Методики расчета теплопотерь

В настоящее время все чаще стали применяться для крытых спортивных площадок каркасно-тентовые и надувные сооружения. Привлекательность каркасно-тентовых и надувных сооружений заключается в том, что в них можно размещать крупногабаритные спортивные объекты такие, как футбольные поля, волейбольные и баскетбольные площадки, теннисные корты, искусственные катки и т. п., при относительно небольших (по сравнению с другими типами крытых спортивных сооружений) капиталовложениях на их строительство.

В каркасно-тентовых и надувных (воздухоопорных) сооружениях, используемых для крытых спортивных площадок, температурно-влажностный режим, заданный для холодного и теплого периодов года, обеспечивается системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. При проектировании указанных систем необходимо учитывать теплотехнические особенности ограждающих конструкций рассматриваемых сооружений, обуславливающие теплозащитные характеристики их ограждений, выбор расчетных значений наружной и внутренней температур и, в конечном счете, оценку теплопотерь сооружений в холодный период года и теплопоступлений в результате воздействия солнечной радиации в теплый период года.

Действующие СНиП и Свод правил по проектированию и строительству СП 23–101–2003 «Строительная теплотехника» не содержат указаний по определению теплопоступлений и теплопотерь через ограждающие конструкции каркасно-тентовых и надувных сооружений. Они содержат требование по обязательной оценке теплоустойчивости ограждающих конструкций различных сооружений. Эта оценка при проектировании ограждающих конструкций сооружений заключается в том, что должно быть соблюдено условие, при котором расчетная амплитуда колебаний температуры на внутренней поверхности ограждающей конструкции (А_р) должна быть меньше требуемой (допустимой) (А_треб). Данное требование нормативных документов направлено на создание ограждающих конструкций сооружений с достаточно большой тепловой инерцией D, практически исключающей поступления тепла через ограждения в результате воздействия солнечной радиации в теплый период года, а также обеспечивающей существенное сокращение теплопотерь в холодный период года.

Теплотехнические характеристики ограждающих конструкций каркасно-тентовых и надувных сооружений не обеспечивают выполнения условия А_р<А_треб, в виду малой тепловой инерцией (D) их ограждений. Поэтому они обуславливают поступление значительного количества тепла через ограждающие конструкции рассматриваемых сооружений в теплый период года в результате воздействия солнечной радиации и существенные теплопотери в холодный период года.

Вышеуказанные обстоятельства определили основные научно-технические задачи, которые необходимо было решать авторам при проектировании систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха каркасно-тентовых и надувных сооружений, используемых для крытых спортивных площадок. Эти задачи были связаны с разработкой для этих сооружений методик расчета:

теплопотерь через ограждающие конструкции в холодный период года;
теплопоступлений через ограждающие конструкции в результате воздействия солнечной радиации в теплый период года.

Для разработки методики расчета теплопотерь через ограждающие конструкции каркасно-тентовых и надувных сооружений необходимо было, в первую очередь, определить их теплозащитные характеристики:

сопротивление теплопередаче Rо, м2∙ 0С/ Вт;
воздухопроницаемость lо, кг/м2∙ч;
тепловую инерцию D.

Схемы ограждающих конструкций каркасно-тентовых и надувных сооружений, применяемых в настоящее время, приведены на рис 1.

Основу ограждающей конструкции каркасно-тентового сооружения составляет сборный металлический рамный каркас, укрываемый одним (внешним) тентом или двумя (внешним и внутренним) тентами из поливинилхлоридного материала (ПВХ) (см. схемы I и II). В решении схемы II между внешним и внутренним тентами образуется воздушная прослойка большой толщины (до 2,0 м).

Ограждающие конструкции надувных сооружений могут иметь один слой ПВХ (схема III) или два слоя ПВХ (схема IV). В последнем случае между двумя слоями ПВХ образуется воздушная прослойка толщиной δв. п.=18 см и более.

Для определения сопротивления теплопередаче R0 ограждающих конструкций каркасно-тентовых и надувных сооружений могут быть применены следующие формулы:

для схем ограждающих конструкций I и III:
R0= (1)
для схем ограждающих конструкций II и IV:
R0=, (2)

где:

α н и αв - коэффициенты теплоотдачи, соответственно, от наружной и внутренней поверхностей ограждения, Вт/м2∙ 0С;
δс - толщина слоя ПВХ, м;
λс - коэффициент теплопроводности слоя ПВХ, Вт/м∙ 0С;
Rв. п. - термическое сопротивление воздушной прослойки, м2∙ 0С/ Вт.

Рассмотрим составные части сопротивления теплопередаче R0 рассматриваемых ограждающих конструкций и оценим их вклад в теплозащитные характеристики ограждений.

Значения коэффициентов теплоотдачи αн и αв рекомендуется принимать:

для зимних условий - αн=23 Вт/м2∙ 0С;
для внутренних поверхностей стен и потолков - αв=8,7 Вт/м2∙ 0С.

При этом суммарное сопротивление теплопереходу от наружного воздуха к наружной поверхности ограждения и теплопереходу от внутренней поверхности ограждения к внутреннему воздуху сооружения будет равно:

Rα = м2∙ 0С/ Вт

Известны следующие теплотехнические характеристики поливинилхлоридного материала:

коэффициент теплопроводности - λс =0,16 Вт/м∙0С;
объемный вес – γс=1350 кг/м3.

При толщине слоя ПВХ в ограждающей конструкции δс =0,001м его термическое сопротивление составит:

Rc = м2∙ 0С/ Вт,

т. е. значение Rc весьма мало и вклад слоя ПВХ в теплозащиту ограждающих конструкций (схемы I и III) составит не более 4%. Следовательно для ограждающих конструкций схем I и III Rо= Rα=0,164 м2∙ 0С/ Вт.

В нормативных и справочных документах приводятся значения термического сопротивления воздушных прослоекRв. п. только при их толщине не более 0,2-0,3 метра. Рассмотрим возможные оценки термического сопротивления воздушных прослоек Rв. п. при толщине от 0,3 до 2,0 метров, предполагая, что оболочки воздушных прослоек замкнуты и герметичны.

Теплообмен в воздушных прослойках происходит конвекцией и излучением, и их термическое сопротивление может быть установлено следующим образом:

, (3)

где:

α′к – коэффициент теплоотдачи конвекцией и теплопроводностью через воздушную прослойку, Вт/м2∙ 0С;
αл - коэффициент теплоотдачи излучением через воздушную прослойку, Вт/м2∙ 0С.

Результаты расчетов коэффициентов термических сопротивлений воздушных прослоек Rв. п. и сопротивлений теплопередаче ограждающих конструкций в зависимости от толщины прослойки δв. п. для холодного периода года г. Санкт-Петербурга представлены на графиках рис.2.

Результаты расчетов позволяют отметить следующее:

вклад в передачу тепла через воздушную прослойку излучением существенно больше, чем конвекций, и может составлять при δв. п.=2,0 метра до 70-75%;
при увеличении толщины воздушной прослойки с 0,3 метра до 2,0 метров термическое сопротивление ее повышается не более, чем на 20-25%;
вклад воздушной прослойки в сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций (схема II и IV) составляет до 50-60%. Это указывает на целесообразность применения замкнутых герметичных воздушных прослоек, образующихся между ПВХ, что обеспечивает создание ограждений с более высокими теплозащитными характеристиками;
устанавливаемые значения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций каркасно-тентовых и надувных сооружений (Rо=0,16-0,39 м2∙ 0С/Вт) существенно меньше нормативных значений сопротивления теплопередаче для стен зданий, регламентированных СНиП. Но они практически равны нормативным значениям для светопрозрачных ограждений (фонари, окна и т. п.). Выполнение ограждающих конструкций каркасно-тентовых сооружений с нормативными значениями, рекомендуемых для стен зданий, возможно в случае применения теплоизоляционных материалов, что приведет к удорожанию и существенному увеличению сроков строительства.

Теплозащитные характеристики ограждений зависят от воздухопроницаемости применяемых строительных материалов и в целом от конструкции ограждений. Материал ПВХ, используемый в ограждающих конструкциях каркасно-тентовых и надувных сооружений практически воздухонепроницаем. При расчетных значениях теплового и ветрового напоров ∆Р=1–2 мм. вод. ст. его воздухопроницаемость может составить не более 0,001- 0,004 кг/м2∙ч. Конструкции ограждений каркасно-тентовых и надувных сооружений могут иметь неплотности в местах:

сочленение отдельных полотен покрытий из ПВХ;
крепления покрытий (тентов) к металлическому каркасу;
крепления покрытий (тентов) к фундаменту сооружения.

Через указанные неплотности может инфильтрировать наружный воздух в результате воздействия теплового и ветрового напоров.

Опыт нашего проектирования каркасно-тентового и надувного сооружений, используемых для спортивных площадок, с полезным объемом соответственно ~ 17.000 м3 и 11.200 м3, при котором были осуществлены расчетные оценки возможных неплотностей в ограждающих конструкциях и количеств инфильтрующегося воздуха, позволяет отметить, что кратность воздухообмена в сооружениях в результате инфильтрации наружного воздуха может достигать в холодный период года до ~0,3 1/ч. Вполне очевидно, что степень влияния инфильтрации наружного воздуха на температурно-влажностный режим каркасно-тентовых и надувных сооружений должна устанавливаться на основе результатов испытаний сооружений на герметичность, которые должны производиться после окончания их строительства, а также периодически при их эксплуатации.

Тепловая инерция D ограждающих конструкций каркасно-тентовых и надувных сооружений может быть оценена по формулам:

при одном слое ПВХ: D1=RcּSc ; (4)
при двух слоях ПВХ: D2=2RcּSc, (5)

где:

Sc – коэффициент теплоусвоения слоя ПВХ, Вт/м2∙ 0С, равный при 24-часовом периоде

Принимая Сс=1,26 кДж/кг∙0С, получаем:

Sc=0,27 Вт/м2∙ 0С

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

Результаты оценки тепловой инерции D ограждающих конструкций каркасно-тентовых и надувных сооружений свидетельствуют о том, что они относятся к безинерционным ограждениям (к наилегчайшим по степени массивности), для которых расчетная продолжительность холодного отрезка времени составляет не более суток. Ранее действующий СНиП II-3-79 «Строительная теплотехника» в этом случае за расчетную температуру наружного воздуха холодного периода года tн рекомендовал принимать абсолютно-минимальную температуру для рассматриваемого климатического района или, по крайней мере, среднюю температуру наиболее холодных суток. Принятие в качестве расчетной температуры наружного воздуха холодного периода года более высокой температуры (например, средней температуры наиболее холодной пятидневки) будет связано с понижением показателя обеспеченности заданных температурно-влажностных условий в сооружениях.

Критерием для обоснованного выбора расчетного значения температуры наружного воздуха холодного периода года tн при определении теплопотерь каркасно-тентовых и надувных сооружений может быть, по нашему мнению, допустимая продолжительность периода, в течение которого возможно нарушение заданных параметров внутреннего воздуха в сооружениях.

При разработке методики расчета теплопоступлений через ограждающие конструкции каркасно-тентовых и надувных сооружений в результате воздействия солнечной радиации в теплый период года учитывались:

Методические положения, изложенные в ранее действующем СНиП II-33-75 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» и «Справочнике проектировщика» (ч. 3, кн. 1, изд. 1992).

Особенности теплотехнических характеристик рассматриваемых сооружений:

весьма малые значения тепловой инерции (D<0,03÷0,06) и сопротивления теплопередаче (Rо<0,2÷0,4 м2∙К/Вт) ограждающих конструкций;

коэффициент поглощения солнечной радиации наружной поверхностью ограждающих конструкций ρпог= 0,12÷0,18;

проникающая составляющая солнечной радиации равна нулю (ρпрон=0), в результате применения непрозрачных материалов при создании ограждающих конструкций.

Рекомендации по оценке расчетных значений для теплого периода года сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций и по выбору расчетных значений для теплого периода года наружной температуры tн.

В соответствии с методическими положениями СНиП II-33-75 поступление тепла в сооружение через ограждающие конструкции в теплый период года рекомендуется рассчитывать как гармонически изменяющийся тепловой поток Q:

Q=qo+βAq , (6)

где:

qо – среднесуточное поступление тепла в сооружение;
Aq – амплитуда колебания теплового потока в течение суток;
β – коэффициент, определяющий изменение величины теплового потока Aq в различные часы суток.

Среднесуточное поступление тепла qо через ограждающую конструкцию сооружения определяются по формуле:

qо=·[(tн+ρпог∙Jср / αн) -tв] , (7)

где:

F – площадь поверхности ограждающей конструкции, м2;
- сопротивление теплопередаче ограждения в теплый период года;
tн – расчетная температура наружного воздуха в июле;
tв – расчетная температура воздуха в сооружении;
ρпог – коэффициент поглощения тепла солнечной радиации наружной поверхностью ограждения, значения которого устанавливаются по справочным данным;
Jср – среднесуточное количество тепла суммарной солнечной радиации, поступающей на поверхность ограждения в самый жаркий месяц;
αн - коэффициент тепловосприятия наружной поверхности ограждения для теплого периода года.

Амплитуду колебания теплового потока в течение суток Aq рекомендуется определить по формуле:

Aq=αв·F· (8)

где:

αв – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждения;
- расчетная амплитуда суточных колебаний температуры наружного воздуха в самый жаркий месяц;
ν – коэффициент затухания расчетной амплитуды колебаний температуры наружного воздуха . Учитывая, что тепловая инерция ограждающих конструкций каркасно-тентовых и надувных сооружений D<1,5 значение коэффициента затухания ν можно определить по формуле:

ν = ·αв (9)

Принимая:

= 0,5·+ρпог(Jmax-Jср) / αн (10)

имеем:

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

где:

Atн – максимальная амплитуда суточных колебаний температуры наружного воздуха в самый жаркий месяц;
Jmax, Jср – соответственно максимальное и среднесуточное значения суммарной солнечной радиации.

Методики расчета теплопотерь

Выберите свой регион