CC BY
260
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: [email protected]
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.
