CC BY
132
УДК.69.658.26
НОРМАТИВНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ ЖИЛОГО ЗДАНИЯ
Докт. техн. наук, проф. ПИИР А. Э., канд. техн. наук, доц. КОЗАК О. А.,
студ. АГАФОНОВ И. М.
Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова
E-mail: ado@piir.ru
Предложен простой, но достаточно точный способ вычисления среднего нормативного коэффициента теплопередачи для любого жилого здания по известным размерам с требуемым уровнем тепловой защиты и заданной долей остекления фасадов. Изложена методика определения среднего нормативного коэффициента теплопередачи жилого здания с числом этажей от 1 до 16 и требуемым уровнем теплозащиты. Установлены теоретическая зависимость и параметры, влияющие на величину теплопотерь через наружные ограждения здания. Рассмотрено влияние уровня теплозащиты на нагрузку отопления и расход топлива за отопительный период. Найдены соотношения между нормативными требованиями к уровню теплового сопротивления определенных элементов здания.
Отмечено влияние геометрических характеристик здания на величину теплопотерь доли стен в общей площади наружного ограждения и его относительной величины по сравнению с площадью отапливаемых помещений. Сравнение результатов вычисления удельных теплопотерь для 1-, 2-, 4-, 8- и 16-этажных зданий с предельно допустимыми величинами теплопотерь из СНиП 23-02-2003 показало, что расчетные значения ниже предельных в среднем на 12 %. Это позволяет рекомендовать нормативный коэффициент теплопередачи жилых зданий для оценки теплопотерь на предпроектной стадии, когда строительные конструкции наружных ограждений здания еще не определены или находятся в стадии разработки.
Ключевые слова: нормативный коэффициент теплопередачи, жилое здание, теп-лопотери, методика вычисления.
Ил. 1. Табл. 4. Библиогр.: 11 назв.
NORMATIVE HEAT-TRANSFER COEFFICIENT OF THE RESIDENTIAL BUILDING
PIIR A. E., KOZAK O. A., AGAFONOV I. M.
Northern (Arctic) Federal University n. a. M. V. Lomonosov
The paper offers a simple but sufficiently accurate technique of the mid-normative heat-transfer coefficient for any dwelling house applying the known dimensions, required thermal-protection level and specified facade-glazing portion. The authors present the ascertainment technique of the mid-normative heat-transfer coefficient for a dwelling house with the number of stories from 1 to 16 and the required level of thermal protection. They establish the theoretical dependence and parameters affecting the rate of heat-losses through the external building borders. The article considers the thermal-protection level effect on the heating load and the heating-season fuel consumption rate and finds the correlation between the regulatory requirements to the thermal resistance of certain elements of the building.
The authors note the effect of the building geometrical characteristics on the heat-losses rate of the wall portion in the total area of the external borders and its relative quantity as compared with the floor-space of the heated accommodations. The comparison of the specific heat-losses computation results for buildings of 1-, 2-, 4-, 8- and 16-storeys with the SNiP 23-02-2003 maximum permissible values show the computational results being less than the maximum values on average by 12 %. This permits recommending the normative heat-transfer coefficient of dwelling houses for evaluating heat-loses at the concept-design
stage with the building external-borders engineering constructions being indeterminate or yet under development.
Keywords: normative heat-transfer coefficient, dwelling house, heat losses, computational technique.
Fig. 1. Tab. 4. Ref.: 11 titles.
Система отопления жилых зданий компенсирует утечки теплоты сквозь наружные ограждения и обеспечивает подогрев вентиляционного притока воздуха. Нагрузку отопления вычисляют по известной формуле [1]
Q = КДАнар, (1)
где К = Кср + Квен, Вт/(м2 • °С), - суммарный коэффициент теплопередачи, учитывающий потери теплоты от утечек Кср и при нагреве вентиляционного воздуха Квен; Дt - разница температуры воздуха внутри и снаружи здания, °С; Анар - площадь наружной оболочки здания, м2.
Величину коэффициентов из (1) находят по данным строительного проекта здания, а именно:
• средний коэффициент теплопередачи через наружные ограждения, зависящий от приведенного термического сопротивления R отдельных элементов ограждения и площади этих элементов А, вычисляют по формуле [2]
КСр = (1Аг/Дг)/Анар; (2)
• условный вентиляционный коэффициент теплопередачи, зависящий от средней за отопительный период кратности вентиляции отапливаемых помещений n, находят как [3]
Квен = 0,28ср^/Анар, (3)
где V - строительный объем здания по наружному обмеру, м3; с, р - теплоемкость и плотность воздуха.
В инженерной практике часто возникает задача оценить теплопотери здания на предпроектной стадии, когда известны лишь его размеры и место сооружения. С этой целью для аналогичных типов зданий, возведенных до 1994 г. и имевших одинаковый минимальный уровень теплозащиты, использовали величину удельной тепловой характеристики [4], известную по более ранним проектам. В настоящее время, когда уровни теплозащиты зданий разные, ориентировочные значения тепловой характеристики рассчитаны лишь для 5- и 15-этажных зданий, расположенных в г. Москве [5].
В статье предложен простой, но достаточно точный способ вычисления среднего нормативного коэффициента теплопередачи для любого жилого здания по известным размерам L, B, H с требуемым уровнем тепловой защиты и заданной долей остекления фасадов ш.
Установим теоретическую зависимость и параметры, влияющие на величину среднего нормативного коэффициента теплопередачи жилого здания. Запишем формулу тепловой нагрузки [6] в двух видах
Qo = At
( A A A ^
Ат + Ап + Арб
V RCT Rnn Ro6 J
= KcpAtAHap, (4)
где Аст, Апп, Аоб - площадь стен, покрытий-перекрытий, закрытий оконных и балконных проемов, м2; RCT, Rnn, Ra6 - нормативное сопротивление тепло-
передаче стен, покрытий-перекрытий, закрытий оконных и балконных проемов, м2-°С/Вт; At - перепад температур воздуха внутри и снаружи помещения, °С.
Разделим правую и левую части на AtАнар/Rст и получим выражение для нормативного безразмерного среднего коэффициента теплопередачи жилого дома
к = кR = ^ = -4^(1 -Ю) +АЛт_+ (5)
Лср Лс^ст к а А R А R ^
ст ^^ар ^а^шп ^^ар об
который показывает, во сколько раз средний коэффициент Кср больше коэффициента теплопередачи через стены кст.
Рассмотрим влияние уровня теплозащиты жилого дома на нагрузку отопления и расход топлива за отопительный период. Строительные нормы [7] ограничили максимальную величину теплопотерь для жилых зданий в зависимости от числа этажей, и с этой целью установили соответствующие минимальные значения сопротивления теплопередаче для различных элементов конструкции наружного ограждения [8]. Такие данные приведены в ранжированном виде по величине сопротивления теплопередаче для стены Rст в табл. 1.
Таблица 1
Нормативные значения сопротивления теплопередаче элементов ограждения жилых зданий [7]
Сопротивление Климат зоны применения теплозащиты
Уровень теплопередаче, м2-°С/Вт Хладоемкость,
теплозащиты стены покрытия окна Dd ■ 10-3, °Ссут.
КСт Кпп Коб
Минимальный 1,0 1,4 0,16 - До 1994 г. везде жаркий
Повышенный 2,0 2,8 0,32 1,76 Теплый
Средний 3,0 4,2 0,48 4,71 Умеренный
Усиленный 4,0 5,6 0,56 7,64 Холодный
Высокий 5,0 7,0 0,80 10,60 Арктический
Максимальный 6,0 8,4 0,96 13,50 Суровый (Якутия)
Можно заметить, что нормативные величины сопротивлений теплопередаче элементов ограждения связаны соотношениями:
Дпп = 1,4ДСТ; Яоб = 0,16Яет. (6)
Выбор конкретного уровня теплозащиты стен Кст и прочих ограждений зависит от хладоемкости (градусосуток) отопительного периода года Dd
ЯСт = 0,35Dd • 10-3 + 1,4. (7)
Число градусосуток вычисляют по средней температуре отопительного периода t0H, расчетной температуре внутреннего воздуха отапливаемого помещения ^ и продолжительности отопительного периода гоп [9]
Dd = ^в - t0T)z0U. (8)
Оценим влияние уровня теплозащиты на расход теплоты за отопительный период. Если принять доли теплопотерь от теплопроводности ограж-
дений Кср = 0,8 и от воздухообмена Квен = 0,2 при минимальном уровне
теплозащиты, то, как показано в табл. 2, повышение уровня теплозащиты жилых зданий от минимального до среднего и высокого уровней позволяет снизить тепловую нагрузку со 100 % до 46 и 36 %, а также уменьшить потребление топлива по сравнению с его расходом в 2,2 и 2,8 раза.
Таблица 2
Снижение тепловых нагрузок и экономия теплоты от усиления теплозащиты жилых зданий по сравнению с уровнем 1994 г.
Сопротивление теплопередаче стены Яст, м2-°С/Вт Нагрузка Q0, % Снижение нагрузки Хладоем-кость Dd, °Ссут. Расход теплоты за отопительный период, % Экономия теплоты за отопительный период, % Уменьшение расхода теплоты
1 100 0 1 100-1000 0
2 60 40 1,76 104 72 1,7
3 46 56 4,71 216 265 2,2
4 40 60 7,64 305 459 2,5
5 36 64 10,6 382 678 2,8
6 33 67 13,5 445 915 3,0
Рассмотрим влияние геометрических размеров и пропорции жилых зданий простой прямоугольной формы на теплопотери. Ширина здания В ограничена по условиям обеспечения естественного освещения внутренних помещений, а увеличение жилой (отапливаемой) площади происходит в первую очередь за счет длины здания, а во вторую - за счет увеличения высоты Н и числа этажей высотой h.
Объем здания по наружному обмеру, правомерность применения которого обоснована в [10], определяем по формуле
V = BLH. (9)
Площадь:
• отапливаемых помещений
А0 = V/h; (10)
• наружных ограждений
Анар = Аст + Апп = 2(LB + BH + HL). (11)
Относительная величина площади наружных ограждений по сравнению с отапливаемой площадью
Ф = Анар/Ао = 2h(L- + Bl + Hl). (12)
В площади наружных ограждений доля площади:
• перекрытий
апп = Апп/Анар = (1 + H/L + H/B)1; (13)
• стен
aCT = 1 - апп. (14)
Площадь остекления фасадов пропорциональна коэффициенту остекления ю и равна
Аос = юАст. (15)
Изменение двух важных теплотехнических показателей здания - доли площади перекрытий апп = Апп/Анар (самого теплосберегающего элемента наружного ограждения) и относительной величины площади охлаждающих здание наружных ограждений ф = Анар/Ао - по сравнению с отапливаемой площадью здания иллюстрирует табл. 3. С ростом высоты здания коэффициенты апп и ф убывают, причем изменение первого при этом вызывает увеличение теплопотерь, а второго - их снижение. Изменение этих коэффициентов в зависимости от числа этажей жилого дома показано на рис. 1.
Таблица 3
Геометрические характеристики и средний расчетный безразмерный коэффициент теплопередачи зданий с числом этажей от 1 до 16
Число этажей г Ао, м2 V, м3 ЬхБхИ, м • м • м ю апп ф Кср
1 120 360 15x8x2,5 0,12 0,725 2,96 0,866
2 360 1080 20x9x5,5 0,14 0,522 1,81 1,200
4 1600 4800 40x10x12 0,16 0,410 1,26 1,380
8 5760 17280 60x12x24 0,18 0,230 0,76 1,590
16 19200 57600 80x15x48 0,20 0,210 0,60 1,850
Рассмотрим совместное влияние сопротивления теплопередаче Я, элементов ограждения и их геометрических размеров А{ на средний коэффициент теплопередачи оболочки здания. Подставим в (5) коэффициенты пропорциональности из (6), соотношения (13), (14) и после преобразования получим искомую формулу безразмерного среднего коэффициента теплопередачи наружных ограждений жилого здания
К„„ = 1 - 0,286апп + 5,25юа„
сР
(16)
ф "
2,5 -2,0 -1,5 1,0 0,5 0
К ^^ -
-
2 4 8
Число этажей
16
К , а„
ср' 1,6
1,2
0,8
0,4
0
Рис. 1. Изменение геометрических характеристик жилых домов и среднего коэффициента теплопередачи от числа этажей
1
Для упрощения вычислений используем аппроксимацию
Кср = 0,9г0'25, (17)
где г - число этажей жилого дома.
Безразмерный коэффициент характеризует способность оболочки здания передавать теплоту в окружающую среду. Его величина зависит от соотношения площади поверхности элементов наружного ограждения с высокой и низкой трансмиссиями теплоты. Как видно из табл. 3, средний безразмерный коэффициент теплопередачи через ограждения увеличивается в два раза с ростом высоты здания от 1 до 16 этажей.
Конкретная размерная величина среднего коэффициента теплопередачи, отнесенная к отапливаемой площади здания, зависит от требуемого уровня тепловой защиты
Кср = КСр ф/Дст = 0,9г0 25ф/^ст. (18)
Формулы (13), (16), (18) позволяют вычислить средний нормативный коэффициент теплопередачи жилого здания исходя из его геометрических показателей аст, ю, ф и заданного уровня теплозащиты.
Найдем условный коэффициент теплопередачи, учитывающий теп-лопотери на подогрев вентиляционного потока воздуха при норме его расхода 30 м /(ччел.) и заселенности общей площади квартир 20 м /чел. [11]
Квен = 0,28Хсрр = 0,28 • 1,5 • 1 • 1,296 = 0,544, Вт/(м2-°С). (19)
Поступление тепловой мощности от работы бытовой техники, исходя из нормы теплопритока qб = 10-17 Вт/м [1], представим как
ббыт = qбАо = КбытЛгАо, (20)
откуда найдем среднюю величину условного коэффициента теплопередачи, учитывающего теплоприток:
qбыт _ 12
Кбыт = = = 0,24, Вт/(м2-°С). (21)
Искомая величина нормативного суммарного коэффициента теплопередачи жилого здания, отнесенного к отапливаемой площади здания, равна
Ксум = Кср + Квен - Кбыт = Кср + 0,54 - 0,24 = Кср + 0,3, Вт/(м2-°С). (22)
Для проверки полученного результата воспользуемся безразмерными средними коэффициентами теплопередачи Кср, вычисленными по формуле (16) для ограждающих конструкций жилых зданий высотой 1, 2, 4, 8 и 16 этажей (табл. 3). Затем по (18) найдем средний нормативный коэффициент теплопередачи Кср для местности с числом градусосуток ^ = = 5000 °Ссут. и требуемым средним уровнем теплозащиты, где сопротивление теплопередаче стен Лст = 3 м2оС/Вт. Определим значение суммарного коэффициента теплопередачи Ксум по (22). И, наконец, по формуле
qрас = Ксум • 24£>й • 10-3, кВт • ч/м2 (23)
узнаем удельную теплопотерю за отопительный период для каждого здания из группы и сравним ее с предельной нормативной величиной днор из СНиП 23-02-2003 [7]. Результаты этих вычислений представлены в табл. 4.
Таблица 4
Сравнение расчетных qрас и предельных нормативных qпред значений удельного расхода теплоты за отопительный период в жилом здании (РЛ = 5000 оСсут.; Яст = 3 м2оС/Вт)
Число этажей z Расчетная величина (по формуле) Нормативная величина днор Относительная разница Чнор — Чрас ^нор
Кср (16) Кср (18) Ксум (22) Чрас (23)
[7]
1 0,866 0,85 1,15 138 160 0,16
2 1,200 0,71 1,01 121 132 0,08
4 1,380 0,58 0,88 106 110 0,04
8 1,590 0,40 0,70 84 105 0,19
16 1,850 0,37 0,67 81 95 0,15
Среднее отклонение -12 %
Сравнение показало, что расчетные значения теплопотерь драс для в 1-, 2-, 4-, 8- и 16-этажных зданий в среднем на 12 % ниже предельно допустимых днор, поскольку в расчете не учитывали дополнительные теп-лопотери, величина которых и составляет около 12 % [5]. Это позволяет рекомендовать конечные формулы (13), (16), (18) и (22) для определения коэффициента теплопередачи и методику расчета тепловых нагрузок на его основе для широкого практического применения.
В Ы В О Д
Выполненные исследования позволяют рекомендовать нормативный коэффициент теплопередачи жилых зданий для оценки теплопотерь на предпроектной стадии, когда строительные конструкции наружных ограждений здания еще не определены или находятся в стадии разработки.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Т и т о в, В. П. Расчет мощности системы отопления и воздухообмена в помещениях здания: методические указания по курсовой работе (курс «Основы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха»; специальность «Теплогазоснабжение и вентиляция») / В. П. Титов, А. Г. Рымаров, О. Д. Самарин. - М.: МГСУ, 1999.
2. С к а н а в и, А. Н. Отопление: учеб. для вузов / А. Н. Сканави, Л. М. Махов. -М.: Изд-во АСВ, 2002. - 575 с.
3. Л и в ч а к, И. Ф. Вентиляция многоэтажных жилых зданий / И. Ф. Ливчак,
A. Л. Наумов. - М.: АВОК-ПРЕСС, 2005. - 134 с.
4. В о д я н ы е тепловые сети: справ. пособие по проектированию / И. В. Беляшки-на [и др.]: под ред. Н. К. Громова, Е. П. Шубина. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 378 с.
5. М а л я в и н а, Е. Г. Теплопотери здания: справ. пособие / Е. Г. Малявина. - 2 изд., испр. - М.: АВОК-ПРЕСС, 2011. - 144 с.
6. Отопление, вентиляция и кондиционирование: СНиП 41-01-2003 / Государственный комитет Российской Федерации по строительству и жилищно-коммунальному комплексу. -Взамен СНиП 2.04.05-91. - Введ. 01.01.2004. - СПб.: Деан, 2004. - 142 с.
7. Т е п л о в а я защита зданий: СНиП 23-02-2003. - Введ. 01.10.2003. - М.: ОАО «ЦПП», 2008. - 48 с.
8. Ли в ч а к, В. И. Еще один довод в пользу повышения теплозащиты зданий /
B. И. Ливчак // Энергосбережение. - 2012. - № 6. - С. 14-20.
9. Строительная климатология: СНиП 23-01-99. - Введ. 01.01.2000. - М.: ГУП «ЦПП», 2003. - 114 с.
10. В л а с о в, О. Е. Основы строительной теплотехники / О. Е. Власов. - М.: ВИА РККА, 1938. - 93 с.
11. З д а н и я жилые и общественные. Нормы воздухообмена: АВОК Стандарт-1-2004: отраслевой стандарт. - Введ. 09.06.2004. - М.: АВОК-ПРЕСС, 2004. - 32 с.
R E F E R E N C E S
1. T i t o v, V. P., Rymarov, А. G., & Samarin, О. D. (1999) Calculation of Heating System Power and Air Exchange in the Building Spaces. Moscow: MGSU [Moscow State Construction University] (in Russian).
2. S k a n a v i, А. N., & Makhov, L. М. (2002) Heating. Moscow, Pablishers АSB. 575 p. (in Russian).
3. L i v c h a k, I. F., & Naumov, А. L. (2005) Ventilation of the High-Rise Apartment Buildings. Moscow, АVOK-PRESS. 134 p. (in Russian).
4. B e l i a s h k i n a, I. V., Vital'ev. V. P., Gromov, N. K., Igolka, L. P., Liamin, A. A., Ostal'tsev, P. P., Safonov, A. P., Skvortsov, A. A., Suris, M. A., Tagi-Zade, R. M., Falikov, V. S., & Shubin, E. P. (1988) Water Heat Networks. Moscow, Energoatomizdat. 378 p. (in Russian).
5. M a l y a v i n a, Ye. G. (2011) Building Heat Losses. 2nd pub. Moscow, АVOK-PRESS. 144 p. (in Russian).
6. S N i P 41-01-2003 [Building Regulations]. Heating, Ventilation, Conditioning. St. Petersburg, Dean, 2004. 142 p. (in Russian).
7. S N i P 23-02-2003 [Building Regulations]. Thermal Protection of the Buildings. Moscow: JSC 'TsPP', 2008. 48 p. (in Russian).
8. L i v c h a k, V. I. (2012) Another Argument in Favour of Enhancing Buildings Thermal Protection. Energosberezhenie [Energy Saving], 6, 14-20 (in Russian).
9. S N i P 23-01-99 [Building Regulations]. Building Climatology. Moscow, GUP 'TsPP', 2003. 114 p. (in Russian).
10. V l a s o v, О. Ye. (1938) Basics of Construction Thermo Engineering. Moscow, VIA RKKA. 93 p. (in Russian).
11. А V O K Standard-1-2004. Industry Standard. Buildings Residential and Public. Air Exchange Norms. Moscow, АVOK-PRESS, 2004. 32 p. (in Russian).
Представлена кафедрой теплоэнергетики и теплотехники Поступила 04.03.2015
УДК 621.165
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ПАРОВЫХ ТУРБИНАХ ТЭС
Канд. техн. наук НЕУЙМИН В. М.
ООО «НПО «Энергобезопасность» и ООО «Технологические системы защитных покрытий» (Москва, Россия)
E-mail: neva333@yandex.ru
Предложены основы теории вентиляционных процессов, возникающих и протекающих в ступенях паровых турбин ТЭС на режимах работы с малыми объемными расходами пара в цилиндре низкого давления. Основы теории включают новые физико-математические модели для расчета вентиляционных потерь мощности и вентиляционных разогревов пара и проточной части турбины; поиск и исследование факторов, вызывающих повышенные изгибные нагрузки на рабочих колесах последних ступеней и способных привести к поломке рабочих лопаток. Приведены практические результаты использования основ теории вентиляционных процессов.
Получена новая математическая зависимость для высокоточной оценки вентиляционных потерь мощности, учитывающая все многообразие параметров, определяющих
