Целью данной работы является сравнение проектных тепловых потерь торгово-развлекательного центра (ТРЦ) при изменении ориентации здания. На данный момент существуют три метода расчёта тепловых потерь здания:

1. Расчёт тепловых потерь по укрупнённым статистическим показателям.

2. Классический метод расчёта тепловых потерь через ограждающие конструкции с различными добавками к суммарным тепловым потерям помещений.

3. Новый метод расчёта тепловых потерь без различных добавок.

Первый метод основывается на укрупнённых показателях, собранных многолетними натурными исследованиями различных зданий. Впервые его ввёл В. М. Чаплин [1], и этот показатель назывался «удельная тепловая характеристика здания».

Второй метод (как и третий) основывается на уравнении Фурье (процесса стационарной теплопроводности в материале) [2, 3]. Однако отличием является то, что во втором методе учитываются дополнительные добавочные коэффициенты, которые характеризуют различные изменения тепловых потерь помещения. Например, изменение направления и скорости ветра на определённой высоте и ряд других факторов.

Расчёты будут ввестись с применением матриц [4], но с использованием различных добавок из классического метода.

Тепловые потери через i-е ограждение помещения рассчитываются по формуле (1) [5]:

Влияние ориентации здания на проектные тепловые потери. 11/2018. Фото 1

где Fi — площадь ограждения, м²; Roi — приведённое сопротивление теплопередаче ограждения, м²·°C/Вт; tвн — расчётная температура в помещении, °C;

tн5 — расчётная температура наружного воздуха или холодной пятидневки с обеспеченностью 0,92, °C; ni — коэффициент, учитывающий зависимость положения наружной поверхности ограждающей конструкции по отношению к наружному воздуху; βi — коэффициент, учитывающий дополнительные потери теплоты через ограждающие конструкции.

Тепловые затраты на инфильтрацию через оконный блок по помещениям рассчитываются по формуле (2) [5]:

Влияние ориентации здания на проектные тепловые потери. 11/2018. Фото 2

где F(ок)i — площадь окон в помещении, м²; tвн — расчётная температура в помещении, °C; tн5 — расчётная температура наружного воздуха или холодной пятидневки с обеспеченностью 0,92, °C; g(ок)i — расход воздуха, проходящий через 1 м² окна для наветренной и боковой сторон, кг/(ч·м²); св — удельная массовая теплоёмкость воздуха, кДж/(кг·°C); Аэ — экономайзерный коэффициент, учитывающий влияние встречного теплового потока в конструкции окна [3].

Данная часть исследования проводится с помощью инженерного метода расчёта [5], где приняты допущения:

а) усредняется температура внутреннего воздуха внутри здания [3];

б) не учитывается внутренний переток воздуха из одного помещения в другое (при разности температур между ними более 2 °C);

в) не учитываются некоторые конструкции для расчёта воздухопроницаемости, другие — жалюзийные решётки, крепления, оконные клапаны — указываются в работе [2].

В работе [2] введено понятие «трансмиссионные тепловые потери через ограждающую конструкцию». Стоит отметить, что в ней нет добавочного коэффициента β тепловых потерь через ограждающие конструкции. Потери теплоты за счёт проникновения воздуха через входы, не оборудованные воздушно-тепловыми завесами, введены в инфильтрационные тепловые потери. Другие поправки (добавка на высоту помещения общественных зданий, добавка на проветривание холодного подполья в районах вечной мерзлоты при tн5, а также добавка на ориентацию помещения) были просто вычеркнуты без основания. В связи с этим, применяя данную условно «новую» методику, получается снижение потери теплоты здания. Фактически она уничтожает некий резерв отопительной мощности для продолжительных дней с критическими параметрами наружного воздуха.

Сам же матричный метод расчёта достоин самых лестных комментариев. Он значительно ускоряет работу проектировщика и снижает трудозатраты.

В статье рассматривается здание торгового центра в городе Владимире. На первом этаже расположен парфюмерный магазин. На втором — торговые точки, продающие одежду, а также турагентство и операционная касса обмена валюты. На третьем этаже располагается мебельный магазин.

Основываясь на СП 131.13330.2012 «Строительная климатология», преобладающим направлением ветра за декабрьфевраль для города Владимир является юг; максимальной скоростью из средних скоростей ветра по румбам за январь — 4,5 м/с; средней скоростью ветра за период со средней суточной температурой воздуха не более 8 °C — 3,4 м/с.

Подобное исследование проводилось в ряде других работ [6, 7], но в них не учитывалась инфильтрационная составляющая тепловых потерь здания.

Запишем уравнение (1) в следующем развёрнутом виде:

Влияние ориентации здания на проектные тепловые потери. 11/2018. Фото 3

где β0 — коэффициент, учитывающий дополнительные потери теплоты в зависимости от стороны горизонта; βвр — коэффициент, учитывающий дополнительные потери теплоты от проникновения в здание холодного воздуха через вход; βпр — коэффициент, учитывающий прочие дополнительные потери теплоты.

Так как здание оборудовано современными воздушно-тепловыми завесами и нет прочих добавок, то в уравнении (3) нет последних двух слагаемых и, следовательно, оно примет следующий вид:

Влияние ориентации здания на проектные тепловые потери. 11/2018. Фото 4

Полная методика расчёта инфильтрационных тепловых потерь описана в работе Ю. Я. Кувшинова и О. Д. Самарина. В ней мы не совершаем никаких упрощений. В данной статье изменяется положение наветренной, заветренной и боковой сторон фасадов A, B, C и D здания ТРЦ.

Расположение здания на генеральном плане

Влияние ориентации здания на проектные тепловые потери. 11/2018. Фото 5

Влияние ориентации здания на проектные тепловые потери. 11/2018. Фото 6

Сопротивление теплопередачи ограждающих конструкций рассчитывались по СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий».

Характеристики фасадов здания

Проектные потери теплоты в зависимости от варианта расположения здания

Проектные потери теплоты в зависимости от ориентации для здания ТРЦ во Владимире указаны на рис. 6. На данном рисунке наглядно продемонстрировано, как ориентация и остеклённость здания могут влиять на тепловые потери, которые через ограждающие конструкции оказывают меньшее влияние на суммарные тепловые потери данного здания, чем инфильтрация.

Изменение тепловых потерь через ограждающие конструкции фасадов составляет менее 1 %, а изменение потерь теплоты за счёт инфильтрации составляют 30 % в зависимости от варианта расположения объекта. При проектировании здания следует учитывать данный фактор для планирования энергопотребления сооружения. Наиболее благоприятные расположения здания — варианты 2 и 4. Если прямоугольное здание нельзя расположить перпендикулярно от изначального положения, то следует выбирать между двумя одинаковыми расположениями, но с разным положением фасадов. В данном случае это варианты 1 и 3.