Жесткость климата и надежность систем теплоснабжения

Климат Якутии характеризуется как резко континентальный, с длительным холодным периодом с отрицательными температурами наружного воздуха, чем предопределена очень низкая плотность населенности Республики. Это осложняет и сдерживает хозяйственное освоение территории. В советский период существования России предпринимались попытки создать условия для переселения людей на Север. С этой целью к концу 1932 г. вводится законодательство о северных льготах для пришлого населения как необходимое условие индустриального развития Севера [1]. В работах Гавриловой суровость климата отнесена как характеристика природно-климатических условий, а продолжительность отопительного периода к социально-экономическим. Авторы [2] предлагают разделить Север на следующие зоны: Крайний Север – абсолютно-дискомфортная (арктическая); приравненная к Крайнему Северу – экстремально дискомфортная (субарктическая); собственно Север – дискомфортная (южнее субарктической); приравненная к Северу – относительно дискомфортная (южнее третьей зоны). Абсолютные колебания температуры наружного воздуха превышают 100°С и фактически получается, что по зимним температурам и годовым амплитудам колебания температуры Якутия превосходит все регионы Северного полушария. Самая низкая температура, зафиксированная на обитаемой части Земли, находится здесь в п.Оймякон.

Природные условия оказывают большое влияние на все отрасли народного хозяйства. Это сказывается при обеспечении положительной температуры внутри зданий и сооружений и ее поддержание в течение длительного отопительного периода. При этом ограждающие конструкции зданий проектируются и возводятся в зависимости от следующих климатических показателей:

Игнатьев Владимир Степанович, научный сотрудник отдела энергетики абсолютной минимальной температуры, температуры воздуха наиболее холодных суток и наиболее холодной пятидневки, суммы средних суточных температур наружного воздуха за отопительный период (табл. 1).

В последнее время комплексное влияние этих параметров принято оценивать введением понятия градусо-суток отопительного периода (ГСОП) (табл. 2). Как видно из табл. 2, сравнения ГСОП для разных населенных пунктов РС (Я) и из табл. 1 характерных температур наружного воздуха отдельных населенных пунктов Сибири не могут служить мерой жесткости климата, так как первая отражает, в основном, потребность в тепловой энергии за отопительный период, а вторая показывает отдельные температурные показатели и не в полной мере отражает влияние климатического фактора на максимальное потребление тепловой энергии на поддержание заданных параметров в отапливаемых зданиях.

На основе такого подхода при разработке территориальных строительных норм по тепло-потреблению территория Республики разделено на четыре зоны [5]. Это связано с большим разнообразием климата Якутии, что видно из сравнения двух противоположно расположенных населенных пункта РС (Я) – с. Нюя Ленского улуса – ГСОП-8206 и п. Артык Оймяконского улуса – ГСОП-13048 (табл. 1). Идея районировать по климатологическим условиям территорию в России существует давно, и есть много вариантов, предлагаемые разными авторами. Вопрос районирования территории РСФСР в составе СССР был поднят в связи с освоением северных территорий в 1932 г. – Постановление Совета народных депутатов РСФСР «О льготах для лиц, работающих на Крайнем Севере РСФСР». В настоящее время к районам Крайнего Севера и приравненным к ним местностям относятся 28 регионов России. В этих регионах и дополнительно в 13 регионах введены повышающие районные коэффициенты к зарплате. Территории, в которых установлены надбавки или районные коэффициенты, занима-ют более 88% от общей площади РФ [6].

Таблица 1. Параметры наружного воздуха некоторых населенных пунктов Сибири [3-5]

Таблица 2. Градусо-сутки и продолжительность отопительного периода [5]

С точки зрения создания условий комфортности проживания людей при проектировании ограждающих конструкций жилых зданий необходимо учесть влияние климатических факторов на эксплуатационные характеристики отапливаемых зданий. Создание и поддержание теплового режима в зданиях зависит от следующих основных факторов: температуры наружного воздуха; ветрового воздействия; влажностного состояния наружного и внутреннего воздуха; величины воздухообмена. Все эти факторы прямо свя-за-ны с климатом и влияют на тепло- и воздухообмен при эксплуатации зданий, особенно значительно их влияние на Севере. Изменение температуры наружного воздуха имеет прямое влияние на теплообмен между внутренним и наружным воздухом через ограждающие конструкции отапливаемых зданий. Ветровое воздействие на уровень тепловых потерь связано с увеличением теплоотдачи наружных поверхностей зданий и увеличения объемов инфильтрации выше нормируемых и расчетных. При этом чем ниже температура наружного воздуха, тем больше тепловой энергии надо затрачивать для его подогрева, что сказывается на удельное теплопотребление.

Еще одним важным фактором, на который влияют жесткие климатические условия, является быстрое остывание температуры внутри отапливаемых зданий в случае отключении подачи теплоносителя в силу разных причин и особенно при аварийных ситуациях. При рассмотрении надежности обеспечения теплового режима жилых зданий необходимо учесть момент наступления необратимых процессов, приводящих к выходу из строя систем теплоснабжения и установить взаимосвязь возникновения этого события с климатом. Учитывая, что в системах теплоснабжения в качестве теплоносителя в основном используется вода, в первую очередь рассматривается установление отрицательных температур в отапливаемых помещениях и в транспортирующих трубопроводных магистралях, приводящих к замерзанию теплоносителя. Время наступления этого момента зависит от теплоаккумулирующей способности ограждающих конструкций и других предметов, находящихся в помещениях здания, температуры наружного воздуха и величины воздухообмена. Возникает необходимость обобщения всех факторов и установление одного общего критерия – тепловой жесткости климата.

Для оценки воздействия климатологических параметров на теплозащитные свойства ограждающих конструкций и надежность инженерных систем, обеспечивающих тепловой и влажностный режим в помещениях отапливаемых зданий, можно ввести понятие «тепловая жесткость климата» по аналогии технической жесткости климата для машин и механизмов. В метеорологии для комплексной оценки влияния климатических факторов принят показатель суровости климата (S) в баллах [7]

S = (1 – 0,04 Т н ) (1+ 0,272V) (1)

где Т н – температура наружного воздуха, К⁰; V – максимальная скорость ветра в момент действия температуры воздуха Т н , м/с.

Для оценки влияния суровой погоды при эксплуатации машин и механизмов применима формула расчета максимальных значений баллов технической жесткости в зависимости от основных климатических факторов (S т ) в баллах [8]

S т = (t мин + t ср ¹¹) (1+ 0,05V)(1+ 0,02ξ) φ, (2)

где t мин – минимальная из возможных темпе-ратур воздуха, ⁰С;t ср ¹¹ – средняя температура воздуха самого холодного месяца, ⁰С; V – средняя скорость ветра за три наиболее холодных месяца, м/с; ξ – наибольшее расстояние значений суточной температуры в течение наиболее холодного месяца, С⁰; φ – относительная влажность воздуха самого холодного месяца в относительных единицах. t_мин определяется из зависимости t мин = 1,25 t ср ¹; где t ср ¹ – средняя температура воздуха наиболее холодной пятидневки, ⁰С.

Комплексную оценку влияния метеорологических параметров и изменяющихся под его воздействием физических характеристик материалов на теплозащитные свойства ограждающих конструкций при их эксплуатации можно охарактеризовать тепловой жесткостью климата S тс в баллах. Тепловая жесткость климата должна учитывать влияние климатических факторов (низкой абсолютной влажности воздуха, низких температур наружного воздуха, подвижности воздуха, инсоляции), влияющих на физические свойства материалов (теплопроводность, влажность, воздухопроницаемость):

S тс = f ( λ,w, δ, φ, τ, υ, q ); (3)

где λ – теплопроводность материала ограждаю-щей конструкции; w – влажность наружного воздуха; δ – средняя амплитуда суточных колебаний температуры наружного воздуха; φ – относительная влажность наружного воздуха; τ – длительность стояния отрицательных темпера-тур; υ – подвижность воздуха (ветровое воздействие); q – инсоляция.

Выводы: для установления показателя жесткости климата необходимо провести комплекс исследований, направленных на определение его влияния на эксплуатационные характеристики отапливаемых зданий в зависимости от климатологических особенностей регионов с холодным климатом. Учет показателя жесткости при определении сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций позволит правильно оценить экономически эффективный уровень теплозащиты зданий малого объема при их реконструкции и при проектировании систем теплоснабжения малых населенных пунктов и снизить расход финансовых, материально-технических и топливно-энергетических ресурсов.