изменение суточных температур наружного воздуха в каждый месяц отопительного периода;

характерное суточное изменение солнечной радиации в каждый месяц отопительного периода при ясной погоде (облачность О ... 2 балла) и полуясной (облачность 2... 6 баллов);

число ясных солнечных и полуясных дней в отопительном периоде;

скорость ветрового потока и его направление.

Как правило, общесоюзные издания трудов главной геофизической обсерватории (ГТО), климатические справочники дают достаточно подробную информацию по этому вопросу. Вместе с тем зачастую возникает необходимость в получении исходных данных от конкретной метеостанции по специальному запросу. В данном случае целесообразно предостеречь от соблазна взять исходные данные "применительно" или по интуиции. Ниже рассмотрен на конкретном примере один из подходов к решению такой задачи.

Пример 1.

В качестве примера рассмотрим район на широте 40**, например, г. Ташкент. Расчетная •Температура дпя традиционной системы отопления — 15 °С, отопительный период — 130 дней, зона влажности — сухая, средняя скорость ветра за январь — 1,7 м/с.

Далее предлагается следующий порядок оценки климатических ресурсов района строительства:

1.Определяют среднесуточную температуру наружного воздуха для характерного дня каждого месяца. В принятом для данного случая регионе температура наружного воздуха изменяется следующим образом: ноябрь +5,6 ЧС; декабрь +1,6°С; январь -1,0°С; февраль +2,0 °С; март+7,6 °С.

Характерной особенностью пассивных систем отопления является то, что за расчетную температуру наружного воздуха (f^ р р) для проектирования отопления принимают среднесуточную температуру. Наряду с этим и строительные конструкции, и вспомогательную систему отопления рассчитывают традиционным способом.

2.По существующим стандартам принимают термическое сопротивление наружных ограждений R^^^.

Так, для данного района эти величины составят: у наружных стен 0,644 м^.°С/Вт; у покрытия/?4>^=г 0,87 м^.°С/Вт; у перекрытия над подвалами и подпольями ^^о" =^1,16м2-°С/Вт.

При средней температуре воздуха внутри здания +18 ... +20 °С перепад температур, А = в-н.р.о = *33...+35°С.

3.Определяют средние (укрупненные) значения коэффициента теплопередачи через наружные ограждения по <д р = —15 °С: через стены 61 Вт/м^-°С ( с учетом теплопотерь через оконные проемы), через покрытия -40,2 Вт/м^-°С, через перекрытия над подвалом (подпольем) -29,9 ЪтЦм^РС).

То же для среднесуточных значений температур наружного воздуха по месяцам отопи-

fOfKem/M.

/6

ш мес

ii iii мес

Рис 5.4. Звачевия падающей солнечисш радиации (в) и тепловых потерь (б)

1 — южная стена; 2 — восточная стена; 3 — покрытие; 4 — западная стена; 5 — суммарные значения; 6 - перекрытие над подвалом

тельного периода (соответственно ноябрь ... март), стены - 25,1; 32,1; 36,7; 31,4; 21,6; покрытия- 16,6; 21,1; 24,1; 20,7; 16,3; перекрытия - 12,4; 15,9; 18,1; 15,6; 10,7.

4.По средним значениям поверхностной плотности потока солнечной радиации определяют уровни падающей на стены и поглощенной радиации. При этом целесообразно предварительно принять некоторые условия:

если архитектурный образ здания пока еще не сформирован, то предполагается, что стены ориентированы на восток, юг и запад;

наихудшие условия принимают такие, когда оконные проемы ориентированы только на север, т.е. солнечное излучение непосредственно в здание не проникает;

место и эффективность пассивной системы пока не рассматриваются.

5.По методике, приведенной в [1, 3], определяют часовые и суточные значения поглощенного потока солнечной радиации Так, для вертикальных стен покрытия суммарные значения составляют (соответственно для периода ноябрь ... март), Вт/м^: южная стена - 5958; 5870; 5926; 6013; 6084; восточная стена - 3378; 3075; 3704; 3739; 3929; западная стена - 1801; 1586; 2513; 2942; 3127; покрытие - 3549; 2958; 3220; 4339; 5634.

6.Далее необходимо сопоставить суточные приток тепла от солнечной радиации и тепловые потери здания через наружные ограждения (в расчете на 1 м^ поверхности). В результате такого сравнения (рис. 5.4) может быть принято решение о возможности использования пассивного отопления и размещении гелионагревателя пассивной системы.

7.Сопоставление полученных результатов показывает, что в ясный солнечный день суточные тепловые потери могут быть компенсированы теплопритоком от солнечной радиации, падающей на южную сторону. Наиболее целесообразно разместить гелионагреватель пассивной системы на южной стене. Если же по условиям эксплуатации необходимо обеспечить аккумулирование тепла больше, чем на одни сутки, то гелионагреватель может

быть размещен еще и на восточной стене. Использование западной стены и покрытия нецелесообразно, так как размещение на них гелионагревателя пассивной системы может вызвать перегрев здания в летнее время [2, 3].

8. Эффективность пассивной системы практически полностью зависит от места размещения гелионагревателей. Вместе с тем необходимо учитывать общее правило, что солнечные системы рациональны только тогда, когда уже использованы все возможности традиционных способов снижения тепловых потерь. Одним из вероятных вариантов можно считать выбор формы здания иа основе минимизации тепловых потерь.

5.3. КРИТЕРИИ ВЫБОРА ПАССИВНОЙ СИСТЕМЫ

Общими принципами выбора пассивной системы являются следующие:

оценка климатических возможностей района строительства, где предполагается использование солнечных систем;

выбор формы здания на основе минимизации тепловых потерь, общепринятых норм архитектурно-строительного проектирования;

определение теплового режима здания (по укрупненным показателям) с учетом нестационарности тепловых процессов и нерегулярного характера изменения внешних и внутренних возмущающих факторов.

Оценка климатических возможностей района строительства показывает, что приток тепла от солнечной радиации только на южную и восточную стены в ясный день облачностью О ... 2 балла может покрыть суточные тепловые потери здания. Предположительно, что гелионагре-ватели (среднее значение КПД гелионагревателя 30 ... 40 %), размещенные на этих стенах, компенсируют тепловые потери здания.

Однако для применения солнечных систем необходимо достаточное число ясных солнечных дней в отопительном периоде. Существующие общепринятые нормы и характеристики "солнечного климата", определяемые по числу солнечных часов в году, неприемлемы для принятия решения по созданию пассивной системы. Первым и наиболее важным • фактором является облачность в отопитель ным периоде. Практически пассивная система становится рентабельной при числе ясных солнечных дней, составляющем 60 ... 70 % общего числа дней отопительного периода. В полуясные дни эффективность пассивной системы снижается на 50 ... 60 % относительно номинальной и ее вклад в тепловой баланс малозаметен. В этом случае поддержание требуемого микроклимата обеспечивается либо с помощью вспомогательной традиционной системы кондиционирования (отопления), либо аккумулятора тепла.

Задача теплового аккумулирования также вытекает из общей оценки климатических ресурсов района строительства. Важно знать

среднестатистические данные по чередованию ясных и пасмурных дней, а также по их продолжительности. Например, для рассматриваемого района строительства в отопительный период характерна продолжительность пасмурной погоды не более 1 ... 2 дней в ноябре, феврале и марте. В декабре и январе этот период составляет 2... 3 дня. В связи с зтим обычно решается вопрос о теплоемкости аккумулятора и периоде его работы.

В настоящее время стоимость обычного топлива такова, что увеличение теплоемкости аккумулятора для компенсации тепловых потерь более чем на одни сутки нерентабельно. Очевидно, с возрастанием стоимости топлива увеличение теплоемкости аккумулятора до 2 ... 3 суток станет оправданным так же, как и в том случае, когда по техническим задачам и функциональному назначению здание должно быть автономным в этот период.

При выборе формы здания необходимо ориентировать на его мини-малые тепловые потери. Причем здесь пока рассматривается применение пассивной системы.

Изменение тепловых потерь может быть описано сравнительно простой алгебраической функцией., Поиск минимума такой функции традиционным способом (по второй производной) в данном случае затруднителен. Уравнение имеет многопараметрический характер, а оптимизация по системе параметров достаточно трудна в аналитическом плане. Целесообразно воспользоваться методом перебора вариантов, которой достаточно легко осуществляется с помощью простейших ЭВМ. Предварительно необходимо выполнить следующее:

в самом общем виде решить вопрос о форме здания, компоновке корпусов и т.п.;

приблизительно выбрать степень остекления и вид оконного переплета, решить вопрос размещения окон на стенах здания (если последнее затруднительно, то принимают равномерное распределение окон по поверхности стен);

в общих чертах оценить объем здания по общепринятым нормативам.

Если иных требований нет, то принимают форму здания в виде Параллелепипеда (рис. 5.5), произвольно ориентированного в пространстве. Далее основная задача оптимизации состоит в переборе вариантов соотношений о, Ь и с при неизменном объеме здания.

Вид ограждающих конструкций и термическое сопротивление выбирают по нормативным справочникам [4]. Ниже приведен конкретный пример вывода расчетной формулы для поиска оптимальной формы здания.

Рис 5Л Ржяеяая смма эдаиия

Пример 2.

Необходимо определить тепловые потери через наружные ограждения здаяия-коттеджа на семью из 4 человек. Основные конструктивные характеристики здания: общий объем всех помещений - 350 м^; площадь оконных проемов — 8 % площади пола; окна - двухстекольные с раздельными переплетахш;

покрытие — бесчердачное; имеется подвал (вентилируемый); здание одноэтажное;

район строительства — см. пример 1;

расчетная температура внутреннего воздуха — +18°С.

1. Определяют площади, непрозрачных ограждений. Общая площадь стен /"^дщ = = 2ас+2Ьс. В данном случае неизменным считается объем здания.

Тогда

зд

При:

условие:

— =fc или b = кс. Подстановка (5.2) в (5.1) дает

зд

Площади стен ориентации ас и Ьс

(5.1) (5.2) (5.3)

(5.4)

•Ьс

OK, be.

где f ~ площадь окон на соответствующих стенах. Площадь бесчердачного покрытия аЬ

зд

Площадь перекрытия над подвалом аЬ

Fab-

зд

(5.5)

(5.6)

(5.7)

2. Площадь прозрачных наружных ограждений - окон принимают на основании условия, что степень остекления N = 0,08. В расчете на 1 м^ стены ориентации ас площадь оконных проемов составит NV2

^ок, ас

c(V +iec^) зд

То же для стены Ьс NV

зд

(5.8)

ок,Ьс-

(V +fc^c^) зд

(5.9)

3. Тепловые потери здания в окружающее пространство определяют по формуле

^т.п=(в-н)

-—

ДТР. СТС

зд , 1

(т—

NV 0,5 зд

зд

зд0,1 0,2

-) +

(5.10)

где - расчетная температура внутреннего воздуха, °С; - расчетная температура наружного воздуха, °С; — добавочные теплопотери стен северной, восточной, северовосточной или северо-западной ориентации = 1,3 [2,4]);^2 ~ ^° же,для юго-восточной и западной ориентации ( ^ 2 1.25[2,4]; — термическое сопротивление окна (в данном случае для двойного раздельного переплета); = 0,37 м^.°С/Вт [2,4]; п - нормируемая кратность воздухообмена [2,4]; Дд - плотность наружного воздуха при расчетной температуре ( уз д = 359/273 + <д) кг/м^; с^р - теплоемкость наружного воздуха при расчетной температуре, Дж/(м^.°С).

В формуле (5.10) первое слагаемое в фигурных скобках учитывает теплопотери через стены ориентации аЬ; второе слагаемое - то же.через стену Ьс восточной и западной ориентации; третье - через покрытие и перекрытие; четвертое - через окна; пятое - нагрев вентиляционного воздуха (определяется по требуемой кратности воздухообмена).