8. Теплопередача и теплоустойчивость ограждающих конструкций

Перенос тепла, влаги, воздуха в ограждениях и помещениях возникает только при разности температуры или давления в различных зонах помещений или участках ограждающих конструкций.

Перенос тепла в твердых материалах возникает при разности температур в различных его участках. При этом количество переносимого тепла Q пропорционально разности потенциалов.

Перенос влаги или воздуха зависит от структуры материала, в котором протекает этот процесс. Количество_переносимой влаги пропорционально разности между энергетическими уровнями внешнего потенциала и сопротивлением ее переносу, который создается внутри ограждения .

При постоянном распределении температуры или давления в ограждении оно находится в состоянии постоянного термодинамического равновесного обмена теплом (влагой, воздухом) с окружающей средой.

Перенос тепла оценивается по температурной шкале, которая отражает энергетический уровень или разность между этими уровнями в ограждении. Потенциал переноса зависит от влагосодержания материала и, в частности, от его гигроскопичности (сорбции).

Закономерности передачи тепла приводят к постоянному или изменяющемуся во времени распределению температур в ограждении или помещении. Характеристикой этого распределения служит температурное поле. Закономерность изменения температурного поля характеризуется изотермами (линиями равных температур).

Распространение тепла происходит путем теплопроводности, конвекции и излучения.

Теплопроводность – теплообмен между соприкасающимися частицами материала или структурными элементами среды. Характерен для твердых материалов, например, для бетона, кирпича и т.д.

Количество тепла Q,передаваемое теплопроводностью равно:

Q₁ = - λ grad t F τ, ккал (5)

здесь λ – коэффициент теплопроводности материала ограждения, показывает количество тепла, проходящее через 1м² плоской стенки толщиной в 1м из данного материала при разности температуры на ее внутренней и наружной поверхностях, равной 1⁰С, размерность λ, ккал / м² ч ⁰С );

grad t – изменение температуры в направлении, противоположном тепловому потоку, ⁰С;

F – площадь ограждения, м² ; τ – время передачи тепла в течение 1 ч;

знак „-„ означает, что тепловой поток всегда направлен в сторону понижения температур.

λ – зависит от :

- средней плотности материала (растет с увеличением плотности материала ρ),

- химико-минералогического состава образующих материала (например, на λ влияет повышенное количество песка в бетоне по сравнению с крупными заполнителями),

- влажности материала λ_ω = λ₀ + β ω, где ω – весовая влажность материала, % ;

β - коэффициент приращения теплопроводности на 1% влажности, например, для пенобетона β = 0,011; для керамзитобетона β = 0,005 .

Окончательное расчетное значение λ выбирается с учетом температуры наружного воздуха, относительной влажности внутреннего воздуха и влажностно - климатической характеристики района строительства. Строительная влага значительно снижает теплозащитные свойства наружных ограждений, особенно в первые годы эксплуатации зданий.

Конвекция – распространение тепла, возникающее в результате неравномерного нагревания отдельных поверхностей, а также между соприкасающейся поверхностью конструкции с движущейся газообразной (или жидкой) средой. Конвекция наблюдается в отапливаемых помещениях, ограждающих конструкциях с воздушными прослойками.

Количество тепла путем конвекции зависит от разности температур ∆t, площади ограждения F и времени передачи τ, т.е.:

Q₂ = f ( ∆t; v; F; τ ) (6)

Теплопередача излучением – распространение тепла через лучепрозрачную воздушную среду между различно нагретыми поверхностями конструкцией ограждения или помещения. Теплопередача излучением наблюдается при воздействии на здание солнечной радиации, а также в цехах металлургических и прочих «горячих» предприятий.

Количество тепла, передаваемое излучением равно:

Q₃ = f [( Т₁ – Т₂ ) с; F; τ] (7)

здесь - Т₁-Т₂ - разность абсолютных температур между излучающей и облучаемой поверхностями;

F – площадь поверхности излучения;

τ - время передачи;

с – относительная излучательная способность поверхности, 4,96 ккал/м²ч ⁰С. (в СИ - Вт/м² К ).

Данная закономерность относится и к серым телам, например, к асфальту, красному кирпичу и т.д.

Теплопередача - перенос тепла из среды с более высокой температурой в среду с меньшей температурой через разделяющее ограждение. Она включает:

а) тепловосприятие α_В - теплообмен между поверхностью ограждения и прилегающей к ней нагретой воздушной средой , например в отапливаемых помещениях при соприкосновении внутренней поверхности стены с внутренним воздухом;

б) α_Н – теплообмен между поверхностью ограждения и прилегающей к ней воздушной средой, например, при соприкосновении наружной поверхности стены с наружным воздухом.

Зависимость теплообмена между воздушной средой помещения и поверхностью ограждающей конструкции равна [6]

Q = α ( t_В – τ_В ) F τ , (8)

где Q - количество тепла, ккал;

t_В – τ_В – разность температур воздуха и поверхности ограждения, ⁰С;

F площадь поверхности ограждения,м²;

τ – время, ч;

α – коэффициент теплообмена, представляющий сумму коэффициентов передачи тепла конвекцией α_К и излучением α_λ , т.е.

α = α_К + α_λ , ккал / м²ч⁰С (9)

Сопротивление теплообмену определяют по формуле:

R = 1 / α , м²ч⁰С / ккал (10)

α – зависит от температурного режима внутренней поверхности ограждения и воздушной среды, его размеров, характеристики воздухообмена (аэрации) в помещении.

Сопротивление теплопередаче.

Теплозащитное свойство однородных ограждающих конструкций при постоянном установившемся тепловом потоке характеризуется требуемой величиной сопротивления R , которое должно быть равным или превышать нормируемое. Численное значение R находится как:

R = R_В n , (23)

где n – коэффициент, зависящий от положения наружной поверхности ограждающей конструкции по отношению к наружному воздуху.

Сопротивление теплопередаче увеличивается при уменьшении t_В – τ_В = ∆t^Н. Поэтому выбор параметра t_В –τ_В связан с экономичностью конструктивного решения ограждения.

Расчет теплоустойчивости ограждающей конструкции.

Свойство ограждения сохранять постоянство или ограничивать колебания температуры на внутренних поверхностях называют теплоустойчивостью. Теплоустойчивость характеризует степень затухания температурных колебаний в толще ограждения при прохождении через него теплового потока. От теплоустойчивости зависит постоянство температуры в помещении.

В современном строительстве при применении легких ограждений фактор теплоустойчивости имеет особое значение.

Число периодических тепловых волн в толще ограждения определяется безразмерной величиной D называемой показателем тепловой инерции ограждения. Тепловая инерция – мера интенсивности затухания колебаний температуры внутри теплофизически однородной конструкции ограждения представляет собой произведение термического сопротивления на коэффициент теплоусвоения s:

D = R s (24)

Коэффициент теплоусвоения представляет собой изменение теплового потока на поверхности ограждения при амплитуде колебания температуры этой поверхности, равной 1⁰С. Фактически это коэффициент теплообмена при передаче через ограждение периодических тепловых воздействий путем теплопроводности. Размерность его ккал / м² ч ⁰С.

Ограждающие конструкции считаются легкими при D ≤ 4; средней массивности при 4 < D ≤ 7 и массивными при D > 7.

Для многослойных ограждений показатель тепловой инерции находится по приближенной формуле:

D = R₁ s₁ + R₂ s₂ + ………+ R_n s_n (25)

где R_{1 ,} R₂, …..R_N - термическое сопротивление отдельных слоев ограждения;

s_1, s₂ , ……s_n - коэффициенты теплоусвоения материала отдельных слоев ограждения.

На коэффициент теплоусвоения поверхности ограждения решающее влияние оказывает материал, располагающийся в слое резких колебаний, который непосредственно прилегает к наружной поверхности ограждения. Толщина слоя резких колебаний обусловлен тем, что показатель тепловой инерции этого слоя равен 1, т.е.:

D = R s = s = 1. (26)

Отсюда, зная λ, можно найти толщину слоя резких колебаний. Этот способ определения слоя резких колебаний применим только для однородных ограждений (например, для стен шлакобетонных, кирпичных и т.п.). Для этого вида ограждений толщина слоя резких колебаний вычисляется как

δ_Р.К. = λ / s (27)

При определении коэффициента теплоусвоения поверхности ограждения в многослойных конструкциях, когда слой резких колебаний температуры распространяется на смежный, второй слой материала, пользуются формулой:

S_п = ( R₁S₁² + S₂ ) / ( 1+ R₁S₂ ) (28)

Здесь R₁ – термическое сопротивление первого слоя материала; S₁, S₂ –коэффициенты теплоусвоения соответственно первого и второго слоев ограждения; S_П – коэффициент теплоусвоения поверхности ограждения.

Достаточная теплоустойчивость помещения, т.е. относительное постоянство в нем температуры, может быть обеспечена и при легких панелях. Однако показатель тепловой инерции легких ограждений D = всегда меньше, чем массивных. Поэтому рекомендуется сопротивление теплопередаче легких ограждений с D = 2.1 увеличивать на 30%.

Слой резких колебаний , занимающий сравнительно небольшую часть общей толщины ограждения, определяет характер распространения периодических тепловых воздействий, так как он существенно влияет на усвоение тепла поверхностью ограждения. Отделка внутренней поверхности стены слоем плотной штукатурки или фактурный слой из плотных плит делает стену более теплоустойчивой по сравнению со стеной без плотного фактурного слоя. При штукатурке на относе, коэффициент ее теплоусвоения значительно снижается.

Тепловая радиация солнца периодически воздействует на ограждение летом. Расположение конструктивных слоев в ограждении, аналогичное рекомендуемому для зимних условий может привести к концу дня к большой аккумуляции тепла. В результате в вечерние и ночные часы тепло, излучаемое поверхностями помещения, создаст в нем тепловой дискомфорт. Поэтому в южных районах предпочтительно применять наружный фактурный слой из плотных материалов с высоким коэффициентом отражения.

Теплоустойчивость ограждений (стен, покрытий и др.) при воздействии на них солнечной радиации в летнее время рассчитывается для летних температур. Проверка на теплоустойчивость проводится на основе сравнения расчетного и нормируемого показателя тепловой инерции D .

Расчеты многослойных ограждений показывают, что большее затухание температуры на внутренней поверхности ограждения наблюдается в случае, когда материал с высоким коэффициентом теплоусвоения располагается с внутренней стороны ограждения. При расчетах летнего прогрева коэффициенты теплоусвоения определяются для наружных поверхностей всех слоев ограждения; нумерация слоев ведется от внутренней поверхности ограждения и вычисление коэффициента теплоусвоения начинается с поверхности первого слоя, обращенного в помещение. Наиболее слабой частью ограждения является остекление.

Требуемое сопротивление теплопередаче окон и фонарей приводится в СНиП 2.01.01-82.