Потери энергии через крышу

Потери энергии через стены и пол заглубленного здания сравнительно невелики, но потери тепла через крышу такого здания в Миннесоте могут составлять более 50% общего количества потерь тепла через ограждающие конструкции. Следовательно, проектирование крыши должно выполняться особенно тщательно. Во-первых, для рассматриваемого типа зданий важно определить оптимальную толщину засыпки.

При расчете теплопередачи необходимо знать две важные характеристики всей системы крыши, влияющие на общее решение: теплопроводность или тепловую массивность всей системы и условия пограничной среды на поверхности крыши.

При анализе процессов утечки тепла через крышу изучались различные сечения (конструкции) крыш с помощью нестационарной, плоскостной компьютерной программы с конечными разностями (см. прил. 1). При этом допускались колебания температуры в зависимости от сезона, а разница температур принималась от 20 °С зимой до 25,6 °С летом. Изменение наружной температуры принималось по синусоидальному графику, построенному для средних значений температур Миннеаполиса с ,1940 г. по 1970 г. Нагрев поверхности земли солнечным теплом исключался, так как она была покрыта травой.

Сравнивали два типа крыш (рис. 3.4) с одинаковым значением коэффициента термического сопротивления R0. Первая конструкция представляла собой предварительно напряженную железобетонную плиту толщиной 31 см с засыпкой землей слоем 3 м. Коэффициент термического сопротивления такой конструкции R0 равен 4,32 м2-К/Вт. Вторая конструкция представляла собой предварительно напряженную плиту толщиной 20 см, по которой был уложен слой теплоизоляции из полистирена толщиной 10 см. Плита была засыпана слоем земли толщиной 46 см. В этом случае коэффициент термического сопротивления Ro составил 4,35 м2-К/Вт.

 

Рис. 3.4. Различные конструкции крыши: 1 — грунт толщиной 3 м; 2 — железобетонная плита толщиной 31 см; 3 — грунт толщиной 46 см; 4 — теплоизоляция нз стнрофо-ма 10 см; 5 — железобетонная плита толщиной 20 см

Рис. 3.5. Различные конструкции крыши: 1 — грунт толщиной 46 см; 2 — теплоизоляция нз стирофома толщиной 10 СМ; 3 — железобетонная плита толщиной 20 см; 4 — теплоизоляция нз стирофома толщиной 12 см; 5 — железобетонная плнта толщиной 20 см

Расчет утечки энергии, произведенный для всего года, показал, что за 7 мес отопительного сезона (с октября по апрель) слой земли толщиной 3 м позволил уменьшить потери тепла на 2,4%. Из этого и последующих исследований стало ясно, что для крыши слой земли, который может успешно заменить теплоизоляционные материалы, должен быть не менее 2,75 м. Одновременно следует помнить, что увеличение заглубления здания уменьшает и теплопотери через стены и пол.

Приведенный выше анализ данных предназначен для определения потерь тепла во время устойчивых колебаний температуры, которые подчиняются синусоидальному закону, когда температуры варьируются в определенном дневном интервале выше и ниже принятой средней температуры. Высокая тепловая массивность крыши, которая является результатом засыпки ее землей, гасит или значительно уменьшает эти колебания температур. В качестве примера был выбран один день в январе, когда температура наружного воздуха колебалась от —15 °С утром до —9,4 °С днем. На 15-е сутки пришедший холодный фронт вызвал понижение суточной температуры на 4,6 °С. Температура наружного воздуха колебалась от —20,6 до —15 °С в течение 5 сут, а затем она снова стабилизировалась на среднем уровне.


Рас. 3.6. Влияние тепловой массивности крыши: 1 — крыша А; 2 — крыша Б.

Крыша А имеет изоляцию, состоящую из слоя земли толщиной 46 см, уложенной на слой полистирена высокой плотности толщиной 10 см, в то время, как крыша Б представляет собой конструкцию малой массивности, изолированную полистиреном толщиной 12 см. Несущим элементом в обоих случаях служит предварительно напряженная железобетонная плита толщиной 20 см. Суточные потери тепла на единицу площади показаны на графике, где затененный участок характеризует избыточные потери тепла при понижении температуры наружного воздуха для каждого ти-пакрыши. Из-за малой тепловой массивности крыша Б немедленно реагирует на изменения температуры наружного воздуха; в течение 2 сут потери тепла достигают максимума, который остается на том же уровне в течение 3 сут. Когда температура возвращается к обычным значениям, крыша Б реагирует немедленно, и спустя 2 сут ее характеристики возвращаются к обычным для января значениям. В то же время для крыши А влияние более суровых условий наружного воздуха скажется в течение суток, а сама реакция будет более медленной, чем у крыши Б. Спустя 5 сут, когда температура наружного воздуха станет нормальной, потери тепла крышей А будут увеличиваться, достигая только 77% максимальных потерь крыши Б. Для крыши А потребуются еще сутки, прежде чем ее температура установится в соответствии с температурой наружного воздуха.

 

Рис. 3.7. Среднемесячные температуры поверхностей: 1 — температура воздуха; 2 — температура черной поверхности; 3 — температура белой поверхности; 4 — температура высокой травы.

Как видно из рис. 3.6, несмотря на значительно большее время реакции для крыши А потребовалось энергии на 8% меньше, чем для крыши Б, чтобы сгладить влияние низких температур; причем увеличение теплопотерь через крышу А составило только 85% теплопотерь крыши Б. Более того, из-за малой тепловой массивности крыши Б потребовалось почти в 2 раза больше дополнительной энергии (196%) в то время, когда наблюдались наиболее низкие температуры воздуха.

Таким образом, если две крыши имеют одинаковые тепловые характеристики, то при кратковременных изменениях температуры наружного воздуха конструкция с большей тепловой массивностью работает стабильнее и предоставляет большие возможности для экономии чистой энергии, чем конструкция С меньшей тепловой массивностью. С увеличением высоты засыпки эта тенденция становится более очевидной.

На тепловую массивность земляной засыпки существенное влияние оказывает растительность, которая образует тень, улучшает изолирующие свойства засыпки и, самое главное, уменьшает тепло-поступления от солнца в летние месяцы. Последнее следует, главным образом, отнести к эффекту охлаждения травы при испарении влаги.

Замеры температуры земли под искусственными покрытиями и под травой, проведенные Кусудой, показали, что в летнее время за счет тепла солнечной радиации температура асфальтированной поверхности могла превышать 60 °С в том случае, если температура, воздуха в это время была не более 32 °С. В то же время максимальная температура травяного покрова при тех же условиях не превышала 40°С. Эту разницу легко проверить, если в ясный летний день сравнить температуру пешеходной дорожки и обочины, покрытой травой.

Измерение чистой энергии, получаемой поверхностью за счет солнечной радиации, показало, что в летние месяцы средние температуры искусственного покрытия темного цвета на 8,3 °С выше средних температур наружного воздуха, а температура травяного покрова при тех же условиях от 0,6 до 3,9 °С ниже в зависимости от высоты травы. Зимой разница между температурами травяного и искусственного покрытия незначительна из-за малого угла падения солнечного света. Реальные температуры на поверхности засыпки заглубленного здания будут выше приведенных на графике, поскольку само здание является источником выделения дополнительного тепла.

1 В подлиннике температура приведена в °f. Для удобства °f переведены в С с расхождением ±1—2 С.