05.01.2011. Критерии теплового комфорта при проектировании систем отопления

Для расчета и проектирования систем отопления, как правило, используются национальные стандарты, а при их отсутствии международные стандарты, такие как EN12828 [1], ISO EN7730 [2] или EN15251 [3], в которых сформулированы общие требования к тепловому комфорту. Рекомендуемые критерии для общего теплового комфорта, предложенные О. Фангером, выражаются в индексе комфортности (PMV) и в ожидаемом проценте неудовлетворенных степенью комфорта (PPD). Кроме того, должна учитываться расчетная температура комфорта, а также факторы локального теплового комфорта: разность температуры воздуха по высоте зоны обслуживания, асимметрия эквивалентной температуры излучения, подвижность воздуха (сквозняки) и температура окружающих поверхностей.
Критерии общего теплового комфорта
При проектировании зданий и расчете систем климатизации критерии теплового комфорта (минимальная комнатная температура в зимнее время, максимальная комнатная температура в летнее время) и требуемая интенсивность вентиляции для приемлемого качества внутреннего воздуха используются как исходные данные для расчета тепловых нагрузок (EN12831 [4]). Это гарантирует, что расчетные условия наружной среды и расчетные внутренние нагрузки позволят добиться минимально приемлемой комнатной температуры. Основа для установления критериев задается стандартом ISO EN7730 [2] и индексами комфортности (по О. Фагнеру).
Исходя из заданного или предполагаемого типа одежды и уровня активности людей можно рассчитать соответствующие комфортные температуры.
Использование завышенной категории с более жесткими критериями приведет к более высоким расчетным нагрузкам и выбору более мощных систем и оборудования. При эксплуатации систем отопления следует опираться на среднее значение температурного диапазона, но внутренняя температура может изменяться внутри этого диапазона за счет мер энергосбережения и используемых алгоритмов управления.
Системы отопления должны обеспечивать достаточную равномерность температуры в обслуживаемой зоне (неравномерность не более 3–5 °С). Такое условие особенно актуально в очень больших помещениях с полностью остекленными фасадами.
Упрощенный метод проектирования (Olesen, 1983) показывает, что максимальная разница температуры в помещении при наружной температуре tв = –12 °С может быть рассчитана по следующей формуле:
t01 – t02 = ≤ 0,96 Kw , °C,
где t01 – комфортная температура в самом холодном месте обслуживаемой зоны, °С;
t02 – комфортная температура в самом теплом месте обслуживаемой зоны, °С;
Kw – среднее значение коэффициента теплопередачи фасада, Вт/м2 • °C.
Таким образом, если фасад имеет стандартное двойное остекление, Kw = 2,9 Вт/м2 • °С, разность температуры будет менее 3 °С, что удовлетворяет критериям даже для категории I. Для типичного современного окна, Kw = 1,5 Вт/м2•°С, разность температуры будет менее 1,5 °С. Важно, чтобы разность была ниже допустимой, так как дополнительные колебания температуры вносятся за счет системы управления. Если разница окажется слишком большой, необходимо будет установить отопительный прибор на фасаде (радиатор, напольное отопление, конвектор) или изменить конструкцию фасада, усилив его теплоизоляцию (окно, стена).
Факторы локального теплового комфорта
Разность температуры воздуха по высоте зоны обслуживания, асимметрия эквивалентной температуры излучения, подвижность воздуха (сквозняки) и температура окружающих поверхностей также влияют на расчет ограждающих конструкций зданий и систем климатизации. Эти факторы изложены в стандарте ISO EN7730.
1. Разность температуры воздуха по высоте зоны обслуживания
Одно из основных преимуществ напольного охлаждения и отопления – равномерное распределение температуры воздуха по высоте помещения. Измерения показывают, что большие напольные излучающие панели, расположенные под окнами, формируют практически равномерное распределение температуры по высоте. Для систем с большей долей конвективной составляющей теплоотдачи (плинтусные панели под окнами, системы воздушного отопления, панели обогрева в торцевой стене) или системы водяного отопления с местными отопительными приборами разность температуры воздуха по высоте будет существенной. Согласно стандарту ISO EN7730, разница температур между уровнем ног и головы человека в отапливаемом помещении должна быть менее 3 °С для категории II и менее 2 °С для категории I. Рассчитать распределение температур воздуха на стадии проектирования обычно довольно трудно. Здесь можно применять методы вычислительной газодинамики (CFD-модели). В современных хорошо изолированных зданиях это не создает проблем.
В помещениях с высокими потолками, таких как промышленные здания и ангары, возможная температурная стратификация воздуха по высоте существенно увеличивает потери тепла зданием.
2. Асимметрия эквивалентной температуры излучения
Люди наиболее чувствительны к асимметрии излучения, вызванной теплыми потолками или холодными стенами, окнами. Проблемы возникают, когда асимметрия достигает 5 °С для теплых потолков и 10 °С для холодных стен (категория II, ISO EN7730). Обычно для предотвращения этой проблемы отопительные приборы размещаются под окнами. Однако с повышением качества теплоизоляции окон такая проблема не возникает. Максимальную асимметрию эквивалентной температуры излучения можно рассчитать на стадии проектирования при помощи следующего уравнения: Δtpr < 3,96 Kw °С.
Это означает, что если фасад выполнен в виде стандартного двойного остекления, Kw = 2,9 Вт/м2 • °С, асимметрия составит 11,5 °С, что превышает требования критерия для категории II, равного 10 °С. Это соответствует критериям даже для категории I. Для типичного современного окна, Kw = 1,5 Вт/м2 • °С, асимметрия будет менее 6 °С. Критерии асимметрии эквивалентной температуры излучения от теплого потолка накладывают ограничения на температуру поверхности потолка и, следовательно, на его теплоотдачу (см. раздел «Температура поверхности потолка»).
3. Подвижность воздуха
Нисходящий поток воздуха от холодных поверхностей (окна) является еще одним фактором, вызывающим дискомфорт и требующим размещения теплой поверхности под холодным окном (стеной). С помощью методики расчета можно определить связь между высотой окна, значением Kw для стены (окна), наружной температурой и максимальной допустимой скоростью воздушного потока (ISO EN7730-2004, REHVA Guide book 7-2007).
Скорость воздушного потока для категории II, с учетом рассчитанной минимальной температуры и турбулентности в 20 %, составляет 0,18 м/с. Это означает, что высота стандартного окна с двойным остеклением, Kw = 2,9 Вт/м2 •°С, не должна превышать 1,5 м. Для типичного современного окна, Kw = 1,5 Вт/м2 • °С, высота может равняться полной высоте помещения 3,5 м.
4. Температура поверхности пола
Температура поверхности пола напрямую влияет на комфорт ног. Рекомендации по температуре поверхности пола зависят от того, будут ли люди носить в помещении обувь или ходить босиком. Международные стандарты рекомендуют температуру поверхности пола в диапазоне 19–29 °С для помещений, где люди проводят время стоя или сидя и носят обычную обувь. Это является ограничивающим фактором для производительности напольных систем. Максимальная температура поверхности пола для отопления составляет 29 °С. Если температуре воздуха равна 20 °С, то мощность отопления около 100 Вт/м2. Это значение является средним для сидящих и стоящих людей. Сидящие люди предпочитают температуру поверхности пола на ~1 °С выше, а стоящие на ~ 1 °С ниже. Стандарт EN15377-1 допускает расчетную температуру пола в 35 °С за пределами зоны, занятой людьми, то есть на расстоянии не более 1 м от периметра помещения. В помещениях, где люди могут ходить босиком (ванные комнаты, бассейны, раздевалки), оптимальная комфортная температура зависит от типа покрытия.
5. Температура поверхности стен
Для отопительных панелей, встроенных в стены, максимум температуры находится в диапазоне 35–50 °С. Максимум может зависеть от того, где используются такие системы, например, если они используются в местах, где люди могут легко дотронуться до стены, или если в помещении присутствуют дети или пожилые люди. Риск ожогов и болевых ощущений появляется при температуре кожи в 42–45 °С и зависит от теплопроводности поверхностного покрытия стены. Температура поверхности радиаторов также может быть ограничена; в некоторых странах она ограничивается 55 °С.
6. Температура поверхности потолка
Требования к температуре поверхности потолка не должны приводить к слишком большой асимметрии эквивалентной температуры излучения. Асимметрия зависит от коэффициента облученности между небольшим участком плоскости и потолком и температуры потолка.