вентиляции и кондиционирования.
Источники тепло - и влаговыделений Кол-во поступающей теплоты Кол-во влаги
наименование кол-во Вт/ед. всего, Вт г/ед. всего, г
Люди Компьютеры Искусственное освещение Тепло солнечной радиации через окна южной ориентации 6 6 36м2 3м 6м 9м2 12м2 65/145* 300/100** 10 Вт/м2 200 200 200 200 390/870* 1320*** 360 600 1200 1800 2400 115 690
Итого 2670/3150 (19)**** 3270/3750 (32) 3870/4350 (41) 4470/4950(48) 690
Таблица 1. Расчетные тепло- и влаговыделения в теплый период года в характерном помещении площадью 36 м2.
* Явной теплоты в числителе и полной в знаменателе при температуре воздуха в помещении 25 °С. ** В режиме работы в числителе и ожидания в знаменателе. *** При коэффициенте использования 0,6.
**** В скобках показана доля теплопоступлений через окна в процентах.
3 2010 405
строительная теплофизика и энергосбережение
1.1. Определение расчетных теплопоступлений в помещение через наружные ограждающие конструкции за счет солнечной радиации и теплопередачи
Как правило, расчетные теплопоступления в помещение за счет солнечной радиации и теплопередачи определяются для теплого периода года [13]. Имеется в виду июль месяц. Но часто приходится слышать, что в весенне-осенний период, когда температура наружного воздуха, в зависимости от географической широты, в разной степени ниже расчетной температуры в теплый период, температура воздуха в кондиционируемых помещениях превышает
верхнее не только оптимальное, но и допустимое значение. Это наблюдается особенно в помещениях, имеющих значительную площадь окон южной, а также юго-восточной и юго-западной ориентации.
В чем же причина такого положения?
По данным [5, 20] показаны изменения суммарной солнечной радиации, поступающей в полдень на вертикальную поверхность южной ориентации при действительных условиях облачности ряда населенных пунктов (рис. 1) и при безоблачном небе (рис. 2), в определенные часы юго-восточной и юго-западной (рис. 3), восточной и западной (рис. 4)
Рисунок 1. Изменение суммарной солнечной радиации, поступающей в полдень на вертикальную поверхность южной ориентации при действительных условиях облачности в ряде городов.
Рисунок 2. Изменение суммарной солнечной радиации, поступающей в полдень на вертикальную поверхность южной ориентации при безоблачном небе в зависимости от широты.
Рисунок 3. Изменение суммарной солнечной радиации, поступающей на вертикальную поверхность юго-восточной (в 9—10 ч) и юго-западной (в 14—15 ч.) ориентации при безоблачном небе в зависимости от широты и месяца.
Рисунок 4. Изменение суммарной солнечной радиации, поступающей на вертикальную поверхность восточной (в 9—10 ч.) и западной (в 14—15 ч.) ориентации при безоблачном небе в зависимости от широты и месяца
строительная теплофизика и энергосбережение
ориентации; а также изменение суммарной и прямой солнечной радиации, поступающей за сутки на вертикальную поверхность южной (рис. 5, 6), юго-восточной и юго-западной (рис. 7), восточной и западной (рис. 8) ориентации зависимости от географической широты и времени года.
Из приведенных данных в табл. 2, 3, 4 и на рис. 1-8, составленных по [5, 14, 15, 20, 21], можно сделать следующие выводы:
1. Величина суммарной солнечной радиации, поступающей на вертикальную поверхность различ-
ной ориентации при действительных условиях облачности, загрязненности атмосферы в разных населенных пунктах, меньше на 30-50 % и более величины суммарной солнечной радиации, поступающей при безоблачном небе.
2. С уменьшением географической широты увеличивается разность величин суммарной и прямой солнечной радиации, поступающей соответственно в полдень и за сутки на вертикальную поверхность южной ориентации в июне-июле и в весенне-осен-ний период года.
Рисунок 5. Изменение суммарной солнечной радиации,
3000
2000
1000
Широта, град
42
1 2 3 4 5 6 7
9 10 11 12
Месяцы
Рис. 6. Изменение прямой солнечной радиации, поступающей
поступающей на вертикальную поверхность южной ориентации за на вертикальную поверхность южной ориентации за сутки при сутки при безоблачном небе в зависимости от широты и месяца. безоблачном небе в зависимости от широты и месяца
Рисунок 7. Изменение прямой солнечной радиации, поступающей на вертикальную поверхность юго-восточной и юго-западной ориентации за сутки при безоблачном небе в зависимости от широты и месяца.
Рисунок 8. Изменение прямой солнечной радиации, поступающей на вертикальную поверхность восточной и западной ориентации за сутки при безоблачном небе в зависимости от широты и месяца.
2010
407
3
Таблица 2. Продолжительность стояния холодного и теплого периода.
* При среднесуточной температуре наружного воздуха < 8 °С.
строительная теплофизика и энергосбережение
Город Географическая широта, град. Продолжительность стояния периода, сут.
холодного теплого
Архангельск 65 253 112
Санкт-Петербург 60 220 145
Москва 56 214 151
Волгоград 48 178 187
Сухуми 43 79 286
Сочи 43 92 273
Географическая месяцы
широта, град. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
40 29 37 48 60 69 73,5 72 64 53 42 32 26,5
45 24 32 43 55 64 68.5 67 59 48 37 27 21,5
50 19 27 38 50 59 63,5 62 54 43 32 22 16,5
55 14 22 33 45 54 58,5 57 49 38 27 17 11,5
60 9 17 28 40 49 53,5 52 44 33 22 12 6,5
65 4 12 23 35 44 48,5 47 39 28 17 7 1,5
70 7 18 30 39 44 42 34 23 12 2
Таблица 3. Высота Солнца в полдень по месяцам, °С.
3. С уменьшением географической широты района строительства резко уменьшается величина суммарной и прямой солнечной радиации, поступающей соответственно в полдень и за сутки на вертикальную поверхность южной ориентации в июне-июле месяце, а также продолжительность холодного периода (табл. 2).
4. Величина суммарной солнечной радиации, поступающей в полдень на вертикальную поверхность южной ориентации в июне-июле месяце, меньше величины суммарной солнечной радиации, поступающей на вертикальную поверхность в весен-не-осенний периоды года в 1,5—2 раза и более. Это объясняется тем, что в весеннее-осенний периоды года высота Солнца меньше (табл.3.).
5. Максимальная величина суммарной и прямой солнечной радиации, поступающей соответственно в полдень и за сутки на вертикальную поверхность южной ориентации, приходит на март-апрель и сентябрь-октябрь месяцы.
6. Значения суммарной солнечной радиации, поступающей на вертикальную поверхность юго-восточной (в 9—10 ч) и юго-западной (в 14—15 ч) ориентации в теплый период, меньше суммарной солнечной радиации, поступающей в весенне-осен-ний период (в пределах 15—60 %). Величина прямой солнечной радиации, поступающей за сутки на вертикальную поверхность юго-восточной и юго-западной ориентации больше в июне месяце в районах, расположенных севернее 50-й широты.
7. Значения суммарной солнечной радиации,
поступающей на вертикальную поверхность восточной (в 9—10 ч) и западной (в 14—15 ч) ориентации в теплый и весенне-осенний периоды, незначительно изменяются в зависимости от широты (в пределах 10—20 %). Величина прямой солнечной радиации, поступающей за сутки на вертикальную поверхность восточной и западной ориентации, наибольшая в июне месяце.
8. С уменьшением географической широты городов (с приближением их к экватору) уменьшается продолжительность отопительного периода. В весенний и особенно в осенний период года температура наружного воздуха в южных районах (табл. 4) может быть близкой или в пределах диапазона оптимальных значений температуры воздуха в кондиционируемых помещениях.
Исходя из изложенного, рекомендуется:
— величины теплопоступлений за счет солнечной радиации и теплопередачи, поступающих в помещение через окна, ориентированных на южную, а также на юго-восточную и юго-западную стороны, определять не только в теплый, но и в весенне-осенний период года для выявления набольшего значения теплопоступлений за счет солнечной радиации и теплопередачи и расчетных теплоизбыт-ков в помещении;
— определять теплопоступления за счет солнечной радиации и теплопередачи, поступающие в помещение через окна, с учетом действительных условиях облачности, загрязненности атмосферы в разных населенных пунктах.
строительная теплофизика и энергосбережение
Гооод месяцы
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Архангельск -12,9 -12,5 -8,0 -0,9 6,0 12,4 15,6 13,6 7,9 1,5 -4,1 -9,5
Санкт-
Петербург -7,8 -7,8 -3,9 3,1 9,8 15,0 17,8 16 10,9 4,9 -0,3 -5,0
Москва -10,2 -9,2 -4,3 4,4 11,9 16,0 18,1 16,3 10,7 4,3 -1,9 -7,3
Волгоград -9,1 -7,6 -1,4 10,0 17,0 21,0 23,4 22,0 16,2 7,5 1,4 -4,2
Сухуми 5,9 6,7 8,8 12,9 16,7 20,7 22,7 22,8 19,9 15,6 11,8 8,0
Сочи 5,9 6,1 8,2 11,7 16,1 19,9 22,8 23,1 19,9 15,7 11,7 8,2
Таблица 4. Средняя по месяцам температура наружного воздуха, °С.
1.2. О пофасадной подаче приточного воздуха
Теплопоступления за счет солнечной радиации и теплопередачи через 1 м2 окна зависят от их типа и формы, конструкции наружной стены, наличия или отсутствия солнцезащитных устройств, района строительства и их ориентации, и могут составлять 100-400 Вт и более.
В соответствии с градостроительными решениями здания прямоугольной формы, могут быть «меридионального», «широтного» или иного типа, т.е. продольные фасады могут быть ориентированы, соответственно, на восток и запад, юг и север, северо-восток и юго-запад и т.д.
Из представленного рис. 9 следует, что солнечная радиация прямая (S) и рассеянная (D) на вертикальную поверхность восточной ориентации поступает преимущественно до полудня, а на поверхность западной ориентации — после полудня.
Совершенно иная картина теплопоступлений в помещения через окна за счет солнечной радиации и теплопередачи наблюдается в зданиях «широтного» типа. Если через окна северной ориентации с 7 до 17 ч в помещение поступает только тепло от рассеянной радиации, не превышающее
50-70 Вт/м2, то через окна южной ориентации поступает тепло от прямой и рассеянной радиации, достигающее в полдень соответственно около 300-350 и 80-100 Вт/м2.
Следовательно, при подаче приточного воздуха от одной приточной установки в помещения с окнами разной ориентации усложняется и удорожается технически возможность поддержания требуемых параметров воздуха в помещениях с окнами разной ориентации.
Исходя из этого, рекомендуется пофасадная подача приточного воздуха, т.е. подача приточного воздуха в помещения с окнами одной ориентации от отдельной приточной установки.
Верно, в этом случае несколько увеличивается стоимость приточных установок (потребуется две установки меньшие по подаче воздуха каждая вместо одной большей по суммарной подаче воздуха) и распределительных воздуховодов. Но в ходе эксплуатации очевидно снижение расхода теплоты и холода при поддержании требуемых параметров воздуха в помещениях с повышенной площадью поверхности окон разной ориентации.
Рисунок 9. Изменение прямой (5 ) и рассеянной (О ) солнечной радиации, поступающей на вертикальную поверхность восточной (в) и западной (з) ориентации в июле при безоблачном небе в г. Москве (56° северной широты).
Литература
1. Русин Н.П., Флит Л. А. Солнце на Земле. М., «Советская Россия», 1971.
2. Соловьев С.П. и др. Специальные строительные стекла. М., Стройиздат, 1971.
3. Бринкворт Б. Солнечная энергия для человека. М., «Мир», 1976.
4. Галанин Н.Ф. Лучистая энергия и ее гигиеническое значение. Изд. «Медицина», 1989
5. Руководство по строительной климатологии: Пособие по проектированию. М.: Стройиздат, 1977.
6. Справочник «Климат СССР».
7. СНиП 11-3-79*, Строительная теплотехника. М.:ГУП ЦПП, 1998.
8. СНиП 31-01-2003. Здания жилые многоквартирные. М.: ГУП ЦПП, 2003.
9. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий. М.: ГУП ЦПП, 2004.
2oio
4o9
з
строительная теплофизика и энергосбережение
10. СП 23-101-2004. Проектирование теплозащиты зданий. М.: ГУП ЦПП, 2004.
11. Крупное Б.А. Возможности снижения затрат на кондиционирование воздуха и отопление зданий за счет их рациональной ориентации. Ж. Водоснабжение и санитарная техника, №11,1971.
12. Богуславский Л. Д. Снижение расхода энергии при работе систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. М.: Стройиздат, 1982.
13. Внутренние санитарно-технические устройства. 4.3. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Кн. 1 / В.Н. Богословский, А.И. Пирумов, В.Н. Посохин и др.; Под ред.Н.Н. Павлова, Ю.И. Шиллера. — 4-е изд. М.: Стройиздат, 1992. — (Справочник проектировщика).
14. СНиП 2.01.01-82. Строительная климатология и геофизика. М.: Стройиздат, 1983.
15. СНиП 23-01-99*. Строительная климатология. М.: ГУП ЦПП, 2004.
16. Руководство по определению теплопоступ-лений в помещения промышленных зданий от инсоляции/ ЦНИИПромизданий Госстроя СССР. М.: Стройиздат, 1982.
17. Соловьев С.П., Пермяков С.И., Крупнов Б.А. Рекомендации по проектированию светопроз-рачных ограждений общественных зданий массового строительства/ ЦНИИЭП учебных зданий. — М.: Стройиздат, 1989.
18. Пособие 2.91 к СНиП 2.04.05-91. Расчет поступления теплоты солнечной радиации в помещения/ Промстройпроект. — М., 1993.
19. Руководство АВОК. Расчет нестационарных теплопоступлений в кондиционируемых помещениях. 2008.
20. Круглова А.И. Климат и ограждающие конструкции. — М.: Стройиздат, 1970.
21. Строительная климатология: Справочное пособие к СНиП 23-01-99*/ Под ред. чл.-кор. Савина В.К. М.: НИИ строительной физики РААН, 2006.
22. СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование. М.: Госстрой России, 2004.
23. Соловьев С.П., Пермяков С.И., Крупнов Б.А. Рекомендации по проектированию светопрозрачных ограждений общественных зданий массового строительства/ ЦНИИЭП учебных зданий. - М.: Стройиздат, 1989.
24. Пособие 2.91 к СНиП 2.04.05-91. Расчет поступления теплоты солнечной радиации в помещения/ Промстройпроект. — М., 1993.
25. Руководство по строительной климатологии: Пособие по проектированию. М.: Стройиздат, 1977.
26. Крупное Б.А. Расчет теплопоступлений в помещение через наружные ограждающие конструкции за счет солнечной радиации и теплопередачи. Учебное пособие /Моск. гос. строит. ун -т. — М.: МГСУ, 2009.
Выбор энергоэффективной системы вентиляции и кондиционирования помещений со значительными
теплопоступлениями через светопрозрачные ограждения за счет солнечной радиации и теплопередачи
В статье представлено изменение теплопоступлений в помещение за счет солнечной радиации через светопрозрачные ограждения в зависимости от ориентации, географической широты, времени суток и года, даны рекомендации по определению расчетных теплопоступлений и выбору энергоэффективной вентиляции и кондиционирования воздуха.
Selection of energy efficient ventilating and air conditioning system of premises with suffucient heat
ingress through transparent enclosures by solar radiation and heat transfer by B. Krupnov
In the article the change of heat ingress in premise by solar radiation through transparent enclosures is shown depending on orientation, geographic latitude, time of day and year, the guidelines on definition of computational heat ingress both selection of energy efficient ventilation and air conditioning are given.
Ключевые слова: светопрозрачные ограждения, теплопоступления, солнечная радиация, вентиляция, кондиционирование.
Key words: transparent enclosures, heat ingress, solar radiation, ventilation, conditioning.
