Расчет остывания здания при отключении теплоснабжения

Профессиональный расчет остывания здания при аварийном отключении

Остывание или нагревание здания - распространённое явление в реальных условиях эксплуатации. Оно не всегда ощутимо для человека, но имеет существенное значение с точки зрения теплотехнического проектирования и эксплуатации зданий.

Кратковременное остывание здания может возникать, например, при резком снижении температуры наружного воздуха или усилении ветра. В такой ситуации требуется время, чтобы источник тепловой энергии отреагировал на изменившиеся внешние условия и скорректировал температурный график теплоносителя. В современных зданиях подобные кратковременные колебания зачастую не нарушают тепловой комфорт: температура внутреннего воздуха и внутренних поверхностей ограждающих конструкций остаётся практически неизменной. Это объясняется способностью здания аккумулировать тепловую энергию в теплоёмких ограждающих конструкциях (стенах, перекрытиях и т. п.) при стационарных условиях теплообмена, когда тепловые потери здания уравновешиваются теплопоступлениями от системы отопления. Накопленная теплота частично компенсирует резкие изменения внешних параметров - температуры и скорости ветра, - и тем самым сглаживает колебания температуры внутри помещений.

Ключевым показателем, характеризующим способность здания сдерживать изменения температуры внутреннего воздуха при остывании, выступает коэффициент тепловой аккумуляции (обозначается греческой буквой β). Он определяется как отношение количества теплоты, аккумулированной зданием, к его тепловым потерям.
Процесс нагревания здания развивается по схожему, но противоположному сценарию. Он может наблюдаться, если количество поступающей в помещение теплоты превышает его тепловые потери - например, в холодный или переходный период года. Другой типичный случай - нагревание помещения в тёплый период после отключения системы кондиционирования.

Ограждающие конструкции в этой ситуации замедляют рост температуры внутреннего воздуха, однако их аккумулирующая способность ограничена. Поскольку нагрузка на систему кондиционирования зачастую выше, чем на систему отопления того же помещения, ограждающие конструкции не успевают «поглотить» подводимую теплоту в полном объёме. Дополнительно ситуацию осложняют внутренние теплопоступления (от людей, оборудования, солнечной радиации и т. д.), которые вызывают нестационарный прогрев толщи ограждающих конструкций. В результате температура внутренних поверхностей ограждений и воздуха в помещении растёт быстрее, чем прогревается сама толща конструкций. Учёт этих особенностей критически важен для достоверного прогнозирования динамики температуры внутреннего воздуха.

Расчёт остывания здания востребован в ряде практических задач, в том числе:

1. Соответствие нормативным требованиям. В частности, пункт 5.4 СП 253.1325800.2016 «Инженерные системы высотных зданий (с Изменением № 1)» регламентирует допустимое снижение температуры внутреннего воздуха до 15 ℃ продолжительностью не более 54 часов для высотных зданий с потребителями теплоты второй категории.
2. Обеспечение надёжности и безопасности эксплуатации в отопительный период. Эксплуатирующим организациям важно знать время остывания здания при аварийном отключении теплоснабжения, чтобы своевременно выполнить дренирование воды из систем отопления и водоснабжения и предотвратить их повреждение.
3. Расчёт динамических режимов работы тепловых пунктов. Такие расчёты нужны, если предусматривается перераспределение части тепловой энергии от системы отопления на систему горячего водоснабжения (ГВС) в периоды пиковых нагрузок.
4. Прогнозирование температурного режима при верхних температурных срезках. Речь идёт о ситуациях, когда в централизованных системах теплоснабжения происходит корректировка температурного графика теплоносителя.
5. Обоснование выбора принципиальной схемы теплоснабжения. Расчёты помогают сравнить варианты централизованного теплоснабжения (с учётом возможных аварийных отключений и температурных срезок) и децентрализованного теплоснабжения (с применением индивидуальных котельных).
6. Решение иных инженерных задач, возникающих перед специалистами в области строительства и эксплуатации зданий.

В рамках услуги могут быть реализованы следующие виды расчётов:

1. Расчёт остывания помещения или здания при полном или частичном прекращении подачи теплоты в случае аварийной работы систем теплоснабжения.
2. Расчёт изменения температуры внутреннего воздуха помещений при частичном перераспределении тепловой энергии от системы отопления на систему ГВС.
3. Расчёт нагревания помещения после полного или частичного отключения системы кондиционирования воздуха.
4. Иные задачи, связанные с моделированием процессов нагревания и охлаждения помещений (в том числе индивидуальные постановки задач).

Стоимость услуги определяется сложностью поставленной задачи и выбранным методом расчёта. Возможны два основных подхода:

1. Численный расчёт. Выполняется с построением численной модели, в которой используются уравнения нестационарной теплопроводности и нестационарного теплового баланса воздуха в помещении. Такой метод обеспечивает высокую точность и позволяет учитывать широкий спектр факторов, влияющих на темп остывания или нагревания (геометрические параметры, свойства материалов, внешние климатические условия, внутренние теплопоступления и др.).

2. Аналитический расчёт. Базируется на применении аналитических формул остывания. Этот метод также обладает достаточной точностью, но в пределах определённых допущений: относительно параметров ограждающих конструкций, характера тепловых потерь (безынерционные потери) и геометрических характеристик помещения, а также продолжительности рассматриваемого периода остывания.

Выбор оптимального метода расчёта осуществляется с учётом специфики задачи, требуемой точности и доступных исходных данных.