Методики розрахунку тепловтрат

В даний час все частіше стали застосовуватися для критих спортивних майданчиків каркасно-тентові і надувні споруди. Привабливість каркасно-тентових і надувних споруд полягає в тому, що в них можна розміщувати великогабаритні спортивні об'єкти такі, як футбольні поля, волейбольні та баскетбольні майданчики, тенісні корти, штучні катки і т. П., При відносно невеликих (у порівнянні з іншими типами критих спортивних споруд) капіталовкладень на їх будівництво.

У каркасно-тентових і надувних (повітронаповнюваних) спорудах, що використовуються для критих спортивних майданчиків, температурно-вологісний режим, заданий для холодного і теплого періодів року, забезпечується системами опалення, вентиляції і кондиціонування повітря. При проектуванні зазначених систем необхідно враховувати теплотехнічні особливості огороджувальних конструкцій розглянутих споруд, які обумовлюють теплозахисні характеристики їх огороджень, вибір розрахункових значень зовнішньої і внутрішньої температур і, в кінцевому рахунку, оцінку тепловтрат споруд в холодний період року і теплопоступлений в результаті впливу сонячної радіації в теплий період року .

Діючі СНиП та Звід правил по проектуванню і будівництву СП 23-101-2003 «Будівельна теплотехніка» не містять вказівок щодо визначення теплопоступлений і тепловтрат через огороджувальні конструкції каркасно-тентових і надувних споруд. Вони містять вимогу щодо обов'язкового оцінці теплостійкості огороджувальних конструкцій різних споруд. Ця оцінка при проектуванні огороджувальних конструкцій споруд полягає в тому, що має бути дотримано умову, за якої розрахункова амплітуда коливань температури на внутрішній поверхні огороджувальної конструкції (Ар) повинна бути менше необхідної (допустимої) (Атреб). Дана вимога нормативних документів направлено на створення огороджувальних конструкцій споруд з досить великою тепловою інерцією D, практично виключає надходження тепла через огородження в результаті впливу сонячної радіації в теплий період року, а також забезпечує істотне скорочення тепловтрат в холодний період року.

Теплотехнічні характеристики огороджувальних конструкцій каркасно-тентових і надувних споруд не забезпечують виконання умови Ар <Атреб, на увазі малою тепловою інерцією (D) їх огороджень. Тому вони зумовлюють надходження значної кількості тепла через огороджувальні конструкції розглянутих споруд в теплий період року в результаті впливу сонячної радіації і суттєві втрати тепла в холодний період року.

Вищевказані обставини визначили основні науково-технічні завдання, які необхідно було вирішувати авторам при проектуванні систем опалення, вентиляції та кондиціонування повітря каркасно-тентових і надувних споруд, що використовуються для критих спортивних майданчиків. Ці завдання були пов'язані з розробкою для цих споруд методик розрахунку:

• тепловтрат через огороджувальні конструкції в холодний період року;
• теплопоступлений через огороджувальні конструкції в результаті впливу сонячної радіації в теплий період року.

Для розробки методики розрахунку тепловтрат через огороджувальні конструкції каркасно-тентових і надувних споруд необхідно було, в першу чергу, визначити їх теплозахисні властивості:

• опір теплопередачі Rо, м2 ∙ 0С / Вт;
• повітропроникність lо, кг / м2 ∙ год;
• теплову інерцію D.

Схеми огороджувальних конструкцій каркасно-тентових і надувних споруд, що застосовуються в даний час, наведені на рис 1.

Основу конструкції, що обгороджує каркасно-тентового споруди становить збірний металевий рамний каркас, вкривають одним (зовнішнім) тентом або двома (зовнішнім і внутрішнім) тентами з полівінілхлоридного матеріалу (ПВХ) (див. Схеми I і II). У рішенні схеми II між зовнішнім і внутрішнім тентами утворюється повітряний прошарок великої товщини (до 2,0 м).

Огороджувальні конструкції надувних споруд можуть мати один шар ПВХ (схема III) або два шари ПВХ (схема IV). В останньому випадку між двома шарами ПВХ утворюється повітряний прошарок товщиною δв. п. = 18 см і більше.

Для визначення опору теплопередачі R0 огороджувальних конструкцій каркасно-тентових і надувних споруд можуть бути застосовані наступні формули:

де:

• α н і αв - коефіцієнти тепловіддачі, відповідно, від зовнішньої і внутрішньої поверхонь огорожі, Вт / м2 ∙ 0С;
• δс - товщина шару ПВХ, м;
• λс - коефіцієнт теплопровідності шару ПВХ, Вт / м ∙ 0С;
• Rв. п. - термічний опір повітряного прошарку, м2 ∙ 0С / Вт.

Розглянемо складові частини опору теплопередачі R0 розглянутих огороджувальних конструкцій і оцінимо їх внесок в теплозахисні характеристики огорож.

Значення коефіцієнтів тепловіддачі αн і αв рекомендується приймати:

• для зимових умов - αн = 23 Вт / м2 ∙ 0С;
• для внутрішніх поверхонь стін і стель - αв = 8,7 Вт / м2 ∙ 0С.

При цьому сумарний опір теплопереходу від зовнішнього повітря до зовнішньої поверхні огорожі і теплопереходу від внутрішньої поверхні огородження до внутрішнього повітрю споруди дорівнюватиме:

Rα = м2 ∙ 0С / Вт

Відомі такі теплотехнічні характеристики поливинилхлоридного матеріалу:

• коефіцієнт теплопровідності - λс = 0,16 Вт / м ∙ 0С;
• об'ємна вага - γс = 1350 кг / м3.

При товщині шару ПВХ в захисної конструкції δс = 0,001 його термічний опір складе:

Rc = м2 ∙ 0С / Вт,

т. е. значення Rc досить мало і внесок шару ПВХ в теплозахист огороджувальних конструкцій (схеми I і III) складе не більше 4%. Отже для огороджувальних конструкцій схем I і III Rо = Rα = 0,164 м2 ∙ 0С / Вт.

У нормативних і довідкових документах наводяться значення термічного опору повітряних прослоекRв. п. тільки при їх товщині не більше 0,2-0,3 метра. Розглянемо можливі оцінки термічного опору повітряних прошарків R в. п. при товщині від 0,3 до 2,0 метрів, припускаючи, що оболонки повітряних прошарків замкнуті і герметичні.

Теплообмін в повітряних прошарках відбувається конвекцією і випромінюванням, і їх термічний опір може бути встановлено наступним чином:

, (3)

де:

• α'к - коефіцієнт тепловіддачі конвекцією і теплопровідністю через повітряний прошарок, Вт / м2 ∙ 0С;
• αл - коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням через повітряний прошарок, Вт / м2 ∙ 0С.

Результати розрахунків коефіцієнтів термічних опорів повітряних прошарків R в. п. і опорів теплопередачі огороджувальних конструкцій в залежності від товщини прошарку δв. п. для холодного періоду року м.Санкт-Петербурга представлені на графіках рис.2.

Результати розрахунків дозволяють відзначити наступне:

• внесок в передачу тепла через повітряний прошарок випромінюванням суттєво більше, ніж конвекції, і може становити при δв. п. = 2,0 метра до 70-75%;
• при збільшенні товщини повітряного прошарку з 0,3 метра до 2,0 метрів термічний опір її підвищується не більше, ніж на 20-25%;
• внесок повітряного прошарку в опір теплопередачі огороджувальних конструкцій (схема II і IV) становить до 50-60%. Це вказує на доцільність застосування замкнутих герметичних повітряних прошарків, що утворюються між ПВХ, що забезпечує створення огорож з більш високими теплозахисними характеристиками;
• встановлювані значення опору теплопередачі огороджувальних конструкцій каркасно-тентових і надувних споруд (Rо = 0,16-0,39 м2 ∙ 0С / Вт) істотно менше нормативних значень опору теплопередачі для стін будівель, регламентованих СНиП. Але вони практично рівні нормативним значенням для світлопрозорих огороджень (ліхтарі, вікна і т. П.). Виконання огороджувальних конструкцій каркасно-тентових споруд з нормативними значеннями, рекомендованих для стін будівель, можливо в разі застосування теплоізоляційних матеріалів, що призведе до подорожчання і істотного збільшення термінів будівництва.

Теплозахисні характеристики огороджень залежать від повітропроникності застосовуваних будівельних матеріалів і в цілому від конструкції огороджень. Матеріал ПВХ, який використовується в конструкціях каркасно-тентових і надувних споруд практично повітронепроникний. При розрахункових значеннях теплового і вітрового напорів? Р = 1-2 мм. вод. ст. його повітропроникність може скласти не більше 0,001 0,004 кг / м2 ∙ год. Конструкції огороджень каркасно-тентових і надувних споруд можуть мати нещільності в місцях:

• зчленування окремих полотен покриттів з ПВХ;
• кріплення покриттів (тентів) до металевого каркасу;
• кріплення покриттів (тентів) до фундаменту споруди.

Через зазначені нещільності може инфильтрировать зовнішнє повітря в результаті впливу теплового і вітрового напорів.

Досвід нашого проектування каркасно-тентового і надувного споруд, що використовуються для спортивних майданчиків, з корисним об'ємом відповідно ~ 17.000 м3 і 11.200 м3, при якому були здійснені розрахункові оцінки можливих нещільностей в огороджувальних конструкціях і кількостей інфільтрують повітря, дозволяє відзначити, що кратність повітрообміну в спорудах в результаті інфільтрації зовнішнього повітря може досягати в холодний період року до ~ 0,3 1 / год. Цілком очевидно, що ступінь впливу інфільтрації зовнішнього повітря на температурно-вологісний режим каркасно-тентових і надувних споруд повинна встановлюватися на основі результатів випробувань споруд на герметичність, які повинні проводитися після закінчення їх будівництва, а також періодично під час їх експлуатації.

Теплова інерція D огороджувальних конструкцій каркасно-тентових і надувних споруд може бути оцінена за формулами:

• при одному шарі ПВХ: D1 = Rc ּ Sc; (4)
• при двох шарах ПВХ: D2 = 2Rc ּ Sc, (5)

де:

Беручи Сс = 1,26 кДж / кг ∙ 0С, отримуємо:

Sc = 0,27 Вт / м2 ∙ 0С

Тоді: D1 = 0,0063 ּ 4,5 = 0,028; D2 = 2 ּ 0,0063 ּ 4,5 = 0,056.

Результати оцінки теплової інерції D огороджувальних конструкцій каркасно-тентових і надувних споруд свідчать про те, що вони відносяться до безінерційним огорож (до найлегшим за ступенем масивності), для яких розрахункова тривалість холодного відрізка часу становить не більше доби. Раніше чинний СНиП II-3-79 «Будівельна теплотехніка» в цьому випадку за розрахункову температуру зовнішнього повітря холодного періоду року tн рекомендував приймати абсолютно-мінімальну температуру для розглянутого кліматичного району або, принаймні, середню температуру найбільш холодних діб. Ухвалення в якості розрахункової температури зовнішнього повітря холодного періоду року більш високої температури (наприклад, середньої температури найбільш холодної п'ятиденки) буде пов'язано зі зниженням показника забезпеченості заданих температурно-вологісних умов в спорудах.

Критерієм для обгрунтованого вибору розрахункового значення температури зовнішнього повітря холодного періоду року tн при визначенні тепловтрат каркасно-тентових і надувних споруд може бути, на нашу думку, допустима тривалість періоду, протягом якого можливе порушення заданих параметрів внутрішнього повітря в спорудах.

При розробці методики розрахунку теплопоступлений через огороджувальні конструкції каркасно-тентових і надувних споруд в результаті впливу сонячної радіації в теплий період року враховувалися:

1. Методичні положення, викладені в раніше чинному СНиП II-33-75 «Опалення, вентиляція і кондиціонування» і «Довіднику проектувальника» (ч. 3, кн. 1, изд. 1992).
2. Особливості теплотехнічних характеристик розглянутих споруд:

• вельми малі значення теплової інерції (D <0,03 ÷ 0,06) і опору теплопередачі (Rо <0,2 ÷ 0,4 м2 ∙ К / Вт) огороджувальних конструкцій;
• коефіцієнт поглинання сонячної радіації зовнішньою поверхнею огороджувальних конструкцій ρпог = 0,12 ÷ 0,18;
• проникаюча складова сонячної радіації дорівнює нулю (ρпрон = 0), в результаті застосування непрозорих матеріалів при створенні огороджувальних конструкцій.

Відповідно до методичних положень СНиП II-33-75 надходження тепла в спорудження через огороджувальні конструкції в теплий період року рекомендується розраховувати як гармонійно змінюється тепловий потік Q:

Q = qo + βAq, (6)

де:

• qо - середньодобове надходження тепла в спорудження;
• Aq - амплітуда коливання теплового потоку протягом доби;
• β - коефіцієнт, що визначає зміна величини теплового потоку Aq в різні години доби.

Середньодобове надходження тепла qо через захисну конструкцію споруди визначаються за формулою:

qо = · [(Tн + ρпог ∙ Jср / αн) -tв], (7)

де:

Амплітуду коливання теплового потоку протягом доби Aq рекомендується визначити за формулою:

Aq = αв · F · (8)

де:

ν = · Αв (9)

беручи:

= 0,5 · + Ρпог (Jmax-Jср) / αн (10)

маємо:

Aq = · [0,5 · + Ρпог (Jmax-Jср) / αн], (11)

де:

• Atн - максимальна амплітуда добових коливань температури зовнішнього повітря в найспекотніший місяць;
• Jmax, Jср - відповідно максимальне і середньодобове значення сумарної сонячної радіації.