Научная статья на тему 'Анализ теплопотерь помещений через системы естественного освещения'

Анализ теплопотерь помещений через системы естественного освещения Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

CC BY
925
284
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЕСТЕСТВЕННОЕ ОСВЕЩЕНИЕ / СВЕТОВОД / ЭНЕРГОБАЛАНС / ВЕРХНИЙ СВЕТ / DAYLIGHTING / LIGHT PIPE / ENERGY BALANCE / TOP LIGHT

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Коржнева Татьяна Геннадьевна, Ушаков Василий Яковлевич, Овчаров Александр Тимофеевич

Работа посвящена анализу теплопотерь помещений через светопрозрачные ограждающие конструкции, образованные боковыми светопроемами и полыми трубчатыми световодами для верхнего освещения (комбинированные системы естественного освещения). Конечной целью исследований, выполняемых авторами, является разработка методики расчета и выбора оптимальных (по энергозатратам и световому комфорту) параметров систем естественного и искусственного освещения. Основное внимание уделено оценке теплопотерь и эффективности светопропускания элементами комбинированного освещения.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Коржнева Татьяна Геннадьевна, Ушаков Василий Яковлевич, Овчаров Александр Тимофеевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The paper is devoted to the analysis of room heat losses through translucent wallings formed by side light openings and hollow tubular light pipes for top light (daylighting combined system). The final target of the authors’ researches is to develop the technique for calculating and selecting the optimal (in energy consumption and light comfort) parameters of daylight and lamplight systems. The authors focused on heat losses estimation and the efficiency of light transmittance by the combined lightning elements.

Текст научной работы на тему «Анализ теплопотерь помещений через системы естественного освещения»

УДК 628.928

АНАЛИЗ ТЕПЛОПОТЕРЬ ПОМЕЩЕНИЙ ЧЕРЕЗ СИСТЕМЫ ЕСТЕСТВЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ

Т.Г. Коржнева, В.Я. Ушаков, А.Т. Овчаров*

Томский политехнический университет *ЗАО «Электрум», г. Томск E-mail: korzhneva.tayana@mail.ru

Работа посвящена анализу теплопотерь помещений через светопрозрачные ограждающие конструкции, образованные боковыми светопроемами и полыми трубчатыми световодами для верхнего освещения (комбинированные системы естественного освещения). Конечной целью исследований, выполняемых авторами, является разработка методики расчета и выбора оптимальных (по энергозатратам и световому комфорту) параметров систем естественного и искусственного освещения. Основное внимание уделено оценке теплопотерь и эффективности светопропускания элементами комбинированного освещения.

Ключевые слова:

Естественное освещение, световод, энергобаланс, верхний свет. Key words:

Daylighting, light pipe, energy balance, top light.

Введение

Развитие человечества неразрывно связано с потреблением света не меньше, чем с потреблением металла, нефти, угля, электричества. Степень развития общества принято характеризовать светоэнергетическим уровнем, измеряемым в мегалюмен-часах (Млм-ч), вырабатываемых в год на одного человека. (В России - около 43 Млм-ч, в США -около 200 Млм-ч.). На сегодня далеко не достигнут физиологический оптимум световой энергии - в большинстве случаев фактический в 5-10 раз ниже оптимального. Это означает, что потребление света будет нарастать и тенденции развития человечества ориентированы на дальнейшее увеличение потребления света. Пока этот рост обеспечивается преимущественно увеличением электрического освещения, требующего нарастающих объёмов электроэнергии. В России на цели освещения затрачивается примерно 14 % от общего электропотребления. При этом в общественных зданиях на освещение приходится от 30 до 45 % всей потребляемой электроэнергии [1].

Естественное освещение

через традиционные световые проёмы

Рациональное использование естественного света - это один из способов экономии электроэнергии на искусственное освещение. Основным источником естественного освещения помещений являются световых проемы - окна различной геометрии, конструкции, размещения. Несмотря на то, что современные материалы позволяют создавать светопрозрачные конструкции с повышенным сопротивлением теплопередаче, тем не менее, они остаются основными источниками тепловых потерь (до 40...45 %) в здании, а также имеют высокие строительную стоимость и эксплуатационные расходы. Поэтому при строительстве и реконструкции сооружений с целью эффективного использования энергоресурсов параметры светового проема следует выбирать с учетом экономии элек-

троэнергии на искусственное освещение и сокращения затрат энергии на восполнение теплопотерь через световые проёмы зимой и кондиционирование/вентиляцию для компенсации избыточного теплопоступления через них летом.

Важной задачей является поиск таких решений, при которых теплопотери через оконные проемы будут минимальны и не увеличат затраты на теплоснабжение, а освещенность будет достаточной и не увеличит затраты на искусственное освещение.

Баланс компонентов суммарных энергетических затрат позволяет установить для каждого конкретного случая оптимальный по площади оконный проем, при котором энергетические затраты на естественное и искусственное освещение будут минимальны.

Основные потери теплоты (}0, Вт, через ограждающие конструкции зависят от разности температуры наружного и внутреннего воздуха и определяются по формуле [2]:

О, = Ак (X - 4>, (1)

где к - коэффициент теплопередачи ограждения, Вт/(м2-°С); А - расчетная поверхность ограждающей конструкции, м2; 4 - расчетная температура воздуха помещения, °С [3]; 4 - расчетная температура наружного воздуха, °С [3]; п - коэффициент, зависящий от положения наружной поверхности по отношению к наружному воздуху [4].

Коэффициент теплопередачи ограждения обратно пропорционален приведенному сопротивлению теплопередаче Д/:

к = —.

К

Показатель к характеризует количество тепла, которое проходит через один квадратный метр конструкции при разности температур по обе стороны в один градус за 1 час.

В соответствии с [2], показатель «градусо-сут-ки отопительного периода» (ГСОП) равен:

ГСОП = Zht - (4 - ttó ) = 6938 “С - сутки.

Приведенное сопротивление теплопередаче светопрозрачных ограждающих конструкций Ro должно быть не менее допустимого Roreq:

R > Req.

о о

Для Томской области, в соответствии с [3], приведенное сопротивление теплопередаче светопрозрачных ограждающих конструкций принимается равным Roreq=0,647 м2^С/Вт, поэтому для Томска предпочтительно применять стеклопакеты двух типов: однокамерные (два стекла) с /-стеклом и аргоном (R„=0,66 м^С/Вт) и двухкамерные стеклопакеты (три стекла) с /-стеклом (R„=0,72 м2^С/Вт). Для сравнения деревянное окно устаревшего образца с двойным остеклением имеет сопротивление теплопередачи R„=0,28 м2^С/Вт. На рис. 1 показана зависимость теплопотерь из помещения от площади остекленной поверхности для различных типов окон (при построении графика был вве-

ден параметр а - отношение площади окна к ограждающей конструкции, и рассмотрены крайние случаи: 0 % - в помещении отсутствует оконный проем и 100 % - оконный проем занимает всю площадь наружного ограждения).

Основным показателем для нормирования уровня естественной освещенности является коэффициент естественной освещенности (КЕО), %. Чем выше показатель КЕО, тем выше уровень естественной освещенности и, соответственно, комфортнее условия работы и пребывания в помещении. Размер оконного проема не может быть меньше минимально установленного, исходя из уровня естественной освещенности, задаваемого КЕО.

Определим зависимость КЕО от площади окна и сравним с соответствующей зависимостью для теплопотерь.

Коэффициент естественной освещенности (ен) при боковом освещении можно вычислить согласно [4]:

О 13 27 40 53 67 80 93

а, %

Рис. 1. Влияние площади оконного проема и материалов на потери тепла помещения 2

1,8 -

Рис. 2. Влияние площади оконного проема на КЕО и потери тепла из помещения

Рис. 3. Влияние на ЕО размеров помещения (а) и положения светового проема (б)

е = 100 Soтo го

н ^ к кзЛ’

где - площадь боковых светопроемов; - площадь пола помещения; то - общий коэффициент светопропускания проема; го - коэффициент, учитывающий повышение КЕО при боковом освещении, в результате отражения света от поверхностей помещения; К1 - коэффициент запаса на загрязнение; Кзд - коэффициент, учитывающий затенение окон противостоящими зданиями; п - световая характеристика окон.

При расчете зависимостей на рис. 2 значения приведенных выше коэффициентов приняты в соответствии с [4].

Из рис. 2 видно, что изменение размера оконных проемов по вертикали дает наибольший эффект по увеличению КЕО при тех же теплопотерях. Так, увеличение площади окна на 10 % за счёт изменения его вертикальных размеров сопровождается увеличением КЕО в среднем на 12 % в сравнении с изменением площади за счёт ширины.

Традиционные вертикальные окна обеспечивают нормируемый уровень естественной освещенности в помещении на расстоянии приблизительно 6 м от окна, но при высокой неоднородности. Так, если глубина помещения равна его высоте L1=H (рис. 3, а), то помещение характеризуется как мелкое, светлое, при Н^2<2Н - как типичное, средней глубины и освещенности, при L3>2H - как глубокое с недостаточной естественной освещенностью. Распределение освещенности от окна имеет асимптотический характер, резко уменьшаясь по мере удаления от окна; для её увеличения в глубине помещения необходимо значительно увеличивать размеры оконного проема.

Таким образом, при выборе конструктивных параметров боковых световых проемов должны учитываться теплопотери и светораспредение в помещении.

Естественное освещение через полые трубчатые световоды

Рассмотрим решение задачи минимизации энергозатрат и повышения однородности световой среды (более широко - улучшения светового комфорта) с использованием полых трубчатых световодов (ПТС) (рис. 3, б, рис. 4).

Рис. 4. Принцип работы Solatube Daylighting systems [5]

ПТС позволяют принимать естественный свет на крыше или на стенах здания и проводить его внутрь за счет коленчатых участков труб, внутренняя поверхность которых покрыта плёнкой с высоким коэффициентом отражения (до 99,7 %). На крыше или стене здания располагается приёмное устройство в виде купола, использующее за основу линзу Френеля, что позволяет направлять диффузный свет неба ближе к оси трубы для уменьшения количества отражений света внутри неё.

Естественный свет имеет следующие положительные качества: сплошной спектр, динамика освещения (день-ночь), соответствующая «биологическим часам» человека, визуальная связь с окружающей средой, благоприятно влияющая на психику человека.

Рассмотрим эффективность использования световодов с позиции энергобаланса и эффективности светопропускания в сравнении с традиционными вертикальными окнами.

Среднее сопротивление теплопередачи световодов (R) равно 0,28 м2-°С/Вт [6], что соответствует значению для деревянного окна с двойным остеклением. Теплопотери, согласно (1), для полых трубчатых световодов диаметров 250, 350 и 530 мм составляют 5,2, 10,1 и 23,2 Вт, соответственно.

Общая эффективность светопропускания ng полого трубчатого световода согласно [7, 8]:

ng =тстаКт TTE,

где тс - общий коэффициент пропускания купола ПТС. Для Solatube Daylighting systems т=0,92 [5]; rd - коэффициент пропускания диффузора (т=0,8); Кт - коэффициент запаса (учет загрязнения при эксплуатации), Кт=0,77 [7]); ТТЕ - эффективность светопропускания световода, которая зависит от коэффициента отражения зеркального покрытия световодной трубы р, от отношения длины ПТС L к его диаметру D.

TTE может определяться по упрощенной версии математического уравнения многократных отражений и зависит от коэффициента отражения зеркального покрытия световой трубы (для Sola-tube Daylighting systems р=0,997), от отношения длины ПТС L к его диаметру D:

—tg6 ln р

TTE =

1-Dtg°ln Р

где в - угол между осью ПТС и световым лучом (0=30°).

Так, для полого световода диаметром 530 мм, длиной 2,3 м, имеющего 4 колена, общая эффективность п составит 0,56.

Произведем расчет бокового и верхнего освещения на примере помещения площадью 48 м2 (6x8 м) и высотой 3 м, используя методику [4, 7].

При боковом освещении нормативное КЕО=0,7 % обеспечивается при площади бокового остекления не менее 9,7 м2сразмерами окна 5,1х 1,9 м, что составляет 54 % от боковой ограждающей конструкции. Теплопотери через данный оконный проем за отопительный период для стеклопакетов с Д=0,66 м2-°С/Вт в данном помещении составят 1835,3 кВт-ч.

При верхнем освещении КЕ0=0,7 % достигается при 6 световодах !>=530 мм, с общей площадью 1,32 м2. Теплопотери через ПТС за отопительный период составят 802 кВт-ч, что в 2,3 раза ниже в сравнении с оконными проемами при том же количестве естественного освещения.

Поскольку светопрозрачные конструкции являются не только каналом тепловых потерь, но и источником теплопоступлений в помещение от солнечной радиации, при оптимизации системы освещения необходимо учитывать и этот фактор. Величину теплопоступлений можно определить по уравнению из [9, 10]:

Qs = Е тА(4А)’

]=1

где / - ориентация светопрозрачных конструкций помещения по сторонам света; - коэффициент учета затенения окна или световода непрозрачными элементами; кР] - коэффициент проникновения солнечной радиации через элементы окна или ПТС; АР] - площадь светопрозрачной конструкции; QPj - поток суммарной солнечной радиации, приходящей за отопительный период на светопрозрачную поверхность, Вт-ч/м2.

Рис. 5. Сравнение суммарных теплопоступлений от солнечной радиации за отопительный сезон через полый световод и боковой светопроем (при ориентировании его по разным сторонам света)

e

На рис. 5 видно, что теплопоступления через ПТС существенно ниже, чем через боковые окна, поскольку полые световоды обладают малой светопрозрачной площадью и малым коэффициентом солнечных теплопоступлений. Можно считать, что общий тепловой баланс помещения не изменяется за счет теплопритока от солнечной радиации через ПТС, что обеспечивает снижение энергозатрат на кондиционирование в летнее время года.

Выводы

Сопоставительные оценки эффективности (с позиции теплового режима и освещенности) боковых оконных проемов и полых трубчатых световодов позволяют сделать вывод о том, что сегодняшние скромные масштабы применения ПТС не соответствуют их потенциальным возможностям. Полые трубчатые световоды позволяют обеспечивать естественным светом при потребном уровне КЕО и равномерности распределения естествен-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Еремкин А.И., Королева Т.И. Тепловой режим зданий. - М.: Изд-во АСВ, 2000. - 368 с.

2. ТСН 23-316-2000 Томской области. Тепловая защита жилых и общественных зданий (Thermal performance in residential and public buildings. Thermal Performance Standard). Введ. 01.01.2001. - М.: Изд-во стандартов, 2000. - 46 с.

3. Строительная теплотехника. СНиП II-3-79. - Взамен главы СНиП II-A.7-71; Введ. 14.03.1979. - М.: Госстрой России, 2001.- 28 с.

4. Архитектурная физика / под ред. Н.В. Оболенского. - М.: Стройиздат, 2001. - 448 с.

5. Саломатин А.В., Казаков Ю.Н. Научное обоснование новых технологий устройства солнечного освещения в зданиях // Строй профиль. - 2011. - № 2/1. - С. 4-5.

6. Harrison S.J., McCurdy G.G., Cooke R. Preliminary Evaluation of the Daylighting and Thermal Performance of Cylindrical Sky-

ной освещенности даже те помещения, которые не могут освещаться обычными системами естественного света (например, подвалы, центральные помещения широких зданий, находящиеся на нижних этажах и т. п.). В таких помещениях в течение всего года экономится электроэнергия, расходуемая на искусственное освещение. В помещениях, имеющих традиционные светопроемы, скоординированная эксплуатация окон и ПТС в отопительный сезон позволяет экономить энергию на отопление, а в жаркое время года - на вентиляцию и кондиционирование.

Повышение энергоэффективности систем освещения зданий/помещений представляет собой сложную оптимизационную задачу, требующую согласования технических параметров, а так же стоимости устройства и эксплуатации её элементов: окон (фрамуг и др.), ПТС, систем искусственного освещения с учётом географо-климатических условий данной местности и специальных требований заказчика.

lights // Proceedings of International Daylight Conference. - Ottawa, Canada, 1998. - P. 205-212.

7. Соловьев А.К. Полые трубчатые световоды: их применение для естественного освещения зданий и экономия энергии // Светотехника. - 2011. - № 5. - С. 41-47.

8. Бракале Дж. Естественное освещение помещений с помощью новой пассивной световодной системы «Solarspot» // Светотехника. - 2005. - № 5. - С. 34-42.

9. Малявина Е.Г Терлопотери здания: справочное пособие. - М.: АВОК-ПРЕСС, 2007. - 144 с.

10. Зеликов В.В. Справочник инженера по отоплению, вентиляции и кондиционированию. - М.: ИНФА-Инженерия, 2011. -624 с.

Поступила 24.01.2013 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.