Внешние нагрузки
Внешние тепловые нагрузки – это нагрузки, возникающие из-за теплого атмосферного воздуха и солнечного излучения.
На расчёт внешних нагрузок в значительной степени влияют следующие факторы:
- Излучение через прозрачные внешние элементы
- Теплопередача через стены
- Атмосферный воздух
Под «прозрачными элементами» в первую очередь понимаются окна. Основным фактором для внешней тепловой нагрузки является проникновение «солнечной энергии» через окна. Уровень излучения зависит от региона, времени года, времени суток и мутности. Солнцезащитные устройства могут значительно уменьшить влияние теплового излучения. Выбор подходящих солнцезащитных устройств позволяет снизить затраты на охлаждение здания и, следовательно, потребление энергии.
Из-за динамических изменений разницы температур снаружи и внутри на теплопередачу через стены влияет аккумуляция тепла. Аккумуляция тепла – это свойство элементов поглощать тепло и снова отдавать его при более низких температурах. Тепло, поглощаемое элементами, в зависимости от тепловой массы, оказывает воздействие в помещениях с временной задержкой. Здания с высокой теплоаккумулирующей способностью обеспечивают выравнивание температурных колебаний во внутренних помещениях и предотвращают нагрев внутренних помещений выше комфортных температур летом. Это приводит не только к более высокому уровню комфорта микроклимата в помещении, но и к снижению пиковой нагрузки и, следовательно, к снижению затрат на электроэнергию.
Свежий воздух снаружи обеспечивает обновление воздуха в зданиях. Однако сначала его нужно охладить до желаемой температуры в помещении. Атмосферный воздух может подаваться через открытые окна и двери, путём инфильтрации или механической вентиляции. Наружная температура зависит от расположения и высоты здания. Для расчёта нагрузки на охлаждение VDI 2078 делит города в Германии на 4 зоны холодильной нагрузки с учётом городского климата. Для каждой зоны указываются среднесуточные значения наружной температуры и амплитуда колебаний в °C. Кроме того, VDI предусматривает поправку для центров больших городов климатических зон 3 и 4, что приводит к повышению среднесуточных температур и меньшей амплитуде. В результате перепад «день/ночь» уменьшается. К центрам больших городов относятся центры в городах с населением более 100 000 человек, с плотной застройкой и без зелёных массивов.
Пример проекта
Для оценки влияния внешних нагрузок на основе офисного здания выполняются периодические расчёты нагрузки на охлаждение с различными параметрами. В этой статье в качестве примера рассматриваются три варианта. Для сравнения выбран второй этаж (рисунок 1). При расчёте вариантов в каждом случае изменяется один параметр, чтобы иметь возможность сравнивать и оценивать выбранные влияющие величины. Окна эталонного здания соответствуют теплозащитному остеклению. Здание находится в Ахене и, следовательно, в третьей климатической зоне в соответствии с делением в VDI 2078. Внутренние нагрузки одинаковы во всех вариантах.
Влияние тепловой массы
На первом этапе проектирования нового здания конструкции внутренних стен ещё не определены. Тем не менее проектировщик должен произвести оценку нагрузки на охлаждение. Чтобы проиллюстрировать влияние массы внутренних стен на общую холодильную нагрузку, сначала определяется нагрузка на охлаждение для эталонного здания. Внутренние стены в эталонном здании состоят на 80 процентов из перегородок лёгкой конструкции и на 20 процентов из несущих бетонных стен. При втором сравнительном расчёте все внутренние стены определяются как стены массивной конструкции (обычный бетон).
Масса наружных стен и потолка остаётся неизменной. На рисунке 2 показаны холодильные нагрузки обоих вариантов в виде гистограммы и относительные изменения.
Изменение конструкции внутренней стены приводит к снижению нагрузки на охлаждение на 3–6 %. За исключением апреля, когда нагрузка на охлаждение относительно небольшая, а массивные внутренние стены в значительной мере могут поглощать кратковременное солнечное излучение и повторно выделять его ночью.
Влияние солнцезащиты
Окна, которые в течение длительного времени находятся под прямым воздействием солнечных лучей и не затенены соседними зданиями или деревьями, создают большую нагрузку на помещения и должны быть снабжены солнцезащитой.
Для иллюстрации влияния эталонное здание было рассчитано с различными солнцезащитными устройствами для окон (таблица 1). Результаты показаны на рисунке 3.
При внутреннем затенении поступление коротковолновой солнечной энергии снижается, однако конвективное воздействие выше, чем при использовании окна без солнцезащиты, как это видно из таблицы 1. Ламели нагреваются, создавая между внутренними жалюзи и поверхностью окна тепловую прослойку, которая выделяет тепло в помещение, как радиатор. Вследствие этого увеличивается нагрузка на охлаждение в помещении. Внутренние ламели, защищая от ультрафиолетовых лучей, предотвращают выцветание предметов интерьера, но не обеспечивают эффективную теплозащиту.
Наружное затенение, с одной стороны, отражает коротковолновое солнечное излучение и тем самым затеняет помещение, с другой стороны, отдаёт поглощённое тепловое излучение путём конвекции преимущественно наружу. Таким образом, наружное затенение является наиболее эффективным вариантом и в данном случае приводит к снижению нагрузки на охлаждение на 11 %.
Установленные между стёклами ламельные жалюзи также отражают прямое излучение, но при этом, в сравнении с наружным затенением окна, в большей мере передают часть тепла от излучения на окно и тем самым в помещение. Данный вариант приводит к снижению нагрузки на охлаждение на 7 %.
Влияние зоны холодильной нагрузки и центра большого города
Эталонное здание рассчитывается с постоянными координатами местоположения в четырёх зонах холодильной нагрузки VDI 2078. Координаты местоположения остаются неизменными, чтобы влияние высоты стояния солнца было одинаковым. Таким образом, результаты содержат только влияние наружной температуры и влияние центра города на зоны холодильной нагрузки 3 и 4. При активации опции «Центр большого города» среднесуточные температуры зоны увеличиваются, а разница температур между дневным и ночным временем суток уменьшается. Это приводит к сокращению амплитуды (см. рисунок 4).
В таблице 2 представлены амплитуды и среднесуточные значения наружных температур в расчётный день для четырёх зон холодильной нагрузки и центров больших городов в зонах 3 и 4 в июле. Также приведены результаты моделирования нагрузки на охлаждение.
На рисунке 5 показано изменение пика нагрузки на охлаждение в зависимости от зон. По мере увеличения зоны холодильной нагрузки увеличивается нагрузка на охлаждение, но центр города 3-й зоны холодильной нагрузки приводит к большему увеличению нагрузки на охлаждение, чем более высокая температура в 4-й зоне.
На рисунке 6 показано процентное увеличение пика нагрузки на охлаждение для различных зон в зависимости от наружной температуры и амплитуды.
Нагрузка на охлаждение пропорциональна наружной температуре. С повышением температуры наружного воздуха увеличивается и нагрузка на охлаждение. Амплитуда также влияет на нагрузку на охлаждение. На представленном ниже графике проиллюстрирован этот эффект. Центр большого города климатической зоны 3 имеет более высокую нагрузку на охлаждение по сравнению с зоной 4, несмотря на более низкую наружную температуру. Из-за меньшей амплитуды разница температур между дневным и ночным временем суток меньше, следовательно ночью здание охлаждается не так сильно. Это приводит к более высоким холодильным нагрузкам, несмотря на низкие температуры наружного воздуха.
Заключение
В данной статье на основе трёх вариантов рассматривается влияние внешних нагрузок на результат расчёта нагрузки на охлаждение. Для выбранных вариантов, таких как теплоёмкость, солнцезащита и зоны холодильной нагрузки, варьировались параметры и анализировалось влияние на максимальную нагрузку на охлаждение. При замене внутренних перегородок лёгкой конструкции перегородками массивной конструкции изменяется их теплоёмкость, что приводит к снижению нагрузки на охлаждение на 3–6 %. Результаты показывают, что к снижению нагрузки на охлаждение приводит как использование наружной солнцезащиты на окне, так и установленные между стёклами ламельные жалюзи. При применении солнцезащитных устройств внутри помещения с высокой долей конвекции нагрузка на охлаждение может даже увеличиться!В случае климатических зон на нагрузку на охлаждение влияет не только наружная температура, но и её амплитуда. Активация опции «Центр большого города» приводит к уменьшению амплитуды и, соответственно, к большей нагрузке на охлаждение.