Отопительные устройства
Отопление опытных домов производилось электрическими нагревательными батареями, которые устанавливались на полу на кусках черепицы во избежание пожарной опасности. Под батареями имелся алюминиевый картон, который предотвращал излишний нагрев пола излучением, что могло бы внести ошибки в результаты исследований. Между полом и алюминиевым картоном было оставлено свободное пространство для прохождения воздуха. Чтобы излучение батареи не мешало измерениям, батареи были окружены кусками алюминиевого картона, которые образовывали слегка сужающуюся кверху поверхность для направления потока теплого воздуха прямо вверх. Устройство отопления показано на рис. 64.
В домах были использованы нагреватели с номинальными мощностями 500, 750 и 1000 вт.
Регулирование температуры
На основании исследований, проведенных в 1948—1950 гг., пришли к выводу, что в опытных домах следует достигать постоянной температуры. Без этого невозможно производить какие-либо точные измерения потерь тепла. Температура регулировалась при помощи различных термостатных реле, которые включали и выключали ток, когда температура комнаты переходила через определенные границы. В первые годы термостаты были прикреплены к доске, которая находилась посредине южной стены и примерно на расстоянии 1,5 м от пола. Вначале чувствительность использованных термостатов была порядка 1°С, и позже ±0,5°С.
Измерение энергии, израсходованной на отопление
Вначале количество тепла, внесенное в помещение, измерялось обычными счетчиками, показания которых записывались дважды в сутки — около 8 и 20 часов. Так был получен ночной и дневной расход энергии. Едва ли целесообразно учитывать расход энергии по периодам короче 12 часов, так как возможны ошибки, соответствующие получасовому расходу тепла, при учетных периодах в 12 часов эти ошибки составили бы 4%. Все наблюдения записывали в протокол, куда заносились также данные, касающиеся ветра и дождя.
Во время опытов в конце декабря 1950 г. пришли к выводу, что непрерывная регистрация расхода электричества могла бы явиться способом для достижения достаточной точности. Так можно было бы вычертить непрерывную кривую расхода тепла и взять в основу расчетов период времени, длительность которого можно было бы выбрать таким образом, чтобы ошибка в теплоемкости, происходящая от колебании наружной температуры, была минимальной. Это очень важно, поскольку теплоемкость деревянных сооружений весьма велика. Кроме того, можно было бы получить детальную картину о действительном расходе тепла при различных обстоятельствах и в различные периоды суток, а также о влиянии солнечной радиации и ветра. Далее, представились бы возможности производить приблизительные расчеты теплоемкостного поведения опытных домов в периоды, когда происходили резкие колебания наружной температуры. В конце 1950 г. во всех трех опытных домах были установлены такие регистрирующие устройства (рис. 65, 66). Тот же метод был применен во всех домах, построенных впоследствии. Наряду с самозаписывающими приборами, были использованы для контроля обычные электросчетчики, показания которых записывались один раз в сутки.
В первые годы применялись записывающие амперметры или вольтметры, пока осенью 1952 г. не были получены самозаписывающие киловаттметры (рис. 67).
Методы измерения температуры
Вначале температура и относительная влажность воздуха регистрировались исключительно при помощи термогигрографов, которых имелось по одному в каждом доме и еще один на улице, примерно на высоте 2,5 м от земли в коробке (рис. 68, 69).
Термогигрографы, находящиеся в помещении, были расположены в середине комнаты и подвешены к потолку на высоте 1,5 м от пола. Элементы этих приборов были вначале защищены от возможного влияния радиации кусочками алюминизированного картона, однако таким образом, чтобы свободная циркуляция воздуха нарушалась возможно меньше.. Приборы записывали на один лист результаты за целую неделю.
Было отмечено, что точность термогигрографов вообще небольшая и что даже изменения температуры в пределах 2° не отражались в записях. Кроме того, скорость реагирования таких термогигрографов мала и они не способны следить за быстрыми колебаниями температуры, особенно в холод.
Для контроля рядом с термогигрографами на одинаковой .высоте имелись контрольные приборы. Па них собственно и опирались все исследования, так как точность и надежность термогигрографов была недостаточной. Для регистрации наружной температуры были поставлены лучшие приборы и были проведены частые контрольные записи показаний ртутных термометров. Поскольку не удавалось получить более точной регистраций? то в начальные годы пришли к выводу, что следует опираться на указанные записи.
Начиная с осени 1952 г., стали проводить исследования по увеличению точности производства температурных измерений. Для этой цели был использован электрический метод. При этом индикаторами были медно-константановые термоэлементы, импульсы которых сначала измерялись ручным гальванометром (рис. 70), а позже электронным записывающим аппаратом (рис. 71 и 72). Он был снабжен синхронным избирателем (рис. 73), благодаря чему за час удавалось вполне автоматически записывать температуру даже в ста различных точках. На зиму 1954/1955 г. удалось получить 16-точечный самозаписывающий аппарат, в котором индикаторами являются медные сопротивления. При помощи этого аппарата проводилась, в частности, запись наружной температуры один раз в час.
Измерение силы ветра
Во время первого периода исследований скорость ветра измерялась в течение дня через каждые 4 часа. Измерения производились анемометром примерно на расстоянии 10 м от дома II со стороны ветра и на высоте 2—2,5 м от поверхности земли. Так как характер расположения леса для всех трех опытных домов примерно одинаковый, то и данные измерения скорости ветра одинаково применимы для всех трех. Эти измерения показали, что в районе этих домов преобладал ветер небольшой силы. Для более точных исследований, начиная с 1952 г., применяют прибор, показанный на рис. 74. На его шкале, расположенной внутри здания (рис. 75), можно видеть направление и скорость ветра. Кролю того, с начала 1954 г. стали использовать прибор, сконструированный в лаборатории строительной техники, который непрерывно записывает на бумагу значение скорости и направление ветра (рис. 76).
Измерение тепловых потерь в опытных домах
Зима 1950/1951 г. В табл. 24—26 приведены показания счетчиков за период исследований 1950, 1951 г. Расход энергии подсчитан в киловатт-часах по отдельным этапам. Количество киловатт-часов, деленное на время в часах, дает среднюю мощность в киловаттах.
Эти значения мощности показаны графически на диаграмме рис. 77, где также показана кривая наружной температуры за то же время. Как мы видим, эти ломаные кривые мощности не являются непрерывными. В них имеются разрывы и более длинные ступени, что вызвано теми трудными условиями, в которых пришлось проводить опыты в указанную зиму. Из кривых также явствует, что для дома III имеются данные лишь за январь, так как дом был заселен в декабре. Рассматривая ломаные кривые, можно отметить, что расход тепла в разных домах не был одинаковым, хотя колебания наружной температуры были одинаковы для всех. Это объясняется главным образом различием теплоемкости отдельных домов. Например, у дома II расход тепла следовал гораздо легче за колебаниями наружной температуры, чем у дома I. Поскольку очень трудно расчетным путем определить теплоемкостное реагирование домов, то становится особенно ясным необходимость выбрать за основу расчетов периоды времени, которым предшествовала равномерная наружная температура в течение 1—2 суток. Из табл. 24—26 выявляются наиболее свободные от емкостного (капаситивного) влияния периоды времени, по которым определяются средние значения мощности в киловаттах, а также расход тепла в килокалориях (1 квт·ч = 860 ккал).
Для тех периодов времени, для которых показаний счетчика было слишком мало или они отсутствовали, прибегли к данным более точных самопишущих амперметров и вольтметров.
Для подходящих периодов времени были подсчитаны среднее напряжение и средняя сила тока. Омические сопротивления нагревателей в опытных домах были следующие:
- дом I — 47 и 47 ом, всего 23,5;
- дом II — 47,5; 47,0 и 92 ома, всего 18,8;
- дом III — 45,0; 45,0 и 46 ом, всего 15,1.
Сопротивление отопительных батарей не является постоянной величиной, а меняется в зависимости от температуры нагревательных спиралей и от напряжения тока. Влияние температуры было учтено измерением сопротивления отопительных батарей в горячем состоянии; изменения сопротивления при колебаниях температуры очень малы, и ими пренебрегали. Мощность переменного тока рассчитывалась по следующим формулам:
cos φ=1, так как нагреватели представляют собой чисто омическое сопротивление. Полученные таким образом значения умножались на отношение между длительностью фактической работы нагревателей и расчетным периодом; в результате получали среднюю мощность в киловаттах, а соответственно и значение теплопотерь в килокалориях в час.
Эти значения даны в табл. 27—29, причем принята во внимание также средняя наружная температура и Δt.
Все эти данные изображены в диаграммах рис. 59—63 в сопоставлении с данными последующих лет. Через отдельные точки проведены кривые для каждого случая.
В доме III-а был 1/II—3/II 1951 г. произведен ремонт. К внутренней стороне стены был добавлен один слой волокнистых плит толщиной 13 мм и слой опилок толщиной 15 см на верхнем перекрытии.
Из табл. 30 видны показания счетчика энергии и соответствующие значения тепловых, потерь.
В табл. 31 и 32 приведены теплопотери дома III-б по расчетным периодам с учетом наружной температуры.
Полученные таким образом расчетные точки изображены на диаграмме рис. 80.
Зима 1951/52 г. Измерения производились по тем же принципам, что и предыдущей зимой. Кроме домов I, II и III, в исследования был включен дом IV, построенный осенйо 1951 г.
Результаты изображены графически на диаграммах рис. 59—63. Измерения по дому I дали тот же результат, что и в предшествующую зиму. В доме II было произведено изменение. Слой изоляционных плит раумалевю был заменен более толстым (вариант II-б). В связи с этим расход тепла уменьшился.
Зима 1952/53 г. Факторами, усложняющими измерения, являются резкие перемены наружной температуры, сильный ветер или прямая солнечная радиация. Но так как измерения все-таки производились непрерывно в течение всей зимы и имелся самопишущий киловаттметр, было получено достаточное количество данных, которые были свободны от влияния указанных факторов.
Дом I. Расчетные результаты измерений приведены графически на рис. 78. На этом графике показаны также тепловые потери, измеренные ранее, а также рассчитанные теоретически. Как явствует из графика, разница между прежними и нынешними данными всего 0,8%. Эта разница настолько мала (того же порядка, что и точность измерений), что нынешние данные являются полным подтверждением ранее полученных. Это естественно, так как в доме ничего не было изменено и способ отопления оставался прежним.
Дом II. На графике рис. 60 представлены замеры, сделанные зимой 1952/53 г. Здесь же показаны результаты наблюдений зимой 1950/51 г. и 1951/52 г., а также соответствующие теоретические значения тепловых потерь. Измерения, проделанные зимой 1952/53 г. и зимой 1951/52 г., дают одинаковые результаты.
Дом III. Наблюдения за тепловыми потерями зимой 1951/52 г. изображены на графике рис. 61. Результаты более ранних измерений, а также теоретические значения тепловых потерь также приведены на графике рис. 61. При этом данные относятся к дому III-а, представляющему собой первоначальную конструкцию, к дому III-6 — с добавлением к стенам одного слоя волокнистых плит и 15 см опилок на верхнее перекрытие и к дому III-с — к нынешней конструкции (без обшивочного картона).
Как явствует из диаграммы, разница между вариантами III-6 и III-с очень незначительна (0,3%). Поэтому можно сказать, что обшивочный картон не имеет значения в таких конструкциях. Это и понятно, так как значение m для обшивочного картона не превышает 0,5 м2·час·град/ккал.
Дом IV. На графике рис. 62 представлены рассчитанные тепловые потери по измерениям зимой 1952/53 г. и зимой 1951/52 г., а также соответствующие теоретические кривые. По ним видно, что зимой 1952/53 г. тепловые потери были на 2% ниже, чем предыдущей зимой, несмотря на то, что способ отопления и методы измерения были те же. Причиной разницы является высыхание этого дома, который был построен поздней осенью 1951 г. в дождливую погоду, и соответствующее улучшение его теплоизоляционных свойств. Конструкция стен этого дома такова, что она всегда стремится удалить как можно быстрее скопившуюся в ней влагу через проветриваемую воздушную прослойку. Поскольку на наружной поверхности нет слоя плотного картона, влага из засыпки и волокнистых плит может беспрепятственно проходить в воздушную прослойку и далее в атмосферу. Наружная дощатая обшивка представляет собой достаточную защиту против наружной влаги.
Результаты этих измерений, являются ярким свидетельством того, насколько важно иметь проветриваемую воздушную прослойку с внешней стороны теплоизоляционного слоя.
Дом VI. На графике рис. 63 изображена кривая тепловых потерь дома VI-б без оконных проемов. Поскольку в этом доме ранее не проводились какие-либо измерения, то нет объекта для сравнений. Кроме того, на графике рис. 63 изображены теоретические тепловые потери Q0теор и Qтеор. Как уже было замечено в отношении других домов, имеется весьма большая разница между истинными и теоретическими значениями тепловых потерь. Причину этого явления решили изучить именно на доме VI-б, так как в нем не было окон и тем самым был исключен один затрудняющий фактор. Более подробное описание полученных результатов будет приведено ниже.
Зима 1953/54 г. Этой зимой были продолжены исследования тепловых потерь в домах I, II, IV и VI. Расположение нагревателей в домах I, II и IV было то же, что и предыдущей зимой. Поэтому в описании будет использован термин «точечное отопление», так как нагреватели расположены были в одном месте на полу. В доме VI перешли осенью 1953 г. к системе настенного отопления (см. описание конструкции здания). Результаты исследований приведены на графиках рис. 78—81.
По дому I результаты такие же, как в три предыдущие зимы.
Тепловые потери дома II возросли на 4—5% по сравнению с результатами наблюдений в течение зим 1951/52 и 1952/53 гг. Очевидно, причиной является значительная первоначальная неплотность конструкций, в которых утечки воздуха возросли еще больше.
В отношении дома IV результаты те же, что и в предыдущую зиму, т. е. новые конструкции стен и перекрытий оправдали возложенные на них надежды.
Зима 1954/55 г. Измерения производились в домах I, II, IV и VI. В доме I применялся тот же способ отопления, что и раньше, т. е. «точечное отопление». В домах II и IV применялось наряду с «точечным отоплением» отопление нагревателями, расположенными в четырех группах по углам, т. е. «угловое отопление». При этом отоплении применялись три различные температуры поверхностей нагревателей. В доме VI была та же система «стенного отопления», что и предыдущей зимой.
Главное внимание в исследованиях было обращено на взаимное сравнение точечного, углового и стенного способов отопления с учетом тепловых потерь и создания благоприятного комнатного климата. Результаты измерений тепловых потерь приведены на графиках рис. 82—87. Влияние указанных различных методов отопления на комнатный климат будет описано ниже.
По дому I результаты идентичны с данными за 4 предыдущие зимы.
По дому II с точечным отоплением: тепловые потери возросли на 6—7% по сравнению с зимой 1953/54 г. и до 12% по сравнению с данными 1951/52 и 1952/53 гг., причины этого были отмечены выше.
По дому IV с точечным отоплением: тепловые потери такие же, как и в три предшествующие зимы.
По дому VI — результаты описываются ниже отдельно.
Влияние размеров опытных домов на тепловые потери
Поскольку сооруженные на опытной площадке дома отличались друг от друга только своими размерами, представилась возможность сравнить влияние размеров дома на его тепловые потери. Если рассмотреть вопрос с точки зрения расхода тепла на единицу площади ограждений (стены и перекрытия), то размеры здания не имеют существенного значения. Зато.размеры дома имеют большое значение, если считать тепловые потери на единицу объема; удельный расход тепла на единицу объема зависит от отношения между площадью ограждений и кубатурой здания. На графике рис. 88 показано на примере домов V и VI-а влияние размеров такого типа здания на тепловые потери. Малое опытное здание дает слишком большие тепловые потери на единицу объема, что следует иметь вообще в виду при сравнении различных типов зданий.
График рис. 88 основан на следующих расчетах:
