Тепловые явления в школьном здании

Около 80% своей жизни человек проводит в помещениях – жилых, общественных, производственных зданиях, транспорте. Здоровье и работоспособность человека в значительной степени зависят от того, насколько помещение в санитарно-гигиеническом отношении удовлетворяет его физиологическим требованиям.

Микроклимат помещения. Условия комфортности

Под микроклиматом помещения понимается совокупность теплового, воздушного и влажностного режимов в их взаимосвязи. Основное требование к микроклимату – поддержание благоприятных условий для людей, находящихся в помещении. В результате протекающих в организме процессов обмена веществ освобождается энергия в виде теплоты. Эта теплота путем конвекции, излучения, теплопроводности и испарения должна быть передана окружающей среде, поскольку организм человека стремится к сохранению постоянной температуры (36,6ºС). Поддержание постоянной температуры организма обеспечивает физиологическая система терморегуляции. Для нормальной жизнедеятельности и хорошего самочувствия у человека должен быть тепловой баланс между теплотой, вырабатываемой организмом и теплотой, отдаваемой в окружающую среду. При обычных условиях более 90% вырабатываемой теплоты отдается окружающей среде (половина теплоты – излучением, четверть – конвекцией, четверть – испарением) и менее 10% теплоты теряется в результате обмена веществ.

Интенсивность теплоотдачи человека зависит от микроклимата помещения, характеризующегося температурой внутреннего воздуха, радиационной температурой помещения, скоростью движения и относительной влажностью воздуха. Сочетания этих параметров микроклимата, при которых сохраняется тепловое равновесие в организме человека и отсутствует напряжение в его системе терморегуляции, называют комфортными или оптимальными. Наиболее важно поддерживать в помещении в первую очередь благоприятные температурные условия, так как подвижность и относительная влажность воздуха имеют, как правило, несущественные колебания. Зоны комфортных сочетаний tВ и еR для гражданских зданий в холодный и теплый периоды года. Кроме оптимальных различают допустимые сочетания параметров микроклимата, при которых человек ощущает небольшой дискомфорт.

Часть помещения, в которой человек находится основное рабочее время, называют обслуживаемой или рабочей зоной. Комфорт должен быть обеспечен, прежде всего, в этой зоне.

Тепловые условия помещения зависят главным образом от его температурной обстановки, которую принято характеризовать двумя условиями комфортности. Первое условие комфортности температурной обстановки определяет такую область сочетаний температур, при которых человек, находясь в центре рабочей зоны, не испытывает перегрева, ни переохлаждения.

Для спокойного состояния человека tВ=2123ºС, при легкой работе – 1921ºС, при тяжелой – 1416ºС.

Второе условие комфортности определяет допустимые температуры нагретых и охлажденных поверхностей при нахождении человека в непосредственной близости от них. Во избежание недопустимого перегрева или переохлаждения головы человека, поверхности потолка и стен могут быть нагреты до допустимой температуры. Температура холодного пола зимой может быть лишь на 2-2,5ºС ниже температуры воздуха помещения вследствие большой чувствительности ног человека к переохлаждению, но не выше 22-34ºС в зависимости от назначения помещений.

Требуемый микроклимат в помещении создается следующими системами инженерного оборудования зданий: отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Системы отопления служат для создания и поддержания в помещениях в холодный период года необходимых температур воздуха, регламентируемых соответственными нормами. Таким образом, они позволяют разрешить лишь одну из задач по созданию обеспечению микроклимата в помещении – необходимого теплового режима.

Теплопередача, ее характеристика

Теплоотдачей называют такой процесс, при котором внутренняя энергия одних тел уменьшается, а других – соответственно – увеличивается, причем механическая энергия тел не изменяется и никакая работа не совершается.

Например, при остывании печи никакой работы не совершается, а внутренняя энергия печи уменьшается. При этом окружающие тела – воздух, стены, предметы в комнате – нагреваются, то есть увеличивают свою внутреннюю энергию. В этих случаях принято говорить, что происходит передача теплоты: печь отдает некоторое количество теплоты, а окружающие тела получают такое же количество теплоты.

Для характеристики процесса теплоотдачи вводится понятие количества теплоты; количеством теплоты мы называем то изменение внутренней энергии тела, которое происходит при теплоотдаче.

Количество теплоты измеряют в тех же единицах, в которых измеряется и механическая энергия, то есть в джоулях. Прежде (а иногда и теперь) для измерения количества теплоты использовалась особая единица, называемая калорией (кал). Калория равна количеству теплоты, необходимому для нагревания одного грамма чистой воды от 19,5º до 20,5ºС. Опытами Джоуля было установлено, что для нагревания одного грамма воды на один градус требуется совершить работу 4,18 джоуля работы. Отсюда следует, что одна калория эквивалентна 4,18 джоуля: 1кал = 4,18Дж,1Гкал = 109кал

(при нагревании 1 кг воды на 1ºС требуется 4180 Дж энергии).

Теплопроводность

Процесс теплопроводности происходит при непосредственном соприкосновении частиц вещества, сопровождающимся обменом энергии и их теплового движения. Такой процесс происходит в любых телах, но механизм переноса теплоты зависит от агрегатного состояния тела. Теплопроводность в жидких и в особенности газообразных телах незначительная. Твердые тела обладают различной теплопроводностью. Количество теплоты, передаваемое через какую-нибудь стенку, зависит от разности температур по обе стороны стенки. Чем эта разность больше, тем большее количество теплоты передается через стенку за определенный промежуток времени. Затем это количество теплоты зависит от площади стенки. Вода в кастрюле с большим дном нагревается быстрее, чем с меньшим дном. Количество теплоты, передаваемой за единицу времени через стенку при определенной разности температур, тем больше, чем тоньше стенка. Таким образом, теплоотдача сильно зависит от материала стенки. Теплопроводностью называют величину, показывающую, какое количество теплоты передается за единицу времени сквозь единичную площадь стенки единичной толщины при разности температур между поверхностями стенки, равной 1К (по размеру градус Цельсия равен Кельвину 1ºС=К). Так, например, теплопроводность кирпича равна 1,25Вт/м2К, это значит, через каждый квадратный метр кирпичной стенки при разности температур 1К и при толщине стенки 1м передает 1,25Дж теплоты в течение 1с.

В здании нашей школы использовали железобетонные конструкции.

Хорошие проводники используют для того, чтобы как можно быстрее передать теплоту, там, где должен быть хороший физический контакт между телами. Пример хороших проводников у нас в школе – это горячие водяные радиаторы. Они сделаны из чугуна так, чтобы горячая вода внутри их передавала тепло как можно быстрее в помещение и согревала воздух, соприкасающейся с ним и горячий воздух, затем поднимается, освобождая свое место для холодного.

Интересны теплопроводности различных веществ.

Теплопроводность меди:

= 6 · теплопроводность железа;

= 600 · теплопроводность стекла;

= 7200 · теплопроводность воды;

= 9000 · теплопроводность пробки;

= 1800 · теплопроводность воздуха.

Проводимость – двусторонний процесс. Любой изолятор, предотвращающий утечку тепловой энергии, также и не допускает ее поступления.

Предотвращение энергетических потерь из зданий стало вопросом первостепенной важности. Чтобы сделать подсчеты более точными, нужно учесть удельную теплопроводность материалов, которая, как известно, характеризует скорость переноса теплоты через проводник, отнесенная к единице площади поверхности материала. Следовательно, скорость потери теплоты = удельная теплопроводность · площадь поверхности · разность температур.

У хороших проводников теплоты удельная теплопроводность высокая, а у хороших изоляторов – низкая. Удельная теплопроводность зависит не только от материала, но и от его толщины. Толстый слой изолятора имеет более низкую удельную теплопроводность, чем тонкий. Двойные рамы с прослойкой воздуха между стеклами имеют более низкую удельную теплопроводность, чем рама с одним стеклом. Стена в два пористых кирпича имеет меньшую удельную теплопроводность, чем стена в два обычных кирпича. Удельная теплопроводность также зависит от внешних условий, например от влажности. Если внешние стороны стен здания мокрые, то удельная теплопроводность увеличивается.

В последнее время существует экономическая необходимость теплоизоляции зданий вследствие возрастания стоимости топлива и электроэнергии. Двойные рамы улучшают теплоизоляцию, поскольку содержат слой воздуха между двумя стеклами, который является хорошим изолятором. Увеличение толщины стекла также улучшает изоляцию. Ширина пространства, занимаемого воздухом, также важна. Двойные рамы имеют дополнительное преимущество: они устраняют конденсацию на внутренней стороне стекол, они также, кроме всего прочего, изолируют от звука. Так, в кабинете физики, где тепловые потери уменьшает слой воздуха, имеющий массу m=ρ∙V

Конвекция. Роль системы отопления. Отопительные приборы в школьном здании

В жидкостях и газах, кроме теплопроводности, теплопередача осуществляется конвекцией, то есть механически перемешиванием нагретых частей. Согласно определению конвекция – вид передачи теплоты самими струями газа или жидкости.

Почти всегда при соприкосновении жидкости или газа с твердыми стенками, имеющими более высокую или более низкую температуру, в жидкости возникают течения; нагревшаяся жидкость или газ поднимается вверх, а охладившаяся опускается вниз. Этот процесс происходит вследствие уменьшения плотности жидкости или газа при повышении их температур. В очень узких слоях, например, в слое воздуха между двумя близко расположенными оконными стеклами (расстояние=0,09м) конвекционные потоки слабы.

Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью.

Если перемещение частиц жидкости или газа обуславливается разностью плотностей, то такое перемещение называют естественной конвекцией. При естественной конвекции нагретые объемы теплоносителя поднимаются, охладившиеся – опускаются. Например, отопительный прибор системы центрального отопления соприкасается с воздухом, который получает от него теплоту и поднимается, уступая место более холодному воздуху. Таким образом, теплота вместе с воздухом передается от прибора в другие части помещения.

Система отопления представляет собой комплекс элементов, предназначенных для получения, переноса и передачи необходимого количества теплоты в обогреваемые помещения. Каждая система отопления включает в себя три основных элемента: теплогенератор, служащий для получения теплоты и передачи ее теплоносителю, системы теплопроводов для транспортировки по ним теплоносителя от теплогенератора к отопительным приборам и отопительных приборов, передающих теплоту от теплоносителя воздуху и ограждениям помещения.

Центральными называют системы отопления, предназначенные для отопления нескольких помещений из одного теплового пункта, где находится теплогенератор (котельная, ТЭЦ). В таких системах теплота вырабатывается за пределами отапливаемых помещений, а затем с помощью теплоносителя по теплопроводам транспортируется в отдельные помещения здания. Теплота при этом через отопительные приборы передается воздуху отапливаемых помещений, а теплоноситель возвращается в тепловой пункт.

Отопительные приборы являются основными элементами системы отопления. В жилых, общественных и производственных зданиях в качестве отопительных приборов используют радиаторы чугунные и стальные штампованные. У нас в школе установлены чугунные радиаторы среднего типа (по монтажной высоте – 500мм). Каждый такой радиатор имеет четыре чугунные пробки, ввернутые в ниппельные отверстия крайних секций; две из них – сквозные, с внутренней резьбой 15-20мм – служат для присоединения приборов к теплопроводу.

В школе по нашим подсчетам только в коридорах и классных комнатах установлено более 200 чугунных радиаторов, а в кабинете физики находится их 5 штук. Все отопительные приборы системы центрального отопления размещены у наружных стен, преимущественно под окнами, так как в результате уменьшаются холодные токи воздуха вблизи окон. С целью минимального выступа приборов в помещении в стене обычно делают ниши глубиной до 130мм. При такой глубине коэффициент теплопередачи прибора принимают такой же, как и для прибора, установленного без ниши.

В классных комнатах третьего этажа ниши имеют глубину 230мм. Окрашивание отопительных приборов в светлые тона уменьшает теплопередачу по сравнению с неокрашенными на 1-2%, а при покрытии алюминиевой краской до 25%, при окраске приборов в темные тона, теплопередача увеличивается на 3-5%. В коридорах нашей школы радиаторы окрашены в светлые тона, под цвет стен, что уменьшает теплоотдачу на 1-2%.

Теплоносителем в системе отопления школьного здания используют воду, как среду, обладающую хорошей способностью аккумулировать тепловую энергию и изменять теплотехнические свойства, подвижную, дешевую, не ухудшающую санитарные условия в помещении школы. Всем известны свойства воды: высокая теплоемкость (4187кДж) большая плотность (1000кг/м3), несжимаемость, расширение при нагревании с уменьшением плотности, повышение температуры кипения при увеличении давления, выделение абсорбированных газов при повышении температуры и понижении давления.

В водяных системах отопления средняя температура поверхности отопительных приборов не превышает 80ºС, когда начинается интенсивное разложение и сухая возгонка органической пыли. Среди известных недостатков водяной системы отопления за 25 лет функционирования школьного здания не произошло ни одного случая сбоя в работе системы отопления. Температура в классных комнатах 1-го этажа колеблется в зимних период в порядке =+16ºС, второго этажа -=+18ºС, третьего этажа - =+22ºС. такие перепады температуры можно объяснить большой теплоемкостью водо-водяных отопительных приборов, которые обладают тепловой инерцией.

Конвекционные течения в атмосфере играют большую роль для теплопередачи и обуславливают ветры.

Для нашего города в зимнее время характерно большое число штилей (до 30%), наблюдения показывают преобладание ветров северо-западного, северного и северо-восточного направления. Окна школы №18 направлены на север, восток и запад.

Тепловое излучение

В школьном здании имеются совместные движения конвекции, теплопроводности и теплового излучения. Согласно определению процесс теплового излучения состоит в переносе теплоты от одного тела к другому электромагнитными волнами, возникающими в результате сложных молекулярных и атомных возмущений. Встречая на своем пути другие тела, лучистая энергия может ими частично поглощаться, превращаться снова в теплоту.

Теплообмен излучением может происходить между телами, находящимися на больших расстояниях друг от друга. Отличным примером этого явления служит излучение Солнца.

Лучистая энергия, испускаемая на какое-либо тело, в зависимости от его физических свойств, формы и состояния поверхности частично поглощается этим телом, а остальная часть отражается и частично проходит через него. Белая оштукатуренная наружная поверхность стены хорошо отражает солнечные видимые лучи, а невидимые тепловые лучи интенсивно ею поглощаются. Воздух – практически прозрачная среда, твердые тела и жидкости непрозрачны. Оконное стекло пропускает световые лучи и непрозрачно для ультрафиолетового излучения. Вот почему очень важно, чтобы вся площадь окон в школе к началу учебного года до наступления отопительного сезона была чистой и прозрачной средой для теплового излучения Солнца.

В тесной связи с тепловым режимом помещений находится воздушный режим, под которым понимают процесс обмена воздухом между помещениями и наружным воздухом.

Оплата тепловой энергии, экономия тепла

В условиях становления рыночной экономики и переходу нашей школы на самофинансирование возникла объективная необходимость более рационального энергоиспользования путем внедрения учета фактически потребляемой тепловой энергии. Так, в школе был установлен теплосчетчик SA 94/2, который показывает температуру наружного воздуха, температуру теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах (если до сентября 2003 года расчет производили на основе нормативов, то за 2003-2004 годы оплата за тепловую энергию производится на основе данных теплосчетчика). По словам главного бухгалтера школы, это привело к значительной экономии денежных средств (стоимость 1 Гкал=234 рубля).