Инженерный метод расчета теплоустойчивости ограждения

Наиболее распространен случай теплопередачи через ограждение, когда температура наружного воздуха изменяется, а температура внутреннего воздуха постоянна.

При правильных гармонических колебаниях температура на­ружного воздуха t_н изменяется около своего среднего значения t_но с периодом Т так, что в любой момент времени z, ч, ее величина равна:

(43)

где A_tн — максимальное отклонение температуры от ее среднего значения или амплитуда колебания температуры наружного воздуха. Первое слагаемое в формуле (43) неизменно во времени, а вто­рое определяет отклонение во времени t_н от t_но.

В инженерном методе для расчета периодических тепловых про­цессов удобно воспользоваться приближенным определением коэффи­циента теплоусвоения Y Вт/(м² •К) [ккал/(м² •ч•ºС)], как отношением амплитуды колебания теплового потока А_q Вт/м² [ккал/(м² •ч)] к ам­плитуде температуры A_t ,ºС.

В средней части однородного слоя достаточно большой толщины, где практически не сказывается влияние условий на поверхности, коэффициент теплоусвоения зависит только от свойств материала слоя. В пределах этой части (ее называют зоной «регулярных» коле­баний) величина Y равна коэффициенту теплоусвоения ма­териала S, Вт/(м²-К) Величина S связа­на с другими теплофизическими характеристиками материала зави­симостью:

(44)

При Т = 24 ч

(45)

При Т = 12 ч численный коэффициент в формуле (45) равен 0,72. С уменьшением периода в n раз величина S возрастает в n раз. Таким образом, по мере удаления от поверхности колебания в толще стремятся к «регулярным», т. е. таким, какими они были бы в бесконечной толще.

Слой материала около поверхности, в котором происходит пере­ход к регулярным колебаниям, называют активным. Его толщину определяют с помощью характеристики тепловой инерции (или ус­ловной толщины) слоя D_n. Характеристика D_n — величина безраз­мерная и равная:

D_n = R_n S_n (46)

где R_n—термическое сопротивление слоя, К м²/Вт (^еС-ч-м²/ккал); S_n — удельный коэффициент теплоусвоения материала слоя, Вт/(м² К) [ккал/(м² ч^ºС)].

Слоем резких колебаний принято считать слой, для которого D = 1,0 и толщина равна:

δ = λ/S. (47)

Слой меньшей толщины называют «тонким», а большей — «толс­тым». В этом делении есть определенная условность, так как факти­чески зона перехода к регулярным колебаниям захватывает слой, материала значительно большей толщины.

В той части ограждения, где происходят регулярные колебания, в пределах слоя толщиной δ располагается 1/8,9 длины волны, а амп­литуда температурных, колебаний уменьшается приблизительно в два раза.

В инженерном методе характеристику тепловой инерции D ис­пользуют для оценки теплоустойчивости ограждения и называют по­казателем тепловой массивности ограждения. Величина D для многослойного ограждения равна сумме D_n его отдельных материальных слоев:

D = D_n = R_nS_n. (48)

По­казатель D может быть использован лишь для приближенной оценки теплоинерционности многослойных конструкций. Несовпадение во времени колебаний теплового потока и температуры в отдельных сечениях ограждения в инженерном методе также не учитывается. Понятия «активный слой» или «слой резких колебаний» используют применительно к многослойным ограждениям для характеристики процесса в зоне нерегулярных колебаний, где его определение долж­но проводиться по более сложным зависимостям.

В инженерном методе (в отличие от аналитического), который рас­сматривается ниже, удобнее нумеровать слои в направлении рас­пространения температурной волны. При расчете коэффициента теплоусвоения в многослойных ог­раждениях учитывают только активную часть ограждения, которую захватывает слой резких колебаний (D = 1,0).

При определении Y_n произвольного сечения n в ограждении мо­гут встретиться следующие характерные случаи (на примере переда­чи температурных колебаний в сторону помещения).

1) Условная толщина однородного материального слоя n от за­данного сечения n* в конструкции ограждения равна или больше 1, т. е.D ≥ 1, тогда:

Y_n = S_n. (49)

2) Слой резких колебаний захватывает второй от заданной по­верхности материальный слой, т. е. только D_n + D_n+1 ≥ 1, тогда:

Y_n =( R_nS_n² + S_n+1)/(1+R_n S_n+1) (50)

3) Если слой резких колебаний захватывает третий, четвертый слои и т. д., т. е. D_n + D_n+1 < 1, тогда необходимо учесть влияние на Y_n всех материальных слоев, которые захвачены резкими коле­баниями. В этом случае:

Y_n =( R_nS_n² + Y_n+1)/(1+R_n Y_n+1) (51)

где Y_n+1 — коэффициент теплоусвоения части ограждения, начиная от поверхности п + 1 материального слоя. Эта величина должна быть так же определена, как Y_n по формуле (84) с заменой индексов «на n + 1, а n + I — на n + 2 в зависимости от того, сколько материальных слоев от сечения n + 1 захватывает слой резких колебаний.

4) Условная толщина всего ограждения меньше единицы, т. е. D_n< 1. Расчет ведут так же, как в третьем случае, а коэффициент теплоусвоения последнего n материального слоя в ограждении опре­деляют как:

Y_к =( R_кS_к² + α_в )/(1+R_к α_в) (52)

где α_в — коэффициент теплообмена на внутренней поверхности ог­раждения, который численно равен коэффициенту теплоусвоения внутренней поверхности ограждения при распространении темпера­турной волны в сторону помещения.

5) Если ограждение целиком или отдельный слой ограждения практически не обладает тепловой инерцией (например, окно, воз­душная прослойка в ограждении), то коэффициент теплоусвоения для них равен:

Y_n =Y_n+1/(1+R_n Y_n+1) (53)

где Y_n+1 в случае окна равен α_в, а в случае воздушной прослойки — коэффициенту теплоусвоения поверхности слоя, следующего за воз­душной прослойкой.

6) Если ограждение подвержено с обеих сторон воздействию пе­риодических температурных колебаний (внутренние конструкции, перегородки, междуэтажные перекрытия) и условная его толщина меньше двух, т. е. D_n < 2, то его делят на две части с одинаковыми условными толщинами. Расчет теплоусвоения ведут с каждой по­верхности до слоя т, в пределах которого прошла граница раздела — ось тепловой симметрии. Для поверхности слоя т коэффициент Y_m определяют по общей формуле (51), считая на оси симметрии ко­эффициент теплоусвоения равным нулю, поэтому:

Y_m =( R_mS_m² + 0)/(1+R_m 0) =R_mS_m² (54)

где S_m— коэффициент теплоусвоения материала слоя, через который прошла граница раздела; R_m — термическое сопротивление части слоя m до оси симметрии.

В случае, когда слой состоит из нескольких материальных вклю­чений, в расчетах следует пользоваться условным коэффициентом теплоусвоения, считая его равным средневзвешенной величине по площадям отдельных включений.

Лекция 6

Воздухопроницаемость конструкций здания и элементов вентиляционных систем. Характеристика и уравнение процесса. Воздушный режим здания. Гравитационное и ветровое давление. Источники загрязнения воздуха в гражданских зданиях. – 1 час

Воздушный режим здания и учет воздухопроницания в процессе теплопередачи через ограждения

Воздушным режимом здания называют совокупность факторов и явлений, определяющих общий процесс обмена воздуха между всеми его помещениями и наружным воздухом, включающий пере­мещение воздуха внутри помещений, движение воздуха через ограж­дения, проемы, каналы и воздуховоды, и обтекание здания потоком воздуха. Традиционно при рассмотрении отдельных вопросов воз­душного режима здания их объединяют в три задачи: внутреннюю, краевую и внешнюю.

Общая физико-математическая постановка задачи о воздушном режиме здания возможна лишь в самом обобщенном виде. Отдель­ные процессы весьма сложны. Описание их базируется на классиче­ских уравнениях переноса массы, энергии, импульса в турбулентном потоке.

С позиций специальности «Теплоснабжение и вентиляция» наи­более актуальны следующие явления: инфильтрация и эксфильтрация воздуха через наружные ограждения и проемы (неорганизованный естественный воздухообмен, увеличивающий теплопотери помещения и снижающий теплозащитные свойства наружных ограждений); аэра­ция (организованный естественный воздухообмен для вентиляции теплонапряженных помещений); перетекание воздуха между смеж­ными помещениями (неорганизованное и организованное).

Аэрация и перетекание воздуха в здании подробно рассматри­ваются в курсе «Вентиляция».

Воздухообмен в здании происходит под действием естественных сил и работы искусственных побудителей движения воздуха. Наруж­ный воздух поступает в помещения через неплотности ограждений или по каналам приточных вентиляционных систем. Внутри здания воздух может перетекать между помещениями через двери и неплот­ности во внутренних конструкциях. Внутренний воздух удаляется из помещений за пределы здания через неплотности наружных ограж­дений и по вентиляционным каналам вытяжных систем.

Естественными силами, вызывающими движение воздуха в зда­нии, являются гравитационное и ветровое давления. Температура и плотность воздуха внутри и снаружи здания обычно неодинаковы, в результате чего гравитационное давление по сторонам ограждений оказывается разным. За счет действия ветра на наветренной стороне здания создается подпор, а на поверхностях ограждений возникает избыточное статическое давление. На заветренной стороне образуется разряжение, и статическое давление оказывается пониженным. Таким образом, при ветре давление с внешней стороны здания отличается от давления внутри помещений.

Гравитационное и ветровое давления обычно действуют совместно. Воздухообмен под влиянием этих естественных сил трудно рассчи­тывать и прогнозировать. Его можно уменьшить, уплотняя ограж­дения, а также частично регулировать с помощью дросселирования каналов вентиляции, открыванием окон, фрамуг и вентиляционных фонарей.

Воздушный режим связан с тепловым режимом здания. Инфиль­трация наружного воздуха приводит к дополнительным затратам тепла на его подогрев. Эксфильтрация влажного внутреннего воз­духа увлажняет и снижает теплозащитные свойства ограждений. Положение и размеры зоны инфильтрации и эксфильтрации в здании зависят от геометрии, конструктивных особенностей, режима венти­лирования здания, а также от района строительства, времени года и параметров климата.

Между фильтрующимся воздухом и ограждением происходит теплообмен, интенсивность которого зависит от места фильтрации в конструкции ограждения (массив, стык панелей, окна, воздушные прослойки и т. д.). Таким образом, возникает необходимость в рас­четах воздушного режима здания: определении интенсивности ин­фильтрации и эксфильтрации воздуха и решении задачи теплопере­дачи отдельных частей ограждения при наличии воздухопроницания.