Расчет теплопоступлений от солнца

Расчет теплопоступлений от солнца

В летний период теплопоступление через внешние конструкции (стены, потолок) как правило, положительно. Расчет усложняется тем, что температура воздуха сильно меняется в течение суток, а солнечное излучение дополнительно нагревает внешнюю поверхность здания. Зимой тепло теряется через внешние конструкции. Колебания температуры в зимний период меньше, а нагрев поверхностей солнечным излучением незначителен.

Теплопоступление (или потеря тепла) за счет разности температур зависит не только от внешних условий, но и от температуры внутри помещения.

Расчет тепловых поступлений за счет теплопередачи выполняется согласно строительным нормативам СниП 11-3-79.

Расчет количества тепла

Количество тепла Qогр, переданное путем теплопередачи через ограждение (стену) площадью S, имеющее коэффициент теплопередачи k, вычисляется по формуле:

Здесь T — расчетная наружная температура, t — расчетная внутренняя температура, а Y — поправочный коэффициент, значение которого выбирается согласно СНиП 2.04.05-91.

Расчетные наружные температуры зависят от региона и приведены в ТАБЛИЦЕ, а внутренние температуры выбираются с учетом комфортности или технологических требований, в зависимости от назначения помещения.

Эта формула упрощена и не учитывает ряда факторов. Чтобы учесть направление относительно сторон света, солнечную радиацию, нагревающую стены и т.д., нужно вводить в данную формулу поправки. Они являются составными частями коэффициента Y.

От чего зависит поглощение солнечного излучения?

Поглощение солнечного излучения ограждением зависит от следующих факторов:

• Цвета стен: коэффициент поглощения тепла достигает 0.9 для темного цвета наружных стен и лишь 0.5 — для светлых стен.
• Тепловых характеристик стен: чем массивнее стена, тем больше задержка поступления тепла в помещение. Тепловая нагрузка при нагреве массивной стены распределяется на более длительное время. Если же стены тонкие и легкие, то тепловые нагрузки повышаются и быстро изменяются при изменении внешних условий. При этом требуются более дорогие и мощные установки кондиционирования.

Теплопоступления от солнечного излучения через остекленные проемы

Теплота солнечного излучения может значительно увеличивать теплопоступление в здание (например, в магазине с витринами). В помещение передается до 90% солнечного тепла, и лишь небольшая часть отражается стеклами. Наиболее интенсивно тепло излучения поступает летом, в ясную погоду.

Теплопоступление излучения учитывается в тепловом балансе здания только для летнего и переходного времени, когда наружная температура превышает +10 градусов.

Что влияет на поступление тепла излучения?

Поступление тепла солнечного излучения зависит от следующих факторов:

• Рода и структуры материалов ограждения
• Состояния поверхности (например, через грязное стекло пройдет меньше излучения)
• Угла, под которым солнечные лучи падают на поверхность
• Ориентации помещения по сторонам света (теплопоступления от радиации через окна, выходящие на север, вообще не учитываются)

За расчетную величину теплопоступлений от излучения принимается большая из двух величин:

1. тепло, поступающее через остекленную поверхность той из стен, которая наиболее выгодно расположена относительно поступления тепла или имеющей максимальную световую поверхность
2. 70% от тепла, поступающего через остекленные поверхности двух перпендикулярных стен помещения.

Как уменьшить поступление тепла от солнечного света?

Если нужно уменьшить теплопоступления от солнечной радиации, рекомендуется принимать следующие меры:

• ориентировать помещения окнами на север
• делать минимальное количество световых проемов
• применять защиту от солнечных лучей: двойное остекление, побелку стекол, устройство штор, жалюзи и т.д.

При использовании комплексной защиты от солнца теплопоступления от излучения можно сократить практически вдвое, и мощность требуемой холодильной установки уменьшится на 10-15%.

Теплопоступления от инфильтрации воздуха

Под действием ветра разницы температур воздух может проникать в помещение через неплотности стен, окон, дверей и т.п. Это явление называют инфильтрацией.

Особенно сильна инфильтрация через окна и двери, расположенные с подветренной стороны. Масса воздуха, который инфильтруется через щель, вычисляется по формуле:

Здесь a — коэффициент, который зависит от типа щелей, m — удельная масса воздуха, проникающего через 1 погонный метр щели, зависит от скорости ветра, l — длина щели.

Воздух, поступивший за счет инфильтрации в холодное время года, требует подогрева. Расход тепла составит

Здесь с— теплоемкость воздуха, t — внутренняя расчетная температура, T — температура внешнего воздуха.

Если требуется лишь приблизительный подсчет расхода тепла на подогрев инфильтрованного воздуха, можно просто ввести поправку на теплопотери через инфильтрацию в размере 10-20% общей потери тепла.
В летний период наружный воздух может иметь температуру выше, чем в помещении, и тепловая нагрузка от инфильтрации будет положительна, то есть потребуется увеличить мощность охлаждения. Однако летом влияние инфильтрации воздуха меньше, потому что обычно меньше скорость ветра и разность внешней и внутренней температур.
Кроме того, вместе с воздухом в помещение поступает и дополнительная влага. Поэтому желательно герметизировать все ограждения. Если притворы окон и дверные проемы уплотнены, то инфильтрацию воздуха можно вообще не учитывать при составлении теплового баланса помещения.

Теплопоступления от людей

Количество тепла, выделяемое людьми в помещении, всегда положительно. Оно зависит от числа людей, находящихся в помещении, выполняемой ими работы и параметров воздуха (температуры и влажности).

Кроме ощутимого (явного) тепла, которое организм человека передает окружающей среде путем конвекции и лучистой энергии, выделяется еще и скрытое тепло. Оно тратится на испарение влаги поверхностью кожи человека и легкими.

От рода занятий человека и параметров воздуха зависит соотношение явной и скрытой выделяемой теплоты. Чем интенсивнее физическая нагрузка и выше температура воздуха, тем больше доля скрытого тепла, при температуре воздуха выше 37 градусов все тепло, выработанное организмом, выделяется путем испарения.

• При любом виде деятельности — от сна до тяжелой работы — тепловыделение больше при низкой температуре окружающей среды.
• Чем выше температура воздуха, тем больше скрытое тепловыделение и меньше явное тепловыделение.

При расчете тепловыделения от людей нужно принять во внимание, что в помещении не всегда будет находиться максимальное число людей. Среднее число людей, которые обычно будут находиться в помещении, определяют на основании опыта (например, число посетителей в магазине), или с помощью установленных коэффициентов (например, в учреждениях — 0.95 от общего числа сотрудников).

Таблица тепловыделения от людей в зависимости от температуры среды и физической нагрузки

Замечание: приведены средние данные для взрослых мужчин. Считается, что женщины выделяют 85%, а дети — 75% теплоты и влаги, выделяемых мужчинами.

Теплопоступления от искусственного освещения

В помещениях сейчас используются два типа осветительных приборов: лампы накаливания и люминесцентные лампы. Количество тепла, поступившее от освещения, зависит от типа ламп, их мощности и способа их крепления в помещении.

Расчет теплоты от искусственного освещения

Теплопоступление от ламп рассчитывается по формуле:

Здесь n — коэффициент перехода электроэнергии в тепловую. Он составляет около 0.95 для ламп накаливания и примерно 0.5 для люминесцентных ламп. N — мощность ламп. Если она заранее не известна, можно оценить ее из расчета 50 — 100 Вт/кв.м. для хорошо освещенных помещений.

При большом количестве ламп и постоянной их работе тепловая нагрузка от искусственного освещения может быть весьма велика. Если же известно, что не будут использоваться все светильники одновременно, нужно воспользоваться коэффициентом одновременности работы освещения, указывающим, какая часть мощности освещения в среднем будет задействована.

Зависимость тепловыделения от расположения ламп

Количество теплоты, выделяемое осветительными приборами, зависит и от их расположения в помещении. Например, если светильник закреплен в чердачном перекрытии, то лишь часть выделенного им тепла попадет внутрь помещения.

Если лампы встроены в подвесной невентилируемый потолок, то часть тепла сразу попадет в помещение, а остальное тепло задержится в подвесном потолке. Но поскольку потолок невентилируемый, то впоследствии и эта часть тепла выделится в помещение. Таким образом, в помещение попадут все 100% выделенного светильником тепла.

Если лампы встроены в подвесной вентилируемый потолок, который используют как вытяжной короб, то около 40% тепла сразу попадет в помещение. Часть остального тепла (примерно половина) унесется с вытяжным воздухом, а остаток попадет в помещение. Таким образом, в сумме помещение получит 60-70% выделенного светильником тепла.

Теплопоступления от оборудования и материалов

Количество теплоты, которая поступает в помещение от нагретого технологического оборудования и материалов, рассчитывают по технологической части проекта или определяют в соответствии с ведомственными указаниями.

Если температуры нагретых поверхностей известны, для расчета теплопоступлений можно использовать обычные формулы теории теплопередачи.

Нужно учесть поступление (или удаление) теплоты поверхностей воздуховодов, местных отсосов и т.д.

Передача тепла через стенки воздуховодов:

где K — коэффициент теплопередачи конструкции, S — площадь нагретой поверхности, tср — температура нагретой среды (например, воздуха в воздуховоде), t — температура воздуха в помещении.

Теплоотдача от нагретых поверхностей:

где а — коэффициент теплоотдачи от поверхности к воздуху, S — площадь нагретой поверхности, tпов — температура нагретой поверхности, t — температура воздуха в помещении.

Например, для поверхности нагретой воды коэффициент теплопередачи а = (4.9 + 3.5v)*4.2 кДж/(час*кв.м.*градус). Здесь v — скорость движения воздуха у поверхности воды.

Источник

Расчет теплопритоков и теплопоступлений

Расчет теплопритоков (теплопоступлений) – одна из основных и часто встречающихся задач в области систем вентиляции и кондиционирования. Данный расчет проводится для каждого помещения в отдельности и необходим для определения мощности системы кондиционирования на объекте.

В данной статье будут рассмотрены все основные виды теплопритоков и дана методика их расчета. Более подробно этот вопрос рассматривается в УКЦ «УНИВЕРСИТЕТ КЛИМАТА» на курсе МП1 «Расчет теплового баланса, влагопоступлений, воздухообмена, построение I-d диаграмм. Мультизональное кондиционирование. Примеры решений».

Расчет теплопритоков онлайн

Программа для расчета теплопритоков онлайн позволяет произвести необходимые расчеты непосредственно на нашем сайте. В качестве исходных данных требуются параметры помещения (площадь, температура воздуха, количество людей и наличие оборудования) и строительные характеристики здания (материал стен, ориентация окон и т.д.).

Какие виды теплопритоков следует учитывать в расчете

При расчете систем кондиционирования учитывают следующие виды теплопритоков:

1. Теплопритоки от солнечной радиации
2. Теплопритоки через ограждающие конструкции
3. Теплопритоки от людей
4. Теплопритоки от компьютеров и другого оборудования
5. Теплопритоки от освещения
6. Теплопритоки от вентиляции

Теплопритоки (теплопоступления) от солнечной радиации

Теплоприток от солнечной радиации – как правило, основное (самое большое) слагаемое в общей сумме теплопритоков. Данный теплоприток определяется интенсивностью солнечного излучения, которое проникает через остекление и нагревает различные поверхности в помещении.

Теплоприток от солнечной радиации (солнечные теплопоступления) зависят от:

• Географической широты расположения объекта: чем южнее, тем выше теплоприток
• Ориентации окон по сторонам света: теплоприток выше на юге, востоке, юго-востоке; ниже на севере.
• Затененности остекления: если солнце закрывают соседние здания, деревья или козырек, то приток ниже.
• Тонировка стекла.

Наиболее полная и научно-обоснованная методика расчета теплопритока от солнечной радиации приведена в Пособии 2.91 к СНиП 2.04.05-91 «Расчет поступления теплоты солнечной радиации в помещения» и занимает несколько страниц. Мы же используем упрощенную методику определения солнечных теплопоступлений на базе Таблицы 1 из этого пособия:

• q – удельная плотность теплового потока солнечной радиации, определяемая по таблице 1 в зависимости от широты и ориентации окон,
• S_ос – площадь окон в помещении.

Теплопритоки (теплопоступления) через стены и другие ограждающие конструкции

На сегодня теплопритоки через ограждающие конструкции – это самое маленькое слагаемое в сумме теплопритоков благодаря активному развитию отрасли строительных материалов и появлению по-настоящему энергосберегающих технологий.

К ограждающим конструкциям в помещении относят наружные стены, окна и кровлю, если этажом выше нет других помещений. Теплоприток через ограждающие конструкции зависит от следующих факторов:

1. Толщина и материал стен
2. Толщина и структура оконных блоков
3. Толщина и материал кровельного пирога для помещений на последнем этаже.

Теплоприток через ограждающие конструкции определяется как сумма теплопритоков через ограждения (стена/окно/кровля), каждое из которых рассчитывается по формуле:

• S_ок – площадь рассматриваемой стены/окна/кровли (м 2 ),
• dT – разность наружной и внутренней температуры (°С),
• r – термическое сопротивление ограждающей конструкции (°С·м 2 /Вт).

Величина r берется из технических данных производителя материала стен или рассчитывается по формуле:

• α₀ – коэффициент теплоотдачи наружного материала стены,
• δ₁, δ₂ … δ_m – толщина слоев, образующих стену,
• δ₁, δ₂ … δ_m – теплопритоводность материалов слоев, образующих стену,
• α_n – коэффициент теплоотдачи внутреннего материала стены

Упрощенно для окон можно принимать r=0,4 °С·м 2 /Вт; для энергоэффективных стен r=5 °С·м 2 /Вт.

Теплопритоки (теплопоступления) от людей

Так как температура тела человека выше температуры воздуха в помещении, то каждый человек выделяет определенное количество тепла. Это количество зависит от:

• Физической нагрузки: чем выше нагрузка, тем больше тепла выделяет человек,
• Температуры воздуха в помещении: чем холоднее, тем больше тепла выделяет человек.

Более точные методики учитывают тот факт, что женщины и дети выделяют меньше тепла, чем мужчины.

В среднем, один человек выделяет 100-150Вт тепла. Но при увеличении физической нагрузки и снижении температуры эта цифра может возрасти до 300 Вт. Считается, что женщины выделяют на 15% тепла меньше, дети – на 25% тепла меньше.

Величина теплопритока от людей определяется по формуле:

• q_л – теплоприток одного человека (Вт),
• n – количество людей.

Если учитывать особенности женщин и детей, то формула несколько усложнится:

Теплопритоки (теплопоступления) от компьютеров и другого оборудования

Тепловыделение современного компьютера составляет около 300 Вт. Для более мощных компьютеров, например, у программистов или дизайнеров, выделяют до 500 Вт.

Теплопоступления от сервера также составляют 300-500-700 Вт, но если в ИТ-стойке установлено несколько серверов, то мощность такой стойки составляет от 2 до 10 кВт (подробнее читайте нашу рубрику «Кондиционирование ЦОД»).

Тепловыделение другого оборудования определяют по техническим характеристикам, но чаще всего при расчете теплопритоков его учитывают не полностью, а с понижающим коэффициентом, так как оборудование работает не постоянно. Например, для принтера в офисе принимают понижающий коэффициент 0,5, а для того же принтера дома мощно принять коэффициент 0,1.

Общая формула теплопритока от каждой единицы оборудования выглядит следующим образом:

• k – коэффициент загрузки (тот самый понижающий коэффициент)
• q – теплоприток от этого оборудования (зачастую можно принимать потребляемую мощность).

Теплопритоки (теплопоступления) от освещения

Наиболее просто теплоприток от освещения определить по суммарной мощности установленных светильников, так как вся подведенная к ним энергия в конечном итоге превратится в тепловую. Именно такой способ на сегодня видится наиболее перспективным ввиду появления различных типов светильников с различным КПД: у ламп накаливания энергопотребление значительно выше, чем у светодиодных светильников при том же уровне освещенности.

Если же данных о мощности светильников нет, то можно воспользоваться следующими более общими закономерностями в зависимости от типа светильников в помещении:

• Для ламп накаливания Q_осв = 25 · S,
• Для люминесцентных ламп Q_осв = 10 · S,
• Для светодиодных ламп Q_осв = 5 · S,

где S – площадь помещения в м 2 .

Теплопритоки (теплопоступления) от вентиляции и инфильтрации

В любом помещении присутствует вентиляция (осознанный воздухообмен за счет работы естественной или принудительной системы вентиляции) или инфильтрация (утечки и перетечки воздуха). Теплоприток от вентиляции и инфильтрации определяется по формуле:

Q_вент = 0,338 · G · dT, где:

• G – расход воздуха (м 3 /ч),
• dT — разность наружной и внутренней температуры (°С).

Важно помнить, что если приточная установка оборудована охладителем воздуха, то теплоприток от вентиляции учитывать не следует: он учтен при расчете мощности этого охладителя.

В более общем случае это правило звучит следующим образом: суммарный теплоприток (с учетом вентиляции) снимается охладителем воздуха в приточной системе и кондиционерами. В каких именно пропорциях – решает инженер-проектировщик. Этот нюанс очень хорошо и детально поясняют в УКЦ «УНИВЕРСИТЕТ КЛИМАТА» курсе МП1 «Расчет теплового баланса, влагопоступлений, воздухообмена, построение I-d диаграмм. Мультизональное кондиционирование. Примеры решений».

Заключение

Правильный расчет теплопритоков позволяет правильно определить тепловую нагрузку помещения, выбрать наиболее подходящий кондиционер и построить эффективную систему кондиционирования в масштабе всего здания. Методика, приведенная в данной статье, поможет вам в решении этой задачи.

Источник