2.1. Метеорологические факторы теплового режима зданий

Общие соображения

В действующих нормативных документах приводятся расчетные климатические параметры для проектирования ограждающих конструкций зданий, расчетов теплопотерь, регулирования подачи тепла и т.

Представляется целесообразным рассмотреть вопрос о влиянии метеорологических факторов на тепловой режим зданий на основании более точного их учета. Выполненные в Главной геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова исследования позволили предложить физико-математическую модель, которая даст возможность более полно осветить влияние метеорологических факторов на тепловой режим зданий.

В данном разделе работы наряду с материалами, используемыми в настоящее время для расчетов теплопотерь (СНиП), будут приведены результаты, полученные на основании указанных выше исследований.

Следует также высказать некоторые дополнительные соображения, характеризующие общий подход к проблеме.

1. Под тепловым, или термическим, режимом зданий понимается распределение в пространстве и времени температуры воздуха и потоков тепла в здании. Термический режим зданий в основном определяется теплоощущением человека, которое зависит от комплекса факторов, как-то; температуры и влажности воздуха внутри помещения, скорости его движения, лучистых, потоков тепла и т. д. Однако, согласно действующим нормативным документам, при расчетах термического режима зданий учитывается лишь температура внутреннего воздуха Тв. При рассмотрении особенностей микроклимата помещений будет учитываться также лишь температура Тв как величина, определяющая тепловые ощущения человека.

2. Согласно принятой в настоящее время методике, для расчетов теплопотерь зданий в качестве температуры наружного воздуха используется лишь средняя многолетняя температура либо самой холодной пятидневки, либо самых холодных трех и одних суток. Влияние скорости ветра на потери тепла учитывается путем введения соответствующих коэффициентов. Так, для ограждающих конструкций расчет инфильтрации через проемы производится с увеличением теплопотерь на 15—40% в зависимости от скорости ветра за три наиболее холодных зимних месяца.

В расчетах не учитывается влияние солнечной радиации, поступающей в помещение. Практика эксплуатации зданий в различных климатических условиях показала, что в некоторых районах в переходные сезоны солнечная радиация значительно меняет термический режим помещений и недоучет этого фактора приводит к нарушению комфортных условий в помещении и лишней затрате топлива.

3. Задачей новых исследований, посвященных изучению влияния метеорологических факторов на тепловой режим зданий, являлось выяснение значимости температуры воздуха, скорости ветра и радиации в общем тепловом балансе зданий. Результаты исследований послужили основой для создания физико-математической модели этого воздействия и позволили произвести расчеты и высказать ряд практически важных рекомендаций.

Расчетные температуры наружного воздуха

В соответствии с действующими нормативными документами в качестве расчетной температуры наружного воздуха для определения толщины стен и мощности систем отопления используется средняя многолетняя температура самой холодной пятидневки. Период в 5 суток принят в соответствии с исследованиями, которые показали, что такая длительность достаточна для того, чтобы низкая температура наружного воздуха, установившаяся в течение этого времени, вызвала охлаждение массивных ограждающих конструкций (кирпичных стен в 2? кирпича).

Расчетные температуры наружного воздуха (средние многолетние температуры самой холодной пятидневки), помещенные в СНиП, были получены по материалам наблюдений метеорологических станций за длинный ряд лет. Достаточно устойчивые значения могут быть получены при использовании 50 лет наблюдений и более.

Для определения температуры самой холодной пятидневки, помещенной в СНиП, была выполнена следующая работа: по данным наблюдений метеорологических станций за 40—50 лет были отобраны 7—8 наиболее холодных зим, т. е. в расчет вводили 16% зим от периода наблюдений. Если период наблюдений более 50 лет, то соответственно и число выбранных зим будет больше (табл. 32).

Определение температуры самых холодных суток проводится аналогично, только выбирается один самый холодный день. Определение расчетных температур, как видно из приведенной выше методики, не представляет трудностей. Однако, как известно, метеорологических станций, имеющих 50—60-летний ряд наблюдений, немного, и их число не позволило бы получить информацию, достаточную для перехода к районированию или картированию расчетной температуры. В то же время необходимость в таких данных весьма велика, так как в ряде случаев требуется определить расчетную температуру в любой точке Советского Союза. Расчеты по материалам коротких рядов наблюдений приводят к ошибкам, и использование этих данных невозможно. Поэтому была исследована связь между температурой самой холодной пятидневки, вычисленной для станций с длинными рядами наблюдений, и многолетней средней температурой самого холодного месяца. Связь оказалась линейной. Соответствующие коэффициенты этой линейной зависимости получены для всей территории Советского Союза, по которым выполнено районирование. Карты районирования территории СССР приведены в СНиП [27].

Аналогичные расчеты и районирование были произведены для температуры самых холодных суток.

Для определения температуры самой холодной пятидневки используется следующая расчетная формула:

Карты районов для самой холодной пятидневки и самых холодных суток приведены на рис. 1 и 2.

При необходимости определения расчетной температуры самой холодной пятидневки или самых холодных суток следует:

1) установить по карте, в каком районе расположен пункт;

2) установить по Справочникам по климату СССР или другим источникам среднюю многолетнюю температуру самого холодного месяца; 3) вычислить по формуле искомую температуру,

В табл. 1 приложения приведены данные о расчетных температурах воздуха в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке. Распределение температуры самой холодной пятидневки t x.п по территории Восточной Сибири и Дальнего Востока носит весьма сложный характер. Наиболее низкие значения t x.п наблюдаются в Якутии, в котловинах и долинах рек, где они составляют —55...—60° С (Якутск, Оймякон, Верхоянск и др.). От основного холодного ядра расчетные температуры повышаются как к северу и югу, так и к востоку в направлении приморских районов и отчасти к западной границе рассматриваемой территории— долине Енисея. На севере и северо-востоке температура самой холодной пятидневки колеблется от —45 до —40 ... —35° С. На юге Восточной Сибири, в Предбайкалье и Забайкалье, она остается в пределах —40 ... —45 °С, на Камчатке и Сахалине, а также по побережью морей — повышается до —35...—20° С.

При выборе расчетной температуры следует иметь в виду, что существенное влияние на ее значение оказывают микроклиматические особенности. Поэтому при расчетах по формуле следует тщательно проверять правильность средней месячной температуры воздуха. Необходимо также указать на то, что использование формулы обеспечивает значение расчетной температуры с точностью ±1,5° С.

Длительность отопительного периода и его средняя температура

Под длительностью отопительного периода понимается время между переходами температуры воздуха через 8° С осенью и весной.

Следует отметить, что до настоящего времени начало периода работы отопления нередко связывают с определенными датами.

Рис. 3. Районирование по вентиляционной зимней температуре (СНиП).

Длительность отопительного периода в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке весьма значительная. Так, по северному побережью топить нужно весь год. В Якутии продолжительность отопительного периода составляет 260—280 дней, в Забайкалье 230—240, на Дальнем Востоке 200—220 дней. Данные о длительности отопительного периода и его средней температуре приведены в табл. 1 приложения и на рис. 3 и 4.

Рис. 4. Продолжительность (дни) отопительного периода (по СНиП).

Влияние метеорологических факторов на тепловой режим зданий

Как указывалось выше, расчет теплопотерь зданий в настоящее время производится по температуре самой холодной пятидневки, трех или одних суток (в зависимости от массивности ограждения). Влияние других метеорологических факторов на тепловой режим зданий учитывается лишь косвенно, путем введения различных поправок (например, влияние ветра — в размере до 40% теплопотерь, обусловленных температурой).

Однако известно, что влияние ветра на потери зданиями тепла очень велико и может быть правильно оценено лишь по комплексной характеристике температурно-ветрового режима.

Рассматриваемая ниже методика предложена Л. С. Гандиным [1], и результаты расчетов построены на учете влияния трех основных метеорологических факторов: температуры воздуха, скорости ветра и солнечной радиации. При разработке теории и расчетах были сделаны следующие ограничения: предполагалось одномерность и стационарность теплообмена.

1.

2. Предположение о стационарности в конечном счете означает, что отсутствует термическая инерция здания. В действительности же термическая инерция (особенно осенью) имеет место и проявляется довольно активно. Однако полученные результаты позволяют считать, что искажение расчетов невелико.

Прежде чем рассматривать отдельные факторы теплового режима зданий, полезно обсудить некоторые особенности механизма теплообмена здания с внешней средой.

Как известно, основным видом теплообмена через ограждения является обмен, обусловленный теплопроводностью материала ограждения. Нетрудно по значениям температуры наружной и внутренней поверхностей ограждения вычислить кондуктивный поток тепла.

Обычно при расчетах теплопотерь ограничиваются учетом кондуктивного теплообмена. Воздухообменом практически пренебрегают, несмотря на то, что в некоторых условиях роль других видов теплопотерь сравнима с кондуктивными. В исследованиях Главной геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова способ учета инфильтрационных теплопотерь (т. е. теплопотерь, обусловленных воздухообменом) базируется на том, что воздухообмен осуществляется сквозь щели и неплотности в проемах. Воздухообмен сквозь поры материала мал и им можно пренебречь. Инфильтрационные теплопотери — второй важный вид теплообмена — зависят от средней квадратической (по поверхности оконной части ограждения) скорости воздухопроницания.

В соответствии с представлением о турбулентном характере воздухопроницания последнее принимается пропорциональным скорости ветра.

Третьим видом теплообмена является лучистый теплообмен. Согласно действующим нормативным документам, потоки лучистой энергии учитываются при оценке естественной освещенности и перегрева помещений (в этом случае потоки лучистой энергии играют роль вредного фактора). В то же время известно, что лучистый теплообмен оказывает значительное влияние на тепловой режим зданий в холодное время года. Как будет показано ниже, без учета этого фактора нельзя достаточно точно определить длительность отопительного периода, его начало и конец. В переходные сезоны, особенно весной, когда облачность сравнительно невелика, вклад лучистых теплопоступлений в тепловой режим зданий существен, а в некоторых районах с ясной солнечной зимой этот фактор нужно учитывать и в зимние месяцы.

Метеорологические факторы максимальных теплопотерь

Как известно из практики, ветер существенно влияет на теплопотери зданий — с увеличением скорости ветра теплопотери возрастают. Эти теплопотери определяются как проникновением наружного более холодного воздуха внутрь помещения, так и выходом воздуха из помещений. Влияние воздухопроницания на теплопотери особенно сильно в условиях, когда теплопотери велики и близки к экстремальным. Учет этих теплопотерь представляет основную задачу при определении мощности отопления.

В работе [2] приведены обоснования и расчеты кондуктивных и кондуктивно-инфильтрационных теплопотерь, выполненные в предположении, что температура внутреннего воздуха Тв, поддерживается постоянной, а изменяется температура наружного воздуха Тн и скорость ветра v, обусловливающая теплопотери здания. Рассмотрев механизм теплообмена ограждения с окружающим воздухом, учтя полное термическое сопротивление стен R, авторы [2] получили выражение для потока тепла

Исследование кондуктивно-инфильтрационного потока через оконную часть ограждения позволило ввести в расчет некоторые величины, характеризующие теплопотери за счет ветра. Задавая соответствующее значение ? так, чтобы описывался закон распределения ? по оконной части ограждения, можно определить поток тепла через него по формуле

А>1 и, следовательно, при наличии воздухообмена теплопотери будут больше, чем без него.

Для определения влияния скорости ветра на теплопотери необходимо знать статистический закон распределения инфильтрации и эксфильтрации по остекленной части ограждения. Данные такие отсутствуют, и поэтому в расчеты были введены соотношения, полученные по имеющимся экспериментальным и расчетным данным.

Движение воздуха в щелях оконных проемов носит, как правило, турбулентный характер и скорость его пропорциональна квадратному корню из ветрового напора. Отсюда следует, что по,

Для получения более достоверных значений коэффициента воздухопроницания целесообразно исходить из результатов измерений в натурных условиях. Естественно, нужно использовать данные не о теплопотерях через окна, а об общих теплопотерях зданий, величина которых может быть получена по данным об отпущенном на отопление тепле или затраченном топливе.

Эффективная температура теплопотерь.

Определение мощности отопительной системы любого здания требует знания тех наиболее неблагоприятных метеорологических условий, которые обусловят наибольшие теплопотери здания и понижение температуры внутри помещений. Совершенно очевидно, что нельзя в подобных расчетах исходить из каких-то максимальных теплопотерь, возникших под действием абсолютных минимумов. Согласно СНиП, как указывалось выше, расчет ведется по температуре самой холодной пятидневки, имеющей вероятность примерно один раз в 5 лет. Иными словами, допускается, что один раз в 5 лет температура внутри помещения будет ниже расчетной (18°С) в течение какого-то не очень большого времени. Такой подход позволяет существенно уменьшить требования к мощности отопительной системы. Однако недоучет влияния ветра на теплопотери при использовании данных о температуре холодной пятидневки приводит к занижению расходов топлива и требует введения другого, комплексного параметра, отражающего совместное влияние двух метеорологических величин: температуры воздуха и скорости ветра.

Для того чтобы подобные расчеты можно было производить для зданий с любыми теплотехническими параметрами или для группы зданий по их теплотехническим свойствам, были предложены соответствующие расчетные формулы, в которые вошла эффективная температура Тэ

Тэ = Тн — m (А — 1) (Tв- Tн), (9)

Под климатом зим при расчетах теплопотерь понимаются характерные для данного района сочетания значений температуры и ветра, обусловливающих существенную повторяемость низких Тэ. Так как значение Тэ складывается под воздействием двух метеорологических элементов, важно оценить вклад каждого из них. В зависимости от этого и можно разрабатывать мероприятия и рекомендации для уменьшения их влияния на теплопотери и расход топлива. В качестве примера в табл. 34 приведены сочетания значений температур воздуха и скоростей ветра и соответствующие значения эффективных температур во Владивостоке. В Восточной Сибири можно выделить несколько районов, различающихся по преобладающему вкладу в величину эффективных температур то ветра, то температуры.

На северном побережье Якутии фактические температуры воздуха могут опускаться до —56...—58° С при штиле и слабом ветре, в то же время при существенно более высокой температуре могут иметь место сильные ветры. Поэтому для северного побережья характерен большой диапазон температур и ветров, в комплексе обусловливающих одинаковые значения Тэ. Например, на ст. Кюсюр Тэ = —79° С. Однако наиболее низкие значения Тэ будут при температуре воздуха от —20 до —46° С и скорости ветра от 2 до 24 м/с.

Наиболее низкие температуры воздуха наблюдаются, как известно, в Якутии. В Верхоянске, Оймяконе и Якутске Тэ изменяется от —58 до —61° С. Основную роль в формировании эффективных температур играет температура наружного воздуха, отличающаяся здесь большой стабильностью. В Оймяконе и Верхоянске ветер при выбранных эффективных температурах не превышает 3 м/с. В Якутске в очень редких случаях возможно усиление ветра до 10—12 м/с при температурах —30°С и ниже.

На Северо-Востоке СССР в прибрежных открытых районах температура воздуха значительно выше, чем в Якутии, а эффективные температуры составляют —90° С и ниже. Основную роль в формировании термического режима зим играет ветер, скорость которого здесь очень велика. Так, например, в Анадыре ветер скоростью от 20 до 40 м/с бывает при температурах от —10 до —36° С. Соответственно и эффективные температуры опускаются до —90...—92° С.

На побережье Охотского моря, Дальнем Востоке, Камчатке и Сахалине основную роль в формировании эффективных температур также играет ветер. Теплопотери зданий в этих районах сравнимы с теплопотерями в условиях северного побережья.

Приведенные данные подтверждают высказанное выше соображение о том, что совместное влияние температуры и ветра на теплопотери зданий следует рассматривать как особый, новый климатический фактор, меняющий принятые в настоящее время критерии оценки суровости зим.

В заключение рассмотрим, какими могут быть максимальные значения теплопотерь, определенные различными методами.

Наряду с расчетами теплопотерь по СНиП [27] в ряде исследований предлагалось учитывать скорость ветра в период холодной пятидневки (табл. 36). Для Дальнего Востока О. П. Гуторова и А. А. Цвид [12] предложили рассчитывать теплопотери с учетом ветра. В исследуемом ими районе низкие температуры сопровождаются сильными ветрами. Однако перенесение этого вывода на другие районы неправомочно, так как лишь в условиях муссонного климата справедливо такое совпадение. Обычно при низких температурах скорости ветра слабы. Поэтому если определить среднюю скорость ветра для тех пятидневок, которые вошли в СНиП, и по ним рассчитать эффективную температуру, то она будет выше той, которая получается при расчете по всей совокупности температуры и ветра.

Представляет интерес сравнить температуру самой холодной пятидневки с эффективной температурой, вычисленной при 7 = 0,2 с/м. Как видно из табл. 37, лишь в Якутске расчетные температуры, вычисленные любым методом, практически не различаются, в других пунктах это различие тем больше, чем сильнее ветер.

Эффективная температура отличается от температуры холодной пятидневки мерой воздействия ветра, и, следовательно, в тех районах, где влияние ветра мало, разница между ними должна быть незначительной при условии, что метод расчета физически верен. В качестве подтверждения правомочности эффективной температуры могут служить данные о Тэ по Якутску, для которого все методы дают одинаковые значения температуры.

Температура самой холодной пятидневки представляет собой величину, характеризующую непрерывную длительность понижения температуры с некоторой вероятностью: один раз в 5 лет в течение 120 ч может быть в среднем такая температура. Следовательно, в этот период отопление будет работать на предельной мощности, а в помещениях будет температура ниже нормальной. Но эти расчеты сделаны без учета ветра. При использовании в расчетах скоростей ветра необходимо оценить суммарную длительность эффективных температур, равных температуре самой холодной пятидневки (табл. 38).

Эффективная температура, равная температуре самой холодной пятидневки, наблюдается ежегодно не менее чем в 0,4—0,5% времени года, а не один раз в 5 лет.

Следовательно, расчеты отопления, выполненные по температуре самой холодной пятидневки, учитывают не редко встречающиеся понижения температуры, а такие, которые бывают ежегодно в течение большого отрезка времени. В тех районах, где влияние ветра не очень существенно сказывается на значении теплопотерь, ежегодные понижения реальных теплопотерь до расчетных и ниже в какой-то мере проходят незамеченными. Это, по-видимому, относится к тем районам, где подобные понижения составляют 0,5—1% времени года, т. е. до 40—80 ч. Однако в районах, где теплопотери существенны и достигают многих процентов, при ежегодных понижениях температуры помещение, несомненно, должно получать дополнительное тепло.

Районирование территории по эффективным температурам. Анализ распределения Та удобнее провести путем районирования, так как задача исследования максимальных теплопотерь наиболее рационально решается при учете крупных изменений метеорологических величин. Районирование любой комплексной характеристики представляет большие трудности, обусловленные тем, что одно и то же ее значение складывается из различных долей входящих в нее метеорологических элементов. Совершенно очевидно, что выбор рациональных конструктивных параметров ограждений и режима отопления будет определяться правильным анализом причин, вследствие которых Тэ имеет соответствующее значение.

Распределение Тэ по Восточной Сибири и Дальнему Востоку весьма сложно как из-за особенностей рельефа, так и вследствие сложного характера ветрового режима. Районирование по значениям Тэ на этой территории затруднено также и тем, что сложно распространять имеющиеся данные на территории, мало освещенные метеорологическими наблюдениями. К ним в первую очередь относятся горные районы Восточной Сибири, где данные справедливы в основном для долин рек, а возвышенности практически не освещены наблюдениями. На севере рассматриваемой территории в связи с быстрым увеличением скорости ветра оказалось необходимым увеличить градации ее расчетных значений, определяющих границы, а быстрый рост температуры на юге потребовал более подробного деления. Районирование территории СССР по значениям Тэ? приведено в работе [2]. В табл. 39 указаны характерные значения эффективной температуры для Восточной Сибири и Дальнего Востока (рис. 5). В каждый из указанных в табл. 39 районов вошли станции, на которых Тэ изменяется на 5—10° С, а в некоторых районах на 20° С. Более крупные градации приняты для тех районов, где значения Тэ ? очень велики.

Как видно из рис. 5 а, наиболее обширным является район VIII, где эффективные температуры изменяются в пределах —51...—60°С. Природа столь низких значений Тэ ?в этом районе весьма различна. В центральных районах Якутии основная роль в их формировании принадлежит температуре воздуха, и, следовательно, здесь преобладают кондуктивные теплопотери которые могут быть компенсированы мощной системой отопления, массивными стенами и тройным остеклением. На Даль нем Востоке в районах действия зимнего муссона Тэ? достигает значений, сравнимых с таковыми на севере рассматриваемой территории (Владивосток —65°С, Тетюхе —76°С).

Здесь заметную роль в теплопотерях играет ветер, который в период очень низких температур достигает больших скоростей, и, следовательно, преобладающими являются инфильтрационные теплопотери, и необходим специальный комплекс мероприятий по герметизации помещений.

На рис. 5 б представлено районирование по эффективной температуре Тэ? . Переход к эффективным температурам большей вероятности по-разному сказывается на ее значении. В районах с устойчивой зимней погодой и преобладанием кондуктивных теплопотерь разница между Тэ?, и Т?, составляет 2—5° С. На севере территории, где наблюдаются большие скорости ветра, испытывающие зимой значительные колебания, разница составляет 10—15° С, а иногда и 20° С.

В Восточной Сибири распределение Тэ? по сравнению с распределением Т отличается большим разнообразием. В южной ее части, в Прибайкалье, значения Тэ? более высокие, до —41...—45° С. Также значительно выше расчетные температуры в Хабаровском крае: Тэ? — —46...—50° С. Анализ полученных результатов показывает, что в районах VIII—XI (рис. 5 а) и в районах VI—X (рис. 5 б) необходимы специальные меры по уменьшению теплопотерь, разных для различных вкладов температуры и ветра. Как указывалось выше, приведенные результаты расчетов выполнены для одного типа зданий. Изменения параметров здания могут привести к изменению значений Тэ, но характер их распределения по территории остается примерно таким же. С этой точки зрения приведенные карты могут быть использованы при выборе конструктивных параметров зданий, а в типологии жилища должны послужить для обоснования разработки специальной планировки здания внутри или размещения его на местности.

Данные о Тэ весьма полезны при оценке условий эксплуатации многоэтажных зданий, для которых особое значение имеет влияние ветра на теплопотери в помещениях верхних этажей. Для промышленных зданий, отличающихся большой площадью окон и дверей, особое значение имеет учет теплопотерь, возникающих под действием ветра, так как во многих случаях от этого зависят и условия работы, и технологический процесс. Рассмотренные выше условия максимальных теплопотерь зданий позволяют обосновать расчеты потребной мощности отопительной системы. Для этих расчетов достаточно данных о температуре воздуха и скорости ветра. Влияние лучистых потоков зимой в основном невелико и им можно пренебречь. Однако для решения ряда задач, в частности задачи об определении длительности отопительного периода и режима отопления, необходимо рассмотреть влияние всех трех основных метеорологических факторов: температуры, ветра, солнечной радиации, т. е. исследовать тепловой режим зданий в общем случае при воздействиях всех грех видов теплообмена: кондуктивного, инфильтрационного и радиационного. Такой подход позволит рассмотреть средний годовой ход теплопотерь, знание которого дает возможность определить длительность отопительного периода, оценить режим подачи тепла и затраты топлива, необходимого для компенсации теплопотерь.

Согласно существующим методам расчета теплопотери считаются пропорциональными разности между температурами внутреннего и наружного воздуха (Т = Тв- Тн. Отсюда следует, что при (Т = 0 должен начинаться отопительный период.

Однако из повседневного опыта известно, что это неверно. Согласно СНиП, отопительный период начинается при 8°С, когда (Т = 10( Практический опыт, подсказавший подобное решение, основывается на том, что температура внутри помещения поддерживается солнечным теплом, проникающим сквозь стекла окон.

Рис.5а Карта-схема районирования по эффективной температуре а)-вероятность 0.1%.

Из сказанного очевидно, что для правильного учета потребного тепла и оценки требований к работе отопления необходимо знать, сколько же тепла вносит солнечная радиация. Для получения данных о потоках солнечной радиации, падающей на вертикальные поверхности и проникающей через окна, разработаны специальные методы расчета, подробно рассмотренные в работе [25]. Отметим, что потоки на вертикальные стенки имеют две особенности, отличающие их от потоков на горизонтальные поверхности. Первая состоит в том, что в северных районах они в среднем лишь немногим меньше, чем в южных. Это объясняется изменением высоты солнца, которая в северных районах невелика, вследствие чего угол между направлениями потоков прямой радиации к нормальной и вертикальной поверхностям также невелик. При таких условиях на вертикальные поверхности попадают существенно бОльшие потоки, нежели на горизонтальную.

Рис.5б Карта-схема районирования по эффективной температуре б)-вероятность 0.4%.

Вторая особенность состоит в том, что с ростом широты уменьшаются различия между потоками суммарной радиации, падающей на вертикальные поверхности различной ориентации. Расчеты, проведенные в работе 2, показали, что за счет солнечной радиации в здание с площадью окон, составляющей около 30% общей площади стен, поступает дополнительно до 10° С тепла, что равно разности между Тв и Тн, при которой начинает работать отопление. Иными словами, если поток радиации составляет около 4 ккал(см2 ? мес), то солнечное тепло может поддерживать в помещении температуру воздуха около 18° С.

В работе [2] подробно рассмотрено влияние на теплопотери зданием температуры воздуха, солнечной радиации и ветра. Рассмотрение различных механизмов теплообмена позволило ввести понятие дефицита тепла (Тэ, представляющего собой оценку реально возникающих теплопотерь

(Тэ=(Т +(Tv-(Ti-(T? (10)

где ?Т — разность температур внутреннего и наружного воздуха;

?Tv — теплопотери за счет ветра;

?Ti — теплопоступления за счет радиации;

?T — бытовые теплопоступления.

Выше были рассмотрены механизмы потерь тепла за счет температуры воздуха и скорости ветра. Эти данные необходимы для определения мощности отопительной системы. В течение же большей части отопительного периода метеорологические условия таковы, что используется лишь часть возможной мощности отопления. Эта мощность меняется в течение отопительного периода, и кривая теплопотерь дважды в год переходит через нуль и тем самым определяет длительность отопительного периода.

Рис. 6. Годовой ход дефицита тепла. а — Владивосток, б — Диксон.

Для подобных расчетов можно использовать как данные о каждом встречающемся сочетании температуры, ветра и радиации, которые после осреднения покажут, каковы теплопотери, так и средние значения температуры, ветра и радиации. Как показали специальные расчеты, различие невелико и им можно пренебречь.

На рис. 6 показан годовой ход теплопотерь, возникающих под влиянием температуры, ветра и радиации. На этих графиках годовой ход теплопотерь характеризуется кривой ДГ (в соответствии с применяемой сейчас практикой расчета теплопотерь).

Рис. 7. Карта-схема распределения величины ??Tv?C-мес по территории CCСР.

При Т = 10° С, т. е. когда различие между Тв и Тн составляет 8° С, начинает работать отопление (на графике проведена горизонтальная линия). ?Tv — это теплопотери под влиянием ветра, ?Ti —теплопоступления от радиации, ?Tэ —дефицит тепла под влиянием всех факторов, а ?T?э —при учете половины радиации, т. е. в условиях застройки. Как видно из графика, в районах с большими скоростями ветра зимой теплопотери существенно больше тех, которые сейчас приняты при расчетах. В переходные же сезоны добавка тепла от радиации весьма существенна, особенно весной. Интересен ход теплопотерь во Владивостоке, где в ясные солнечные зимние дни дополнительное тепло весьма велико.

Эти расчеты, как и все последующие, приведенные в данном разделе, выполнены для здания со следующими конструктивными параметрами:

Rс — суммарное термическое сопротивление, равное 1,09 м2?ч?°С/ккал (что соответствует стене в 2? кирпича);

R0 — суммарное термическое сопротивление окон с двойным остеклением, равное 0,58 м2?ч?°С/ккал;

(?o — относительная площадь окон, равная 0,3.

При указанных значениях Rc, Ro, ?o, значение термического сопротивления R, осредненного по всей поверхности ограждения, будет равно 0,86 м2 ?ч?°С/ккал;

Тв—температура внутреннего воздуха, равная 18° С;

? — коэффициент воздухопроницаемости остекленной части ограждения, равный 0,2 с/м;

?0 — коэффициент пропускания суммарной коротковолновой радиации, падающей на остекленные части ограждения перпендикулярно к их поверхности, равный 0,67, что соответствует окну с двойным остеклением.

Совершенно очевидно, что в разных климатических условиях здания приняты с различными конструктивными параметрами (толщина стен, площадь окон и т. д.). Приведенные ниже расчеты сделаны для здания определенного типа, одного для всего исследуемого района. Это сделано для того, чтобы иметь возможность более четко оценить влияние на теплопотери зданиями метеорологических факторов и отдельных параметров, входящих в комплекс.

Остановимся на распределении дефицита тепла по территории исследуемых районов.

Составляющие дефицита тепла в отдельных районах территории СССР приведены в табл. 40 для стен восточной ориентации при учете полного количества приходящей радиации.

Дефицит тепла в Восточной Сибири (табл. 41) достигает наибольших значений на территории Советского Союза, и на площади от Енисея и до приморских районов его сумма ??T = 300... 400°С-мес. В соответствии с этим при расчетах теплопотерь в Восточной Сибири следует планировать все мероприятия по их уменьшению, как-то: тройное остекление, утепление входных дверей и тамбуров, увеличение толщины стен и мощности системы отопления.

При учете половинного количества солнечной радиации ??T возрастает на 8—10%.

В соответствии с принятой теорией часть дефицита тепла, обусловленная действием ветра (?Тv), зависит как от скорости ветра, так и от температуры воздуха, при которой этот ветер наблюдается.

В качестве примера рассмотрим, как изменяется ?Тv, под влиянием одних и тех же скоростей ветра при разных значениях температуры (табл. 42).

Из приведенных данных видно, что различие в температуре воздуха при практически одинаковых значениях скорости ветра приводит к существенному изменению ?Tv. Следовательно, в районах, где при низких температурах наблюдаются сильные ветры, эффект их действия будет тем больше, чем ниже температура воздуха, и тем более суровые условия будут наблюдаться.

Годовое значение ??Tv (рис. 7) изменяется по исследуемой территории от 80—95° С ? мес на северном побережье до нескольких градусо-месяцев в центральных районах Восточной Сибири. В Восточной Сибири имеет место резкое изменение значений ??Tv от открытых ветреных северных побережий к защищенным районам Центральной Якутии. Весьма существен вклад ветра в теплопотери на Дальнем Востоке, где в период низких температур наблюдаются сильные ветры.

Как известно, наиболее ощутимо влияние ветра при низких температурах в период отсутствия солнечной радиации. В этом случае защита от ветра может быть наиболее действенной. Как видно из табл. 43, в период низких температур ?Tv достигает 6—9° С в прибрежных и безлесных северных районах и на Дальнем Востоке. Анализ данных по распределению ?Tv позволил выделить ветроопасный район, в который вошла территория, где ((Tv достигает 15° С и более (рис. 7). Согласно этим данным, в ветроопасных районах, куда входит на исследуемой территории долина Енисея на западе, а также северное побережье и Дальний Восток, уменьшение инфильтрационных потерь даст наибольший экономический эффект.

Как известно, влияние радиации на тепловой режим зданий определяется их ориентацией и площадью окон. Для общих рассуждений и оценок, по-видимому, наиболее справедливо будет использовать данные, полученные для стен восточной ориентации, и лишь в особых климатических условиях полезно рассмотреть тепловой режим северных и южных помещений. Основное же различие в количестве солнечной радиации, поступающей на стены, зависит от плотности застройки. В табл. 44 приведены данные о количестве тепла, поступающего на стены отдельно стоящего здания, для некоторых станций исследуемой территории. Для сравнения в ней также приведены сведения и для некоторых южных пунктов (Ашхабад, Ташкент).

В Восточной Сибири период малых значений ?T/ составляет 5—7 месяцев. На Дальнем Востоке количество тепла существенно во все месяцы. Дополнительное тепло, проникающее в здание под влиянием лучистых потоков, уменьшает здесь теплопотери, возникающие под действием температуры воздуха, на 30—40%, а во Владивостоке на 60%. На рис. 8 представлено распределение величины ??T1??мес по территории. На большей части Восточной Сибири и Дальнего Востока добавка тепла от солнечной радиации весьма существенна, особенно на Дальнем Востоке и в Забайкалье. Учет этого тепла очень важен весной и осенью, когда добавка тепла радиации может обеспечить поддержание расчетной внутренней температуры без использования отопления.

В заключение рассмотрим климатические особенности распределения дефицита тепла, синтезирующего те особенности в тепловом балансе здания, которые возникают в результате различного вклада отдельных метеорологических элементов, входящих в него.

На рис. 9 представлено распределение дефицита тепла на территории СССР при учете половинной величины радиации, падающей на восточную стену, а в табл. 45 приведены данные о дефиците тепла, вычисленном только по температуре воздуха, с учетом ветра и всей и половинной радиации. Учет радиации в застройке (т. е. ее половинного значения) показывает, что в районах с сильными ветрами приход тепла от радиации недостаточен для покрытия действия ветра.

Как указывалось выше, использование комплексной характеристики при учете теплопотерь позволяет более объективно выделить начало и конец отопительного периода. Сравнение полученных данных с материалами, используемыми в СНиП, показывает, что учет влияния солнечной радиации на тепловой режим зданий совершенно необходим. В некоторых районах уменьшение продолжительности отопительного периода при учете влияния радиации достигает 10—15%. На большей части исследуемых районов длительность отопительного периода составляет 225—250 дней, а на северном побережье 340—365 дней в году (табл. 46). Для ряда расчетов по СНиП используется средняя температура отопительного периода. Однако эта величина не характеризует условия средних теплопотерь и целесообразно ее заменить величиной, отражающей действие всех трех компонентов. Такой величиной может быть температура ?э, равная разности между средним за отопительный период дефицитом тепла ? и температурой воздуха внутри зданий Тв. Средний дефицит тепла является отношением сумм дефицита тепла к длительности отопительного периода. Рассчитав ? и вычтя его из Тв = 18°С, определим значение температуры ?э, которая представляет собой характеристику суровости отопительного периода. На рис. 10 представлено распределение ее по территории исследуемых районов. Как и следовало ожидать, наибольшая суровость наблюдается в Восточной Сибири и на северном побережье азиатской территории СССР, причем на побережье суровость сопоставима с условиями Центральной Якутии, наиболее холодной части страны. В южной части Восточной Сибири и на Дальнем Востоке ?э составляет от —3 до — 10° С и не очень меняется по рассматриваемой территории. Результатом всех исследований явилось районирование по метеорологическим факторам теплового режима зданий. Районирование выполнено с учетом

1) длительность периода теплопотерь (продолжительность отопительного периода);

2) общие годовые теплопотери здания, вычисленные с учетом влияния температуры воздуха, скорости ветра и солнечной радиации;

3) эффективная температура, которая обусловливает максимальные теплопотери зданий и определяет мощность отопительной системы ?э(,;

4) теплопотери, возникающие под влиянием ветра (Тv„ и радиации (Ti.

5) длительность периода теплопоступлений;

6) добавка тепла от солнечной радиации в самый жаркий месяц года.

Распределение районов по исследуемой территории представлено на рис. 11, характеристики для этих районов даны в табл. 47. Как видно, вся территория характеризуется очень низкими значениями (от—45 до —60° С и ниже) эффективных температур ?э( , определяющих максимальные теплопотери.

Очень разнообразно влияние ветра, а отсюда и разнообразие как типов зданий, так и их конструктивных особенностей. Так, в районах 16, 1в, 1г и Ив влияние ветра настолько велико, что необходимо предусмотреть специальные мероприятия для резкого уменьшения инфильтрации; это может обеспечить большую экономию топлива. На территории, отнесенной к району 1а, основную роль в теплопотерях играют низкие температуры, и естественно, что конструктивные особенности здания и режим подачи тепла будут совершенно иными, чем в предыдущем случае.

Рис. 11. Районирование территории СССР по тепловому режиму зданий.

Таким образом, в результате всех расчетов получены качественно новые характеристики климата, позволяющие на основании учета воздействия нескольких метеорологических элементов оценить потребность в тепле и топливе, а также обосновать тот или иной тип жилища или сооружения.

Анализ значений дефицита тепла в исследуемых районах, а также вкладов различных метеорологических элементов (ветра и радиации) в этот дефицит позволяет оценить также изменчивость их средних значений и сделать ряд практических выводов, важных для планирования расхода топлива в различных районах и в разные месяцы года.

В первую очередь следует рассмотреть средние месячные значения дефицита тепла ?ТЭ по исследуемой территории.

Сентябрь является первым месяцем, когда дефицит тепла становится положительным. На севере исследуемой территории дефицит тепла достигает 15—20° С, в центральной части Восточной Сибири 5—10° С и лишь в Приморье он еще невелик.

В октябре дефицит тепла изменяется от 10—15° С в южной части территории до 25—30° С в северной и центральной. Для сравнения укажем, что такое (25—30°С) значение (ТЭ в центральной части Европейской территории Советского Союза бывает лишь в декабре.

Для ноября характерно наличие обширной области больших значений дефицита тепла (от 30 до 50° С) в долинах рек Якутии. Эта область в последующие месяцы (декабрь—февраль) становится еще обширнее, и в Восточной Сибири дефицит тепла в этот период составляет 50—55° С, а в наиболее холодных районах (Верхоянск, Оймякон) — до 65° С и более. С декабря по февраль величина (ТЭ в исследуемых районах остается значительной. На севере и северо-востоке территории (ТЭ достигает 50—60° С, а в Прибайкалье, на Камчатке, Сахалине и в Приморском крае уменьшается до 35—40° С. Из приведенных данных видно, что высокие значения (ТЭ в северных, прибрежных районах обусловливаются действием ветра, а в Центральной Якутии — температурой воздуха. В табл. 48 приведены значения (ТЭ для отдельных месяцев и станций.

Остановимся на климатической изменчивости месячных теплопотерь. Приведенные выше данные о средних месячных теплопотерях весьма полезно дополнить данными об изменении этих величин в последние 10 лет. На рис. 12 представлены данные (ТЭ +?Т за отдельные годы, где ?Т — потери тепла за счет ветра. Следует указать, что в последнее десятилетие наиболее значительные отклонения от средних имели место зимой 1968-69 г.

В ноябре 1968 г. область отрицательных аномалий (до —10° С) занимала северную часть Восточной Сибири. В январе 1969 г. область отрицательных аномалий охватила огромную территорию от западных границ СССР до центральных областей Якутии и достигла —12...—14° С. Вероятность таких отклонений составляет 1—2 случая за 100 лет. В районах, расположенных севернее 60° с. ш., в последнее десятилетие участились случаи аномально-холодных зим. Анализ графиков показывает, что в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке некоторое понижение относительно нормы наблюдалось в 1970-71 г., в остальные годы дефицит либо был почти равен норме, либо немного превышал ее.

Потребность в топливе, изменяющаяся в зависимости от метеорологических условий, может быть оценена с помощью средней квадратической межгодовой относительной изменчивости дефицита тепла, которая представляет собой отношение средней квадратической межгодовой изменчивости дефицита тепла к самому дефициту.

С практической точки зрения, а также потому, что прогнозы погоды обычно даются на месяц, мы будем рассматривать отклонения дефицита тепла за конкретный месяц от его среднего многолетнего значения для того же месяца. Изменчивость, понимаемую в этом смысле, будем называть межгодовой изменчивостью.

Средняя квадратическая изменчивость средних месячных значений дефицита тепла в сентябре на исследуемой территории составляет 1,5—2° С на севере и северо-востоке и в пределах 1°С на остальной территории. В октябре изменчивость возрастает до 3—3,5° С, а в ноябре в Якутии до 4—4,5° С. Наименьшая изменчивость наблюдается на Дальнем Востоке, где она остается в пределах 1,5—2° С. В декабре и январе значительная изменчивость дефицита тепла наблюдается в междуречье Енисей — Лена (до 4—4,5° С), на северо-востоке СССР и Камчатке (до 4,5—5° С). Относительная изменчивость дефицита тепла, т. е. изменчивость дефицита в процентах к самому дефициту, составляет 9—13% в Предбайкалье, 4—9% в Забайкалье и Якутии. На Дальнем Востоке, на побережьях и в прилежащих районах изменчивость несколько возрастает и достигает 10—15%. Следует особо отметить тот факт, что в районах стационирования сибирского антициклона (Восточная Сибирь, Предбайкалье, Забайкалье), особенно в его центре, изменчивость дефицита тепла невелика, но ввиду того, что сам дефицит здесь весьма значителен, каждый процент изменчивости представляется весьма существенным.

Теплопотери здания, пропорциональные дефициту тепла, и относительное изменение дефицита вследствие изменения погодных условий, т. е. изменение, деленное на его среднее значение, равно обусловленному им относительному изменению теплопотерь здания, которые компенсируются работой отопительной системы. Количество тепла, выделяемое этой системой в здании, в свою очередь пропорционально массе затрачиваемого топлива. Иными словами, относительное изменение необходимых затрат топлива вследствие изменившихся метеорологических условий оказывается равным относительному изменению дефицита тепла. Абсолютные значения количества потребного топлива могут быть определены из расчета объема отапливаемых зданий, что обычно известно в каждом городе или районе.

В табл. 49 приводятся данные об относительной изменчивости средних месячных значений дефицита тепла, которые могут быть использованы для соответствующих расчетов.

Остановимся на изменчивости расходов топлива. Изменение эффективной температуры вызывает изменение теплопотерь здания, а следовательно, и расходов топлива по отношению к норме.

Абсолютные значения изменения количества расходуемого топлива (в тоннах условного топлива) зависят не только от метеорологических условий, но и от некоторых других параметров, в том числе и от объема отапливаемых помещений.

Приведем результаты некоторых приближенных расчетов расхода топлива, выполненных на основании имеющихся данных о площади городского жилого фонда. Расчет производился по формуле

?в= ?Тэ?k?Sгод

Здесь ?в — величина изменчивости расхода топлива за месяц (млн. тонн условного топлива); ?Тэ — среднее квадратическое отклонение эффективной температуры (?С); Sгод — площадь жилого фонда (по данным на 1 января 1971 г.); k — переводной коэффициент, учитывающий теплотехнические характеристики ограждений и КПД источника тепла.

Расчет выполнен для здания серии 1-464. Результаты расчетов приведены в табл. 50 и представляют собой данные, которые можно использовать для планирования запасов топлива с учетом влияния метеорологических условий. Приведенные данные об изменчивости расходов топлива целесообразно сравнить с фактическими расходами.

Рекомендации

В результате проведенного исследования можно ряд практических рекомендаций.

1. Используемые в настоящее время в СНиП климатические данные о температуре наружного воздуха не позволяют достаточно корректно определить теплопотери зданий. Следует вместо температуры самых холодных суток, трех и пяти дней использовать данные об эффективной температуре.

2. Учитывая большое влияние скоростей ветра на теплопотери зданий, все расчеты следует проводить по комплексной характеристике температура — ветер. Необходим поверочный расчет на инфильтрацию зданий, возводимых в ветроопасных районах (см. рис. 7). При этом нужно принимать во внимание разность между температурой внутреннего воздуха и эффективной температурой.

3. Для обеспечения правильного отпуска тепла в теплосети необходимо:

а) установить наблюдения за температурой воздуха и скоростью ветра в жилых кварталах и данные передавать диспетчеру теплосети;

б) производить отпуск тепла по графику, учитывающему совместное действие температуры воздуха и скорости ветра;

в) использовать детальные прогнозы температуры воздуха и скорости ветра на сутки, что позволит более точно регулировать подачу топлива.