1.3. Теплопередача через ограждения

В условиях установившегося теплового состояния, когда внутренняя и наружная температуры и другие характеристики процесса остаются неизменными во времени, тепловой поток Q_1, воспринятый внутренней поверхностью ограждения, будет равен тепловому потоку Q₂, проходящему через толщу ограждения, и тепловому потоку Q₃, отдаваемому наружной поверхностью:

Q₁₌ Q₂₌ Q₃₌ Q (1.16)

Общая формула для определения потока тепла Q, теряемого помещением через данное ограждение, может быть получена в виде:

Q = (t_в- t_н)·F = (t₁- t₂)·F (1.17)

Поток тепла последовательно преодолевает сопротивления тепло­обмену на внутренней поверхности R_В, теплопроводности материала ограждения R_T и теплообмену на наружной поверхности R_H, поэтому с учетом выражения (1.8) общее сопротивление теплопередаче через ограждение R_О равно сумме этих сопротивлений, т. е.

R_О = R_В + R_T + R_H (1.18).

Если ограждение состоит из нескольких плоских слоев материала, расположенных перпендикулярно направлению, теплового потока (например, внутренняя штукатурка, кирпичная стена, наружная штукатурка), то термическое сопротивление всей толщи ограждения R_T будет равно сумме термических сопротивлений отдельных слоев ограждения R_n:

R_T = Σ R_n (I.19)

В общем случае сложного многослойного ограждения с воздушной прослойкой

(см. рис. 1.5, б) общее сопротивление теплопередаче через ограждение равно:

R_О= R_В + Σ R_n+ R_В·П + R_H (1.20)

Коэффициент теплопередачи ограждения К (величина, обратная R₀) в общем случае равен:

(1.21)

где δ_n и λ_n — толщины слоев ограждения и теплопроводности их материалов.

Из рассмотрения единиц величин можно установить следующее.

Коэффициент теплопередачи ограждения К есть величина, численно равная тепловому потоку в ваттах, проходящему в стационарных условиях через 1 м² площади ограждения при разности температур внутреннего и наружного воздуха 1°С [Вт/(м^{2 о}С)].

Сопротивление теплопередаче ограждения R_О численно равно такой разности температур внутреннего и наружного воздуха в градусах Цельсия, которая обеспечивает прохождение через 1 м² площади ограждения теплового потока в 1 Вт [°С·м²/Вт].

1.5. Значения основных характеристик теплопередачи через ограждения

Для теплотехнического расчета ограждения необходимо иметь значения характеристик, определяющих процесс передачи тепла. Основными характеристиками являются: теплопроводность мате­риала отдельных слоев ограждения, коэффициенты теплообмена на поверхностях ограждения и термическое сопротивление воздуш­ной прослойки.

Теплопроводность λ, Вт/(м·°С), строительных материалов может изменяться в широких пределах.

Теплопроводность скелета материалов неорганического происхождения

составляет 4,6—7 Вт/(м °С) и более, теплопроводность:

воздуха – 0,023 Вт/(м °С),

воды - 0,58 Вт/(м·°С),

льда - 2,3 Вт/(м·°С).

С увеличением плотности строительного материала его теплопроводность увеличивается. Это объясняется в основном уменьшением доли объема, занимаемого воздухом, и увеличением доли объема, занимаемого скелетом материа­ла, который имеет более высокую теплопроводность.

С повышением влажности материала, когда влага заполняет объем в порах, вытесняя воздух, происходит значительное увели­чение его теплопроводности, так как теплопроводность воды, равная 0,58 Вт/(м·°С), в 25 раз больше теплопроводности воздуха.

С повышением температуры теплопроводность отдельных строительных материалов может возрастать или понижаться. Особенно резкое изменение теплопроводности происходит при переходе температуры через нуль. При понижении температуры ниже нуля большая часть влаги, содержащейся в материале, превращается в лед, который имеет теплопроводность 2,3 Вт/(м·°С), т. е. в 4 раза большую теплопроводности воды. В связи с этим при понижении температуры ниже 0°С теплопроводность влажных материалов почти всегда возрастает.

Расчетные значения λ, и s принимают при условиях эксплуатации А, если здание расположено в сухой зоне территории страны и относительная влажность воздуха в помещении не превышает 60% или в нормальной влажностной зоне при относи­тельной влажности воздуха в помещении ниже 50%.Во всех остальных случаях расчетные значения λ и s принимают при условиях эксплуатации Б.

К о э ф ф и ц и е н т ы теплообмена на внутренней α_В и наружной α_Н поверхностях ограждения зависят от условий конвективного и лучистого теплообмена на этих поверхностях.

Коэффициент конвективного теплообмена на внутренней верти­кальной поверхности можно определить по формуле

α_к=1,66 (1.33)

Коэффициент лучистого теплообмена для обычного случая теплопередачи может быть вычислен, согласно выражениям (1.4) и (1.5), по формуле

,

где с_пр – приведенный коэффициент излучения

Конвективный теплообмен на наружной поверхности ограждения определяется в основном скоростью обдувания поверхности ветром и направлением движения воздуха относительно поверхности.

При направлении ветра вдоль поверхности α_к определяют по формуле

α_к= 5,8υ^0,8 l^-0,2 (1.37)

где υ – скорость ветра, м/с;l - характерный размер поверхности в направлении движения воздуха, м.

Для расчета теплообмена на поверхности наружных стен при лобовом обдувании ветром рекомендуется пользоваться формулой

α_к= 11,6 (1.38)

В СНиП указаны значения коэффициентов теплообмена, принимаемые при обычных расчетах. Для внутренних плоских поверхностей всех ограждений независимо от назначения помещении принято значение α_в= 8,7 Вт/(м²·^оС) (R_В = 0,115 м²·^оС/Вт).

Для наружных поверхностей, непосредственно соприкасающихся с наружным воздухом, принято значение α_н =23,2 Вт/(м²·^оС) (R_н =0,043 м²·^оС/Вт). Для наружных поверхностей, которые непосредственно не обдуваются ветром, принимают следующие значения α_н:

для поверхностей перекрытий, выходящих на чердак, 11,6 Вт/(м²·^оС);

для поверхностей перекрытий, выходящих в подвал, 5,8 Вт/(м²-°С).